熱處理工藝對金屬材料抗疲勞性能的影響

鄒彤雯

(黑龍江省科學院高技術研究院,哈爾濱 150009)

金屬材料熱處理采用淬火加熱、回火保溫及介質冷卻等技術工藝改善金屬的顯微組織,提升晶粒細化程度,增加金屬材料強度,以實現(xiàn)金屬材料抗疲勞性能的全面提升。在不改變金屬材料性質、化學成分的基礎上對材料內在進行調整與改善,如均勻穩(wěn)定顯微組織、增加疲勞強度、制造金屬表面的硬化層等,使其綜合性能符合工業(yè)生產(chǎn)制造要求。本研究針對熱處理工藝,對金屬材料抗疲勞性能的影響進行分析,以提高金屬材料熱處理質量與效率為目的,改善其抗疲勞性能。

1 影響金屬材料抗疲勞性能的主要因素

1.1 應力集中

金屬材料存在著不同形式的缺口,缺口根部的理論集中應力系數(shù)(Kf)=根部最大實際應力/名義應力,疲勞應力集中系數(shù)(Kt)=光滑金屬疲勞極限/缺口金屬疲勞極限,其中疲勞應力集中受到金屬材料物理化學性能及熱加工處理的影響,應力與缺口的尖銳程度成正比,這是金屬構件發(fā)生疲勞破壞的源頭。疲勞缺口敏感度系數(shù)q=kf-1/kt-1,q值為0～1,值越小說明敏感度越低,q值的大小與缺口尺寸有著一定的關系,但當缺口尺寸超過一定值后,則與q值的大小無關。

1.2 化學成分

在一定條件下,金屬材料的抗疲勞性能與抗拉強度存在著一定的關系,碳是影響其抗拉強度的重要物質,如果鋼材中存在碳的夾雜物則會增加鋼材的脆性。在其他合金材料中,合理運用碳元素可提高材料的抗拉強度[1],增強抗疲勞性能。

1.3 加載經(jīng)歷

金屬材料加載經(jīng)歷對其抗疲勞性能的影響主要是指超載損傷與次載鍛煉,少數(shù)的超載對于金屬材料的疲勞性能影響非常小,但在高于疲勞極限負荷且長時間加載的情況下會降低金屬的疲勞極限,引起疲勞破壞。使用金屬材料前進行適當?shù)某d可促進金屬形變強化,使金屬表面形成良好的殘余應力,有助于提升疲勞強度。次載鍛煉與超載相反,在金屬疲勞極限范圍內且在大于一個鍛煉應力值下運行會增加金屬材料的疲勞極限,鍛煉時間與鍛煉應力值的大小會影響金屬疲勞極限改善的效果。

1.4 金屬表面狀態(tài)

1.4.1 加載方式

對金屬表面采用軸向、彎曲及扭轉等不同加載方式會形成不同的金屬表面狀態(tài),對抗疲勞性能的影響也不同,如軸向加載,應力分布均勻,金屬表面不同深層的應力一致,但只改善了金屬表面性能,未能強化到一定深度下的金屬內部。如果是彎曲加載,表面加載形成附加應力,與表面殘余應力疊加后可增加表面的抗疲勞性。

1.4.2 淬火與滾壓

在金屬表面淬火加熱形成熱傳導作用,滲透至金屬表面一定的深度,形成硬化層并增加殘余應力,以增強材料的抗疲勞性能。對金屬表面進行滾壓處理,可增加硬化層厚度,達到改善抗疲勞性能的目的。金屬材料表面機械性能、殘余應力、光潔度等的調整對于抗疲勞性能都會產(chǎn)生直接影響。

1.4.3 機械加工

在金屬材料機械加工過程中如果鋼材表面留有微小的缺口,表面不夠光滑,存在著加工痕跡,會導致鋼材表面應力集中,影響抗疲勞性。以鋼材機械加工為例,分別采用粗加工與精拋光,材料強度越大,表面越光潔,精拋光的鋼材料要比粗加工的鋼材料疲勞極限提升10%～20%。

2 熱處理工藝影響金屬材料抗疲勞性能的因素及機理

2.1 影響因素

熱處理工藝的實質是采用淬火加熱金屬材料,改變其物理與化學性能,從而達到提高其綜合性能的目的。影響金屬材料抗疲勞性能的關鍵因素包括應力集中、金屬材料強度、顯微組織均勻性、表面加工狀態(tài)、化學成分、晶粒細化程度等[2],金屬材料的熱處理工藝直接影響以上各種因素,而影響熱處理工藝質量的因素包括溫度、預處理及冷卻介質。同一種金屬材料使用不同的熱處理工藝可得到不同的顯微組織,令金屬材料的抗疲勞性能存在較大的差異。

2.1.1 溫度因素

使用淬火加熱金屬材料可使其顯微組織均勻分布、晶粒細化。但金屬材料有著最佳的加熱溫度,一旦淬火加熱超過最高溫度,晶粒會變粗,致使疲勞強度下降?；鼗饻囟纫矔饘俨牧系目蛊谛阅墚a(chǎn)生影響,溫度的高低影響著金屬硬度與顯微組織晶粒的粗細程度。

2.1.2 預處理因素

使用熱處理工藝前,需對金屬材料表面進行預處理,常規(guī)的預處理包括表面整平、浸蝕與表面除油、凈化表面使表面粗化。金屬材料預處理過程采用的技術標準及質量控制措施對于后續(xù)預處理質量有著直接影響,如用砂輪打磨、化學浸蝕金屬表面,會對金屬基體造成損傷[3],從而對熱處理后的金屬材料綜合性能產(chǎn)生不良影響,降低抗疲勞性能。

2.1.3 冷卻介質因素

在金屬材料淬火加熱及高速冷卻處理過程中需采用淬火冷卻介質,如水-油、水-空氣、空氣-油、有機物水溶液等,以快速冷卻加熱后的金屬材料。介質類型及冷卻速度等對于金屬顯微組織狀態(tài)有著直接影響,會令其內部結構發(fā)生改變。在回火工藝處理環(huán)節(jié)需對淬火后的金屬進行一定時間的保溫,再進行冷卻,這也會影響金屬材料的穩(wěn)定性及抗疲勞性。

2.2 影響機理

金屬材料的抗疲勞性能包括熱疲勞、接觸疲勞、沖擊疲勞、腐蝕疲勞等。以熱疲勞性能為例,主要影響因素是碳化物聚集。在金屬材料加熱處理過程中,金屬材料需淬火冷卻、回火冷卻,冷熱交替促使碳化物生成與聚集,單個的碳化合物顆粒不會產(chǎn)生大的影響,持續(xù)累積后形成大碳化物團,進而引發(fā)熱疲勞裂紋。金屬材料中的夾雜物周邊有著微小缺口,與碳化物處于不同的位置,成為裂紋源且夾雜物類型不同,機械性能也不同,這些因素都會影響抗疲勞性能。金屬中細微的裂縫存在于夾雜物與碳化物團之間,在冷熱循環(huán)的影響下裂紋源受到應力作用,促使微裂紋不斷生長,導致熱疲勞裂紋的出現(xiàn)。

3 關鍵技術對金屬材料抗疲勞性能的影響

3.1 激光熱處理

激光熱處理屬于表面熱處理技術,處理金屬材料主要利用高能量的激光束快速提高照射點的溫度,當超過金屬相變點時停止照射,金屬內部發(fā)生熱傳導,實現(xiàn)對低溫金屬淬火的目的,提高金屬硬度,減少金屬材料加工過程中的變形量。具體工藝流程如下：預處理(除油、除銹、清洗、干燥)→預置吸光涂層→激光淬火(工藝參數(shù)設計)→質量檢測(觀察淬火帶表面狀態(tài)、硬化層深度與面積),處理過的金屬硬化層深度及面積可控性好[4],具有極高的功率密度。一般使用計算機進行激光淬火工藝參數(shù)的自動化控制,如控制掃描速度、離焦量等。

3.2 表面滲層處理

該技術是將氮、碳等化學元素滲入金屬材料的表層,提高金屬材料的抗熱疲勞性、耐磨性、耐腐蝕性等,改善其綜合性能。以表面滲碳為例,工藝處理流程是對金屬材料進行滲碳處理,經(jīng)過淬火、回火后使碳滲入至金屬材料表層,增加其硬度與使用壽命。常用的表面滲層工藝包括固體粉末滲碳、氣體滲碳、真空滲碳與離子滲碳等。

3.3 熱處理CAD技術

熱處理CAD技術是在金屬材料熱處理過程中使用計算機輔助設計軟件CAD建設模擬系統(tǒng),根據(jù)金屬材料的物理與化學特性模擬還原熱處理工藝過程,查找存在的問題并進行參數(shù)調整,梳理熱加工工序,進行風險點預防,解決熱處理過程中的技術難點,提高熱處理工藝的可用性,將金屬材料變形量降至最低,達到改善抗疲勞性能的目的。

3.4 真空熱處理

真空熱處理技術是在真空高壓氣淬爐中、在與大氣壓只差0.1 MPa的范圍內對金屬材料進行熱加工,可提高金屬材料熱處理效率與質量。與空氣環(huán)境下的金屬材料熱處理相比,真空環(huán)境下金屬材料無氧化、無脫碳、無滲碳,在真空脫氣、真空脫脂、表面凈化、金屬蒸發(fā)等作用下不會使金屬材料化學成分發(fā)生大的變化,可防止氣孔的出現(xiàn),獲得良好的熱處理效果。

3.5 電子束表面淬火

該技術以高能電子束對金屬材料進行表面淬火加熱,加熱速度達到1000～100 000 ℃/s,功率密度為104～105W/cm2,可令金屬表面快速升溫,通過高能電子束能量的調解進行金屬表面硬化層深度的控制,在加熱結束自冷后獲取超細化晶粒,使金屬材料表面組織細化,提高抗疲勞性能。其效率高于激光熱處理,淬火加熱處理硬化層面積可控,不會對金屬構件其他部位產(chǎn)生影響。

3.6 振動時效處理

金屬材料內部存在著一定的微觀缺陷,缺陷周邊有著不同程度的應力集中。振動時效處理技術采用激振器給金屬材料施加動應力,與金屬材料本身的殘余應力共同作用,消除殘余的內應力,使其發(fā)生微量的塑性變形。振動時效設備中的控制箱用于控制電機轉速,維持金屬材料共振狀態(tài)大約20～30 min,累積時間不可大于40 min,即可完成金屬材料20%～80%殘余應力的調整[5],工藝較為簡單,適用性強且節(jié)約能源,可提高金屬材料的使用強度、抗疲勞性、抗變形能力,令金屬構件尺寸精度穩(wěn)定,降低微觀裂變的發(fā)生概率。

4 金屬材料熱處理工藝發(fā)展趨勢

4.1 智能化

物聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能技術、現(xiàn)代自動化技術等在工業(yè)生產(chǎn)制造中的應用為金屬熱處理工藝的智能化與自動化發(fā)展提供了技術支撐。如計算機輔助設計軟件的應用可建立金屬材料熱處理工藝的數(shù)字孿生體,模擬仿真還原熱處理過程,實時監(jiān)控熱處理狀態(tài),實現(xiàn)對工藝參數(shù)的精準控制。現(xiàn)代自動化控制技術與物聯(lián)網(wǎng)的結合運用可實時采集金屬材料熱處理過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù),全生命周期監(jiān)控熱處理過程,及時發(fā)現(xiàn)存在的問題,在控制終端發(fā)出提示信息,避免熱處理工藝運用偏差而引起抗疲勞性能的下降。智能化是金屬材料熱處理工藝未來發(fā)展的重要方向,需合理優(yōu)化人力、物力資源配置,降低能源消耗,減少因人為操作引發(fā)的抗疲勞性能下降問題。

4.2 無氧化

在空氣環(huán)境下進行熱處理,金屬材料可能會與空氣發(fā)生氧化反應及脫碳現(xiàn)象,形成一定的熱處理損耗,影響金屬表面狀態(tài),降低金屬材料的抗疲勞性能。熱處理需向著無氧化的方向發(fā)展,減少空氣對熱處理效果的影響,如激光熱處理、電子束熱處理、真空熱處理、可控氣氛熱處理、涂層處理等,均是在少氧或無氧的條件下對金屬材料進行熱處理[6]。真空熱處理是將真空熱處理設備的爐子抽到一定的真空度,加入氣氛,加快真空環(huán)境下金屬材料的加熱速度,實現(xiàn)無氧化熱處理?？煽貧夥諢崽幚硎鞘褂每煽貧夥?如控制H2與H2O的比值,規(guī)避金屬材料氧化與脫碳問題,提高熱處理質量,達到節(jié)約能源、節(jié)約金屬、節(jié)約時間的目的。

5 結束語

金屬材料熱處理采用不同工藝、不同工藝參數(shù)、不同處理技術等會對其抗疲勞性能產(chǎn)生影響。在實際熱處理操作中準確選擇與運用熱處理工藝,加強熱處理關鍵技術控制,可降低預處理、淬火、回火等對抗疲勞性能的影響,提高熱處理質量與效率,全面增強金屬材料的綜合性能。