汪承星

新余鋼鐵集團(tuán)有限公司 江西新余 338001

金屬材料在原始的固態(tài)采用加熱的方法獲得預(yù)期組織形態(tài)的工藝即金屬材料的熱處理。這一工藝在石器時(shí)代就出現(xiàn)和應(yīng)用，在現(xiàn)代得到逐步發(fā)展與優(yōu)化。在機(jī)械制造過(guò)程中，最為重要和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)即為熱處理，熱處理能賦予或改善金屬材料具有的各項(xiàng)性能，在保持其形狀和化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，對(duì)其化學(xué)組成及內(nèi)部組織進(jìn)行改變，提高其內(nèi)在質(zhì)量。人們?yōu)榱藢?duì)金屬材料進(jìn)行改造，使其具備想要的各項(xiàng)性能，包括化學(xué)性能、力學(xué)性能與物理性能，通常會(huì)通過(guò)熱處理來(lái)加工。在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域，鋁合金的實(shí)際應(yīng)用相對(duì)較多，它的顯微組織比其他類型的金屬材料復(fù)雜，所以需要通過(guò)熱處理來(lái)有效控制。為工業(yè)制造的發(fā)展、為國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 金屬材料熱疲勞性能影響機(jī)理

金屬熱疲勞現(xiàn)象與金屬的抗疲勞性能息息相關(guān)。鋼件的熱疲勞裂紋的發(fā)生受碳化物堆積作用。以該模型來(lái)說(shuō)明熱疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。在熱循環(huán)過(guò)程中，碳化物趨于一起生長(zhǎng)并聚集。單個(gè)顆?？赡芸雌饋?lái)很小，但在連續(xù)循環(huán)中，這些顆粒會(huì)結(jié)合形成較大的顆粒，從而形成碳化物基團(tuán)和微裂紋，這些裂紋也可能會(huì)導(dǎo)致新裂紋的出現(xiàn)，對(duì)金屬性能造成影響。同時(shí)，金屬材料中某些碳化物的含量是不連貫的，這些顆粒具有微裂紋。如果微裂紋的尺寸與顆粒的尺寸相當(dāng)，熱循環(huán)下的金屬材料將會(huì)因其存在的應(yīng)力而出現(xiàn)問(wèn)題，產(chǎn)生更大的張力，并且如果裂紋內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)的膨脹系數(shù)超過(guò)最大值，則微裂紋將不斷的擴(kuò)大，最終它平衡地膨脹并逐漸形成熱疲勞裂紋。

2 金屬材料抗疲勞性能影響因素

為確保淬火加熱順利完成，準(zhǔn)備充足的結(jié)晶核心，為同金屬材料做等溫處理，通過(guò)等溫處理，能得到碳化物，其顆粒呈球狀、彌散，原結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化，獲得球化以后的物質(zhì)。晶粒處在較高的溫度條件下會(huì)明顯變粗，使金屬自身韌性與塑性均降低，并析出一定量的奧氏體。部分奧氏體還會(huì)在此過(guò)程中得到韌性加強(qiáng)，材料由于所剩晶界碳化物不斷變脆，導(dǎo)致材料自身抗疲勞性能受到影響。通過(guò)進(jìn)一步探究，發(fā)現(xiàn)金屬材料自身熱疲勞性會(huì)受到回火的影響，在不同溫度條件下，材料具有不同的硬度。除此之外，增加奧氏體溫度，還會(huì)使基體當(dāng)中的碳化物不斷溶解，在淬火完成以后，奧氏體當(dāng)中含有的碳及合金元素大量增加，促使金屬材料自身強(qiáng)度顯著提高，產(chǎn)生二次硬化峰，同時(shí)抗回火軟化性也得到明顯的提高。當(dāng)然，采用不同工藝時(shí)，也會(huì)對(duì)金屬材料自身抗疲勞性能造成影響，包括硬度、在高溫條件下的強(qiáng)度及韌性，無(wú)論是化學(xué)成分，還是顯微組織，都會(huì)受到很大影響?；诖?，必須保證所選熱處理工藝科學(xué)性與合理性，減小材料不均勻性，避免產(chǎn)生過(guò)大的局部應(yīng)力，從而有效保證材料自身抗疲勞性，避免在熱處理以后導(dǎo)致抗疲勞性大幅降低。

3 性能驗(yàn)證與結(jié)果分析

試驗(yàn)操作嚴(yán)格按照以下規(guī)程進(jìn)行: ①對(duì)操作場(chǎng)地進(jìn)行認(rèn)真清理，認(rèn)真檢查電源與儀表，確認(rèn)是否正常。②現(xiàn)場(chǎng)的操作人員必須按照要求穿戴好各類防護(hù)用品，以免在操作中發(fā)生意外造成人身傷害。③開(kāi)啟轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，以設(shè)備技術(shù)要求為依據(jù)進(jìn)行分段的升溫和降溫，以此保持設(shè)備的完好性，延長(zhǎng)其使用壽命。④充分注意熱處理爐實(shí)際溫度與網(wǎng)帶調(diào)速，掌握并確定不同材料需要達(dá)到的溫度標(biāo)準(zhǔn)，確保工件的硬度與表面平直程度，同時(shí)認(rèn)真開(kāi)展安全工作。⑤充分注意回火爐實(shí)際溫度與網(wǎng)帶調(diào)速，適時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)，確保工件完成回火后能夠滿足質(zhì)量要求。⑥整個(gè)工作過(guò)程中相關(guān)工作人員必須堅(jiān)守崗位。⑦準(zhǔn)備好所有消防器具，同時(shí)熟練使用各種方法。⑧在停機(jī)以后，應(yīng)對(duì)所有控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查，確認(rèn)其是否處在關(guān)閉的狀態(tài)，并將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及時(shí)關(guān)閉。采用不同的熱處理工藝對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理，驗(yàn)證金屬材料自身熱疲勞性受到的影響，2 種試樣執(zhí)行600余次冷、熱交替后，其表面都開(kāi)始出現(xiàn)大量細(xì)裂紋，而當(dāng)交替的次數(shù)達(dá)到1200 次以后，試樣表面開(kāi)始出現(xiàn)較粗的裂紋。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于同一種類型的金屬材料，采用相同的熱處理工藝時(shí)，試樣表面裂縫面積與主裂紋的縫寬和冷、熱交替次數(shù)為正比關(guān)系，也就是當(dāng)冷、熱交替次數(shù)增加時(shí)，無(wú)論是裂縫的面積還是主裂紋的縫寬均明顯在增大；同時(shí)，裂紋的總長(zhǎng)和冷、熱交替次數(shù)為反比關(guān)系，也就是當(dāng)冷、熱交替次數(shù)增加時(shí)，損傷因子不斷減少。

通過(guò)以上研究，所有試樣在冷、熱交替次數(shù)達(dá)到600 次以后都會(huì)產(chǎn)生不同程度的裂紋，之后雖然也會(huì)出現(xiàn)新裂紋，但現(xiàn)有裂紋發(fā)生擴(kuò)展將成為主導(dǎo)。一些裂紋由于冷、熱交替過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，會(huì)使裂紋進(jìn)一步加寬和加深，這些裂紋由此會(huì)變?yōu)橹髁鸭y，其他相對(duì)來(lái)說(shuō)比較細(xì)小的裂紋會(huì)因?yàn)閼?yīng)力被釋放掉而不再擴(kuò)展，伴隨冷、熱交替次數(shù)的不斷增加，持續(xù)發(fā)生氧化剝落，而在進(jìn)行拋光與酸洗之后，將會(huì)消失，因此得出了當(dāng)冷、熱交替次數(shù)為1200 次時(shí)試樣裂紋總長(zhǎng)反倒少于交替次數(shù)為600 次的結(jié)論。對(duì)于鋁合金材料，采用熱處理工藝后，其強(qiáng)度得到明顯提高，材料自身熱疲勞性也能得到一定程度的改善。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)具體分析，研究了金屬材料的抗疲勞性與熱處理之間的關(guān)系。與此同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)，并非所有的金屬材料都如此，為了更加準(zhǔn)確的評(píng)估，需要分析或?qū)嶒?yàn)進(jìn)行有效確定。總之，通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究和探索可以認(rèn)定對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理可以使得其性能得到有效改善。