熱處理工藝中溫度及應力與金屬材料的關系探討

【摘 要】現代工業生產領域的機械性能，能夠促使金屬材料的潛能得到最大程度發揮，而熱處理技術能夠改變一些金屬材料的機械性能，至此，需在設計階段便需制定正確熱處理工藝。為獲更加效果，除制定合理工藝流程之外，設計人員還需依據金屬材料成分及組織，準確分析二者關系。本文基于相關實驗現象和數據，對熱處理工藝當中的應力、溫度與金屬材料的性能和組織間關系進行客觀分析，為相關實踐研究提供參考。

【關鍵詞】熱處理；金屬材料；關系

現代工業生產當中，為實現金屬材料潛力的最大限度發揮，需對其機械性能給予提高。在設計階段，熱處理工藝的正確制定，可對一些金屬材料原有的機械性能予以改變。若所采用的熱處理條件不合理，不僅難以實現材料在機械性能有效提升之外，還會對材料原性能造成不同程度的破壞。至此，設計人員需依據金屬材料組織及成分，將熱處理相關工藝要求確定好，還需對熱處理工藝于金屬材料之間關系進行分析，并對金屬材料進行合理安排，方可獲取更好效果。

1. 熱處理發展與金屬材料歷史分析

我國乃是世界領域內熱處理技術及金屬材料使用最早的國家。諸多歷史實物證實，我國早在4000年前已經開始使用了金屬材料，由此可知，我國已經具有很好的熱處理技術水平。改革開放以來，伴隨我國經濟的不斷發展，熱處理技術與金屬材料也得到了迅猛發展，其被廣泛應用于航天事業、石油化工、儀器儀表及機械制造等領域，代表了我國熱處理技術和金屬材料的新水準。

2.金屬材料基本組織和結構

在現代工業生產當中，使用較為廣泛的簡述為錳、鎳、鉛、鋁、鐵、鉻、鋅、銅及鐵等，但運用最為廣泛的乃是他們的合金。無論是金屬還是合金，其內部結構均有兩中方式，其一，原子在空間內所存在的排列方式；其二，基于金屬原子之間所存在的結合方式。而對于金屬的性能而言，其與原子在具體的空間配置和排列方面存在緊密關系，隨著原子在排列方式上的差異，金屬在性能方面也會產生不同。所謂金屬材料熱處理，其就是在一定的介質中，將金屬工件放置其中，而后將其加熱至一定溫度，且維持此溫度所需時間后，分別采用不同速度，將其冷卻于不同的介質中，通過對金屬材料內部或者表面的顯微組織結構予以改變，以此達到對其性能改變的一種工藝。所以，對于一些合金或金屬而言，可采用熱處理工藝，將其原子排列予以改變，并對其組織結構進行改變，以此達到對其機械性能給與有效控制的目的，滿足在相關工程技術方面的實際需求。當熱處理條件不同時，其在材料性能改變效果方面也會存在差異，現通過分析金屬材料的一些性能，探討其和熱處理工藝之間所存在的關系，為實現材料機械性能的提升提供依據。

3. 熱處理工藝與金屬材料之間的關系

3.1 金屬材料與金屬材料的切邊模量之間的關系

切變模量作為材料重要的力學性能指標，乃是材料在彈性變形相應比例最大限度范疇內，在剪切應力作用下，切應變和切應力之間的比值。它表征材料對切應變相應能力予以改變，當具有較大模量時，則表明此材料具有較強的剛性。利用熱處理工藝，能夠對材料的性能予以改變，此外，基于材料本身所具有的物理性能也會相應發生變化，切邊模量也伴隨其而改變。進而造成設計計算得出的設計計算，與彈簧的實際伸長量之間存在相應誤差。依據以往實驗研究經驗，分析了金屬材料切邊模量變化與熱處理之間的關系。在整個工業生產當中，在彈簧設計計算時，采用彈簧鋼完成此操作，需運用材料的彈簧模量以及切邊模量。如若依據以往設計資料當中已經給出的切邊模量具體取值，則一般情況下，通過計算而得出的彈簧變形量，往往與以往變形量之間差距較大。究其原因，主要為原子間結合力，決定了材料彈性模量的大小，因此，當完成熱處理操作之后，材料在溫度上出現改變，也就是材料在具體的彈性模量方面發生了改變。與此同時，彈性模量E與切邊模量G存在如下關系式，即E/2（1+μ）=G，如若其它因素維持不變，當E發生改變，則就會造成G也發生改變。因此，當彈性模量發生改變，就會造成彈簧特性線在開始設計時，變已經存在誤差。所以，在設計計算那些對于彈簧的特性線具有較高要求的彈簧時，在設計時，不能僅依據傳統資料所給出的各種傳統資料，需依據彈簧現今使用狀況，比如載荷及工作溫度等。只要硬度與回火溫度維持于相關要求區間內，便可對切變模量進行選取。如若對于特性線存在不高要求，則針對螺旋彈簧而言，可不將彈簧經過熱處理之后，其彈簧所存在的變化給予改變。

3.2 熱處理溫度與金屬材料的斷裂韌性之間的關系

若從斷裂力學角度來考量，無論何種材料，其均存在有不同尺寸及數量的裂紋。而在實際當中，可將斷裂韌性解釋為內有裂紋材料，而基于相應外力作用下，產生對裂紋擴展予以抵抗的性能。將金屬斷裂韌性提升的核心要素，就是實現金屬晶體當中的錯位減少，致使金屬材料當中在錯誤密度方面呈現下降趨勢，進而實現金屬強度的提升。對于細化晶粒而言，其能夠提升晶界所占比重，并對位錯滑移給與組織，進而促進材料強韌性的提升。而對于細化的金屬組織而言，其需要利用熱處理工藝實施處理后，經再次結晶而獲取。當冷變形金屬經過加溫，而溫度值已經足夠高時，基于變形最為劇烈的地方，就會出現全新的等軸晶粒，并且對原有的變形晶粒進行替換，此過程即為結晶。當變形溫度及應力達到一定程度的狀況下，材料在進行變形時，局部位錯密度級別才會被積累到足夠高的程度，造成動態再結晶的發生。所以，若溫度不同，則其直接關系著金屬再結晶的好壞。可依據如下實驗給予驗證，即選用金屬的再結晶，采用線切割方式將其切割成小圓柱，當完成機加工之后，分別選擇1100℃、1000℃、900℃、800℃及700℃，選擇5×10-1變形速率，在Cleeble-1500型熱模擬試驗機上，保持溫度30s，并將其進行壓縮變形50%，并將其放置空氣中，使之與室溫相同，然后采用680℃×6hAC（空冷），實施退火處理操作，然后將完成壓縮之后的試樣，經過軸向線實施切割操作，完成研磨拋光之后，采用相關化學物質，將晶粒形貌予以顯示。實驗現象：當溫度為700℃時，原本為扁平的晶粒，則逐漸變化成等軸晶粒。當溫度為800℃，在發生變形的晶粒當中，等軸晶粒已經較少出現，但主要還是變形拉長晶粒，當溫度維持于900℃時，此時將會發生最為劇烈的鋼的宏觀性能變化。對于再結晶晶核而言，無論是其長大還是形成，均與原子擴散息息相關，所以，需將變形金屬在加熱方面維持相應溫度內，足以將原子激活，當發生遷移時，方能進行再結晶。由此看，便可對熱處理溫度進行有效控制，還可促進金屬材料在具體的斷裂韌性方面的提升。

4.結語

在機械零件制造過程中，無論是熱處理工藝的質量，還是金屬材料的性能方面，均占據重要地位，因此，在實際生產當中，需對二者關系進行合理、準確把握，促進金屬零件在制造水平方面的有效提升。

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作者簡介：趙建剛（1964-），男，籍貫：四川西昌。四川職業學院副教授，研究方向：金屬材料與機械加工。