淺析金屬材料熱處理過程變形及開裂問題

李英楠

摘要：在機械工業中經常應用的金屬材料有鋼鐵、鋁、銅等，這些材料都可以進行熱處理以改變其物理、化學和力學等性能，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用最為廣泛的材料。本文分析了金屬材料熱處理過程所產生的變形問題及其原因，結合選用合適的冷卻介質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。

關鍵詞：金屬材料;熱處理;變形;開裂

引言：

在機械制造等行業中對金屬材料進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生局部化學成分改變以外，材料本體的化學成分一般不變，熱處理通過改變材料內部顯微組織結構，使材料獲得更優的使用性能。

1. 金屬材料熱處理工藝的優缺點

在機械制造行業中大部分機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、壓縮、沖擊等載荷的能力。對金屬材料進行熱處理可以有效提升材料的機械性能，不同的熱處理工藝可對應不同的機械性能提升要求，例如強度、塑性、硬度等。在實際應用過程中，常常會選擇將多種熱處理工藝合并使用，較為常見的有調質處理，即把淬火和高溫回火結合起來，使金屬材料強度和韌性同時增加。在同樣滿足機械性能需要的情況下，同更換高性能材質比，金屬材料熱處理的另外一個優點是在兼顧了高性能的同時具有良好的經濟性，熱處理工藝的廣泛應用在推動國民經濟發展方面起到了巨大的作用。

在具有諸多優點的同時，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常造成零部件發生變形，當熱處理變形超出工藝允許的范圍時，會使零部件的使用功能受到限制，甚至會導致零部件報廢。因此對金屬材料熱處理變形原理進行研究很有必要。通過研究可有針對性地采取措施，控制金屬材料的變形，或者預留變形余量，確保零部件熱處理后的可用性。通過對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，也可以精確設計加工余量，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 熱處理過程中應力分析

零部件的熱處理過程中，由于加熱和冷卻均無法實現零部件表層和中心部位的完全同步，熱傳導速度導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生的體積膨脹和收縮也不同，因而產生了熱應力。當零部件在冷卻過程中，表層溫度低于中心部位，冷卻前期在熱應力的作用下，表層的收縮大于中心部位，使零部件表層產生拉應力，中心部位產生壓應力。在冷卻中期熱應力進一步增加，導致零部件產生具備塑形變形。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生的熱應力。當冷卻完全結束時，零部件表層殘留的熱應力為壓應力，而零部件中心部位殘留的熱應力為拉應力。

2.2 工藝性與變形的關聯性

金屬材料熱處理過程中的變形與零部件的溫度等參數關聯性較大，包括加熱溫度、升溫速度、保溫時間等因素，所以必須設計合理的熱處理工藝，并且確保在實際操作中必須嚴格執行工藝要求。如果加熱爐的溫度傳感器精度不足或者操作者疏忽，可能導致零部件熱處理的質量問題，發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，屈服強度降低，嚴重的可能造成材料報廢。

金屬材料熱處理過程中單純的拉應力通常不會導致零部件變形或開裂，金屬材料所承受的總應力是拉應力與各種其他應力的綜合結果，當總應力達到或超過臨界值時，金屬材料就可能出現微觀的變形與開裂，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膜破損，進一步提高材料開裂的敏感性，當零部件的外觀出現局部開裂或變形時，其使用壽命和產品質量受到影響，從而限制了材料在機械工業中的應用。

3 如何避免金屬材料熱處理中變形與開裂問題發生

3.1 在金屬材料熱處理過程中選用合適的冷卻介質

水是常見的淬火介質之一，其優點是冷卻能力較強、成本低、成分穩定、不易變質，但水作為淬火介質其缺點也較為突出。為了克服水作為淬火介質的缺點，通常采取在水中添加食鹽或堿等方式，當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生爆裂，從而達到破壞蒸汽膜的作用，同時也起到了破壞零部件表層的氧化皮的作用，水溶液在高溫區的冷卻能力同水相比有較大幅度提升。為了控制水溶液對金屬的腐蝕性，通常將溶液濃度控制在10%～15%之間，并且在淬火后對零部件進行清洗和防銹處理。

3.2 在金屬材料熱處理過程中提高對溫度控制的精確度

各種金屬材料在常溫常壓下外形具有不同的尺寸穩定性，微觀裂紋數量也有較大區別，其表現出的外部特征是由金屬材料性質決定的，如果材料具有易產生裂紋的內在性質，則在外力的長期作用下，材料就會表現出易斷裂的特性。金屬材料的斷裂特性與材料的強度相關，材料的強度越高，金屬零部件在實際工況中越抗斷裂，而材料的強度與其內在的金屬晶體排列相關，晶體錯位越少則金屬強度越大，所以，在熱處理工藝的設計方面需要精確控制各工藝階段的溫度，通過采取細化金屬內部晶粒的措施改變晶粒排列，進一步提高金屬材料的強度。

3.3 減少金屬材料因熱處理產生的殘余應力

盡管通過工藝優化可以減少金屬材料經熱處理后所殘留的應力，但仍不能完全予以消除，而殘留的應用會破壞金屬材料表面的保護膜，導致零部件的變形或開裂，所以必須根據零部件應用的場合，采取必要措施將殘留應用降低到可以接受的程度。對于本身就有局部缺陷的零部件，在進行熱處理之前要確認其表面粗糙度、裂紋、劃傷等表面質量，因為這些因素會導致零部件在淬火時因熱膨脹而產生應力集中，零部件可能因而產生嚴重變形或開裂，為了避免熱處理失敗，對此類有缺陷的零部件可以在熱處理之前預先采取適當的修復措施。

4 結語

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

參考文獻：

[1]楊楊.金屬材料熱處理變形的影響因素和控制策略 [J].機械化工，2019（9）.

[2]王利榮.淺談金屬材料熱處理變形的影響要素及控制策略[J].世界有色金屬，2018（09）.