淺析金屬材料熱處理過程變形及開裂問題

劉亦晴

摘 要：本文基于金屬材料熱處理工藝的應(yīng)用為中心，首先介紹了對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理的作用，其次分析了金屬材料熱處理過程所產(chǎn)生的變形問題及其原因，結(jié)合選用合適的冷卻介質(zhì)和精確控制溫度等方法，論證如何避免和減少金屬材料熱處理中變形與開裂問題。

關(guān)鍵詞：金屬材料;熱處理;變形;開裂

在機(jī)械制造等行業(yè)中對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理是一種較為重要的工藝，熱處理與其他加工工藝不同，其過程不改變材料的外部形狀，除了材料表面可能發(fā)生局部化學(xué)成分改變以外，材料本體的化學(xué)成分一般不變，熱處理通過改變材料內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu)，使材料獲得更優(yōu)的使用性能。

1 對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理的作用

在機(jī)械工業(yè)中經(jīng)常應(yīng)用的金屬材料有鋼鐵、鋁、銅等，這些材料都可以進(jìn)行熱處理以改變其物理、化學(xué)和力學(xué)等性能，以滿足更高的使用性能要求，在這些常用金屬材料中鋼鐵是應(yīng)用最為廣泛的材料。

1.1 金屬材料熱處理主要工藝

根據(jù)熱處理的部位不同，金屬材料的熱處理可分為表面熱處理和整體熱處理兩類，其中，表面熱處理只加熱零部件表層，整體熱處理是對(duì)零部件整體進(jìn)行加熱，表面熱處理的目的是改變零部件表層力學(xué)性能，而整體熱處理的目的是改變零部件的整體力學(xué)性能。

對(duì)零部件的表面進(jìn)行熱處理的工藝，必須精確控制對(duì)零部件的加熱過程，對(duì)零部件的表層進(jìn)行加熱的同時(shí)，不能使過多的熱量傳導(dǎo)至零部件內(nèi)部，通常采取的措施是選用具有高能量密度的熱源，例如采用火焰淬火和電感應(yīng)方式作為加熱熱源，使零部件表層或局部在短時(shí)間就能達(dá)到工藝需要的溫度。對(duì)零部件整體熱處理的工藝，是對(duì)其整體進(jìn)行加熱，將金屬零部件放置在專用加熱裝置中，當(dāng)零部件達(dá)到適當(dāng)?shù)臏囟葧r(shí)，再按工藝要求的速度進(jìn)行冷卻，以達(dá)到改變零部件整體各項(xiàng)性能的目的。

對(duì)鋼鐵材料的整體熱處理有四種基本工藝，分別是退火、正火、淬火和回火處理。退火是將金屬零部件進(jìn)行加熱，當(dāng)零部件達(dá)到合適的溫度時(shí)進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間需根據(jù)金屬材料和零部件外形尺寸設(shè)定，保溫結(jié)束后再對(duì)零部件進(jìn)行緩慢的冷卻，慢速冷卻的目的是盡可能使金屬內(nèi)部組織達(dá)到平衡狀態(tài)，通過內(nèi)部組織的再平衡也可以達(dá)到釋放前工序內(nèi)部應(yīng)力的作用，使金屬零部件工藝性能和使用性能得以提升。通常情況下，高質(zhì)量的淬火之前會(huì)選擇退火工藝，以使金屬材料內(nèi)部組織做好準(zhǔn)備。正火的過程與退火較為相似，當(dāng)零部件達(dá)到合適的溫度時(shí)，將零部件放置到空氣中自然冷卻。同退火相比正火后組織更細(xì)，金屬材料的切削性能有較大提升，在對(duì)零部件要求不高的場合，正火也可以作為一種最終的熱處理方式。淬火的目的是使零部件硬度增強(qiáng)，首先將零部件加熱，經(jīng)保溫后將零部件投入液體介質(zhì)中使其快速冷卻，常用的淬火液體有水、無機(jī)鹽溶液或油等，經(jīng)淬火的零部件在硬度增加的同時(shí)脆性也增加。回火是淬火的后工序，在某些時(shí)候?yàn)榱私档土悴考?jīng)淬火后的脆性，會(huì)采取回火工藝，即將零部件在650℃以下且高于室溫的環(huán)境下，進(jìn)行較長時(shí)間的恒溫保溫過程，然后再將零部件冷卻。

1.2 金屬材料熱處理工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

在機(jī)械制造行業(yè)中大部分機(jī)械零部件的工作條件都是在常溫常壓下的，這些零部件通常都需要承受不同載荷。零部件的機(jī)械性能是指其在載荷作用下抵抗破壞的能力，零部件必須具備抵抗拉伸、扭轉(zhuǎn)、壓縮、沖擊等載荷的能力。對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理可以有效提升材料的機(jī)械性能，不同的熱處理工藝可對(duì)應(yīng)不同的機(jī)械性能提升要求，例如強(qiáng)度、塑性、硬度等。在實(shí)際應(yīng)用過程中，常常會(huì)選擇將多種熱處理工藝合并使用，較為常見的有調(diào)質(zhì)處理，即把淬火和高溫回火結(jié)合起來，使金屬材料強(qiáng)度和韌性同時(shí)增加。在同樣滿足機(jī)械性能需要的情況下，同更換高性能材質(zhì)比，金屬材料熱處理的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在兼顧了高性能的同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)性，熱處理工藝的廣泛應(yīng)用在推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面起到了巨大的作用。

在具有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，金屬材料的熱處理工藝也有其固有的缺陷，其中最主要的缺陷是熱處理經(jīng)常造成零部件發(fā)生變形，當(dāng)熱處理變形超出工藝允許的范圍時(shí)，會(huì)使零部件的使用功能受到限制，甚至?xí)?dǎo)致零部件報(bào)廢。因此對(duì)金屬材料熱處理變形原理進(jìn)行研究很有必要。通過研究可有針對(duì)性地采取措施，控制金屬材料的變形，或者預(yù)留變形余量，確保零部件熱處理后的可用性。通過對(duì)熱處理變形的研究和控制，可以有效降低熱處理零部件廢品率，也可以精確設(shè)計(jì)加工余量，降低后工序加工成本。

2 金屬材料熱處理過程變形問題及原因

2.1 熱處理過程中應(yīng)力分析

零部件的熱處理過程中，由于加熱和冷卻均無法實(shí)現(xiàn)零部件表層和中心部位的完全同步，熱傳導(dǎo)速度導(dǎo)致了零部件不同位置具有一定的溫度差，零部件不同位置間因溫度不同所產(chǎn)生的體積膨脹和收縮也不同，因而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。當(dāng)零部件在冷卻過程中，表層溫度低于中心部位，冷卻前期在熱應(yīng)力的作用下，表層的收縮大于中心部位，使零部件表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，中心部位產(chǎn)生壓應(yīng)力。在冷卻中期熱應(yīng)力進(jìn)一步增加，導(dǎo)致零部件產(chǎn)生具備塑形變形。在冷卻后期表層的冷卻速度慢于中心部位的速度，中心部位的收縮降低了一部分前期產(chǎn)生的熱應(yīng)力。當(dāng)冷卻完全結(jié)束時(shí)，零部件表層殘留的熱應(yīng)力為壓應(yīng)力，而零部件中心部位殘留的熱應(yīng)力為拉應(yīng)力。

在產(chǎn)生熱應(yīng)用的同時(shí)，鋼材在熱處理過程也產(chǎn)生組織應(yīng)力，鋼材的熱處理過程中會(huì)發(fā)生組織變化，隨著奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，因比容不同會(huì)導(dǎo)致材料體積產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹，這種因相變而導(dǎo)致的體積膨脹，因不同部位相變速度不均，會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力。在零部件熱處理后所殘留的應(yīng)力，是熱應(yīng)力與組織應(yīng)力共同作用的結(jié)果，隨著零部件形狀、成分不同，起決定作用的應(yīng)力也不同，最終導(dǎo)致熱處理后的應(yīng)力殘留有較大區(qū)別。

2.2 工藝性與變形的關(guān)聯(lián)性

金屬材料熱處理過程中的變形與零部件的溫度等參數(shù)關(guān)聯(lián)性較大，包括加熱溫度、升溫速度、保溫時(shí)間等因素，所以必須設(shè)計(jì)合理的熱處理工藝，并且確保在實(shí)際操作中必須嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求。如果加熱爐的溫度傳感器精度不足或者操作者疏忽，可能導(dǎo)致零部件熱處理的質(zhì)量問題，發(fā)生諸如金屬材料變形或開裂等缺陷，零部件表面硬度下降，影響其淬透性，屈服強(qiáng)度降低，嚴(yán)重的可能造成材料報(bào)廢。

金屬材料熱處理過程中單純的拉應(yīng)力通常不會(huì)導(dǎo)致零部件變形或開裂，金屬材料所承受的總應(yīng)力是拉應(yīng)力與各種其他應(yīng)力的綜合結(jié)果，當(dāng)總應(yīng)力達(dá)到或超過臨界值時(shí)，金屬材料就可能出現(xiàn)微觀的變形與開裂，使材料本身的防開裂能力或防腐蝕能力大幅度降低，材料表面起到控制裂紋作用的保護(hù)膜破損，進(jìn)一步提高材料開裂的敏感性，當(dāng)零部件的外觀出現(xiàn)局部開裂或變形時(shí)，其使用壽命和產(chǎn)品質(zhì)量受到影響，從而限制了材料在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用。

3 如何避免金屬材料熱處理中變形與開裂問題發(fā)生

3.1 在金屬材料熱處理過程中選用合適的冷卻介質(zhì)

水是常見的淬火介質(zhì)之一，其優(yōu)點(diǎn)是冷卻能力較強(qiáng)、成本低、成分穩(wěn)定、不易變質(zhì)，但水作為淬火介質(zhì)其缺點(diǎn)也較為突出，水在500～600℃區(qū)間處于蒸汽膜階段，冷卻速度不夠快。當(dāng)金屬材料溫度在100～300℃時(shí)，水處于沸騰階段，冷卻能力過強(qiáng)，導(dǎo)致材料馬氏體轉(zhuǎn)變速度過快、內(nèi)應(yīng)力增大，當(dāng)應(yīng)力超過臨界值時(shí)將使零部件產(chǎn)生變形或開裂。

為了克服水作為淬火介質(zhì)的缺點(diǎn)，通常采取在水中添加食鹽或堿等方式，當(dāng)高溫零部件浸入水溶液后，在蒸汽膜階段所析出的食鹽或堿的晶體產(chǎn)生爆裂，從而達(dá)到破壞蒸汽膜的作用，同時(shí)也起到了破壞零部件表層的氧化皮的作用，水溶液在高溫區(qū)的冷卻能力同水相比有較大幅度提升。為了控制水溶液對(duì)金屬的腐蝕性，通常將溶液濃度控制在10%～15%之間，并且在淬火后對(duì)零部件進(jìn)行清洗和防銹處理。

礦物油也是較為常用的冷卻介質(zhì)，如機(jī)油、變壓器油或柴油等，也可以將不同類型和黏度的礦物油按配比混合使用，進(jìn)一步通過提升特性溫度來增加淬火油在高溫區(qū)的冷卻能力。通過選擇合適的冷卻介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料較高的淬透性和淬硬性，同時(shí)避免零部件產(chǎn)生較大變形。

3.2 在金屬材料熱處理過程中提高對(duì)溫度控制的精確度

各種金屬材料在常溫常壓下外形具有不同的尺寸穩(wěn)定性，微觀裂紋數(shù)量也有較大區(qū)別，其表現(xiàn)出的外部特征是由金屬材料性質(zhì)決定的，如果材料具有易產(chǎn)生裂紋的內(nèi)在性質(zhì)，則在外力的長期作用下，材料就會(huì)表現(xiàn)出易斷裂的特性。金屬材料的斷裂特性與材料的強(qiáng)度相關(guān)，材料的強(qiáng)度越高，金屬零部件在實(shí)際工況中越抗斷裂，而材料的強(qiáng)度與其內(nèi)在的金屬晶體排列相關(guān)，晶體錯(cuò)位越少則金屬強(qiáng)度越大，所以，在熱處理工藝的設(shè)計(jì)方面需要精確控制各工藝階段的溫度，通過采取細(xì)化金屬內(nèi)部晶粒的措施改變晶粒排列，進(jìn)一步提高金屬材料的強(qiáng)度。

3.3 減少金屬材料因熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

盡管通過工藝優(yōu)化可以減少金屬材料經(jīng)熱處理后所殘留的應(yīng)力，但仍不能完全予以消除，而殘留的應(yīng)用會(huì)破壞金屬材料表面的保護(hù)膜，導(dǎo)致零部件的變形或開裂，所以必須根據(jù)零部件應(yīng)用的場合，采取必要措施將殘留應(yīng)用降低到可以接受的程度。對(duì)于本身就有局部缺陷的零部件，在進(jìn)行熱處理之前要確認(rèn)其表面粗糙度、裂紋、劃傷等表面質(zhì)量，因?yàn)檫@些因素會(huì)導(dǎo)致零部件在淬火時(shí)因熱膨脹而產(chǎn)生應(yīng)力集中，零部件可能因而產(chǎn)生嚴(yán)重變形或開裂，為了避免熱處理失敗，對(duì)此類有缺陷的零部件可以在熱處理之前預(yù)先采取適當(dāng)?shù)男迯?fù)措施。

4 結(jié)語

熱處理作為一種兼顧高性能和經(jīng)濟(jì)性的材料處理手段，在機(jī)械制造等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了許多亟待解決的技術(shù)問題。熱處理所導(dǎo)致的金屬材料變形和開裂問題增加了零部件的質(zhì)量成本，也限制了熱處理工藝在部分有特殊性能要求的場合的應(yīng)用。有效解決金屬材料熱處理所導(dǎo)致的變形和開裂問題，需要科研技術(shù)人員從理論和實(shí)踐層面不斷探索和研究，針對(duì)不同的材質(zhì)和應(yīng)用場景，提出有針對(duì)性的解決方案。

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