金屬材料的熱處理及應(yīng)用探究

韓子琦

(長春市第二實(shí)驗(yàn)學(xué)校,長春 130022)

金屬材料的熱處理及應(yīng)用探究

韓子琦

(長春市第二實(shí)驗(yàn)學(xué)校,長春 130022)

對(duì)工程材料的認(rèn)識(shí)，對(duì)碳鋼及鑄鐵平衡組織觀察、碳鋼的熱處理操作以及碳鋼的表面淬火操作這三個(gè)實(shí)驗(yàn)的分析與總結(jié)，著重分析了鋼的表面淬火工藝及其在生產(chǎn)生活中的實(shí)際應(yīng)用。

金屬材料；熱處理；應(yīng)用

純機(jī)械制造發(fā)展到以計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支持平臺(tái)的先進(jìn)的制造工程，在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，一批新型的工程結(jié)構(gòu)材料、功能材料不斷涌現(xiàn)，并在機(jī)械制造中廣泛應(yīng)用。

材料按照物質(zhì)結(jié)構(gòu)可以分為金屬材料、有機(jī)高分子材料、陶瓷材料等。金屬材料具有很多優(yōu)質(zhì)性能，如：使用性能、工藝性能等[1]。

金屬材料的熱處理是指將固態(tài)金屬或合金，通過采用適當(dāng)方式進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，有時(shí)也會(huì)一起加以化學(xué)作用和機(jī)械作用，改變金屬合金內(nèi)部的組織和結(jié)構(gòu)，從而得到可以有效改善材料性能的結(jié)果[2]。各種金屬材料若想獲得更加優(yōu)良的性能，熱處理工藝則是可以實(shí)現(xiàn)這一目的非常重要的方法。很多實(shí)際應(yīng)用中，選用的材料和各種成形工藝并不能滿足金屬工件所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，這時(shí)，對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理工藝這一步驟就是必不可少的。

通過三個(gè)實(shí)驗(yàn)，即：碳鋼和鑄鐵平衡組織觀察、碳鋼的表面淬火操作和碳鋼的熱處理操作，來進(jìn)一步了解熱處理工藝。

1 碳鋼和鑄鐵平衡組織觀察，確定平衡狀態(tài)下鐵碳合金的組織和含碳量關(guān)系

工業(yè)純鐵、鋼和鑄鐵是三種不同的合金。

含碳量低于0.01%的鐵碳合金，其顯微組織由單相鐵素體和沿晶界分布的少量三次滲碳體，稱為工業(yè)純鐵。含碳量位于0.01%～2.11%的鐵碳合金稱為碳鋼。碳鋼還分為亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼三種。含碳量在2.11%～6.69%的鐵碳合金稱為鑄鐵[3]。

實(shí)驗(yàn)研究的主要內(nèi)容是：在平衡狀態(tài)時(shí)，鐵碳合金在極緩慢冷卻條件下得到的組織也就是顯微組織，酸對(duì)不同組織的腐蝕性是不同的。各個(gè)試樣在進(jìn)行了熱處理之后，得到金相試樣，再用4%的硝酸酒精腐蝕之前所得到的金相試樣，不同試樣的腐蝕程度也不同。使用操作金相顯微鏡來觀察各個(gè)試樣的表面，從而判定各試樣的金相組織。

通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以得出，平衡狀態(tài)下鐵碳合金的組織和含碳量的關(guān)系。當(dāng)Wc增高，不僅滲碳體的數(shù)量增加，而且滲碳體的存在形式也發(fā)生了變化，它的位置由原本的分散在鐵素體的基體內(nèi)變成了分布在珠光體的周圍，最后形成萊式體的時(shí)候，滲碳體又會(huì)作為基體出現(xiàn)。工業(yè)純鐵中的三次滲碳體的量隨著含碳量的增加而增加。當(dāng)亞共析鋼中的鐵素體的含量減少時(shí)，其中的二次滲碳體含量則會(huì)隨著它的減少而開始增加。當(dāng)亞共晶白口鑄鐵的珠光體和二次滲碳量也減少時(shí)，共晶滲碳體的量也會(huì)隨之增加，同時(shí)過共晶白口鐵中的一次滲碳體和共晶滲碳體量也會(huì)隨之增加。所以，一向鐵碳合金力學(xué)性能的根本原因就是以上實(shí)驗(yàn)所觀察到的合金組織隨含碳量的變化規(guī)律。當(dāng)有不同的加熱和冷卻條件時(shí)，最終得到鐵碳合金的性能、組織都會(huì)大不相同。

2 通過碳鋼熱處理，分析不同溫度下鋼件性能

做碳鋼熱處理操作實(shí)驗(yàn)，可以很清楚地看到，當(dāng)鋼件在奧氏體化之后，如果以不同冷卻速度將鋼件進(jìn)行冷卻，最后得到的組織是不同的，鋼件最終所表現(xiàn)出來的機(jī)械性能也是不一樣的。

鋼件在經(jīng)過淬火處理后，如果用不同溫度回火，那么在回火后獲得的組織也不同，并且會(huì)具有不同的機(jī)械性能。通過本實(shí)驗(yàn)，從硬度的變化上可以觀察出，當(dāng)回火溫度逐漸升高時(shí)，鋼件的硬度和強(qiáng)度這兩項(xiàng)力學(xué)性能都在下降，而塑性和韌性在上升。

3 通過碳鋼的表面淬火操作與普通加熱淬火對(duì)比，分析其具備的優(yōu)勢(shì)

在碳鋼表面淬火操作中，充分了解到感應(yīng)加熱淬火對(duì)材料表面及芯部性能的影響。

在實(shí)際生產(chǎn)生活中，因?yàn)閷?duì)零件表面的性能與心部的性能要求是不一樣的，所以在生產(chǎn)中主要采用表面熱處理辦法來對(duì)碳鋼進(jìn)行處理。通常用的方法就是表面淬火和化學(xué)熱處理。本實(shí)驗(yàn)主要是應(yīng)用表面淬火處理方法。

鋼的表面感應(yīng)淬火是快速對(duì)鋼件進(jìn)行加熱，然后立即淬火冷卻，將兩者結(jié)合起來。通過快速加熱過程，可以使得待加工鋼件表面達(dá)到淬火溫度，但是熱量還沒傳到鋼件的中心就能夠迅速冷卻，這樣得到的組織就是讓表層淬硬為馬氏體，但是鋼件的中心由于沒有淬火，所以仍為未淬火時(shí)候的組織，塑性、韌性依舊是原來未淬火時(shí)較好的形態(tài)。

通過兩種淬火方式最后得出的組織進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)加熱表面淬火具有更多的優(yōu)點(diǎn)：A.感應(yīng)加熱表面淬火的加熱速度特別快，縮短轉(zhuǎn)變時(shí)間(由于A體的轉(zhuǎn)變范圍被擴(kuò)大了)。B.經(jīng)感應(yīng)加熱表面淬火處理過的工件不易氧化脫碳，有些工件處理后甚至可以直接裝配使用。C.淬火后的工件表層可以得到極細(xì)的隱晶馬氏體，硬度高。D.淬硬層深，便于操作上的控制，有易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化[4]。

4 盡量減少金屬材料熱處理過程中的變形

可以運(yùn)用合理的冷卻方法減少金屬材料發(fā)生形變。金屬在淬火后的冷卻過程非常容易發(fā)生變形，所以淬火后的冷卻是金屬發(fā)生形變的重要因素。在實(shí)驗(yàn)中，選擇了不同的油對(duì)工件進(jìn)行了淬火后的冷卻處理，當(dāng)再用熱油淬火時(shí)，工件產(chǎn)生的形變要比用冷油淬火時(shí)小[5]。不同種類的油有著不同的冷卻效果，不同效果的油的冷卻能力直接導(dǎo)致變形的嚴(yán)重與否。淬火時(shí)冷卻速度也是影響材料變形大小的重要因素。金屬在熱處理過程中，如果冷卻速度過快，那么就會(huì)造成冷卻效果不均勻，產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)越大，相對(duì)應(yīng)的材料變形也越大。要保證它合理冷卻速度，可以在保證材料對(duì)硬度要求前提下，使用冷卻方式為預(yù)冷。用分級(jí)冷卻淬火的方法可以有效減少金屬在淬火時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，這是減小形變的有效方法。

運(yùn)用合理的冷卻方法時(shí)，可將工件結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，減小變形。在滿足實(shí)際生產(chǎn)需要前提下，工件應(yīng)盡量保持結(jié)構(gòu)與材料成分和組織對(duì)稱性，減少由于冷卻不均引起的畸變。盡量使工件的各個(gè)部位薄厚程度不要相差太多，過渡處承載的應(yīng)力就會(huì)變得很大。要將零件的截面盡量做得均勻一些，這樣可減少在過渡的地方由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生變形和開裂傾向。在工件的設(shè)計(jì)上盡量避免出現(xiàn)溝槽、尖銳的棱角。對(duì)于厚度不均勻的零件應(yīng)該采用預(yù)留加工量方法。

在實(shí)驗(yàn)操作過程中，規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)精神對(duì)于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果有著極其重要的作用，否則數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)很大誤差，甚至?xí)?dǎo)致很多意想不到的結(jié)果。

5 結(jié)語

材料是生產(chǎn)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。現(xiàn)代工業(yè)對(duì)金屬材料在數(shù)量和質(zhì)量上都提出越來越高的要求，在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用最多的還是金屬材料。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)材料的要求也越來越嚴(yán)格，越來越高，對(duì)金屬材料要求更高的硬度、高耐磨性、耐高溫等等。金屬的熱處理操作能很好地提高工件的硬度及強(qiáng)度，滿足各種產(chǎn)品對(duì)材料性能的不同需求，也能很好地提高工件的機(jī)械性能，使材料的用途能夠更加廣泛。我國現(xiàn)階段在熱處理技術(shù)及設(shè)備上需要加強(qiáng)和改進(jìn)的地方還有很多，國外的很多先進(jìn)技術(shù)值得去借鑒和學(xué)習(xí)，同時(shí)也要大力發(fā)展自主研發(fā)，有大膽創(chuàng)新精神和不停地探索精神，努力提高工件質(zhì)量，盡可能提高合格率，為我國的金屬材料熱處理這一工藝技術(shù)的研發(fā)出一份力。

[1] 顧宜.材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[2] 吳承建,陳國良.金屬材料學(xué)[M].冶金工業(yè)出版社,2009.

[3] 趙忠魁.金屬材料及熱處理技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社,2011.

[4] 趙先存，楊志勇.鋼鐵結(jié)構(gòu)材料的功能化[M].冶金工業(yè)出版社,2008.

[5] 劉天模.工程材料[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

Studyonheattreatmentandapplicationofmetalmaterials

HAN Zi-qi

(The Second Experimental School, Changchun 130022, China)

The understanding of engineering materials, observation, analysis and summary of carbon steel and cast iron balance microstructure heat treatment operation and the surface of carbon steel quenching operation of the three experiments were summarized, and the surface quenching process of steel and its application in the production of life were analyzed.

Metal materials; Heat treatment; Application

TG156

B

1674-8646(2017)20-0036-02

2017-09-30

韓子琦(2000-)，男，學(xué)生。