鄒彤雯

(黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院,哈爾濱 150009)

金屬材料熱處理采用淬火加熱、回火保溫及介質(zhì)冷卻等技術(shù)工藝改善金屬的顯微組織,提升晶粒細(xì)化程度,增加金屬材料強(qiáng)度,以實(shí)現(xiàn)金屬材料抗疲勞性能的全面提升。在不改變金屬材料性質(zhì)、化學(xué)成分的基礎(chǔ)上對(duì)材料內(nèi)在進(jìn)行調(diào)整與改善,如均勻穩(wěn)定顯微組織、增加疲勞強(qiáng)度、制造金屬表面的硬化層等,使其綜合性能符合工業(yè)生產(chǎn)制造要求。本研究針對(duì)熱處理工藝,對(duì)金屬材料抗疲勞性能的影響進(jìn)行分析,以提高金屬材料熱處理質(zhì)量與效率為目的,改善其抗疲勞性能。

1 影響金屬材料抗疲勞性能的主要因素

1.1 應(yīng)力集中

金屬材料存在著不同形式的缺口,缺口根部的理論集中應(yīng)力系數(shù)(Kf)=根部最大實(shí)際應(yīng)力/名義應(yīng)力,疲勞應(yīng)力集中系數(shù)(Kt)=光滑金屬疲勞極限/缺口金屬疲勞極限,其中疲勞應(yīng)力集中受到金屬材料物理化學(xué)性能及熱加工處理的影響,應(yīng)力與缺口的尖銳程度成正比,這是金屬構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞的源頭。疲勞缺口敏感度系數(shù)q=kf-1/kt-1,q值為0～1,值越小說(shuō)明敏感度越低,q值的大小與缺口尺寸有著一定的關(guān)系,但當(dāng)缺口尺寸超過(guò)一定值后,則與q值的大小無(wú)關(guān)。

1.2 化學(xué)成分

在一定條件下,金屬材料的抗疲勞性能與抗拉強(qiáng)度存在著一定的關(guān)系,碳是影響其抗拉強(qiáng)度的重要物質(zhì),如果鋼材中存在碳的夾雜物則會(huì)增加鋼材的脆性。在其他合金材料中,合理運(yùn)用碳元素可提高材料的抗拉強(qiáng)度[1],增強(qiáng)抗疲勞性能。

1.3 加載經(jīng)歷

金屬材料加載經(jīng)歷對(duì)其抗疲勞性能的影響主要是指超載損傷與次載鍛煉,少數(shù)的超載對(duì)于金屬材料的疲勞性能影響非常小,但在高于疲勞極限負(fù)荷且長(zhǎng)時(shí)間加載的情況下會(huì)降低金屬的疲勞極限,引起疲勞破壞。使用金屬材料前進(jìn)行適當(dāng)?shù)某d可促進(jìn)金屬形變強(qiáng)化,使金屬表面形成良好的殘余應(yīng)力,有助于提升疲勞強(qiáng)度。次載鍛煉與超載相反,在金屬疲勞極限范圍內(nèi)且在大于一個(gè)鍛煉應(yīng)力值下運(yùn)行會(huì)增加金屬材料的疲勞極限,鍛煉時(shí)間與鍛煉應(yīng)力值的大小會(huì)影響金屬疲勞極限改善的效果。

1.4 金屬表面狀態(tài)

1.4.1 加載方式

對(duì)金屬表面采用軸向、彎曲及扭轉(zhuǎn)等不同加載方式會(huì)形成不同的金屬表面狀態(tài),對(duì)抗疲勞性能的影響也不同,如軸向加載,應(yīng)力分布均勻,金屬表面不同深層的應(yīng)力一致,但只改善了金屬表面性能,未能強(qiáng)化到一定深度下的金屬內(nèi)部。如果是彎曲加載,表面加載形成附加應(yīng)力,與表面殘余應(yīng)力疊加后可增加表面的抗疲勞性。

1.4.2 淬火與滾壓

在金屬表面淬火加熱形成熱傳導(dǎo)作用,滲透至金屬表面一定的深度,形成硬化層并增加殘余應(yīng)力,以增強(qiáng)材料的抗疲勞性能。對(duì)金屬表面進(jìn)行滾壓處理,可增加硬化層厚度,達(dá)到改善抗疲勞性能的目的。金屬材料表面機(jī)械性能、殘余應(yīng)力、光潔度等的調(diào)整對(duì)于抗疲勞性能都會(huì)產(chǎn)生直接影響。

1.4.3 機(jī)械加工

在金屬材料機(jī)械加工過(guò)程中如果鋼材表面留有微小的缺口,表面不夠光滑,存在著加工痕跡,會(huì)導(dǎo)致鋼材表面應(yīng)力集中,影響抗疲勞性。以鋼材機(jī)械加工為例,分別采用粗加工與精拋光,材料強(qiáng)度越大,表面越光潔,精拋光的鋼材料要比粗加工的鋼材料疲勞極限提升10%～20%。

2 熱處理工藝影響金屬材料抗疲勞性能的因素及機(jī)理

2.1 影響因素

熱處理工藝的實(shí)質(zhì)是采用淬火加熱金屬材料,改變其物理與化學(xué)性能,從而達(dá)到提高其綜合性能的目的。影響金屬材料抗疲勞性能的關(guān)鍵因素包括應(yīng)力集中、金屬材料強(qiáng)度、顯微組織均勻性、表面加工狀態(tài)、化學(xué)成分、晶粒細(xì)化程度等[2],金屬材料的熱處理工藝直接影響以上各種因素,而影響熱處理工藝質(zhì)量的因素包括溫度、預(yù)處理及冷卻介質(zhì)。同一種金屬材料使用不同的熱處理工藝可得到不同的顯微組織,令金屬材料的抗疲勞性能存在較大的差異。

2.1.1 溫度因素

使用淬火加熱金屬材料可使其顯微組織均勻分布、晶粒細(xì)化。但金屬材料有著最佳的加熱溫度,一旦淬火加熱超過(guò)最高溫度,晶粒會(huì)變粗,致使疲勞強(qiáng)度下降?；鼗饻囟纫矔?huì)對(duì)金屬材料的抗疲勞性能產(chǎn)生影響,溫度的高低影響著金屬硬度與顯微組織晶粒的粗細(xì)程度。

2.1.2 預(yù)處理因素

使用熱處理工藝前,需對(duì)金屬材料表面進(jìn)行預(yù)處理,常規(guī)的預(yù)處理包括表面整平、浸蝕與表面除油、凈化表面使表面粗化。金屬材料預(yù)處理過(guò)程采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量控制措施對(duì)于后續(xù)預(yù)處理質(zhì)量有著直接影響,如用砂輪打磨、化學(xué)浸蝕金屬表面,會(huì)對(duì)金屬基體造成損傷[3],從而對(duì)熱處理后的金屬材料綜合性能產(chǎn)生不良影響,降低抗疲勞性能。

2.1.3 冷卻介質(zhì)因素

在金屬材料淬火加熱及高速冷卻處理過(guò)程中需采用淬火冷卻介質(zhì),如水-油、水-空氣、空氣-油、有機(jī)物水溶液等,以快速冷卻加熱后的金屬材料。介質(zhì)類型及冷卻速度等對(duì)于金屬顯微組織狀態(tài)有著直接影響,會(huì)令其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。在回火工藝處理環(huán)節(jié)需對(duì)淬火后的金屬進(jìn)行一定時(shí)間的保溫,再進(jìn)行冷卻,這也會(huì)影響金屬材料的穩(wěn)定性及抗疲勞性。

2.2 影響機(jī)理

金屬材料的抗疲勞性能包括熱疲勞、接觸疲勞、沖擊疲勞、腐蝕疲勞等。以熱疲勞性能為例,主要影響因素是碳化物聚集。在金屬材料加熱處理過(guò)程中,金屬材料需淬火冷卻、回火冷卻,冷熱交替促使碳化物生成與聚集,單個(gè)的碳化合物顆粒不會(huì)產(chǎn)生大的影響,持續(xù)累積后形成大碳化物團(tuán),進(jìn)而引發(fā)熱疲勞裂紋。金屬材料中的夾雜物周邊有著微小缺口,與碳化物處于不同的位置,成為裂紋源且?jiàn)A雜物類型不同,機(jī)械性能也不同,這些因素都會(huì)影響抗疲勞性能。金屬中細(xì)微的裂縫存在于夾雜物與碳化物團(tuán)之間,在冷熱循環(huán)的影響下裂紋源受到應(yīng)力作用,促使微裂紋不斷生長(zhǎng),導(dǎo)致熱疲勞裂紋的出現(xiàn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)對(duì)金屬材料抗疲勞性能的影響

3.1 激光熱處理

激光熱處理屬于表面熱處理技術(shù),處理金屬材料主要利用高能量的激光束快速提高照射點(diǎn)的溫度,當(dāng)超過(guò)金屬相變點(diǎn)時(shí)停止照射,金屬內(nèi)部發(fā)生熱傳導(dǎo),實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫金屬淬火的目的,提高金屬硬度,減少金屬材料加工過(guò)程中的變形量。具體工藝流程如下：預(yù)處理(除油、除銹、清洗、干燥)→預(yù)置吸光涂層→激光淬火(工藝參數(shù)設(shè)計(jì))→質(zhì)量檢測(cè)(觀察淬火帶表面狀態(tài)、硬化層深度與面積),處理過(guò)的金屬硬化層深度及面積可控性好[4],具有極高的功率密度。一般使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行激光淬火工藝參數(shù)的自動(dòng)化控制,如控制掃描速度、離焦量等。

3.2 表面滲層處理

該技術(shù)是將氮、碳等化學(xué)元素滲入金屬材料的表層,提高金屬材料的抗熱疲勞性、耐磨性、耐腐蝕性等,改善其綜合性能。以表面滲碳為例,工藝處理流程是對(duì)金屬材料進(jìn)行滲碳處理,經(jīng)過(guò)淬火、回火后使碳滲入至金屬材料表層,增加其硬度與使用壽命。常用的表面滲層工藝包括固體粉末滲碳、氣體滲碳、真空滲碳與離子滲碳等。

3.3 熱處理CAD技術(shù)

熱處理CAD技術(shù)是在金屬材料熱處理過(guò)程中使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件CAD建設(shè)模擬系統(tǒng),根據(jù)金屬材料的物理與化學(xué)特性模擬還原熱處理工藝過(guò)程,查找存在的問(wèn)題并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,梳理熱加工工序,進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)防,解決熱處理過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn),提高熱處理工藝的可用性,將金屬材料變形量降至最低,達(dá)到改善抗疲勞性能的目的。

3.4 真空熱處理

真空熱處理技術(shù)是在真空高壓氣淬爐中、在與大氣壓只差0.1 MPa的范圍內(nèi)對(duì)金屬材料進(jìn)行熱加工,可提高金屬材料熱處理效率與質(zhì)量。與空氣環(huán)境下的金屬材料熱處理相比,真空環(huán)境下金屬材料無(wú)氧化、無(wú)脫碳、無(wú)滲碳,在真空脫氣、真空脫脂、表面凈化、金屬蒸發(fā)等作用下不會(huì)使金屬材料化學(xué)成分發(fā)生大的變化,可防止氣孔的出現(xiàn),獲得良好的熱處理效果。

3.5 電子束表面淬火

該技術(shù)以高能電子束對(duì)金屬材料進(jìn)行表面淬火加熱,加熱速度達(dá)到1000～100 000 ℃/s,功率密度為104～105W/cm2,可令金屬表面快速升溫,通過(guò)高能電子束能量的調(diào)解進(jìn)行金屬表面硬化層深度的控制,在加熱結(jié)束自冷后獲取超細(xì)化晶粒,使金屬材料表面組織細(xì)化,提高抗疲勞性能。其效率高于激光熱處理,淬火加熱處理硬化層面積可控,不會(huì)對(duì)金屬構(gòu)件其他部位產(chǎn)生影響。

3.6 振動(dòng)時(shí)效處理

金屬材料內(nèi)部存在著一定的微觀缺陷,缺陷周邊有著不同程度的應(yīng)力集中。振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)采用激振器給金屬材料施加動(dòng)應(yīng)力,與金屬材料本身的殘余應(yīng)力共同作用,消除殘余的內(nèi)應(yīng)力,使其發(fā)生微量的塑性變形。振動(dòng)時(shí)效設(shè)備中的控制箱用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,維持金屬材料共振狀態(tài)大約20～30 min,累積時(shí)間不可大于40 min,即可完成金屬材料20%～80%殘余應(yīng)力的調(diào)整[5],工藝較為簡(jiǎn)單,適用性強(qiáng)且節(jié)約能源,可提高金屬材料的使用強(qiáng)度、抗疲勞性、抗變形能力,令金屬構(gòu)件尺寸精度穩(wěn)定,降低微觀裂變的發(fā)生概率。

4 金屬材料熱處理工藝發(fā)展趨勢(shì)

4.1 智能化

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)等在工業(yè)生產(chǎn)制造中的應(yīng)用為金屬熱處理工藝的智能化與自動(dòng)化發(fā)展提供了技術(shù)支撐。如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用可建立金屬材料熱處理工藝的數(shù)字孿生體,模擬仿真還原熱處理過(guò)程,實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)崽幚頎顟B(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的精準(zhǔn)控制。現(xiàn)代自動(dòng)化控制技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合運(yùn)用可實(shí)時(shí)采集金屬材料熱處理過(guò)程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù),全生命周期監(jiān)控?zé)崽幚磉^(guò)程,及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題,在控制終端發(fā)出提示信息,避免熱處理工藝運(yùn)用偏差而引起抗疲勞性能的下降。智能化是金屬材料熱處理工藝未來(lái)發(fā)展的重要方向,需合理優(yōu)化人力、物力資源配置,降低能源消耗,減少因人為操作引發(fā)的抗疲勞性能下降問(wèn)題。

4.2 無(wú)氧化

在空氣環(huán)境下進(jìn)行熱處理,金屬材料可能會(huì)與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)及脫碳現(xiàn)象,形成一定的熱處理?yè)p耗,影響金屬表面狀態(tài),降低金屬材料的抗疲勞性能。熱處理需向著無(wú)氧化的方向發(fā)展,減少空氣對(duì)熱處理效果的影響,如激光熱處理、電子束熱處理、真空熱處理、可控氣氛熱處理、涂層處理等,均是在少氧或無(wú)氧的條件下對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理[6]。真空熱處理是將真空熱處理設(shè)備的爐子抽到一定的真空度,加入氣氛,加快真空環(huán)境下金屬材料的加熱速度,實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化熱處理?？煽貧夥諢崽幚硎鞘褂每煽貧夥?如控制H2與H2O的比值,規(guī)避金屬材料氧化與脫碳問(wèn)題,提高熱處理質(zhì)量,達(dá)到節(jié)約能源、節(jié)約金屬、節(jié)約時(shí)間的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

金屬材料熱處理采用不同工藝、不同工藝參數(shù)、不同處理技術(shù)等會(huì)對(duì)其抗疲勞性能產(chǎn)生影響。在實(shí)際熱處理操作中準(zhǔn)確選擇與運(yùn)用熱處理工藝,加強(qiáng)熱處理關(guān)鍵技術(shù)控制,可降低預(yù)處理、淬火、回火等對(duì)抗疲勞性能的影響,提高熱處理質(zhì)量與效率,全面增強(qiáng)金屬材料的綜合性能。