張 宏
(甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741000)
金屬材料熱處理過(guò)程通常分為加熱、冷卻和保溫三個(gè)階段,由于金屬材料的不均勻加熱,金屬零件組織會(huì)受到不同的因素影響,導(dǎo)致金屬材料在熱處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力,金屬材料在內(nèi)應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生塑性變形。根據(jù)內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因不同,把塑性變形分為熱應(yīng)力塑性變形和組織應(yīng)力變形[1],熱應(yīng)力塑性變形是金屬材料在加熱和冷卻過(guò)程中使金屬的內(nèi)部和外部溫度不一致,導(dǎo)致金屬出現(xiàn)不同程度的熱脹冷縮現(xiàn)象;組織應(yīng)力變形形成的原因是金屬物質(zhì)在熱處理時(shí)內(nèi)部金屬組織發(fā)生相變,影響內(nèi)應(yīng)力塑性變形的因素是金屬物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和形狀,變形后方向性具有明顯變化[2]。
比容變形是由于金屬材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別,在熱處理過(guò)程中相變出現(xiàn)體積、形狀和大小等微小變化。
金屬物質(zhì)的膨脹系數(shù)是指一般的金屬物質(zhì)都具有熱脹冷縮的特性,金屬物質(zhì)受熱就會(huì)膨脹,從而產(chǎn)生一個(gè)系數(shù)叫做膨脹系數(shù)。原長(zhǎng)為L(zhǎng)的金屬物體,經(jīng)過(guò)熱處理給予一定的溫度后,伸長(zhǎng)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(zhǎng)量;Δt是溫度的變化量;α為物體的膨脹系數(shù)。不同金屬物質(zhì)的膨脹系數(shù)是不同的,表1為不同金屬材料的膨脹系數(shù)數(shù)量級(jí)。
表1 不同金屬材料的膨脹系數(shù)數(shù)量級(jí)
同一種金屬物質(zhì)在不同的溫度變化區(qū)域,其對(duì)應(yīng)的膨脹系數(shù)也不同,除此之外,金屬物質(zhì)的膨脹系數(shù)與金屬材料的純度也有很大關(guān)系,如果某一金屬物質(zhì)里面摻雜了其他物質(zhì),膨脹系數(shù)就會(huì)變大,計(jì)算膨脹系數(shù)時(shí),為了方便測(cè)量長(zhǎng)度,通常將金屬物質(zhì)做成線狀,膨脹系數(shù)的計(jì)算公式如下。
通過(guò)上述公式可以得到金屬物質(zhì)的膨脹系數(shù),再結(jié)合溫度變化范圍來(lái)研究金屬物質(zhì)處理工藝的優(yōu)勢(shì)。
溫度的變化范圍對(duì)金屬材料處理工藝有一定的影響,如果整個(gè)處理工藝的溫度檢測(cè)不準(zhǔn)確,就會(huì)導(dǎo)致得到的溫度變化量不準(zhǔn)確,影響膨脹系數(shù)的計(jì)算結(jié)果。金屬材料在進(jìn)行處理工藝之前首先進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱的溫度要求是非常高的,一般情況下,預(yù)熱溫度設(shè)置在200℃~400℃之間,高溫和低溫都會(huì)影響處理工藝的效果;其次,在完成預(yù)熱之后,要對(duì)金屬物質(zhì)進(jìn)行完全合理的熱處理,第二步也是很關(guān)鍵的,熱處理的溫度設(shè)置在700℃~800℃之間,隨后等待自然降溫,最后是冷卻,當(dāng)熱處理的溫度降低到550℃時(shí)進(jìn)行冷卻。因此,在預(yù)熱、加熱和冷卻這三個(gè)環(huán)節(jié)中溫度的控制都是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?,保持合理的溫度能有效提高處理工藝的質(zhì)量。
首先,金屬物質(zhì)的純度對(duì)膨脹系數(shù)有一定影響。金屬物質(zhì)的純度越低,膨脹系數(shù)就越大,金屬物質(zhì)出現(xiàn)熱變形的概率越高,金屬物質(zhì)在熱處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)固溶強(qiáng)化現(xiàn)象,這種現(xiàn)象會(huì)在不同程度上影響金屬物質(zhì)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。因此通過(guò)提高金屬物質(zhì)的純度來(lái)降低膨脹指數(shù),促進(jìn)金屬材料處理工藝的發(fā)展。其次,相變也影響著金屬材料的膨脹系數(shù)。在實(shí)際處理過(guò)程中,金屬材料發(fā)生相變時(shí),膨脹系數(shù)也隨之變化,當(dāng)純金屬材料發(fā)生同種元素的不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí),金屬的比容也會(huì)發(fā)生突變,造成金屬物質(zhì)的膨脹系數(shù)不斷發(fā)生變化。在金屬材料處理工作中,要隨時(shí)發(fā)現(xiàn)影響處理工藝的種種因素,并做到及時(shí)解決不利因素對(duì)金屬材料處理的影響。
圖1 膨脹系數(shù)與溫度變化量關(guān)系圖
實(shí)驗(yàn)采用種類相同、純度相同、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)相同的金屬材料,為了方便膨脹系數(shù)的計(jì)算,選擇的金屬材料時(shí)要保證原長(zhǎng)相等,給予相同的溫度,不受濕度、室溫等環(huán)境因素的影響,分別采用本文研究的處理工藝和基礎(chǔ)處理工藝對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理,制作對(duì)比實(shí)驗(yàn),通過(guò)溫度變化量的不同,比較兩種工藝的膨脹系數(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。
圖1實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用不同的處理工藝計(jì)算的金屬膨脹系數(shù)有很大差別,采用本文處理工藝計(jì)算的膨脹系數(shù)低于基礎(chǔ)處理工藝的膨脹系數(shù),可以有效降低金屬材料熱處理過(guò)程中變形發(fā)生的概率。因此,可以采用本文的處理工藝來(lái)進(jìn)行金屬材料的熱處理。
本文的金屬材料處理工藝對(duì)促進(jìn)鑄造行業(yè)發(fā)展具有重要意義。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,金屬材料處理工藝的不斷優(yōu)化,為金屬制造生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn),本文研究的金屬材料處理工藝能降低金屬的膨脹系數(shù),從而降低金屬材料發(fā)生變形的概率,提高生產(chǎn)的質(zhì)量。希望本文的研究能為鑄造行業(yè)降低不必要的成本,促進(jìn)中國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展。