金屬熱處理殘余應(yīng)力與開裂失效關(guān)系的探討

楊繼軍

（沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

金屬材料在加工中強(qiáng)化其自身材料特性最有效的途徑便是熱處理工藝，通過熱處理工藝可以提高金屬工件產(chǎn)品質(zhì)量和金屬工件的使用壽命，提高金屬材料在日常應(yīng)用中的使用性能。金屬材料工件在熱處理工藝中，需要將工件事先放在特制的介質(zhì)容器中進(jìn)行加熱，等到金屬材料工件被加熱到一定溫度后，加工人員需要對(duì)金屬材料工件進(jìn)行溫度檢測(cè)，并使金屬工件在此溫度中保持1~3分鐘，使金屬工件內(nèi)外充分受熱。完成這一工序后并需要將加熱完成后的金屬工件材料快速的放置于溫度較低的介質(zhì)中，在溫度較低的介質(zhì)環(huán)境中金屬材料工件并會(huì)快速冷卻，而這一驟冷環(huán)節(jié)便會(huì)對(duì)金屬工件表面材質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，同時(shí)對(duì)金屬工件內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而提高金屬工件的自身原有性能。

1 金屬材料進(jìn)行熱處理的作用

1.1 通過熱處理可提高金屬材料的切削性能

對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理工藝可以提高金屬材料在加工環(huán)節(jié)中的切削性能，進(jìn)而提高金屬材料工件的加工精度。加工人員在對(duì)金屬材料工件進(jìn)行切削的過程中，需要將金屬材料工件加熱至相適宜的切削溫度，然后選用正確的切削工具進(jìn)行加工，但是這一加工工藝可能在切削過程中造成金屬工件的變形程度不一。對(duì)金屬材料工件進(jìn)行預(yù)加熱，便可以減少材料在加工過程中出現(xiàn)的材料缺陷，進(jìn)而保證金屬材料在使用過程中的切削性能，提高金屬材料的加工精密度。

1.2 通過熱處理可增加金屬材料的斷裂韌性

對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理工藝，可以提高金屬材料的鍛煉韌性。通常金屬材料自身帶有一定的裂紋，如果金屬材料受到外界作用力后，材料本身所攜帶的裂紋便會(huì)出現(xiàn)延展特性。通過熱處理工藝便可以減少金屬材料內(nèi)部的晶體錯(cuò)位結(jié)構(gòu)，提高金屬材料在使用中的鍛煉韌性，這一原理主要是通過熱工藝降低金屬材料的錯(cuò)位密度，從而提高基礎(chǔ)材料在使用中的自身強(qiáng)度。在熱處理工藝下金屬材料內(nèi)部細(xì)晶會(huì)進(jìn)一步的強(qiáng)化，這就需要加工人員在對(duì)金屬材料工件進(jìn)行熱處理的過程中，合理控制金屬工件受熱時(shí)間，避免金屬材料工件在熱處理過程中對(duì)自身的材料特性造成損壞。

1.3 通過熱處理可減少金屬材料的開裂問題

再對(duì)金屬材料工件進(jìn)行熱處理加工中，通過熱應(yīng)力對(duì)金屬材料進(jìn)行鍛煉便可以提高材料的自身任性。但是多數(shù)金屬材料自身會(huì)存在一定的裂紋，這便會(huì)使得材料一旦受到外界過大的熱應(yīng)力影響就會(huì)造成輕微的斷裂性破損，而金屬材料所擁有的拉伸應(yīng)力，通常是源于金屬材料熱處理中的殘余應(yīng)力，因此通過熱處理工藝可以減輕金屬材料的開裂問題。

2 金屬材料在熱處理過程中的殘余應(yīng)力

金屬材料在生產(chǎn)中進(jìn)行熱處理工藝時(shí)，首先需要對(duì)金屬材料進(jìn)行加熱，將金屬材料加到一定溫度后對(duì)該材料進(jìn)行冷卻，從而對(duì)金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、自身性能和品質(zhì)進(jìn)行改變。金屬材料在加熱和冷卻的過程中，存在較為明顯的溫差效應(yīng)，這便會(huì)改變基礎(chǔ)材料內(nèi)部熱應(yīng)力和金屬材料變相引起的相變應(yīng)力。

2.1 金屬材料熱處理中的熱應(yīng)力

金屬材料所擁有的熱應(yīng)力主要體現(xiàn)在材料從加熱到冷卻的過程中，由于金屬材料表層與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的加熱和冷卻速度存在一定的時(shí)間差異，這便使得金屬材料在溫差效應(yīng)下，自身的膨脹和收縮比例不均勻，使得金屬材料在使用過程中存在一定的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力在金屬材料冷卻的過程中表現(xiàn)較為明顯。

2.2 金屬材料熱處理中的相變應(yīng)力

金屬材料從加熱到冷卻的過程中，會(huì)導(dǎo)致金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生相變應(yīng)力，然后相變應(yīng)力與金屬材料局部相變區(qū)域的冷卻速度有著直接的聯(lián)系。

在科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，金屬受熱后的熱應(yīng)力與相變應(yīng)力疊加便會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，該應(yīng)力也被稱之為內(nèi)應(yīng)力。殘余應(yīng)力會(huì)在金屬材料上表現(xiàn)出宏觀參與應(yīng)力和微觀殘余應(yīng)力這兩種變化，當(dāng)金屬材料工件在加熱處理過程中，金屬材料工件內(nèi)部的熱應(yīng)力會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，加熱中金屬材料的中間位置會(huì)受到熱應(yīng)力的拉力作用，金屬材料的邊緣位置會(huì)受到熱應(yīng)力的壓力作用，而這一力學(xué)效應(yīng)也是熱應(yīng)力通過疊加后的效果。金屬材料工件在不同的加熱溫度和加熱條件下，金屬材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力會(huì)發(fā)生一定的變化，這便使得金屬材料在使用過程中存在著疲勞、開裂、形狀變化等影響，進(jìn)而降低金屬材料工件在使用過程中的壽命和安全性能。

3 金屬材料在熱處理中殘余應(yīng)力與開裂

3.1 金屬材料熱處理后殘余應(yīng)力開裂

金屬材料熱處理后殘余應(yīng)力引起開裂的原因主要有以下幾點(diǎn)：一是金屬材料在使用過程中的拉應(yīng)力作用必不可少，在適當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力作用下金屬工件不會(huì)發(fā)生斷裂，但是多種應(yīng)力同時(shí)存在的情況下，便會(huì)導(dǎo)致金屬工件發(fā)生開裂；二是金屬工件中存在的殘余應(yīng)力體系與大多數(shù)力學(xué)體系相一致，如果金屬材料工件在加熱過程中所受到的總應(yīng)力效應(yīng)小于金屬自身應(yīng)力臨界值，那么金屬材料工件并不會(huì)在加熱過程中出現(xiàn)開裂問題。但是金屬材料在使用過程中所受到的應(yīng)力總效應(yīng)一旦大于臨界值，便會(huì)造成金屬表面出現(xiàn)開裂；三是金屬材料在使用過程中發(fā)生開裂的位置主要位于合金區(qū)域，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)一般純金屬中發(fā)生開裂問題較少。這主要源于合金金屬內(nèi)部存在微小的偏折效應(yīng)，使得合金金屬在使用過程中存在開裂的可能性大幅度提高。但是在現(xiàn)實(shí)生活中并不存在100%的純金屬，即使是高純度的金屬也含有一定的雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)便是導(dǎo)致金屬材料在使用過程中開裂的主要原因。因此在金屬材料熱加工過程中，就需要盡可能地去除金屬材料中所存留的雜質(zhì)，降低金屬材料在使用中的開裂敏感性；四是金屬材料在使用過程中出現(xiàn)開裂的可能性只存在于腐蝕介質(zhì)中，同時(shí)金屬材料工件自身組織成分具有較大的差異，這就使得不同金屬材料工件在應(yīng)用中存在著一定的開裂敏感性。

3.2 金屬材料熱處理后殘余應(yīng)力對(duì)其造成開裂的影響

金屬材料工件在使用過程中，無法避免金屬材料內(nèi)部工作應(yīng)力與熱效應(yīng)的殘余應(yīng)力相互作用，這便可能會(huì)導(dǎo)致金屬材料工件中的殘余應(yīng)力在應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)二次分布的問題。此外又由于不同金屬材料工件的工作環(huán)境、工作介質(zhì)、使用溫度、殘余應(yīng)力分布效應(yīng)等具有一定的差異性影響，這會(huì)在一定程度上降低金屬材料在應(yīng)用中的抗裂性和抗裂能力。通常在對(duì)金屬材料的抗裂性進(jìn)行研究時(shí)，可以將抗裂性劃分為穿透開裂和晶間開裂，在金屬材料應(yīng)力開裂過程中，開裂位置會(huì)隨著裂紋的最大應(yīng)力垂直方向蔓延。

金屬材料工件在應(yīng)用中如果受到較大的拉應(yīng)力，那么裂紋擴(kuò)展速度會(huì)大幅度地提升。同時(shí)拉應(yīng)力過大時(shí)，還會(huì)減少金屬工件的使用壽命。因此有效預(yù)防金屬材料的拉應(yīng)力，就可以對(duì)金屬材料工件在使用過程中的裂紋產(chǎn)生速度進(jìn)一步的遏制，避免金屬材料工件在使用中出現(xiàn)開裂程度過大的問題；金屬材料工件表面所剩余的殘余應(yīng)力是控制表面裂紋蔓延的主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)，同時(shí)參與應(yīng)力也是造成金屬工件表面開裂的主要原因。金屬材料工件表面局部位置的拉應(yīng)力，可能會(huì)在表面裂紋尖端處造成局部應(yīng)力，這就會(huì)造成金屬材料表面的保護(hù)膜破裂。從理論上闡述，金屬材料工件表面局部應(yīng)力通常是殘余應(yīng)力與外部應(yīng)力的總和，當(dāng)局部應(yīng)力低于金屬材料工件表面臨界值時(shí)，就不會(huì)造成金屬工件在使用中出現(xiàn)開裂；但是當(dāng)局部應(yīng)力一旦大于金屬材料工件表面臨界值時(shí)，就會(huì)造成金屬工件表面出現(xiàn)開裂。在此過程中還需要考慮到復(fù)合應(yīng)力對(duì)金屬工件表面開裂大小的影響，這主要源于金屬材料工件表面的殘余應(yīng)力若超過負(fù)荷應(yīng)力，那么可能會(huì)在金屬材料表面較輕處出現(xiàn)工件開裂問題。

3.3 金屬材料工件裂紋擴(kuò)展過程中的應(yīng)力分布

金屬材料在熱處理工藝后都會(huì)存在一定的裂紋，這主要是源于金屬表面殘余應(yīng)力與外部應(yīng)力相互作用帶來的結(jié)果。金屬材料工件的表面參與應(yīng)力分布情況、方向和大小力，在后續(xù)的使用中都會(huì)對(duì)金屬工件裂紋的擴(kuò)展造成一定的干擾。金屬材料工件在有外部應(yīng)力干擾的情況下，其表面裂紋尖端會(huì)在外部拉應(yīng)力的缺口效應(yīng)作用下進(jìn)一步拉伸，使得金屬材料工件內(nèi)部需承受較大的應(yīng)力效應(yīng)。此外隨著金屬材料工件表面裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)大，工件表面裂紋尖端的應(yīng)力也會(huì)隨之增大，同時(shí)裂紋在金屬材料工件表面的擴(kuò)張速度也會(huì)隨之增快。如果出現(xiàn)裂縫位置所受到的主要應(yīng)力為殘余應(yīng)力，那么在金屬材料工件斷面，殘余應(yīng)力便會(huì)在一定范圍內(nèi)保持自身平衡；但是如果金屬材料工件在使用中有應(yīng)力來源于外部，那么殘余應(yīng)力就無法保持內(nèi)外平衡，進(jìn)而造成表面裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。因此通過對(duì)金屬材料工件的殘余應(yīng)力變化進(jìn)行探測(cè)，就可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)金屬材料表面裂紋的擴(kuò)展方向和速度，這對(duì)預(yù)防金屬材料工件的開裂問題具有一定的實(shí)踐性意義。

4 金屬材料熱處理后開裂失效和裂紋愈合的具體途徑

為了預(yù)防金屬材料在預(yù)處理后出現(xiàn)開裂或裂紋問題，需要在金屬材料熱處理中做好以下幾點(diǎn)：

第一，加工人員需要消除金屬材料在熱處理中產(chǎn)生裂紋的可能性。一是解決金屬材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷，例如對(duì)過大截面或過小圓形面積的材料進(jìn)行再加工；二是對(duì)進(jìn)行熱加工的金屬材料工件表面質(zhì)量進(jìn)行檢查，杜絕對(duì)表面過于粗糙、金屬材料表面有劃痕或刀痕等材料進(jìn)行加工，這樣便可以避免金屬材料在淬火過程中出現(xiàn)氮化、裂紋、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等問題。

第二，在金屬材料進(jìn)行熱處理工藝中，需要提高金屬材料表面壓應(yīng)力，這也是減少金屬材料出現(xiàn)開裂問題的主要方法。

第三，在對(duì)金屬材料工件進(jìn)行使用的過程中，需要對(duì)金屬材料工件進(jìn)行定期檢查，秉著防患于未然的態(tài)度，避免金屬材料在使用中出現(xiàn)裂紋等問題。

第四，金屬材料在熱處理加工之前，需進(jìn)一步提高金屬材料工件的自身質(zhì)量。加工人員需要在熱處理工藝之前對(duì)金屬材料中添加相應(yīng)的合金元素，通過金屬元素之間的融合并可以提高工件在熱處理中的耐疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而延長(zhǎng)金屬材料在后期使用中的壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

金屬材料在熱處理過程中所出現(xiàn)的殘余應(yīng)力，是造成金屬材料出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)的主要原因，而這一問題主要源于金屬材料的加工條件和使用條件。所以在金屬材料的熱加工過程中，需要進(jìn)一步的改變金屬材料的制作工藝，減少金屬材料在熱加工過程中出現(xiàn)的問題，注重金屬材料的損傷和修復(fù)工藝，延長(zhǎng)金屬材料的使用壽命。