金屬材料熱處理變形的影響因素和控制策略探究

張?jiān)鲲w

摘要：在改革開(kāi)放的新時(shí)期，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷的縱深發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)與建筑行業(yè)都取得的更深層次的發(fā)展，那么隨之而來(lái)的就是對(duì)金屬制造業(yè)產(chǎn)生了較為嚴(yán)苛的要求。金屬材料的制造與升級(jí)成為了金屬制造業(yè)的核心課題，其熱處理的問(wèn)題亦然成為了制造行業(yè)的焦點(diǎn)與關(guān)切。但是其熱處理的過(guò)程是復(fù)雜的、技術(shù)是專(zhuān)業(yè)性極強(qiáng)的，那么本文將就其熱處理變形的影響的諸多因素與如何精準(zhǔn)的控制進(jìn)行淺析。

關(guān)鍵詞：熱處理;金屬材料;控制策略;影響因素

引言

金屬材料是工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)生活中不可或缺的重要材料，對(duì)推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展，助科技進(jìn)步，以及提升廣大人民群眾的生活質(zhì)量起到了重要的促進(jìn)作用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)金屬材料的性能要求也越來(lái)越高，尤其是一些特殊領(lǐng)域的金屬材料應(yīng)用，對(duì)硬度、強(qiáng)度、形狀、耐腐蝕度等都有嚴(yán)格的要求。因此，加強(qiáng)熱處理工藝的改進(jìn)與提升，采取有效的控制措施避免金屬材料的變形就成為當(dāng)前金屬材料加工行業(yè)需要特別重視的問(wèn)題。本文就金屬材料在熱處理過(guò)程中常出現(xiàn)的變形現(xiàn)象以及變形原因進(jìn)行深入分析，并就金屬材料熱處理變形的預(yù)防和控制措施進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述，以供參考。

1金屬熱處理工藝概念介紹

金屬材料熱處理是一種重要手段，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行一定的熱處理可以除去在高溫狀態(tài)下進(jìn)行加工對(duì)產(chǎn)品造成的缺陷問(wèn)題，能夠促進(jìn)內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)變化，改善材料性能，同時(shí)還能夠消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象、降低殘存在物體內(nèi)部的應(yīng)力，使得組織結(jié)構(gòu)和性能更加均勻，而不恰當(dāng)?shù)臒崽幚?，?huì)造成人力、物力的浪費(fèi)。1863年時(shí)，英國(guó)鋼的內(nèi)部組織在加熱和溫度降低時(shí)會(huì)發(fā)生變化，鋼中的高溫相在淬火時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蚕?，英?guó)專(zhuān)家發(fā)現(xiàn)鋼鐵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)隨著溫度的冷熱變化而變化，證實(shí)鋼鐵在淬火過(guò)程中會(huì)變得越來(lái)越堅(jiān)硬。漸漸人們也發(fā)現(xiàn)在對(duì)鋼鐵等進(jìn)行熱處理過(guò)程中，還能夠?qū)ζ湫纬杀Ｗo(hù)作用，避免被跟氧化合而致使鋼的含碳量減少。20世紀(jì)60年代，熱處理技術(shù)利用等離子體場(chǎng)效應(yīng)發(fā)展了離子氮碳共滲和低溫滲氮處理。發(fā)展至今，熱處理工藝多種多樣，常被應(yīng)用的熱處理工藝有加熱到一定溫度并持續(xù)一定時(shí)間后緩慢溫度降低、加熱到一定溫度后放在水或油或空氣中迅速溫度降低和表面加熱溫度降低改變表層力學(xué)性能等。對(duì)于熱處理的概念不能一概而論，它包含著詳細(xì)的分類(lèi)。金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理（熱處理一般可分為三個(gè)環(huán)節(jié)：一是淬火環(huán)節(jié)，主要是利用冷卻水對(duì)軋制后的高溫鋼材進(jìn)行急劇降溫冷卻，使軋件表面形成具有更高強(qiáng)度與硬度的馬氏體結(jié)構(gòu);第二環(huán)節(jié)是回火，經(jīng)過(guò)淬火后的鋼材，其表面溫度要低于內(nèi)部溫度，此時(shí)鋼材內(nèi)部的熱量就會(huì)向外部傳遞，繼而使表面溫度升高。由于其溫升熱量來(lái)自于鋼材內(nèi)部，因而也被稱(chēng)為自回火;第三是冷卻環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)自回火后加工，其表面與內(nèi)部溫度逐漸趨于一致，內(nèi)部的奧氏體經(jīng)過(guò)等溫相變，獲得最終的金相組織。金屬熱處理常用的處理方法包括三種：表面熱處理、局部熱處理和化學(xué)熱處理。其中表面熱處理包含激光和感應(yīng)加熱熱處理以及火焰淬火;而日常所說(shuō)的滲碳、滲氮、滲金屬、復(fù)合滲等則屬于化學(xué)熱處理。

2金屬材料熱處理變形的影響因素

2.1應(yīng)力狀態(tài)

針對(duì)金屬材料，對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)、方法加以科學(xué)應(yīng)用，進(jìn)行熱處理期間，由于材料存在著相應(yīng)的特殊性，加之各類(lèi)外加因素所產(chǎn)生的影響，因此，知識(shí)材料冷熱分布無(wú)法得到充分保證，并出現(xiàn)明顯的不平衡，如此，勢(shì)必對(duì)熱處理操作產(chǎn)生一定的不利影響。對(duì)于金屬材料，熱處理加熱、保溫期間，環(huán)境溫度同樣會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響，引起材料內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)明顯改變，從而引起材料發(fā)生變形。關(guān)于金屬材料，若是應(yīng)力分布不均勻情況相對(duì)較為嚴(yán)重，則變形幾率勢(shì)必也就越高，同樣對(duì)金屬材料質(zhì)量造成嚴(yán)重的不利影響。

2.2預(yù)處理造成的影響

金屬材料在熱處理加工之前，必須先經(jīng)過(guò)一道預(yù)處理工序，預(yù)處理的主要目的在于最大程度的消除金屬應(yīng)力。當(dāng)前的預(yù)處理形式都是采用正火方式進(jìn)行，但是正火處理方式會(huì)受到場(chǎng)地的限制，而且正火處理多采用堆冷的處理工藝，這種處理方式容易導(dǎo)致加熱爐內(nèi)的金屬材料冷卻不均勻，從而進(jìn)一步導(dǎo)致內(nèi)部組織不均，從而發(fā)生變形現(xiàn)象。除此之外，正火不當(dāng)還會(huì)使金屬材料產(chǎn)生魏氏組織，從而進(jìn)一步增大了熱處理變形的可能性。

2.3淬火的影響

淬火作為金屬熱處理的經(jīng)典工藝之一，將其金屬材料在相關(guān)介質(zhì)中冷卻，以達(dá)到金屬材料相關(guān)特性的提升。那么如何選擇淬火介質(zhì)，亦是影響淬火效果的一個(gè)關(guān)鍵因素。我們要具體分析不同介質(zhì)與不同的金屬材料的反應(yīng)效果，合理的確定相關(guān)介質(zhì)的使用。同時(shí)另一個(gè)核心因素就是注意淬火的不穩(wěn)定性，期間很容易受到介質(zhì)攪拌速率與攪拌方式的影響，產(chǎn)生不佳的變形效果，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量受損。

3金屬材料熱處理變形的控制策略

3.1減少熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

熱處理過(guò)程中由于塑性變形產(chǎn)生殘留的應(yīng)力，因?yàn)椴荒芡耆?，?huì)破壞金屬材料表面的保護(hù)膜，殘余應(yīng)力值越高表現(xiàn)出有害就越大，會(huì)降低試樣的實(shí)際抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度，還會(huì)降低疲勞極限，縮短試樣壽命造成脆性斷裂。殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致試樣在淬火時(shí)因熱膨脹而產(chǎn)生應(yīng)力集中，試樣可能因而產(chǎn)生嚴(yán)重變形或開(kāi)裂，為了避免熱處理失敗，就要求爐內(nèi)溫度溫差不能超過(guò)±20℃/小時(shí)，保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)和過(guò)快，在熱處理升溫過(guò)程中要有緩慢升溫階段，也要有緩慢冷卻階段，這種方法是消除殘余應(yīng)力的有效方法。對(duì)此類(lèi)有缺陷的試樣也可以在熱處理之前預(yù)先采取適當(dāng)?shù)男迯?fù)措施。

3.2金屬材料熱處理減輕變形的有效原則

在金屬材料的熱處理加工中，為了更好地控制金屬材料的變形，要遵循幾個(gè)原則，一是科學(xué)性原則，科學(xué)性原則是指熱處理方法的科學(xué)性，以科學(xué)的理念與技術(shù)手段為依托，科學(xué)的選擇設(shè)備、原料、淬火介質(zhì)，而不是想當(dāng)然地隨意發(fā)揮，唯有如此，才能將變形質(zhì)量在合理范圍內(nèi)，確保金屬工件發(fā)揮出應(yīng)用的作用;二是實(shí)用性原則，金屬材料屬于不可再生資源，雖然我國(guó)地域廣袤資源豐富，但是對(duì)金屬的需求與消耗量極大，所以在熱處理過(guò)程中要堅(jiān)持資源節(jié)約最大化利用的原則，減少不必要的浪費(fèi)，這就需要在熱處理過(guò)程中密切關(guān)注材料的變化，通過(guò)減少變形來(lái)實(shí)現(xiàn)資源利用最大化，尤其是在金屬材料的熱處理加工過(guò)程中，通過(guò)合理有效地使用材料，加強(qiáng)處理中的質(zhì)量控制來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo);三是便捷操作原則，金屬材料熱處理方式要盡可能簡(jiǎn)便易操作，這樣能降低復(fù)雜過(guò)程的不確定性。同時(shí)，也要優(yōu)化操作流程，盡可能地簡(jiǎn)化熱處理變形控制策略，有序有效地進(jìn)行熱處理工作。

3.3運(yùn)用機(jī)械化加工技術(shù)

針對(duì)金屬材料，進(jìn)行熱處理期間，工序順利存在明顯的固定性特點(diǎn)，不過(guò)，由于材料性質(zhì)具有顯著的差異性，因此，對(duì)于性質(zhì)各不相同的金屬材料，熱處理工作所對(duì)應(yīng)的工序同樣也會(huì)存在相應(yīng)的差異。針對(duì)大多數(shù)金屬材料加工，熱處理屬于非常關(guān)鍵的工序，不過(guò)，由于部分金屬材料存在明顯的特殊性，因此，熱處理工序效果也會(huì)受金屬材料影響。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在我們的日常生活中，不難發(fā)現(xiàn)種種的金屬材料。金屬材料幾乎已經(jīng)深入到家家戶(hù)戶(hù)的生活中去，與此同時(shí)伴隨而來(lái)的就是對(duì)其材料質(zhì)地的嚴(yán)苛要求。市場(chǎng)規(guī)模是愈來(lái)愈大，但其市場(chǎng)的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，市場(chǎng)與產(chǎn)業(yè)都對(duì)其金屬材料的質(zhì)量要求不斷提升。但是目前產(chǎn)業(yè)內(nèi)對(duì)于金屬材料熱處理的技術(shù)與手段還不夠頂尖，還有很長(zhǎng)的一段路要走，需要各方的共同奮進(jìn)。

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