淺析金屬材料熱處理過程變形及開裂問題

張均紅

（武漢市漢陽區(qū)武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，湖北 武漢 430050）

金屬材料熱處理實際上采用特定工藝對金屬材料進行加熱，保溫或者冷卻，改變固態(tài)金屬的形態(tài)，然后在機械或化學的作用下，優(yōu)化和改善金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能，從而達到提高金屬產(chǎn)品制造質(zhì)量的目的[1]。

1 金屬材料熱處理工藝的優(yōu)點

為了達到提升金屬材料性能的目的，工作人員必須通過對金屬材料進行熱處理加工的方式，在多種方式的淬煉下，降低金屬材料中可能出現(xiàn)的網(wǎng)狀碳化物等雜質(zhì)，然后通過對金屬材料顆粒的細化，消除金屬材料的內(nèi)應力，促進金屬材料強度與韌性的全面提升，才能發(fā)揮出金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中應用的效果。通過對金屬材料進行熱處理，幫助金屬材料塑形，然后在熱應力與重力勢能的雙重作業(yè)下，破壞原子結(jié)構(gòu)，從而達到降低金屬材料塑型難度的目的。另外，由于針對金屬材料進行熱處理不僅有助于金屬材料使用壽命的延長，提高了金屬材料的力學性能，而且最大限度的避免了因為金屬材料表面出現(xiàn)損傷或者局部塑性形變等問題的發(fā)生，導致金屬材料出現(xiàn)斷裂的問題，降低了工業(yè)生產(chǎn)的成本，促進了企業(yè)經(jīng)濟效益的穩(wěn)步提高。

2 金屬材料熱處理主要工藝

如果根據(jù)金屬材料熱處理部位不同分類的話，金屬材料的熱處理可以詳細的氛圍表面熱處理與整體熱處理兩種。①表面熱處理。所謂表面熱處理就是只需要對金屬零部件表面進行加熱，然后對零部件進行熱處理的一種工藝方法。表面熱處理技術(shù)在實際應用的過程中，要求操作人員必須嚴格的按照要求控制零部件加熱的過程，避免熱量傳導至零部件的內(nèi)部。②整體熱處理。整體熱處理主要是通過對零部件整體加熱的方式，改變零部件表層的力學性能。比如，操作人員如果采用火焰淬火或者電感應等方式作為加熱源加熱的話，促使金屬零部件的表層或者局部在短時間內(nèi)即可達到工藝處理要求的溫度。工作人員在進行金屬零部件的整體熱處理時，必須先對零部件整體進行加熱，然后將金屬零部件放置于專用加熱裝置中，在零部件達到適當溫度后，再按照工藝要求冷卻金屬零部件，從而達到改變零部件整體性能的目的。目前，常見的鋼鐵材料整體熱處理工藝主要有以下幾種。①退火。所謂退火就是先將金屬零部件加熱到一定溫度，然后再根據(jù)金屬零部件的外形尺寸設定材料保溫的時間，在保溫結(jié)束后，再通過緩慢冷卻零部件的方式，使金屬零部件內(nèi)部組織達到一種平衡的狀態(tài)，從而達到提高金屬零部件工藝性能與使用性能的目的。②正火。正火過程與退火非常相似，也就是在金屬零部件達到合適溫度后，將零部件放在空氣中自然冷卻。正火與退火相比，經(jīng)過正火處理的金屬零部件不僅組織更細，而且金屬材料的切削性能也會道德顯著的提高。③淬火。淬火作為一種增強金屬零部件硬度最有效的方法之一，該方法在實際應用的過程中，要求操作人員必須先將零部件進行加熱，然后將經(jīng)過保溫處理的零部件放入水、無機鹽溶液、油等液體介質(zhì)中進行冷卻，經(jīng)過淬火處理的金屬零部件不管是硬度還是脆性都得到了顯著=提高。④回火。回火作為淬火的最后一道工序，該工序的應用主要是為了降低零部件經(jīng)過淬火處理后的脆性。該工序在實際應用時，要求操作人員必須將零部件放在650℃的高溫環(huán)境下，進行長時間的恒溫與保溫，然后再按照操作步驟完成對零部件的冷卻處理[2]。

3 金屬材料熱處理中造成變形與開裂的主要原因

3.1 金屬材料熱處理過程中的冷卻方法

由于金屬材料熱處理過程中主要分為退火、正火、淬火和回火等幾個步驟，再加上金屬材料在熱處理過程中對冷卻技術(shù)的應用提出了非常嚴格的要求，如果冷卻技術(shù)選擇出現(xiàn)問題的話，必然會導致金屬材料因為冷卻處理不均勻，影響金屬材料的拉伸應力。就目前來說，我國最常用的金屬材料熱處理工藝主要有雙液淬火與單液淬火兩種。經(jīng)過長期的實踐應用發(fā)現(xiàn)，這兩種方法在實際應用的過程中優(yōu)勢和缺陷都非常的明顯。在這其中，雙液淬火法雖然實現(xiàn)了快速降低金屬材料溫度的目的，但是其淬火效率較低，無法進行大范圍的推廣和應用。而單液淬火法雖然可以應用于大型金屬材料的熱處理，但是由于使用這種方法操作人員無法有效控制淬火的速度。如果金屬材料熱處理過程中，操作人員選擇了措施的冷卻方法的話，不但會會影響到金屬材料的形變應力控制能力，而且還會因為金屬材料熱處理效率的下降，影響金屬材料使用性能的提高。

3.2 溫度控制不合理

由于金屬材料熱處理過程對溫度控制提出了非常嚴格的要求，再加上金屬材料在熱處理的各個步驟中對溫度控制的要求也各不相同，一旦溫度控制失衡的話，就會導致金屬材料出現(xiàn)形變或者開裂的問題。比如，操作人員在進行金屬材料熱處理時，忽略了金屬材料加熱爐的溫度，或者將未經(jīng)過精密溫度測量的金屬材料直接進行熱處理，不但會影響金屬材料出現(xiàn)質(zhì)量問題，嚴重的還會導致金屬材料報廢，無法正常使用。另外，金屬材料熱處理過程中，出現(xiàn)的加熱溫度、加熱速度、保溫時間等工藝參數(shù)把控不到位，熱處理工藝應用不科學等現(xiàn)象，也是導致金屬材料出現(xiàn)變形或者開裂等質(zhì)量問題的主要原因。

3.3 熱處理過程中殘余應力引起

雖然正常的金屬材料熱處理過程中，并不會導致金屬材料出現(xiàn)變形或者開裂的問題，但是如果金屬材料熱處理過程中，拉應力與多項應力同時存在，且兩者之間發(fā)生對沖關(guān)系時，那么一旦金屬材料承受的總應力超出臨界值的話，那么殘余應力體系就可能導致金屬材料出現(xiàn)變形或者開裂的問題。另外，金屬材料在工作環(huán)境、熱處理溫度、工作介質(zhì)、殘余應力體系等因素，不僅會導致金屬材料抗腐蝕性能與防開裂能力的下降，嚴重的還會因為金屬材料表面控制裂紋保護膜出現(xiàn)破裂，導致金屬材料出現(xiàn)局部變形或者開裂的問題，影響金屬材料的使用壽命和質(zhì)量。

3.4 原材料組織以及性能原因

①金屬材料熱處理主要是為了提高其材料的表層相關(guān)性能，例如增強金屬材料表層抗氧化的能力和減少金屬材料表面的磨損程度等。但熱處理層的深度有限，為使已滲透層發(fā)揮有效作用，那就應在熱處理之后，只對材料進行磨削加工處理，然而一般的金屬材料想要進行熱處理變形矯正的難度卻很大。②在金屬材料淬火前相關(guān)原始組織通常會對材料造成影響，比如影響碳化物的數(shù)量、形態(tài)和合金元素的偏差、影響淬火所產(chǎn)生的纖維的方向等。為了實現(xiàn)金屬材料變形量的減少，可采取一些有效的調(diào)質(zhì)處理，從而使金屬材料淬火中的變形更有規(guī)律可言，繼而達到防范變形的目標。

4 變形與開裂處理在變形和開裂的預防處理

4.1 做好處理前預處理

金屬材料熱處理使用的正火和退火是導致金屬材料產(chǎn)生變形問題的主要原因。由于金屬材料在正火過程中的溫度較大，引發(fā)金屬材料內(nèi)部出現(xiàn)明顯的變形問題。針對此類問題，工作人員在開始金屬材料的熱處理作業(yè)前，必須采取積極有效的措施控制金屬材料熱處理的溫度，避免因為熱處理環(huán)節(jié)溫度誤差過大，影響金屬材料的使用性能和質(zhì)量。經(jīng)過長期的實踐操作發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過正火處理后的金屬材料，應該使用等溫淬火的方法，確保金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性，才能達到有效控制金屬材料內(nèi)部變形問題的目的。此外，為了提高金屬材料熱處理正火的效果，工作人員應該根據(jù)金屬材料的結(jié)構(gòu)特點，選擇最佳的退火工藝，合理借助溫度梯度對金屬材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，控制金屬材料熱處理過程可能出現(xiàn)的變形問題。

4.2 選用合適的冷卻介質(zhì)

水是最常用的金屬材料淬火介質(zhì)之一，雖然水具有冷卻能力強、成本低、成分穩(wěn)定且不易變質(zhì)等各方面的優(yōu)點，但是如果將水作為淬火介質(zhì)的話，且缺點也同樣突出。比如，水在500℃～600℃區(qū)間處于蒸汽膜階段，冷卻速度會明顯下降。如果金屬材料的溫度達到100℃～300℃時時，處在沸騰階段的水，就會因為冷卻能力過強，導致金屬材料出現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變速度過快、內(nèi)應力增大的問題，一旦金屬材料的應力超過且臨界值的話，那么金屬零部件就會出現(xiàn)變形或者開裂的問題。所以，為了最大限度的克服水作為淬火介質(zhì)應用時的缺點，工作人員往往采取向水中添加食鹽或者堿等方法，在高溫部件浸入到水溶液后，水在蒸汽膜階段離析出的食鹽或者堿的晶體就會產(chǎn)生爆裂，破壞蒸汽膜以及金屬零部件表層的氧化皮，從而達到有效提升水的冷卻能力的目的。另外，為了達到有效控制水溶液對金屬材料腐蝕性的目的，工作人員往往采取將水溶液濃度控制在10%～15%之間的方式，在金屬材料淬火完成后按照要求對金屬材料進行防銹處理和清洗，提高金屬材料的淬透性和淬硬性，降低金屬零部件變形問題發(fā)生的幾率。

4.3 減少金屬材料因熱處理產(chǎn)生的殘余應力

雖然工作人員通過優(yōu)化和完善金屬材料熱處理工藝的方式，可以最大限度的減少金屬材料熱處理后殘留的應力，但是由于殘留應力并不能完全消除，所以必然會因為金屬材料表面保護膜遭到破壞，而導致零部件出現(xiàn)變形或者開裂的問題。針對這一情況，操作人員在進行金屬材料的熱處理時，應該根據(jù)零部件實際應用的現(xiàn)場，采取具有針對性的措施，將金屬材料的殘留應力降至可控的范圍。此外，針對本身就后已經(jīng)出現(xiàn)局部局限的金屬零部件，必須在進行熱處理前，仔細的檢查金屬材料表面的粗糙度、裂紋、劃傷等表面質(zhì)量，避免因為金屬材料表面存在缺陷，導致零部件在催化過程中因為熱膨脹出現(xiàn)應力集中的問題，影響金屬零部件熱處理的質(zhì)量和效果。

4.4 保證零件結(jié)構(gòu)配置的合理性

金屬零部件結(jié)構(gòu)也是導致金屬熱處理或者冷卻過程中，金屬零部件出現(xiàn)變形的問題。由于金屬材料因為厚度不同所以冷卻的速度行業(yè)不同，因此，工作人員在進行金屬零部件的熱處理時，應該采取積極有效的措施減小材料厚薄的誤差，集中控制因為應力集中產(chǎn)生的變形和開裂問題，確保金屬零部件界面保持均勻的狀態(tài)。同時在金屬零部件設計階段，工作人員應該盡可能的避免棱角與溝槽的出現(xiàn)，才能最大限度的降低金屬零部件熱處理過程中出現(xiàn)變形或者開裂問題的幾率。

4.5 采用合適的裝夾方式

為了達到有效控制金屬零部件熱處理過程中產(chǎn)生的變形問題的目的，工作人員必須在金屬材料熱處理過程中，確保金屬材料加熱與冷卻的均勻性，保證金屬材料的內(nèi)部應力始終處在均勻的狀態(tài)下，然后運用合理的裝夾方式，提高金屬材料熱處理的效果，避免因為金屬零部件熱處理環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，影響金屬零部件的使用性能和質(zhì)量。

4.6 加強機械加工控制

經(jīng)過熱處理的金屬材料還需要按照要求進行深度的機械加工，工作人員在進行金屬材料的機械加工時，必須以金屬材料的變形規(guī)律為依據(jù)，使用反變形方法或者收縮預脹孔等方法，控制金屬材料熱處理過程中出現(xiàn)的變形問題。在金屬材料熱處理進入到最后一道工序后，工作人員必須通過對熱處理變形允許量的有效控制和調(diào)整，修正金屬材料熱處理前的尺寸修正工作，才能在有效提升金屬材料熱處理質(zhì)量的前提下，確保經(jīng)過熱處理后的金屬材料大多設計標準和要求[3]。

5 結(jié)語

總之，金屬材料熱處理技術(shù)是一種同時兼具高性能與高經(jīng)濟性的金屬材料處理手段，該技術(shù)在機械制造行業(yè)中的推廣和應用，徹底解決了傳統(tǒng)金屬材料加工制造過程中出現(xiàn)的變形和開裂問題，促進了金屬材料加工質(zhì)量的有效提升。由于金屬材料熱處理不僅會導致金屬材料出現(xiàn)變形和開裂的問題，增加了金屬零部件的質(zhì)量控制成本，而且限制了熱處理工藝在特殊場合中的應用。所以，相關(guān)研究人員必須從理論和實踐層面不斷的探索和研究，解決金屬材料熱處理引發(fā)的變形和開裂問題，促進金屬材料熱處理質(zhì)量和使用性能的有效提升。