1、浅谈金属材料与热处理工艺的关系 摘 要：本文以实验数据为基础客观分析金属材料的组织性能等与热处理工艺中预热、温度、以及应力之间的关系。 关键字：金属材料；热处理；关系 工业生产中许多金属材料为最大限度地发挥材料潜力需要提高其机械性能。在设计工作中正确制定热处理工艺可以改变某些金属材料的机械性能。而不合理的热处理条件不仅不会提高材料的机械性能反而会破坏材料原有的性能。因此设计人员在根据金属材料成分及组织确定热处理的工艺要求时应准确分析金属材料与热处理工艺的关系合理安排工艺流程才能得到理想的效果。 在工业生产中广泛使用的金属有铁、铝、铜、铅、锌、镍、铬、锰等。但用得更多的是它们的合金。金属和合金的
2、内部结构包含两个方面其一是金属原子之间的结合方式其二是原子在空间 的排列方式。金属的性能和原子在空间的排列配置情况有密切的关系原子排列方式不同金属的性能就出现差异。金属材料热处理过程是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度并在此温度中保持一定时间后又以不同速度在不同的介质中冷却通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来改变其性能的一种工艺。因此对某些金属或合金来说可以用热处理工艺来改变它的原子排列进而改变其组织结构控制其机械性能以满足工程技术的需要。不同的热处理条件会产生不同的材料性能改变效果下面就金属的材料的某些性能来分析其与热处理工艺的关系以便更好的提高材料的机械 性能。 金属材料加工
3、的整个工艺流程中如果切削加工工艺与热处理工艺之间能相互沟通密切配合对提高产品质量将有很大好处。在金属切削过程中由于被加工材料、切削刀具和切削条件的不同金属的变形程度也不同从而产生不同程度的光洁度。预先热处理主要是应用于各类铸、锻、焊工件的毛坯或半成品消除冶金及热加工过程产生的缺陷并为以后切削加工及热处理准备良好的组织状态。从而保证材料的切削性能、加工精度和减少变形。提高零件的切削性能。各种材料最佳切削性能都对应有一定的硬度范围和金相组织。齿坯材料在切削加工中当齿 ?扔捕绕 ?低时会 产生粘刀现象在前倾面上形成积屑瘤使被加工零件的表面光洁度降低。而对齿坯材料进行正火不完全淬火处理切屑容易碎裂形成
4、粘刀的倾向性减少。并随着齿坯硬度的提高切屑从带状向挤裂多渡减少了粘刀现象提高了切削性能。经固溶处理时效强化后的铝合金比铸态或压力加工状态的切削性能好。所以铝合通常都是先经强化处理（固溶处理时效处理）再切削加工。晶粒细小、均匀的组织不仅改善了切削性能提高了机械加工精度而且为最终热处理（淬火十回火）保证获得良好的组织和陛能做好准备。 切变模量是材料的力学性能指标之一是材料在剪切应力作用在弹性 变形比例极限范围内切应力与切应变的比值。它表征材料抵抗切应变的能力模量大则表示材料的刚性强。通过热处理可以改变材料的性能同时材料本身的物理性质也发生改变切边模量应该也随之变化从而导致了弹簧的实际伸长量与设计计
5、算的伸长量存在着一定的误差。笔者结合相关实验分析了热处理与金属材料切边模量变化的关系。工业生产中在选用弹簧钢进行弹簧设计计算时要用到材料的切模量和弹簧模量。如果按传统设计资料中给出的切边模量取值那么通常计算的弹簧变形量和实际测得的弹簧变形量有较大的误差。这是因为加工后的成品弹簧特别是热绕成形的弹簧都需经 过热处理。而由于材料弹性模量的大小是由原子间的结合力决定的所以凡是影响原子间结合力的因素都会影响弹性模量的大小。合金成分和组织、温度、形变强化都会对原子间的结合力产生影响所以经过热处理后材料温度发生了变化即材料弹性模量发生变化。弹性模量的变化使弹簧的特性线早在设计时就已产生了先天性的的误差。因
6、此笔者认为在对特性线要求较高的弹簧进行设计计算时不应按照传统资料的给定值进行设计应根据弹簧的服役条件如工作温度、载荷等等确定。只要在相应的回火温度和硬度要求范围内选取切变模量即可。而对于特性线要求不高的螺旋弹簧来说可以 不考虑弹簧经过热处理后的切变模量的变化。 断裂力学的出发点是任何材料实际都含有不同数量、不同尺寸的裂纹。断裂韧性实际可以理解为含有裂纹的材料在外力作用下抵抗裂纹扩展的性能。提高金属断裂韧性的关键是要减少金属晶体中位错使金属材料中的位错密度下降从而提高金属强度。细晶强化是减少金属晶体中位错的一种重要方法其原理是通过细化晶粒使晶界所占比例增高而阻碍位错滑移从而提高材料强韧性。而金属
7、组织的细化则主要通过热处理后再结晶获得。当冷变形金属加热到足够高的温度以后会在变形最剧烈的区域产生新的等轴晶粒来代替原来的 变形晶粒这个过程称为再结晶。只有在一定的应力和变形温度的条件下材料在变形过程中才会积累到足够高的局部位错密度级别导致发生动态再结晶。因此不同温度对金属的再结晶效果好坏有明显的关系。可以通过以下实验证明在 SY 钢坯料上线切割适当的小圆柱机加工后选择在700 ， 800 ， 900 、 1000 和 1100 在 Cleeble-1500 型热模拟试验机上以 510 -1 的变形速率保温 30s 压缩变形 50 然后在空气中冷至室温再进行 6806hAC （空冷）的退火处理
8、再将压缩后的试样沿轴向线切割剖开研磨抛光后用化学物质显示晶粒形貌 。实验现象为在 700 时扁平的晶粒开始逐渐向等轴晶粒的形状变化。 800 变形的晶粒中等轴晶粒已经有少量出现但仍然以变形拉长的晶粒为主。在 900 变形开始晶粒突然变得细小几乎全部为等轴晶粒晶粒度达到 YBl2级。在 900 以上晶粒开始长大。因此 900左右温度是钢的宏观性能变化最为剧烈的阶段。再结晶晶核的形成与长大都需要原子的扩散因此必须将变形金属加热到一定温度之上足以激活原子使其能进行迁移时再结晶过程才能进行。那么我们就可以得出控制热处理的温度可以提高金属材料的断裂韧性。 金属材料在拉伸应力和特定腐 蚀环境共同作用下发生
9、的脆性断裂破坏称为应力腐蚀开裂。大部分引起应力腐蚀开裂的应力是由残余拉应力引起的。残余应力是金属在焊接过程中产生的。金属在加热时以及加热后冷却处理时改变了材料内部的组织和性能同时伴随产生了金属热应力和相变应力。这种应力对材料的影响有利也有弊下面主要对金属热处理中的残余应力与形成裂纹间的关系进行分析。金属材料在加热和冷却过程中表层和心部的加热及冷却速度（或时间）不一致由于温导致材料体积膨胀和收缩不均而产生应力即热应力。在热应力的作用下由于冷却时金属表层温度低于心部收缩表面大于心部而使心部受 拉应力另一方面材料在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时因比容的增大会伴随材料体积的膨胀材料各
10、部位先后相变造成体积长大不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力心部受压应力恰好与拉应力相反。金属热处理的热应力和相变应力叠加的结果就是材料中的残余应力。金属热处理中淬火冷却速度是一个能影响淬火质量并决定残余应力的重要因素也是一个能对淬火裂纹赋于重要乃至决定性影响的因素。通过相关实验我们可以得出： 1）淬火冷却速度加快抑制纵裂效果增大。为了达到淬火的目的通常必须加速材料在高温段内的冷却速 度并使之超过材料的临界淬火冷却速度才能得到马氏体组织。就残余应力而论这样做由于能增加抵消组织应力作用的热应力值故能减少工件表面上的拉应力而达到抑制纵裂的目的。 2）冷却后期缓冷的。主要不是为了降低马氏体相变的膨胀速度和组织应力值而在于尽量减小截面温差和截面中心部位金属的收缩速度从而达到减小应力值和最终抑制淬裂的目的。 金属材料的性能与热处理工艺的制定在机械零件制造中占有十分重要的地位。在生产实际使用中应准确把握二者之间的关系有效地提高金属零件的制造水平。 参考文献 王斌武，周晓艳 ，浅谈金属零件的设计、切削加工及热处理的关系，桂林航天工业高等专科学校学报， 2006（ 4）。 作者简介 王艺璇，郑州大学材料科学与工程学院，金属材料专业。
