金屬材料與熱處理工藝關(guān)系的探討

王家亮 王思宏

摘 要：我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展促進(jìn)了我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，金屬作為重要的工業(yè)原材料，其機(jī)械性能的好壞直接決定了工業(yè)產(chǎn)出品的質(zhì)量，金屬冶煉中的熱處理技術(shù)能夠通過(guò)溫度的變化改變金屬的材料特性，使金屬材料更加滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)產(chǎn)品性能的要求，因此，為了提高金屬工件的質(zhì)量與力學(xué)性能，有必要探討金屬材料與熱處理工藝之間的關(guān)系，以進(jìn)一步提高我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：金屬材料;熱處理;工藝;探討

前言：

工業(yè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)原材料的性能提出了更高要求，金屬作為基本的工業(yè)原料之一，其力學(xué)性能的拓展是工業(yè)不斷發(fā)展的重要基礎(chǔ)，金屬經(jīng)過(guò)熱處理工藝改造后，往往會(huì)展現(xiàn)出不同的機(jī)械性能，因此，為了合理有效地提高原材料的利用率，研究人員應(yīng)根據(jù)工業(yè)項(xiàng)目的需要，對(duì)金屬材料與熱處理工藝間的關(guān)系進(jìn)行探討，最大限度地激發(fā)出金屬材料的特有性能。

一、金屬材料特性

（一）強(qiáng)度

對(duì)外部壓力的抵抗能力是金屬的基本特征之一，硬度越高的金屬在面對(duì)外部壓力時(shí)越不容易發(fā)生形變，其維持自身穩(wěn)定形態(tài)的能力越強(qiáng)。

（二）硬度

硬度強(qiáng)度相同，也是衡量金屬是否容易發(fā)生形變與否的重要指標(biāo)之一，金屬的硬度由多種因素決定，因此不應(yīng)該僅從物理層面理解金屬的硬度，而應(yīng)把材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)指標(biāo)納入硬度的考察范疇。

（三）塑性

金屬塑性是指金屬在壓力作用下保持其自身結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定變化的能力，塑性的存在保證了金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不被破壞，是金屬維持其完整性的重要特征之一。

（四）疲勞

疲勞是指在應(yīng)力作用下，金屬在荷載范圍內(nèi)發(fā)生的局部或完全斷裂情況，金屬疲勞的產(chǎn)生往往具有時(shí)間上的不確定性，裂紋或破壞的很難被及時(shí)甄別出來(lái)，隱藏著很大的安全隱患。

二、熱處理工藝介紹

（一）真空熱處理技術(shù)

真空熱處理技術(shù)是指在真空條件下進(jìn)行的熱處理技術(shù)，真空熱處理工藝融合了真空與熱處理技術(shù)的雙重優(yōu)點(diǎn)，避免了金屬材料在淬煉過(guò)程中可能出現(xiàn)的氧化還原、脫碳、滲透反應(yīng)，大大提高了金屬冶煉的質(zhì)量，提高了金屬工件的機(jī)械強(qiáng)度與表面光滑性。此外，真空熱處理技術(shù)還具有能耗低、不易變形的特點(diǎn)，運(yùn)用真空熱處理技術(shù)進(jìn)行金屬材料淬煉，其能量消耗只需普通淬煉的一半甚至更低，而且由于真空條件下的熱處理較為緩慢均勻，金屬材料內(nèi)外溫度差異不大，極大避免了由于加熱不均帶來(lái)的形變問(wèn)題，其冶煉結(jié)果更加可靠。

（二）激光熱處理技術(shù)

總所周知，激光是一種能量密度極高的光束，激光可以在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生出巨大能量，其輸出功率可以達(dá)到普通熱處理功率的100倍以上，因此只需要通過(guò)控制激光在金屬表面的作用時(shí)間與輻射功率，就可以快速地對(duì)金屬材料進(jìn)行相變強(qiáng)化、非晶態(tài)化、重熔合金化等基本操作，極大提高了金屬冶煉的速率與質(zhì)量，增長(zhǎng)了易損金屬工件的壽命，更容易獲得非常規(guī)形態(tài)下的金屬工件。此外，激光熱處理技術(shù)還具有工藝流程簡(jiǎn)單、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，適宜于金屬工件的自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)，大大節(jié)省了熱處理成本。

（三）形變熱處理技術(shù)

形變熱處理技術(shù)是近段時(shí)間興起的一種新型熱處理技術(shù)，形變熱處理通過(guò)對(duì)金屬的雙重?cái)D壓，使得金屬內(nèi)部的粒子發(fā)生形變和相變方向上的錯(cuò)位，形成了單一錯(cuò)位不能達(dá)到的金屬特性，大大提高了金屬材料的力學(xué)性能與反應(yīng)韌度。此外，根據(jù)形變與相變發(fā)生的反應(yīng)先后順序不同，金屬可以出現(xiàn)不同程度的結(jié)構(gòu)變化，大大豐富了金屬熱處理的成果產(chǎn)物。

三、金屬材料與熱處理工藝關(guān)系的探討

（一）熱處理溫度與材料切邊衡量

在對(duì)金屬材料進(jìn)行鍛造時(shí)，應(yīng)十分注意材料切邊的衡量，在實(shí)際操作中，金屬材料往往會(huì)因?yàn)闊崽幚戆l(fā)生不同程度的尺寸變化，有必要分析應(yīng)力釋放下材料的機(jī)械性能。例如，在變形率的極限范圍內(nèi)，可以計(jì)算出機(jī)械應(yīng)力與剪切應(yīng)變之比，可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際操作中，金屬材料在設(shè)計(jì)的伸長(zhǎng)率和彈簧的實(shí)際輸出之間存在一定的誤差。對(duì)于影響原子間結(jié)合力的因素，應(yīng)根據(jù)原子間結(jié)合力的值和材料的彈性模量進(jìn)行相應(yīng)的變形。溫度和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可確保即使熱處理后材料溫度發(fā)生變化，材料的彈性模量也不會(huì)發(fā)生太大變化。

（二）斷裂韌性和熱處理溫度的關(guān)系

為了提高金屬材料的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)韌性，對(duì)任何金屬材料都應(yīng)分析熱處理中金屬出現(xiàn)的裂紋和數(shù)量。金屬的斷裂特性與金屬材料的微晶格的排列和分布有關(guān)。 研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬材料的粒子排列規(guī)律且緊密的時(shí)候，金屬材料的晶格能更大，其強(qiáng)度、硬度更大，在外力作用下保持自身穩(wěn)定的能力越強(qiáng)，越不容易斷裂，因此，探討金屬斷裂韌性與熱處理溫度之間的關(guān)系有助于提升金屬的力學(xué)性能。熱處理的基本原理是細(xì)化晶粒，防止位錯(cuò)和滑動(dòng)，并使晶格排列緊密。 當(dāng)金屬處于一定溫度時(shí)，較大的變形區(qū)域會(huì)產(chǎn)生新的晶粒來(lái)代替原始晶粒，從而實(shí)現(xiàn)金屬的重結(jié)晶。 當(dāng)金屬發(fā)生重結(jié)晶后，其粒子的排列結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變，進(jìn)而影響了粒子的晶格能大小，直接改變了金屬的斷裂韌性。

（三）熱處理與抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

加熱金屬時(shí)，由于熱處理特定的腐蝕環(huán)境和拉伸應(yīng)力，容易使金屬材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。為了改變金屬材料的結(jié)構(gòu)和性能，可以分析殘余應(yīng)力與裂紋形成之間的關(guān)系。金屬的殘余應(yīng)力實(shí)際上就是金屬內(nèi)部粒子與外部反應(yīng)所形成的相互作用力。殘余應(yīng)力的存在一般會(huì)導(dǎo)致金屬抗應(yīng)力不足而產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象，并且這種危害一般都是隱形的，并不會(huì)在熱處理中立即表現(xiàn)出來(lái)，而是當(dāng)金屬工件在使用過(guò)程中殘余應(yīng)力與其他作用力相加的總和大于最大承受能力時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂，腐蝕、變形現(xiàn)象。但是，殘余應(yīng)力的存在也并非有害無(wú)益，只要熱處理技術(shù)得當(dāng)，也能夠利用殘余應(yīng)力提升金屬材料的性能，增強(qiáng)金屬材料的強(qiáng)度硬度與抗疲勞耐磨損強(qiáng)度，因此，為避免金屬物體在熱處理?xiàng)l件下可能發(fā)生的腐蝕開(kāi)裂情況，應(yīng)對(duì)熱處理?xiàng)l件下裂紋與殘余應(yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行探討，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定出不同溫度下的最適殘余應(yīng)力值，以提高金屬工件的性能指標(biāo)。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)金屬材料與熱處理工藝的研究有利于提高金屬的力學(xué)性能，因此，筆者認(rèn)為相關(guān)人員應(yīng)在實(shí)際工作中密切關(guān)注金屬材料與熱處理工藝之間的關(guān)系，努力提高金屬工件的使用壽命與質(zhì)量，生產(chǎn)出更符合工程要求的金屬工件。

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