熱處理工藝中溫度及應(yīng)力與金屬材料的關(guān)系探討

【摘 要】現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的機(jī)械性能，能夠促使金屬材料的潛能得到最大程度發(fā)揮，而熱處理技術(shù)能夠改變一些金屬材料的機(jī)械性能，至此，需在設(shè)計(jì)階段便需制定正確熱處理工藝。為獲更加效果，除制定合理工藝流程之外，設(shè)計(jì)人員還需依據(jù)金屬材料成分及組織，準(zhǔn)確分析二者關(guān)系。本文基于相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，對(duì)熱處理工藝當(dāng)中的應(yīng)力、溫度與金屬材料的性能和組織間關(guān)系進(jìn)行客觀分析，為相關(guān)實(shí)踐研究提供參考。

【關(guān)鍵詞】熱處理；金屬材料；關(guān)系

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，為實(shí)現(xiàn)金屬材料潛力的最大限度發(fā)揮，需對(duì)其機(jī)械性能給予提高。在設(shè)計(jì)階段，熱處理工藝的正確制定，可對(duì)一些金屬材料原有的機(jī)械性能予以改變。若所采用的熱處理?xiàng)l件不合理，不僅難以實(shí)現(xiàn)材料在機(jī)械性能有效提升之外，還會(huì)對(duì)材料原性能造成不同程度的破壞。至此，設(shè)計(jì)人員需依據(jù)金屬材料組織及成分，將熱處理相關(guān)工藝要求確定好，還需對(duì)熱處理工藝于金屬材料之間關(guān)系進(jìn)行分析，并對(duì)金屬材料進(jìn)行合理安排，方可獲取更好效果。

1. 熱處理發(fā)展與金屬材料歷史分析

我國(guó)乃是世界領(lǐng)域內(nèi)熱處理技術(shù)及金屬材料使用最早的國(guó)家。諸多歷史實(shí)物證實(shí)，我國(guó)早在4000年前已經(jīng)開(kāi)始使用了金屬材料，由此可知，我國(guó)已經(jīng)具有很好的熱處理技術(shù)水平。改革開(kāi)放以來(lái)，伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，熱處理技術(shù)與金屬材料也得到了迅猛發(fā)展，其被廣泛應(yīng)用于航天事業(yè)、石油化工、儀器儀表及機(jī)械制造等領(lǐng)域，代表了我國(guó)熱處理技術(shù)和金屬材料的新水準(zhǔn)。

2.金屬材料基本組織和結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，使用較為廣泛的簡(jiǎn)述為錳、鎳、鉛、鋁、鐵、鉻、鋅、銅及鐵等，但運(yùn)用最為廣泛的乃是他們的合金。無(wú)論是金屬還是合金，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)均有兩中方式，其一，原子在空間內(nèi)所存在的排列方式；其二，基于金屬原子之間所存在的結(jié)合方式。而對(duì)于金屬的性能而言，其與原子在具體的空間配置和排列方面存在緊密關(guān)系，隨著原子在排列方式上的差異，金屬在性能方面也會(huì)產(chǎn)生不同。所謂金屬材料熱處理，其就是在一定的介質(zhì)中，將金屬工件放置其中，而后將其加熱至一定溫度，且維持此溫度所需時(shí)間后，分別采用不同速度，將其冷卻于不同的介質(zhì)中，通過(guò)對(duì)金屬材料內(nèi)部或者表面的顯微組織結(jié)構(gòu)予以改變，以此達(dá)到對(duì)其性能改變的一種工藝。所以，對(duì)于一些合金或金屬而言，可采用熱處理工藝，將其原子排列予以改變，并對(duì)其組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，以此達(dá)到對(duì)其機(jī)械性能給與有效控制的目的，滿足在相關(guān)工程技術(shù)方面的實(shí)際需求。當(dāng)熱處理?xiàng)l件不同時(shí)，其在材料性能改變效果方面也會(huì)存在差異，現(xiàn)通過(guò)分析金屬材料的一些性能，探討其和熱處理工藝之間所存在的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)材料機(jī)械性能的提升提供依據(jù)。

3. 熱處理工藝與金屬材料之間的關(guān)系

3.1 金屬材料與金屬材料的切邊模量之間的關(guān)系

切變模量作為材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)，乃是材料在彈性變形相應(yīng)比例最大限度范疇內(nèi)，在剪切應(yīng)力作用下，切應(yīng)變和切應(yīng)力之間的比值。它表征材料對(duì)切應(yīng)變相應(yīng)能力予以改變，當(dāng)具有較大模量時(shí)，則表明此材料具有較強(qiáng)的剛性。利用熱處理工藝，能夠?qū)Σ牧系男阅苡枰愿淖?，此外，基于材料本身所具有的物理性能也?huì)相應(yīng)發(fā)生變化，切邊模量也伴隨其而改變。進(jìn)而造成設(shè)計(jì)計(jì)算得出的設(shè)計(jì)計(jì)算，與彈簧的實(shí)際伸長(zhǎng)量之間存在相應(yīng)誤差。依據(jù)以往實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)，分析了金屬材料切邊模量變化與熱處理之間的關(guān)系。在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，在彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，采用彈簧鋼完成此操作，需運(yùn)用材料的彈簧模量以及切邊模量。如若依據(jù)以往設(shè)計(jì)資料當(dāng)中已經(jīng)給出的切邊模量具體取值，則一般情況下，通過(guò)計(jì)算而得出的彈簧變形量，往往與以往變形量之間差距較大。究其原因，主要為原子間結(jié)合力，決定了材料彈性模量的大小，因此，當(dāng)完成熱處理操作之后，材料在溫度上出現(xiàn)改變，也就是材料在具體的彈性模量方面發(fā)生了改變。與此同時(shí)，彈性模量E與切邊模量G存在如下關(guān)系式，即E/2（1+μ）=G，如若其它因素維持不變，當(dāng)E發(fā)生改變，則就會(huì)造成G也發(fā)生改變。因此，當(dāng)彈性模量發(fā)生改變，就會(huì)造成彈簧特性線在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，變已經(jīng)存在誤差。所以，在設(shè)計(jì)計(jì)算那些對(duì)于彈簧的特性線具有較高要求的彈簧時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)，不能僅依據(jù)傳統(tǒng)資料所給出的各種傳統(tǒng)資料，需依據(jù)彈簧現(xiàn)今使用狀況，比如載荷及工作溫度等。只要硬度與回火溫度維持于相關(guān)要求區(qū)間內(nèi)，便可對(duì)切變模量進(jìn)行選取。如若對(duì)于特性線存在不高要求，則針對(duì)螺旋彈簧而言，可不將彈簧經(jīng)過(guò)熱處理之后，其彈簧所存在的變化給予改變。

3.2 熱處理溫度與金屬材料的斷裂韌性之間的關(guān)系

若從斷裂力學(xué)角度來(lái)考量，無(wú)論何種材料，其均存在有不同尺寸及數(shù)量的裂紋。而在實(shí)際當(dāng)中，可將斷裂韌性解釋為內(nèi)有裂紋材料，而基于相應(yīng)外力作用下，產(chǎn)生對(duì)裂紋擴(kuò)展予以抵抗的性能。將金屬斷裂韌性提升的核心要素，就是實(shí)現(xiàn)金屬晶體當(dāng)中的錯(cuò)位減少，致使金屬材料當(dāng)中在錯(cuò)誤密度方面呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金屬?gòu)?qiáng)度的提升。對(duì)于細(xì)化晶粒而言，其能夠提升晶界所占比重，并對(duì)位錯(cuò)滑移給與組織，進(jìn)而促進(jìn)材料強(qiáng)韌性的提升。而對(duì)于細(xì)化的金屬組織而言，其需要利用熱處理工藝實(shí)施處理后，經(jīng)再次結(jié)晶而獲取。當(dāng)冷變形金屬經(jīng)過(guò)加溫，而溫度值已經(jīng)足夠高時(shí)，基于變形最為劇烈的地方，就會(huì)出現(xiàn)全新的等軸晶粒，并且對(duì)原有的變形晶粒進(jìn)行替換，此過(guò)程即為結(jié)晶。當(dāng)變形溫度及應(yīng)力達(dá)到一定程度的狀況下，材料在進(jìn)行變形時(shí)，局部位錯(cuò)密度級(jí)別才會(huì)被積累到足夠高的程度，造成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。所以，若溫度不同，則其直接關(guān)系著金屬再結(jié)晶的好壞?？梢罁?jù)如下實(shí)驗(yàn)給予驗(yàn)證，即選用金屬的再結(jié)晶，采用線切割方式將其切割成小圓柱，當(dāng)完成機(jī)加工之后，分別選擇1100℃、1000℃、900℃、800℃及700℃，選擇5×10-1變形速率，在Cleeble-1500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上，保持溫度30s，并將其進(jìn)行壓縮變形50%，并將其放置空氣中，使之與室溫相同，然后采用680℃×6hAC（空冷），實(shí)施退火處理操作，然后將完成壓縮之后的試樣，經(jīng)過(guò)軸向線實(shí)施切割操作，完成研磨拋光之后，采用相關(guān)化學(xué)物質(zhì)，將晶粒形貌予以顯示。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)溫度為700℃時(shí)，原本為扁平的晶粒，則逐漸變化成等軸晶粒。當(dāng)溫度為800℃，在發(fā)生變形的晶粒當(dāng)中，等軸晶粒已經(jīng)較少出現(xiàn)，但主要還是變形拉長(zhǎng)晶粒，當(dāng)溫度維持于900℃時(shí)，此時(shí)將會(huì)發(fā)生最為劇烈的鋼的宏觀性能變化。對(duì)于再結(jié)晶晶核而言，無(wú)論是其長(zhǎng)大還是形成，均與原子擴(kuò)散息息相關(guān)，所以，需將變形金屬在加熱方面維持相應(yīng)溫度內(nèi)，足以將原子激活，當(dāng)發(fā)生遷移時(shí)，方能進(jìn)行再結(jié)晶。由此看，便可對(duì)熱處理溫度進(jìn)行有效控制，還可促進(jìn)金屬材料在具體的斷裂韌性方面的提升。

4.結(jié)語(yǔ)

在機(jī)械零件制造過(guò)程中，無(wú)論是熱處理工藝的質(zhì)量，還是金屬材料的性能方面，均占據(jù)重要地位，因此，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，需對(duì)二者關(guān)系進(jìn)行合理、準(zhǔn)確把握，促進(jìn)金屬零件在制造水平方面的有效提升。

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作者簡(jiǎn)介：趙建剛（1964-），男，籍貫：四川西昌。四川職業(yè)學(xué)院副教授，研究方向：金屬材料與機(jī)械加工。