金屬材料因其良好的綜合力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航天航空、建筑工程、船舶領(lǐng)域和汽車(chē)制造等機(jī)械制造行業(yè)領(lǐng)域。隨著社會(huì)快速發(fā)展，金屬材料通過(guò)合金化方式改變成分、組織結(jié)構(gòu)，使零部件的性能形成差異化，使其在使用過(guò)程中能夠承受不同的載荷，被更廣泛地應(yīng)用于各類場(chǎng)合。其中，機(jī)械制造領(lǐng)域?qū)α悴考倪x用和性能都有更高的要求，促使金屬材料在合金化基礎(chǔ)上性能得以改善。相較于傳統(tǒng)的變形加工，熱處理工藝是一種更有效的加工手段，可在不改變金屬材料形狀和尺寸的前提下，通過(guò)合理控制溫度和時(shí)間，改變金屬材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而提升其塑性、韌性、強(qiáng)度、硬度，以及耐磨性等關(guān)鍵性能指標(biāo)。然而，熱處理過(guò)程中因處理方式和方法不得當(dāng)，導(dǎo)致材料的表面精度和質(zhì)量不符合要求，從而影響零件和設(shè)備的性能，甚至引起零件失效和報(bào)廢，制約工藝發(fā)展。因此，深入探索金屬材料熱處理過(guò)程中變形及開(kāi)裂問(wèn)題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化處理工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 熱處理工藝?yán)碚摲治?/span>
將固態(tài)金屬或合金通過(guò)加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段，改變材料的微觀組織結(jié)構(gòu)獲得所需力學(xué)性能的工藝方法被稱為熱處理。熱處理的第一階段為加熱階段，原子動(dòng)能增加，導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，為后續(xù)的相變奠定基礎(chǔ)；熱處理的第二階段為保溫階段，確保內(nèi)部溫度均勻化，并促進(jìn)組織轉(zhuǎn)變的充分進(jìn)行；熱處理的第三階段為冷卻階段，冷卻速度不同，將得到不同的相變行為，從而獲得不同的使用性能。
熱處理的工藝分為表面熱處理和整體熱處理等，主要利用加熱和冷卻時(shí)的溫度變化引發(fā)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變的規(guī)律。每一種工藝均有對(duì)應(yīng)的流程、應(yīng)用和效果。表面熱處理通過(guò)改變零部件表面的組織和性能，對(duì)其表面進(jìn)行熱處理的工藝方法，如齒輪、凸輪等在使用時(shí)表面要求具有高硬度和高耐磨性，而心部需具有一定的強(qiáng)度和韌性，達(dá)到“表里不一”的性能特點(diǎn)。在熱處理過(guò)程中，需精準(zhǔn)控制加熱層深度以免多余的熱量傳導(dǎo)至材料心部，影響其力學(xué)性能。
而整體熱處理則通過(guò)對(duì)零部件整體進(jìn)行處理，進(jìn)而改變性能的工藝方法，整體熱處理包括退火、正火、淬火和回火。退火工藝則通過(guò)加熱至特定溫度保溫一段時(shí)間隨爐冷卻或等溫處理，來(lái)達(dá)到均勻組織，細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力并改善材料的塑性。正火和退火工藝類似，將材料加熱至合適溫度，采用空氣冷卻的方法，適當(dāng)提高工件硬度，消除網(wǎng)狀碳化物，為后續(xù)淬火、熱加工做準(zhǔn)備。淬火工藝通過(guò)快速冷卻使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，顯著提升材料的硬度，但同時(shí)也引入了較大的內(nèi)應(yīng)力，可能導(dǎo)致變形或開(kāi)裂問(wèn)題。淬火和回火合理配合，提高材料力學(xué)性能，回火工藝主要用于消解淬火過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定材料的性能，避免后續(xù)加工中出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。為滿足不同的使用條件下的性能要求，通過(guò)合理控制工藝參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)適配狀態(tài)。
2 金屬材料熱處理變形及開(kāi)裂原因分析
2.1 材料原因
金屬材料的成分及組織結(jié)構(gòu)對(duì)其熱處理的性能有著顯著的影響，以某種金屬材料為基體，添加不同含量的金屬或非金屬元素形成合金，改變金屬材料的相變溫度范圍和熱膨脹系數(shù)，進(jìn)而影響其熱處理行為，鉻元素可以提高材料的抗回火穩(wěn)定性，而鎳則有助于增強(qiáng)韌性和降低開(kāi)裂敏感性。
碳元素可直接決定材料的淬透性和變形傾向。在淬火過(guò)程中碳含量較高的金屬材料更容易形成馬氏體組織，提升材料硬度和強(qiáng)度，但因?yàn)椴牧蟽?nèi)部組織存在網(wǎng)狀碳化物或滲碳體等硬脆相，導(dǎo)致組織應(yīng)力分布不均裂紋，增加變形和開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。
此外，較大的晶粒尺寸通常會(huì)導(dǎo)致材料在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生更高的內(nèi)應(yīng)力，從而增加變形和開(kāi)裂的可能性。隨著設(shè)備的進(jìn)步和配比的精準(zhǔn)，部分金屬材料的合金化試驗(yàn)可將組織結(jié)構(gòu)變得更有規(guī)律，在熱處理過(guò)程中金屬材料的形變和開(kāi)裂問(wèn)題已得到有效控制。
2.2 熱處理工藝參數(shù)原因
在熱處理過(guò)程中影響材料內(nèi)部應(yīng)力分布和組織轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵參數(shù)包括加熱速度、保溫時(shí)間、冷卻方式和溫度等，因此，合理選擇熱處理工藝參數(shù)可以有效控制金屬材料熱處理質(zhì)量和性能穩(wěn)定性。
材料晶粒越細(xì)小，質(zhì)量性能就越優(yōu)異。晶粒長(zhǎng)大是通過(guò)原子擴(kuò)散進(jìn)行的，而擴(kuò)散速度是隨著加熱溫度升高而急劇增大，致使材料表面與內(nèi)部之間的溫度梯度增大，引發(fā)熱應(yīng)力集中導(dǎo)致晶粒粗大，甚至引起裂紋產(chǎn)生。加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒越粗大；加熱速度越快，過(guò)熱度越大，形核率越高，晶粒越細(xì)小。但當(dāng)快速加熱，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成晶粒迅速長(zhǎng)大而使晶粒粗大，冷卻后的組織也粗大，從而降低塑性，影響材料力學(xué)性能。
此外，冷卻方式通常有連續(xù)冷卻和等溫冷卻兩種，連續(xù)冷卻將工件放置于某種介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫，此方式中不同的冷卻介質(zhì)會(huì)引起金屬材料內(nèi)部應(yīng)力的顯著變化。但是該方式的冷卻速度不能得到準(zhǔn)確控制，在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)組織轉(zhuǎn)變發(fā)生，易形成非均勻組織。
通常根據(jù)所需材料的性能不同選擇冷卻介質(zhì)（水和油）。冷卻速度較快（如水淬）易獲得細(xì)小均勻的馬氏體組織，晶粒細(xì)小，硬度高但脆性大，容易導(dǎo)致表面與內(nèi)部之間的應(yīng)力差異過(guò)大，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而引發(fā)開(kāi)裂問(wèn)題。而冷卻速度較慢（如爐冷、油冷等）則利于形成粗大的珠光體組織，晶粒較為粗大，強(qiáng)度與硬度較低，但塑性較好，能夠有效緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象，適用于對(duì)變形要求較高的材料。
等溫冷卻是將工件冷卻至某一溫度后保持恒溫，使內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，待轉(zhuǎn)變結(jié)束后再冷卻至室溫，這一過(guò)程是轉(zhuǎn)變量與時(shí)間的關(guān)系。通過(guò)控制等溫溫度，可在高溫區(qū)（A1-550℃） 獲得片層間距不同的珠光體組織，溫度越低，片層越細(xì)，單位體積內(nèi)相界面會(huì)越多，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力越強(qiáng)，強(qiáng)度越高；在中溫區(qū)（550℃-Ms）形成貝氏體組織，具有良好的強(qiáng)韌性配合；低溫區(qū)則生成馬氏體組織。該工藝組織轉(zhuǎn)變充分，晶粒均勻，內(nèi)應(yīng)力小，性能穩(wěn)定。
因此，在實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)材料的特性和熱處理要求選擇合適的熱處理工藝參數(shù)，以最大限度地減少變形和開(kāi)裂的發(fā)生。
2.3 工件形狀與尺寸原因
在熱處理過(guò)程中，復(fù)雜形狀的工件或者尺寸較大由于各部分受熱、內(nèi)部應(yīng)力、冷卻不均勻和組織轉(zhuǎn)變不完全等現(xiàn)象，更容易產(chǎn)生變形和開(kāi)裂問(wèn)題。例如，在加熱過(guò)程中具有尖銳邊角、不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜工件或者隨著工件尺寸增加，容易出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象和冷卻速度差異較大，引起熱應(yīng)力和組織應(yīng)力集中，內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，甚至加劇材料變形和開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。
因此，在設(shè)計(jì)工件時(shí)采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)或者盡量避免過(guò)于復(fù)雜的形狀，對(duì)于尺寸較大的工件時(shí)，采用分段加熱或者緩慢冷卻等特殊的工藝和預(yù)處理手段，以緩解內(nèi)部應(yīng)力不均導(dǎo)致的變形和開(kāi)裂的可能性。
3.1 優(yōu)化金屬材料特性
從金屬材料的化學(xué)成分、初始組織結(jié)構(gòu)、合金的相變特點(diǎn)及溫度等特性出發(fā)，可通過(guò)控制加熱速率和溫度時(shí)間來(lái)減少應(yīng)力集中等現(xiàn)象，避免發(fā)生變形和開(kāi)裂。為了改善材料性能，提高工件的合格率和有效性，在熱處理過(guò)程中，需依據(jù)材料手冊(cè)、工件的復(fù)雜性制定熱處理工藝參數(shù)，如加熱速度、加熱溫度和保溫時(shí)間，確保在組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中，應(yīng)力分布均勻，組織轉(zhuǎn)變完全。
熱處理過(guò)程中退火和正火工藝作為消除或減輕材料內(nèi)部的應(yīng)力、細(xì)化晶粒、降低硬度，并改善塑性，但為避免溫度過(guò)大材料發(fā)生明顯變形，需根據(jù)實(shí)際情況提前做好預(yù)處理，經(jīng)長(zhǎng)期試驗(yàn)和實(shí)踐操作發(fā)現(xiàn)，使用等溫淬火在正火處理的時(shí)候可確保材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻。
3.2 合理選擇冷卻介質(zhì)水和油作為常見(jiàn)的金屬材料冷卻介質(zhì)，對(duì)于塑性和韌性好的金屬材料選擇水作為冷卻介質(zhì)，對(duì)于硬度、脆性和強(qiáng)度好的金屬材料選擇油作為冷卻介質(zhì)。各種常用淬火介質(zhì)的冷卻能力及特點(diǎn)，水在常溫下（18℃）冷卻能力很強(qiáng)，尤其是當(dāng)溫度范圍為550~650℃時(shí)冷卻速度非?？?，大于600℃/s，但隨著水溫（50~74℃）上升，冷卻速度從100℃/s 下降至30℃/s。
但溫度范圍在200~300℃時(shí)，隨著水溫的變化，冷卻速度（200~270℃/s）仍很強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致工件變形甚至開(kāi)裂。為解決這一問(wèn)題，在水中加入5%~10%的鹽或堿形成水溶液，在550~650℃范圍內(nèi)冷卻速度為1100℃/s，冷卻速度更強(qiáng)，這是因?yàn)楣ぜ谳^高溫度下放入水溶液中，水在蒸汽膜階段析出的食鹽或者堿的晶體會(huì)產(chǎn)生爆裂，破壞蒸汽膜以及金屬零部件表層的氧化皮，從而達(dá)到有效提升水的冷卻能力的目的。
但在200~300℃的范圍內(nèi)冷卻速度為300℃/s，冷卻太快，易產(chǎn)生變形和開(kāi)裂，對(duì)工件有腐蝕作用，淬火完成后須進(jìn)行清洗。此外，針對(duì)不同工藝需求，可采用分段冷卻或等溫冷卻等方式，以降低冷卻過(guò)程中的應(yīng)力峰值，從而有效減少變形和開(kāi)裂的發(fā)生。
3.3 新熱處理技術(shù)
傳統(tǒng)的熱處理工藝已難以滿足現(xiàn)階段材料的性能要求，尤其是在航天航空、船舶、汽車(chē)制造領(lǐng)域，該領(lǐng)域中的復(fù)雜工件需滿足輕量化、低成本和高性能等要求，因此，需要采用先進(jìn)的新型熱處理加工技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)材料熱處理過(guò)程中的變形及開(kāi)裂問(wèn)題。
例如，可控氣氛熱處理技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣氛成分，優(yōu)化金屬材料的加熱和冷卻環(huán)境，特別是在滲碳和氮化處理中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能穩(wěn)定性。真空熱處理技術(shù)是屬于可控?zé)崽幚砑夹g(shù)，因材料在真空條件下（達(dá)到1個(gè)大氣壓以下）固態(tài)相變熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)不發(fā)生變化，只需通過(guò)去除爐內(nèi)氧氣、硫、磷等其他有害氣體，根據(jù)材料通入相應(yīng)的惰性氣體，就可顯著控制相結(jié)構(gòu)，且不氧化、不脫碳、溫度均勻，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻速度的精準(zhǔn)控制，從而有效減少變形和開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于高精度要求的工件，為確保加熱和冷卻過(guò)程的均勻性和穩(wěn)定性，可選用真空熱處理爐。
3.4 工件形狀和尺寸
在熱處理過(guò)程中，由于各部分受熱不均勻或冷卻速度不同影響應(yīng)力分布不一致，會(huì)導(dǎo)致工件變形和開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)增加，因此，設(shè)計(jì)時(shí)需在滿足力學(xué)性能的同時(shí)，盡可能地減小應(yīng)力分布不均勻。例如，可采用簡(jiǎn)化形狀，對(duì)稱結(jié)構(gòu)，合理的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，如圓角、圓弧、斜面等，減少因截面突變?cè)斐傻膽?yīng)力集中，從而避免局部應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度。
研究表明，在淬火工藝中，合理設(shè)置過(guò)渡結(jié)構(gòu)不僅能夠顯著降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，還能改善工件的整體力學(xué)性能，延長(zhǎng)使用壽命。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)工件的具體形狀和使用要求，綜合考慮過(guò)渡結(jié)構(gòu)的尺寸和位置，以實(shí)現(xiàn)最佳的熱處理效果。
4 結(jié)論
文章主要從材料自身、熱處理工藝參數(shù)、工件形狀與尺寸等因素來(lái)分析金屬材料熱處理過(guò)程中變形及開(kāi)裂問(wèn)題的影響。其中，在熱處理過(guò)程中已能通過(guò)合金化精準(zhǔn)控制應(yīng)力分布與組織轉(zhuǎn)變。在熱處理工藝過(guò)程中，通過(guò)控制加熱速率、保溫時(shí)間、溫度和冷卻方式等熱處理工藝參數(shù)來(lái)改變材料內(nèi)部應(yīng)力分布和組織均勻性，避免發(fā)生變形與開(kāi)裂行為。工件的形狀復(fù)雜性和尺寸大小因熱傳遞不均勻和內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致變形及開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)增加。
基于上述分析，文章提出了多項(xiàng)預(yù)防和解決措施，涵蓋熱處理工藝優(yōu)化、工件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)以及熱處理設(shè)備選用等方面。合理選擇加熱與冷卻規(guī)范，采用先進(jìn)的熱處理技術(shù)，有效減少應(yīng)力集中并提升熱處理質(zhì)量。在工件設(shè)計(jì)上，簡(jiǎn)化形狀并設(shè)置合理過(guò)渡結(jié)構(gòu)能夠緩解應(yīng)力不均，降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，根據(jù)材料與工藝要求選用合適的熱處理設(shè)備也是保證質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。這些研究成果為提高金屬材料熱處理質(zhì)量提供了重要的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。
來(lái)源：陜西航天職工大學(xué)
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
