金屬熱處理殘余應(yīng)力與開裂失效相關(guān)性的分析

李永祥 方健

摘要：熱處理是金屬材料加工的主要工藝環(huán)節(jié)，能夠有效提升金屬材料制作產(chǎn)品的質(zhì)量與使用壽命，滿足金屬材料零構(gòu)件加工制作需求。在實(shí)際過程中，對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理，會(huì)在金屬內(nèi)部留下殘余應(yīng)力，引起金屬制作表面開裂等問題。因此，本次研究根據(jù)金屬熱處理及殘余應(yīng)力本身，對(duì)金屬熱處理殘余應(yīng)力與開裂時(shí)效之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，把握這一相關(guān)性，提出針對(duì)殘余應(yīng)力、開裂失效的應(yīng)對(duì)措施，有效解決這一問題，提升金屬熱處理加工對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也為金屬加工行業(yè)的發(fā)展提供有價(jià)值的參考資料。

關(guān)鍵詞：金屬;熱處理;殘余應(yīng)力;開裂失效;相關(guān)性

隨著現(xiàn)代工業(yè)制造業(yè)的快速發(fā)展，各個(gè)行業(yè)對(duì)金屬材料的需求量逐漸增加，對(duì)金屬產(chǎn)品的品質(zhì)與性能要求也日益提高，如何提升金屬產(chǎn)品的整體品質(zhì)，滿足人們的需求，是進(jìn)一步提升工業(yè)制造業(yè)水平的主要方向。在實(shí)際過程中，金屬的熱處理是極為重要的環(huán)節(jié)，也是促使金屬內(nèi)部產(chǎn)生熱處理殘余應(yīng)力的環(huán)節(jié)，殘余應(yīng)力的存在容易引起金屬產(chǎn)品表面的開裂失效，降低金屬產(chǎn)品品質(zhì)。工作人員要加強(qiáng)對(duì)熱處理殘余應(yīng)力與開裂失效的之間關(guān)系的把握，靈活運(yùn)用這層關(guān)系，加強(qiáng)對(duì)金屬件的處理力度，精準(zhǔn)調(diào)整參數(shù)，靈活實(shí)用技術(shù)，從而改善表面開裂失效情況[1]。

一、金屬熱處理及殘余應(yīng)力概述

金屬材料的熱處理是常見的金屬加工工藝，具體程序包括：退火、正火、淬火、回火，需要控制金屬材料加熱到溫度臨界點(diǎn)，暫緩一段時(shí)間之后繼續(xù)進(jìn)行加工處理。通過熱處理工藝，能夠有效提升金屬材料的整體性能，一些網(wǎng)狀碳化物、細(xì)小的顆粒物會(huì)殘留在金屬上，消除金屬的內(nèi)部應(yīng)力，從而提升金屬材料的強(qiáng)度與韌性，促使其能夠滿足工業(yè)制造業(yè)中的不同零部件加工需求。采用熱處理工藝，還可以有效提升金屬材料的力學(xué)性能，輔助材料更換的抵御局部變形情況，減少開裂[2]。

殘余應(yīng)力就是指金屬材料通過熱處理工藝之后，熱應(yīng)力與相變應(yīng)力疊加之后形成的應(yīng)力，也可以稱為內(nèi)應(yīng)力。殘余應(yīng)力可以細(xì)化分為宏觀殘余應(yīng)力與微觀殘余應(yīng)力，前者會(huì)引起金屬材料的變形，后者會(huì)作用于金屬內(nèi)部。殘余應(yīng)力是金屬經(jīng)過熱處理之后仍然保留在金屬材料內(nèi)部的應(yīng)力，在不同的熱處理加工條件之下，其呈現(xiàn)出不同的情況，是一種極為不穩(wěn)定的因素，會(huì)降低金屬的抗疲勞性能、抗開裂性能，縮短金屬材料的使用周期。

二、金屬熱處理殘余應(yīng)力與開裂失效相關(guān)性

根據(jù)上述概述可以看出，殘余應(yīng)力是金屬熱處理加工之后殘留的不穩(wěn)定因素，其會(huì)引起金屬材料抗開裂性能的降低，也就是會(huì)引起金屬材料表面出現(xiàn)裂縫與開裂失效的情況。關(guān)于熱處理殘余應(yīng)力與開裂失效之間的內(nèi)在相關(guān)性，可以分別從如下兩方面來看。

一方面，殘余應(yīng)力會(huì)引起金屬材料的開裂失效。在實(shí)際過程中，熱處理殘余應(yīng)力引起金屬材料的開裂失效，其原因是多樣的，從拉應(yīng)力的角度來看，當(dāng)金屬材料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，會(huì)出現(xiàn)多向應(yīng)力同時(shí)存在的局面，若其中的最大應(yīng)力為拉應(yīng)力，則金屬材料會(huì)出現(xiàn)開裂失效。從殘余應(yīng)力的體系角度來看，與其他的體系一樣，殘余應(yīng)力的體系也存在臨界值，若金屬材料所承受的應(yīng)力總值小于臨界值，則不會(huì)出現(xiàn)開裂;若金屬材料所承擔(dān)的應(yīng)力總值大于臨界值，則會(huì)出現(xiàn)開裂。從材料角來看，不同金屬的金屬材料其內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力的情況不同，也會(huì)出現(xiàn)不同的開裂情況。一般情況下，純金屬很少會(huì)由于殘余應(yīng)力出現(xiàn)開裂，而合金這一金屬材料則極容易出現(xiàn)開裂，這是由于合金中存在各種微小偏析成分。由此可見，存在越多雜質(zhì)的金屬材料越容易由于殘余應(yīng)力而出現(xiàn)開裂的情況[3]。

另一方面，金屬熱處理殘余應(yīng)力引起的開裂，由于不同的殘余應(yīng)力情況會(huì)出現(xiàn)不同的開裂影響。在金屬產(chǎn)品的使用過程中，其承受的工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加，會(huì)促使金屬產(chǎn)品的殘余應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)二次變形的情況。且金屬產(chǎn)品使用過程中，會(huì)受到工作環(huán)境中溫度因素、介質(zhì)因素與殘余應(yīng)力的影響，促使金屬產(chǎn)品的抗開裂能力、抗腐蝕能力有所下降。從拉應(yīng)力角度來看，拉應(yīng)力是開裂的必然條件，拉應(yīng)力引起的裂紋擴(kuò)展速度會(huì)直接影響金屬材料的開裂失效;若拉應(yīng)力較大，則會(huì)加速金屬材料的裂紋產(chǎn)生，促使金屬材料發(fā)生開裂?？梢哉f，拉應(yīng)力越大，金屬材料的使用周期較短。從殘余應(yīng)力角度來看，金屬材料表面殘余應(yīng)力控制裂紋的萌生，對(duì)于金屬的開裂失效具有重要影響。局部應(yīng)力是外部應(yīng)力與殘余應(yīng)力的總和，若局部應(yīng)力對(duì)于臨界值，則金屬產(chǎn)品不會(huì)開裂，若局部應(yīng)力超過臨界值，則會(huì)發(fā)生開裂;若殘余應(yīng)力大于負(fù)荷應(yīng)力，也會(huì)引起金屬材料的開裂失效。

三、金屬熱處理殘余應(yīng)力與開裂失效相關(guān)性對(duì)策

（一）加強(qiáng)對(duì)金屬件的處理

為了利用殘余應(yīng)力與開裂失效相關(guān)性，提升金屬產(chǎn)品質(zhì)量，建議要加強(qiáng)對(duì)金屬件的處理，優(yōu)化設(shè)計(jì)金屬材料的加工工藝流程。在這一環(huán)節(jié)，工作人員要充分考慮多種因素，分析熱處理引起的形變問題，采用校直的方法應(yīng)對(duì)工件變形。若不能夠依靠校直方法處理，則需要保證金屬工件具備充足的加工余量，避免出現(xiàn)由于熱處理不當(dāng)引起的工件變形。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要在滿足金屬工件加工目標(biāo)的情況下，適當(dāng)保留截面力量的均勻分布，避免在熱處理之后出現(xiàn)內(nèi)部殘余應(yīng)力分布不均勻的情況[4]。

（二）精準(zhǔn)調(diào)整參數(shù)與技術(shù)

為了利用殘余應(yīng)力與開裂失效相關(guān)性，提升金屬產(chǎn)品質(zhì)量，建議要保證熱處理工藝參數(shù)的精準(zhǔn)性，加強(qiáng)對(duì)冷卻技術(shù)的應(yīng)用。熱處理工藝技術(shù)參與包括加熱速度、加熱溫度、保溫時(shí)間與冷卻速度，工作人員需要計(jì)算金屬加工工件的厚度，根據(jù)加工目標(biāo)的性能需求，選擇合適的冷卻速度與保溫速度，保證金屬材料能夠在被制作成為工件的過程中有均勻的組織轉(zhuǎn)變時(shí)間，適當(dāng)降低金屬工件中的殘余應(yīng)力留存量。之后，要加強(qiáng)對(duì)冷卻技術(shù)的使用，可以根據(jù)金屬材料的尺寸、微觀原子結(jié)構(gòu)、金屬材料的材質(zhì)（合金、純金屬、含纖維金屬等）選擇不同的冷卻技術(shù)[5]。

（三）采取殘留應(yīng)力的解決措施

為了利用殘余應(yīng)力與開裂失效相關(guān)性，提升金屬產(chǎn)品質(zhì)量，要采取針對(duì)性措施適當(dāng)減少金屬材料中的殘余應(yīng)力，以此降低發(fā)生開裂失效的概率。在金屬的熱處理環(huán)節(jié)，由于多種因素影響會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部殘余應(yīng)力，大量的殘余應(yīng)力積聚會(huì)破壞金屬表面保護(hù)膜，引起金屬的變形與開裂，造成不必要的浪費(fèi)。為了解決這一問題，工作人員可以在加工環(huán)節(jié)適當(dāng)在金屬材料中加入不同性質(zhì)的合金元素;還可以對(duì)金屬材料本身的缺陷進(jìn)行處理，解決實(shí)際問題。另外，工作人員還要對(duì)熱處理過程中的溫度、環(huán)境濕度等進(jìn)行控制。

結(jié)語：

綜上所述，金屬熱處理殘余應(yīng)力是引起金屬產(chǎn)品表面開裂失效的主要原因，也會(huì)降低金屬產(chǎn)品的整體質(zhì)量。在金屬熱處理環(huán)節(jié)，殘余應(yīng)力一種金屬材料的不穩(wěn)定狀態(tài)，且金屬材料類型不同、加工條件不同、熱處理工藝不同，所引起的殘余應(yīng)力也會(huì)發(fā)生變化。這就需要工作人員結(jié)合金屬熱處理的具體工藝與情況，把握殘余應(yīng)力與開裂失效之間的關(guān)系，精準(zhǔn)調(diào)整熱處理的工藝參數(shù)，對(duì)殘余應(yīng)力采取針對(duì)性解決措施，有效減少材料的浪費(fèi)，提升金屬加工生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]周永強(qiáng).35CrMo鋼圓柱銷縱向開裂原因分析[J].金屬熱處理，2021，46（04）：239-242.

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[3]戚玉軒.金屬材料熱處理過程變形及開裂問題分析[J].冶金與材料，2020，40（05）：168-169.

[4]張均紅.淺析金屬材料熱處理過程變形及開裂問題[J].中國金屬通報(bào)，2020（09）：172-173.

[5]趙梅春，孫志輝.金屬材料熱處理變形及開裂問題研究[J].世界有色金屬，2019（15）：148+150.