熱處理工藝對金屬材料抗疲勞性能影響分析

汪承星

新余鋼鐵集團有限公司 江西新余 338001

金屬材料在原始的固態(tài)采用加熱的方法獲得預期組織形態(tài)的工藝即金屬材料的熱處理。這一工藝在石器時代就出現(xiàn)和應用，在現(xiàn)代得到逐步發(fā)展與優(yōu)化。在機械制造過程中，最為重要和關鍵的環(huán)節(jié)即為熱處理，熱處理能賦予或改善金屬材料具有的各項性能，在保持其形狀和化學成分的基礎上，對其化學組成及內部組織進行改變，提高其內在質量。人們?yōu)榱藢饘俨牧线M行改造，使其具備想要的各項性能，包括化學性能、力學性能與物理性能，通常會通過熱處理來加工。在機械工業(yè)領域，鋁合金的實際應用相對較多，它的顯微組織比其他類型的金屬材料復雜，所以需要通過熱處理來有效控制。為工業(yè)制造的發(fā)展、為國家的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

1 金屬材料熱疲勞性能影響機理

金屬熱疲勞現(xiàn)象與金屬的抗疲勞性能息息相關。鋼件的熱疲勞裂紋的發(fā)生受碳化物堆積作用。以該模型來說明熱疲勞裂紋的產生和擴展。在熱循環(huán)過程中，碳化物趨于一起生長并聚集。單個顆?？赡芸雌饋砗苄?，但在連續(xù)循環(huán)中，這些顆粒會結合形成較大的顆粒，從而形成碳化物基團和微裂紋，這些裂紋也可能會導致新裂紋的出現(xiàn)，對金屬性能造成影響。同時，金屬材料中某些碳化物的含量是不連貫的，這些顆粒具有微裂紋。如果微裂紋的尺寸與顆粒的尺寸相當，熱循環(huán)下的金屬材料將會因其存在的應力而出現(xiàn)問題，產生更大的張力，并且如果裂紋內部的應力場的膨脹系數(shù)超過最大值，則微裂紋將不斷的擴大，最終它平衡地膨脹并逐漸形成熱疲勞裂紋。

2 金屬材料抗疲勞性能影響因素

為確保淬火加熱順利完成，準備充足的結晶核心，為同金屬材料做等溫處理，通過等溫處理，能得到碳化物，其顆粒呈球狀、彌散，原結構形態(tài)發(fā)生變化，獲得球化以后的物質。晶粒處在較高的溫度條件下會明顯變粗，使金屬自身韌性與塑性均降低，并析出一定量的奧氏體。部分奧氏體還會在此過程中得到韌性加強，材料由于所剩晶界碳化物不斷變脆，導致材料自身抗疲勞性能受到影響。通過進一步探究，發(fā)現(xiàn)金屬材料自身熱疲勞性會受到回火的影響，在不同溫度條件下，材料具有不同的硬度。除此之外，增加奧氏體溫度，還會使基體當中的碳化物不斷溶解，在淬火完成以后，奧氏體當中含有的碳及合金元素大量增加，促使金屬材料自身強度顯著提高，產生二次硬化峰，同時抗回火軟化性也得到明顯的提高。當然，采用不同工藝時，也會對金屬材料自身抗疲勞性能造成影響，包括硬度、在高溫條件下的強度及韌性，無論是化學成分，還是顯微組織，都會受到很大影響。基于此，必須保證所選熱處理工藝科學性與合理性，減小材料不均勻性，避免產生過大的局部應力，從而有效保證材料自身抗疲勞性，避免在熱處理以后導致抗疲勞性大幅降低。

3 性能驗證與結果分析

試驗操作嚴格按照以下規(guī)程進行: ①對操作場地進行認真清理，認真檢查電源與儀表，確認是否正常。②現(xiàn)場的操作人員必須按照要求穿戴好各類防護用品，以免在操作中發(fā)生意外造成人身傷害。③開啟轉換開關，以設備技術要求為依據(jù)進行分段的升溫和降溫，以此保持設備的完好性，延長其使用壽命。④充分注意熱處理爐實際溫度與網帶調速，掌握并確定不同材料需要達到的溫度標準，確保工件的硬度與表面平直程度，同時認真開展安全工作。⑤充分注意回火爐實際溫度與網帶調速，適時啟動排風，確保工件完成回火后能夠滿足質量要求。⑥整個工作過程中相關工作人員必須堅守崗位。⑦準備好所有消防器具，同時熟練使用各種方法。⑧在停機以后，應對所有控制開關進行檢查，確認其是否處在關閉的狀態(tài)，并將轉換開關及時關閉。采用不同的熱處理工藝對金屬材料進行熱處理，驗證金屬材料自身熱疲勞性受到的影響，2 種試樣執(zhí)行600余次冷、熱交替后，其表面都開始出現(xiàn)大量細裂紋，而當交替的次數(shù)達到1200 次以后，試樣表面開始出現(xiàn)較粗的裂紋。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，對于同一種類型的金屬材料，采用相同的熱處理工藝時，試樣表面裂縫面積與主裂紋的縫寬和冷、熱交替次數(shù)為正比關系，也就是當冷、熱交替次數(shù)增加時，無論是裂縫的面積還是主裂紋的縫寬均明顯在增大；同時，裂紋的總長和冷、熱交替次數(shù)為反比關系，也就是當冷、熱交替次數(shù)增加時，損傷因子不斷減少。

通過以上研究，所有試樣在冷、熱交替次數(shù)達到600 次以后都會產生不同程度的裂紋，之后雖然也會出現(xiàn)新裂紋，但現(xiàn)有裂紋發(fā)生擴展將成為主導。一些裂紋由于冷、熱交替過程中產生的應力，會使裂紋進一步加寬和加深，這些裂紋由此會變?yōu)橹髁鸭y，其他相對來說比較細小的裂紋會因為應力被釋放掉而不再擴展，伴隨冷、熱交替次數(shù)的不斷增加，持續(xù)發(fā)生氧化剝落，而在進行拋光與酸洗之后，將會消失，因此得出了當冷、熱交替次數(shù)為1200 次時試樣裂紋總長反倒少于交替次數(shù)為600 次的結論。對于鋁合金材料，采用熱處理工藝后，其強度得到明顯提高，材料自身熱疲勞性也能得到一定程度的改善。

4 結語

通過具體分析，研究了金屬材料的抗疲勞性與熱處理之間的關系。與此同時，我們也發(fā)現(xiàn)，并非所有的金屬材料都如此，為了更加準確的評估，需要分析或實驗進行有效確定。總之，通過相關的實驗研究和探索可以認定對金屬材料進行熱處理可以使得其性能得到有效改善。