金屬材料熱變形原因及處理工藝優化研究

張 宏

（甘肅工業職業技術學院，甘肅 天水 741000）

1 金屬材料熱變形的原因

1.1 金屬材料的內應力塑性變形

金屬材料熱處理過程通常分為加熱、冷卻和保溫三個階段，由于金屬材料的不均勻加熱，金屬零件組織會受到不同的因素影響，導致金屬材料在熱處理過程中會產生相應的內應力，金屬材料在內應力作用下會發生塑性變形。根據內應力產生的原因不同，把塑性變形分為熱應力塑性變形和組織應力變形[1]，熱應力塑性變形是金屬材料在加熱和冷卻過程中使金屬的內部和外部溫度不一致，導致金屬出現不同程度的熱脹冷縮現象；組織應力變形形成的原因是金屬物質在熱處理時內部金屬組織發生相變，影響內應力塑性變形的因素是金屬物質的結構和形狀，變形后方向性具有明顯變化[2]。

1.2 金屬材料的比容變形

比容變形是由于金屬材料的內部組織結構有很大區別，在熱處理過程中相變出現體積、形狀和大小等微小變化。

2 金屬材料處理工藝優化

2.1 設定金屬物質的膨脹系數

金屬物質的膨脹系數是指一般的金屬物質都具有熱脹冷縮的特性，金屬物質受熱就會膨脹，從而產生一個系數叫做膨脹系數。原長為L的金屬物體，經過熱處理給予一定的溫度后，伸長量與溫度的變化量大約是成正比的，即：

公式中的ΔL為金屬物體受熱后的伸長量；Δt是溫度的變化量；α為物體的膨脹系數。不同金屬物質的膨脹系數是不同的，表1為不同金屬材料的膨脹系數數量級。

表1 不同金屬材料的膨脹系數數量級

2.2 計算金屬物質的膨脹系數

同一種金屬物質在不同的溫度變化區域，其對應的膨脹系數也不同，除此之外，金屬物質的膨脹系數與金屬材料的純度也有很大關系，如果某一金屬物質里面摻雜了其他物質，膨脹系數就會變大，計算膨脹系數時，為了方便測量長度，通常將金屬物質做成線狀，膨脹系數的計算公式如下。

通過上述公式可以得到金屬物質的膨脹系數，再結合溫度變化范圍來研究金屬物質處理工藝的優勢。

2.3 確定溫度變化范圍

溫度的變化范圍對金屬材料處理工藝有一定的影響，如果整個處理工藝的溫度檢測不準確，就會導致得到的溫度變化量不準確，影響膨脹系數的計算結果。金屬材料在進行處理工藝之前首先進行預熱，預熱的溫度要求是非常高的，一般情況下，預熱溫度設置在200℃～400℃之間，高溫和低溫都會影響處理工藝的效果；其次，在完成預熱之后，要對金屬物質進行完全合理的熱處理，第二步也是很關鍵的，熱處理的溫度設置在700℃～800℃之間，隨后等待自然降溫，最后是冷卻，當熱處理的溫度降低到550℃時進行冷卻。因此，在預熱、加熱和冷卻這三個環節中溫度的控制都是非常嚴謹的，保持合理的溫度能有效提高處理工藝的質量。

2.4 實現多因素優化

首先，金屬物質的純度對膨脹系數有一定影響。金屬物質的純度越低，膨脹系數就越大，金屬物質出現熱變形的概率越高，金屬物質在熱處理過程中會出現固溶強化現象，這種現象會在不同程度上影響金屬物質的穩定性和強度。因此通過提高金屬物質的純度來降低膨脹指數，促進金屬材料處理工藝的發展。其次，相變也影響著金屬材料的膨脹系數。在實際處理過程中，金屬材料發生相變時，膨脹系數也隨之變化，當純金屬材料發生同種元素的不同結構轉變時，金屬的比容也會發生突變，造成金屬物質的膨脹系數不斷發生變化。在金屬材料處理工作中，要隨時發現影響處理工藝的種種因素，并做到及時解決不利因素對金屬材料處理的影響。

3 金屬材料處理工藝優化實驗

圖1 膨脹系數與溫度變化量關系圖

實驗采用種類相同、純度相同、內部組織結構相同的金屬材料，為了方便膨脹系數的計算，選擇的金屬材料時要保證原長相等，給予相同的溫度，不受濕度、室溫等環境因素的影響，分別采用本文研究的處理工藝和基礎處理工藝對金屬材料進行熱處理，制作對比實驗，通過溫度變化量的不同，比較兩種工藝的膨脹系數，實驗結果見圖1。

圖1實驗結果表明，采用不同的處理工藝計算的金屬膨脹系數有很大差別，采用本文處理工藝計算的膨脹系數低于基礎處理工藝的膨脹系數，可以有效降低金屬材料熱處理過程中變形發生的概率。因此，可以采用本文的處理工藝來進行金屬材料的熱處理。

4 結語

本文的金屬材料處理工藝對促進鑄造行業發展具有重要意義。

隨著科學技術的不斷發展，金屬材料處理工藝的不斷優化，為金屬制造生產做出了巨大貢獻，本文研究的金屬材料處理工藝能降低金屬的膨脹系數，從而降低金屬材料發生變形的概率，提高生產的質量。希望本文的研究能為鑄造行業降低不必要的成本，促進中國工業的快速發展。