金屬材料與熱處理工藝關系的探討

【摘 要】本文以實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)為依據(jù)，客觀分析了熱處理工藝中預熱、溫度及應力與金屬材料組織、性能等之問的關系。

【關鍵詞】金屬材料：熱處理；關系

工業(yè)生產(chǎn)中，許多金屬材料為最大限度地發(fā)揮材料潛力，需要提高其機械性能。在設計工作中，正確制定熱處理工藝可以改變某些金屬材料的機械性能。而不合理的熱處理條件，不僅不會提高材料的機械性能，反而會破壞材料原有的性能。因此，設計人員在根據(jù)金屬材料成分及組織確定熱處理的工藝要求時，應準確分析金屬材料與熱處理工藝的關系，合理安排工藝流程，才能得到理想的效果。

一、金屬材料結(jié)構及基本組織

在工業(yè)生產(chǎn)中，廣泛使用的金屬有鐵、鋁、銅、鉛、鋅、鎳、鉻、錳等。但用得更多的是它們的合金。金屬和合金的內(nèi)部結(jié)構包含兩個方面：其一是金屬原子之間的結(jié)合方式；其二是原子在空間的排列方式。不同的熱處理條件會產(chǎn)生不同的材料性能改變效果，下面就金屬的材料的某些性能來分析其與熱處理工藝的關系，以便更好的提高材料的機械性能。

二、金屬材料與熱處理工藝的關系

（一）金屬材料的切削性能與熱處理預熱的關系

金屬材料加工的整個工藝流程中，如果切削加7-7-藝與熱處理工藝之間能相互溝通，密切配合，對提高產(chǎn)品質(zhì)量將有很大好處。預先熱處理主要是應用于各類鑄、鍛、焊工件的毛坯或半成品消除冶金及熱加工過程產(chǎn)生的缺陷，并為以后切削加工及熱處理準備良好的組織狀態(tài)。從而保證材料的切削性能、加工精度和減少變形。提高零件的切削性能。各種材料的最佳切削性能都對應有一定的硬度范圍和金相組織。齒坯材料在切削加工中，當齒柸硬度偏低時會產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，在前傾面上形成積屑瘤，使被加工零件的表面光潔度降低。而對齒坯材料進行正火+不完全淬火處理，切屑容易碎裂，形成粘刀的傾向性減少。經(jīng)固溶處理和時效強化后的鋁合金，比鑄態(tài)或壓力加工狀態(tài)的切削性能好。所以鋁合金通常都是先經(jīng)強化處理（固溶處理+時效；時效），再切削加工。晶粒細小、均勻的組織，不僅改善了切削性能，提高了機械加工精度。

（二）金屬材料的切邊橫量與熱處理溫度的關系

切變模量是材料的力學性能指標之一，是材料在剪切應力作用下，在彈性變形比例極限范圍內(nèi)，切應力與切應變的比值。它表征材料抵抗切應變的能力，模量大，則表示材料的剛性強。通過熱處理，可以改變材料的性能，同時，材料本身的物理性質(zhì)也發(fā)生改變，切邊模量應該也隨之變化。從而導致了彈簧的實際伸長量與設計計算的伸長量存在著一定的誤差。筆者結(jié)合相關實驗，分析了熱處理與金屬材料切邊模量變化的關系。工業(yè)生產(chǎn)中在選用彈簧鋼進行彈簧設計計算時，要用到材料的切邊模量和彈簧模量。如果按傳統(tǒng)設計資料中給出的切邊模量取值，通常計算的彈簧變形量和實際測得的彈簧變形量有較大的誤差。這是因為加工后的成品彈簧，由于材料彈性模量的大小是由原子間的結(jié)合力決定的，所以凡是影響原子間結(jié)合力的因素都會影響彈性模量的大小。合金成分和組織、溫度、形變強化都會對原子間的結(jié)合力產(chǎn)生影響，所以經(jīng)過熱處理后材料溫度發(fā)生了變化，即材料彈性模量發(fā)生變化。同時，切邊模量G與彈性模量E存在以下關系式：G=E/2（1+u），當其他因素不變時，E變化必然導致G的變化。因此，筆者認為，在對特性線要求較高的彈簧進行設計計算時，不應按照傳統(tǒng)資料的給定值進行設計，應根據(jù)彈簧的服役條件，如工作溫度、載荷等等確定。只要在相應的回火溫度和硬度要求范圍內(nèi)選取切變模量即可。

（三）金屬材料的斷裂韌性與熱處理溫度的關系

提高金屬斷裂韌性的關鍵是要減少金屬晶體中位錯，使金屬材料中的位錯密度下降，從而提高金屬強度。細晶強化是減少金屬晶體中位錯的一種重要方法，其原理是通過細化晶粒使晶界所占比例增高而阻礙位錯滑移從而提高材料強韌性。而金屬組織的細化則主要通過熱處理后再結(jié)晶獲得。當冷變形金屬加熱到足夠高的溫度以后，會在變形最劇烈的區(qū)域產(chǎn)生新的等軸晶粒來代替原來的變形晶粒，這個過程稱為再結(jié)晶。只有在一定的應力和變形溫度的條件下，材料在變形過程中才會積累到足夠高的局部位錯密度級別，導致發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。因此，不同溫度對金屬的再結(jié)晶效果好壞有明顯的關系?？梢酝ㄟ^以下實驗證明：在SY鋼坯料上線切割適當?shù)男A柱，機加工后，選擇在700℃，800℃，900℃、1000℃和1100℃在Cleeble-1500型熱模擬試驗機上以5×10-1的變形速率保溫30s壓縮變形50%，然后在空氣中冷至室溫，再進行680℃×6hAC（空冷）的退火處理，再將壓縮后的試樣沿軸向線切割剖開，研磨拋光后用化學物質(zhì)顯示晶粒形貌。實驗現(xiàn)象為：在700℃時，扁平的晶粒開始逐漸向等軸晶粒的形狀變化。800℃變形的晶粒中等軸晶粒已經(jīng)有少量出現(xiàn)，但仍然以變形拉長的晶粒為主。在900℃變形開始，晶粒突然變得細小，幾乎全部為等軸晶粒，晶粒度達到Y(jié)Bl2級。在900℃以上.晶粒開始長大。再結(jié)晶晶核的形成與長大都需要原子的擴散，因此必須將變形金屬加熱到一定溫度之上，足以激活原子，使其能進行遷移時，再結(jié)晶過程才能進行。那么，我們就可以得出控制熱處理的溫度，可以提高金屬材料的斷裂韌性。

（四）金屬材料抗應力腐蝕開裂與熱處理應力的關系

金屬材料在拉伸應力和特定腐蝕環(huán)境共同作用下發(fā)生的脆性斷裂破壞稱為應力腐蝕開裂。大部分引起應力腐蝕開裂的應力是由殘余拉應力引起的。金屬在加熱時，以及加熱后冷卻處理時，改變了材料內(nèi)部的組織和性能，同時伴隨產(chǎn)生了金屬熱應力和相變應力。下面主要對金屬熱處理中的殘余應力與形成裂紋間的關系進行分析。金屬材料在加熱和冷卻過程中，表層和心部的加熱及冷卻速度（或時間）不一致，由于溫導致材料體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應力，即熱應力。在熱應力的作用下，由于冷卻時金屬表層溫度低于心部，收縮表面大于心部而使心部受拉應力：另一方面材料在熱處理過程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時，因比容的增大會伴隨材料體積的膨脹，材料各部位先后相變，造成體積長大不一致而產(chǎn)生組織應力。金屬熱處理中淬火冷卻速度是一個能影響淬火質(zhì)量并決定殘余應力的重要因素，也是一個能對淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。

三、結(jié)論

金屬材料的性能與熱處理工藝的制定在機械零件制造中占有十分重要的地位。在生產(chǎn)實際使用中，應準確把握二者之間的關系，有效地提高金屬零件的制造水平。