金屬材料和熱處理工藝的相關性

王錦波

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照 276800）

考慮到金屬材料自身具備耐久性、硬度以及疲勞性的特點，利用熱處理工藝對金屬材料進行加工，能夠有效的改變金屬材料的機械性能[1]。我國對金屬材料和熱處理工藝的研究起步較早，早在4000多年前就有使用熱處理工藝對金屬材料進行熱加工的經(jīng)驗，通過熱處理工藝改變金屬材料中原子排列的方式，可達到提高金屬材料硬度以及增加金屬材料使用壽命等目的，取得了一定的研究成果，并于1960年獲得兩項專利，能夠在提高金屬材料質量的同時，取得一定的經(jīng)濟效益。

為此，本文進行金屬材料和熱處理工藝的相關性分析。在金屬材料和熱處理工藝的相關性分析中，本文主要針對熱處理工藝中的退火工藝進行重點分析。希望通過本文研究，為金屬材料綜合性能的提升提供理論依據(jù)。

1 金屬材料和熱處理工藝的相關性

1.1 熱處理預熱和金屬材料的切削性能所存在的關系

考慮到熱加工過程中存在的冶金缺陷，必須對各類金屬材料進行預熱處理，在具備熱處理以及切削加工良好組織狀態(tài)的同時，最大限度上保障金屬材料加工的精度，提高切削性能。在金屬材料切削過程中，對金屬材料進行預熱處理會導致金屬材料出現(xiàn)不同程度的光潔度[2]。通過熱處理工藝中的預熱處理能夠提高金屬材料的光潔度。針對不同的金屬材料進行預熱處理中，由于金屬材料內(nèi)部組織以及硬度的不同，必須明確與其一一對應的最佳切削性能，選擇與之匹配的切削條件以及切削使用工具，提高金屬材料切削光潔度。因此，在切削金屬材料熱處理過程中，不經(jīng)過預熱處理的金屬材料，很容易由于硬度偏低產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象。本文通過對金屬材料進行預熱處理，進一步判斷金屬材料和預熱處理存在的切削性能關系。分析金屬材料和預熱處理存在的切削性能關系，明確經(jīng)過預熱處理后的金屬材料無論是抗拉強度、屈服強度還是硬度，均與未經(jīng)過預熱處理的金屬材料對比具有明顯的提高。因此，金屬材料和預熱處理存在的切削性能呈正比關系，通過預熱處理增強金屬材料的切削性能。

1.2 熱處理溫度和金屬材料切邊橫量所存在的關系

切邊衡量作為衡量金屬材料力學性能的重要指標之一，可以通過金屬材料在受熱處理彈性變形剪切應力作用下得出[3]。利用對切邊衡量關系的分析，可以對金屬材料抵抗切應變能力進行表征，金屬材料抵抗切應變的能力越強，證明該金屬材料的剛性就越強。由于熱處理溫度的不同，熱處理對金屬材料本身物理性質的改變也不盡相同。因此，金屬材料溫度在經(jīng)過熱處理后必然會產(chǎn)生一定程度上的變化。在金屬材料和熱處理溫度存在的切邊衡量關系研究中，本文以切邊模量作為衡量金屬材料和熱處理工藝溫度存在切邊衡量關系的參數(shù)，通過對切邊模量進行計算，進而判斷金屬材料和熱處理溫度存在的切邊衡量關系。設切邊模量為G，則其計算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，E指的是金屬材料的彈性模量；U指的是金屬材料切邊產(chǎn)生的先天性誤差；C指的是熱處理溫度。設E為自變量，而其他參數(shù)保持不變時，G也會隨之發(fā)生變化。金屬材料的彈性模量越大，金屬材料的切邊模量數(shù)值越大，金屬材料的彈性模量和切邊模量之間同樣為正比例增長關系。結合表1、表2數(shù)據(jù)，在選用金屬材料進行工業(yè)生產(chǎn)過程中，必須對金屬材料的切邊模量利用公式（1）進行計算，在得出精確地彈簧模量的基礎上，確定金屬材料切邊的使用模量。因此，影響金屬材料內(nèi)部原子間結合力的主要因素，包括：金屬材料內(nèi)部組織、成分以及熱處理溫度等。

1.3 熱處理溫度和金屬材料斷裂韌性所存在的關系

熱處理工藝中的退火工藝是影響金屬材料斷裂韌性的直接因素，在實際工作中，每一件金屬材料自身的尺寸以及裂紋，都可以看作是斷裂力學的出發(fā)點。金屬材料和退火工藝存在的斷裂韌性關系只要指的就是通過對金屬材料退火，達到消除內(nèi)應力以及降低硬度的目的，致力于得到近乎平衡的金屬內(nèi)部組織。本文采用球化退火類型，球化退火類型具體工藝參數(shù)，如表1所示。

表1 球化退火類型參數(shù)

結合表1信息可知，退火工藝與金屬材料之間的斷裂韌性關系主要依據(jù)金屬材料自身的臨界點，當溫度達到臨界點再退去之后，金屬材料中位錯會明顯減少，導致位錯密度下降，從而提高金屬材料的強度。這樣一來，能夠有效提高金屬材料的斷裂韌性。由于使用不同退火工藝進行退火，在加熱過程中金屬材料內(nèi)部組織發(fā)生回復再結晶轉變，很容易影響金屬材料的斷裂韌性。因此，需要延長保溫時間，直至碳化物逐漸溶入基體中，金屬材料的強度以及伸長率都處于上升狀態(tài)，且均勻彌散在晶粒內(nèi)部。通過退火工藝處理后再結晶獲得金屬材料內(nèi)部組織的細化，此時，由于碳化物的固溶，迫使金屬材料的斷裂韌性達到最大，進而提高金屬材料的斷裂韌性。

1.4 熱處理應力和金屬材料應力腐蝕所存在的關系

利用退火工藝能夠在焊接過程中減少金屬材料產(chǎn)生的殘余應力，最大程度上避免引起大部分應力腐蝕開裂的應力。在使用退火工藝對金屬材料進行加熱和加熱冷卻的時候，通過改變金屬材料內(nèi)部的性能和組織，產(chǎn)生金屬材料的相變以及熱應力。本文采用亞溫退火、周期球化退火以及等溫球化退火三種退火工藝分析熱處理應力和金屬材料應力腐蝕所存在的關系。退火工藝具體參數(shù)，如表2所示。

表2 退火工藝具體參數(shù)

結合表2信息，在利用退火工藝對金屬材料進行冷卻的過程中，由于金屬材料的心部和表層冷卻速度的不同，產(chǎn)生的熱應力大小也隨之改變。當金屬材料的心部在冷卻時，其溫度必須高于表層溫度；當金屬材料的表層在冷卻時，表層面積必須大于心部。殘余應力就是金屬材料退火工藝的相對應力以及熱應力相疊加的結果，退火工藝中金屬材料的冷卻速度是一個決定性的影響因素。利用退火工藝在冷卻后期進行緩冷，其目的在于能夠達到抑制金屬材料淬裂或是減少金屬材料應力值，在提高金屬材料截面中心部位截面溫差的同時，盡可能的減少金屬材料冷卻收縮的速度。通過激活原子，使其能夠按照金屬材料冷卻收縮的速度進行遷移，提高金屬材料的抗腐蝕性。

2 結語

通過對金屬材料和熱處理工藝的相關性研究，發(fā)現(xiàn)熱處理工藝在金屬材料中的應用顯得越來越重要。利用熱處理工藝對金屬材料進行加工是提高金屬材料力學性能最實用和最可靠的方法。金屬材料的力學性能是衡量金屬材料質量的關鍵因素。因此，有必要加大對熱處理工藝的研究投入，尤其是針對熱處理工藝中的退火工藝，更應加大研究力度，致力于提高金屬材料的斷裂韌性以及抗腐蝕性。截止目前，國內(nèi)外針對金屬材料和熱處理工藝的相關性研究仍存在一定的局限性，缺少專業(yè)性極強的配套試驗研究裝置，因此在后期的行業(yè)市場調研過程中，可通過進行配套試驗研究裝置的優(yōu)化設計，提高熱處理工藝的設備質量。但本文唯一不足之處在于，沒有針對退火工藝對金屬材料的具體影響進行深入分析。相信這一點，可以成為金屬材料日后重點研究的內(nèi)容。