探析金屬材料的構造性能同熱處理之間的相互關系

房永順,呂延彬,郭 睿

（大連大高閥門股份有限公司，遼寧 大連 116000）

在工業生產之中，許多金屬材料通過采用退火、正火、淬火、回火等熱處理方式能夠很好地改變金屬內部的晶體組織結構，使原本性質單一的金屬材料產生一些良好的機械性能，因此熱處理在改變金屬材料構造性能，特別是機械性能如硬度、強度、韌性等方面起著至關重要的作用。

1 金屬材料構造性能

自從人類進入青銅器時代開始，金屬材料就與人類的生活息息相關，例如鐵、鋁、銅、鎳等金屬以及大量的合金被廣泛運用于軍事、農業、建筑等領域，換句話說，金屬材料已經滲透到人類的日常生活的方方面面，成為了人類生活不可替代的一部分。無論是金屬單質還是合金，其機械性能往往取決于內部構造。準確地來說，金屬性質是由金屬原子之間的結合方式和空間排列所決定的[1]。例如合金往往比金屬單質的硬度大，不銹鋼比生鐵的強度高、腐蝕性強等，這些都是由于金屬原子的構造排列不同所導致的。

2 金屬材料性能與熱處理之間的關系

為滿足工件的加工要求，需采用熱處理的方式改變其固有的加工性能，包括切削性能、切變模量、斷裂韌性以及腐蝕開裂等，下面就分析這些金屬性能同熱處理工藝之間的關系。

（1）切削性能與熱處理預熱的關系。在金屬材料的加工過程中，切削工藝對于金屬工件的質量有著較為明顯的影響，如果能夠利用熱處理技術來改善金屬材料的切削性能，那么這將大大地提升金屬工件產品質量，減少次品或廢品的切割數量。在金屬材料進行切割的過程中，由于金屬材料的硬度、強度以及變形程度等并不相同，另外切割刀具的切削環境和切割條件也存在著較大的差異性，因此各種材料的切削效果也并不相同。為了提高金屬材料的切削性能，通常在鍛鑄件或焊接件毛坯半成品上采用預熱處理，從而改善甚至消除冶金及熱加工過程中所產生的缺陷，同時減少變形并提高精度。

（2）金屬切變模量與熱處理溫度的關系。切變模量是金屬材料力學的重要性能指標之一，金屬材料在受到剪切應力之后，定然會發生形變，切變模量準確來說是金屬在其形變范圍之內的切應力與切應形變之間的比值。換句話說，切變模量是表征材料抵抗切應變的能力，模量大，則表示材料的剛性強，模量小，則表示材料的剛性弱。金屬切變模量的大小主要取決于原子間相互作用力的大小，而原子間作用力又受到材料的結構、原子排布、穩定等影響，當材料經過熱處理之后，金屬材料中的原子間相互作用力就會發生變化，由此材料的切變模量也會發生與之相應的變化，因此在將金屬材料進行熱處理的過程中，一定要將熱處理的回火溫度和材料硬度嚴格控制在一定的合理范圍之內，從而避免因為切變模量超過了形變范圍而導致不可逆的金屬形變，不同材料鋼回火溫度與硬度的關系如下圖所示。

一般來說，具有回火脆性的合金鋼40Cr在中溫或高溫回火后用清水或油冷卻，防止脆性斷裂，而高合金鋼一般在采用低溫500-520℃回火兩次。

（3）金屬材料的斷裂韌性與熱處理溫度的關系。金屬材料的斷裂韌性是金屬材料的基本屬性，該性質與金屬材料的熱處理工藝有著十分密切的關系[2]。實際上任何材料都含有不同數量、不同程度的裂紋，斷裂韌性也可以理解為含有裂紋的金屬材料在外力的作用下抵抗裂紋擴展的性能，一般來說，減少金屬晶體中的排列錯位，降低金屬材料中的位錯密度，而目前效果最明顯提高金屬斷裂韌性的方法就是對金屬材料進行細晶強化處理。具體來講，細晶強化的基本原理就是對材料先進行熱處理，然后再進行冷卻結晶，使得變形最劇烈的區域產生新的等軸晶粒來代替原來的變形晶粒。只有當金屬材料的熱處理溫度達到一定值時才能夠激活原子，使之進行遷移，再結晶的過程才能夠保證，金屬材料的宏觀性能才能發生變化，SY鋼坯在不同熱處理溫度下的晶粒形貌。

不同熱處理溫度下等軸晶體的數量情況

SY鋼在700℃時，扁平的晶粒開始向等軸晶粒變化，800℃是已有少量等軸晶粒出現，900℃時，晶粒突然變得細小，幾乎全部為等軸晶粒，晶粒度達到YB12級，溫度在1000℃時，晶粒開始長大。因此為了保證材料的原子發生擴散和轉移，實現材料的再結晶，就必須控制好材料的熱處理溫度，從而最終提高材料的斷裂韌性。

（4）金屬材料抗應力腐蝕開裂與熱處理應力關系。無論何種金屬材料都有一定的拉伸延展性，然而當金屬材料收到一定的拉伸力作用時，并且同時還受到周圍環境的腐蝕作用，那么金屬材料雖然在其拉伸延展范圍之內也會發生腐蝕斷裂，也稱脆性斷裂。例如在金屬淬火過程中稍有不慎就會產生裂紋，這就是殘余應力的結果，因此金屬淬火通常在后期緩慢冷卻，盡量減少金屬膨脹速度和熱應力值，最終達到抑制斷裂的效果[3]。

總而言之，金屬材料在人們日常生活中應用程度和范圍不斷擴大，各種金屬材料、合金的熱處理工藝需要不斷完善，為生產出更高品質的工件奠定良好的基礎，隨著科學技術的不斷發展和人們對金屬工件精密度要求的不斷提高，熱處理工藝在建筑金屬材料的加工和應用中必將充當更為重要的角色。

[1]王斌武，周曉艷.淺談金屬零件的設計、切削加工及熱處理的關系[J].桂林航天工業高度專科學校學報,2006(04).

[2]苗高蕾.金屬材料與熱處理關系淺議[J].企業技術開發,2014(11).

[3]明平劍.金屬淬火過程傳熱與流動規律數值研究[D].哈爾濱工程大學,2006(02).