探析金屬材料的構(gòu)造性能同熱處理之間的相互關(guān)系

房永順,呂延彬,郭 睿

（大連大高閥門股份有限公司，遼寧 大連 116000）

在工業(yè)生產(chǎn)之中，許多金屬材料通過(guò)采用退火、正火、淬火、回火等熱處理方式能夠很好地改變金屬內(nèi)部的晶體組織結(jié)構(gòu)，使原本性質(zhì)單一的金屬材料產(chǎn)生一些良好的機(jī)械性能，因此熱處理在改變金屬材料構(gòu)造性能，特別是機(jī)械性能如硬度、強(qiáng)度、韌性等方面起著至關(guān)重要的作用。

1 金屬材料構(gòu)造性能

自從人類進(jìn)入青銅器時(shí)代開始，金屬材料就與人類的生活息息相關(guān)，例如鐵、鋁、銅、鎳等金屬以及大量的合金被廣泛運(yùn)用于軍事、農(nóng)業(yè)、建筑等領(lǐng)域，換句話說(shuō)，金屬材料已經(jīng)滲透到人類的日常生活的方方面面，成為了人類生活不可替代的一部分。無(wú)論是金屬單質(zhì)還是合金，其機(jī)械性能往往取決于內(nèi)部構(gòu)造。準(zhǔn)確地來(lái)說(shuō)，金屬性質(zhì)是由金屬原子之間的結(jié)合方式和空間排列所決定的[1]。例如合金往往比金屬單質(zhì)的硬度大，不銹鋼比生鐵的強(qiáng)度高、腐蝕性強(qiáng)等，這些都是由于金屬原子的構(gòu)造排列不同所導(dǎo)致的。

2 金屬材料性能與熱處理之間的關(guān)系

為滿足工件的加工要求，需采用熱處理的方式改變其固有的加工性能，包括切削性能、切變模量、斷裂韌性以及腐蝕開裂等，下面就分析這些金屬性能同熱處理工藝之間的關(guān)系。

（1）切削性能與熱處理預(yù)熱的關(guān)系。在金屬材料的加工過(guò)程中，切削工藝對(duì)于金屬工件的質(zhì)量有著較為明顯的影響，如果能夠利用熱處理技術(shù)來(lái)改善金屬材料的切削性能，那么這將大大地提升金屬工件產(chǎn)品質(zhì)量，減少次品或廢品的切割數(shù)量。在金屬材料進(jìn)行切割的過(guò)程中，由于金屬材料的硬度、強(qiáng)度以及變形程度等并不相同，另外切割刀具的切削環(huán)境和切割條件也存在著較大的差異性，因此各種材料的切削效果也并不相同。為了提高金屬材料的切削性能，通常在鍛鑄件或焊接件毛坯半成品上采用預(yù)熱處理，從而改善甚至消除冶金及熱加工過(guò)程中所產(chǎn)生的缺陷，同時(shí)減少變形并提高精度。

（2）金屬切變模量與熱處理溫度的關(guān)系。切變模量是金屬材料力學(xué)的重要性能指標(biāo)之一，金屬材料在受到剪切應(yīng)力之后，定然會(huì)發(fā)生形變，切變模量準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是金屬在其形變范圍之內(nèi)的切應(yīng)力與切應(yīng)形變之間的比值。換句話說(shuō)，切變模量是表征材料抵抗切應(yīng)變的能力，模量大，則表示材料的剛性強(qiáng)，模量小，則表示材料的剛性弱。金屬切變模量的大小主要取決于原子間相互作用力的大小，而原子間作用力又受到材料的結(jié)構(gòu)、原子排布、穩(wěn)定等影響，當(dāng)材料經(jīng)過(guò)熱處理之后，金屬材料中的原子間相互作用力就會(huì)發(fā)生變化，由此材料的切變模量也會(huì)發(fā)生與之相應(yīng)的變化，因此在將金屬材料進(jìn)行熱處理的過(guò)程中，一定要將熱處理的回火溫度和材料硬度嚴(yán)格控制在一定的合理范圍之內(nèi)，從而避免因?yàn)榍凶兡Ａ砍^(guò)了形變范圍而導(dǎo)致不可逆的金屬形變，不同材料鋼回火溫度與硬度的關(guān)系如下圖所示。

一般來(lái)說(shuō)，具有回火脆性的合金鋼40Cr在中溫或高溫回火后用清水或油冷卻，防止脆性斷裂，而高合金鋼一般在采用低溫500-520℃回火兩次。

（3）金屬材料的斷裂韌性與熱處理溫度的關(guān)系。金屬材料的斷裂韌性是金屬材料的基本屬性，該性質(zhì)與金屬材料的熱處理工藝有著十分密切的關(guān)系[2]。實(shí)際上任何材料都含有不同數(shù)量、不同程度的裂紋，斷裂韌性也可以理解為含有裂紋的金屬材料在外力的作用下抵抗裂紋擴(kuò)展的性能，一般來(lái)說(shuō)，減少金屬晶體中的排列錯(cuò)位，降低金屬材料中的位錯(cuò)密度，而目前效果最明顯提高金屬斷裂韌性的方法就是對(duì)金屬材料進(jìn)行細(xì)晶強(qiáng)化處理。具體來(lái)講，細(xì)晶強(qiáng)化的基本原理就是對(duì)材料先進(jìn)行熱處理，然后再進(jìn)行冷卻結(jié)晶，使得變形最劇烈的區(qū)域產(chǎn)生新的等軸晶粒來(lái)代替原來(lái)的變形晶粒。只有當(dāng)金屬材料的熱處理溫度達(dá)到一定值時(shí)才能夠激活原子，使之進(jìn)行遷移，再結(jié)晶的過(guò)程才能夠保證，金屬材料的宏觀性能才能發(fā)生變化，SY鋼坯在不同熱處理溫度下的晶粒形貌。

不同熱處理溫度下等軸晶體的數(shù)量情況

SY鋼在700℃時(shí)，扁平的晶粒開始向等軸晶粒變化，800℃是已有少量等軸晶粒出現(xiàn)，900℃時(shí)，晶粒突然變得細(xì)小，幾乎全部為等軸晶粒，晶粒度達(dá)到Y(jié)B12級(jí)，溫度在1000℃時(shí)，晶粒開始長(zhǎng)大。因此為了保證材料的原子發(fā)生擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)材料的再結(jié)晶，就必須控制好材料的熱處理溫度，從而最終提高材料的斷裂韌性。

（4）金屬材料抗應(yīng)力腐蝕開裂與熱處理應(yīng)力關(guān)系。無(wú)論何種金屬材料都有一定的拉伸延展性，然而當(dāng)金屬材料收到一定的拉伸力作用時(shí)，并且同時(shí)還受到周圍環(huán)境的腐蝕作用，那么金屬材料雖然在其拉伸延展范圍之內(nèi)也會(huì)發(fā)生腐蝕斷裂，也稱脆性斷裂。例如在金屬淬火過(guò)程中稍有不慎就會(huì)產(chǎn)生裂紋，這就是殘余應(yīng)力的結(jié)果，因此金屬淬火通常在后期緩慢冷卻，盡量減少金屬膨脹速度和熱應(yīng)力值，最終達(dá)到抑制斷裂的效果[3]。

總而言之，金屬材料在人們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用程度和范圍不斷擴(kuò)大，各種金屬材料、合金的熱處理工藝需要不斷完善，為生產(chǎn)出更高品質(zhì)的工件奠定良好的基礎(chǔ)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)金屬工件精密度要求的不斷提高，熱處理工藝在建筑金屬材料的加工和應(yīng)用中必將充當(dāng)更為重要的角色。

[1]王斌武，周曉艷.淺談金屬零件的設(shè)計(jì)、切削加工及熱處理的關(guān)系[J].桂林航天工業(yè)高度專科學(xué)校學(xué)報(bào),2006(04).

[2]苗高蕾.金屬材料與熱處理關(guān)系淺議[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2014(11).

[3]明平劍.金屬淬火過(guò)程傳熱與流動(dòng)規(guī)律數(shù)值研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2006(02).