金屬材料的熱處理及應用探究

韓子琦

(長春市第二實驗學校,長春 130022)

金屬材料的熱處理及應用探究

韓子琦

(長春市第二實驗學校,長春 130022)

對工程材料的認識，對碳鋼及鑄鐵平衡組織觀察、碳鋼的熱處理操作以及碳鋼的表面淬火操作這三個實驗的分析與總結，著重分析了鋼的表面淬火工藝及其在生產生活中的實際應用。

金屬材料；熱處理；應用

純機械制造發展到以計算機技術、網絡技術為支持平臺的先進的制造工程，在材料科學與工程領域，一批新型的工程結構材料、功能材料不斷涌現，并在機械制造中廣泛應用。

材料按照物質結構可以分為金屬材料、有機高分子材料、陶瓷材料等。金屬材料具有很多優質性能，如：使用性能、工藝性能等[1]。

金屬材料的熱處理是指將固態金屬或合金，通過采用適當方式進行加熱、保溫和冷卻，有時也會一起加以化學作用和機械作用，改變金屬合金內部的組織和結構，從而得到可以有效改善材料性能的結果[2]。各種金屬材料若想獲得更加優良的性能，熱處理工藝則是可以實現這一目的非常重要的方法。很多實際應用中，選用的材料和各種成形工藝并不能滿足金屬工件所需要的力學性能、物理性能和化學性能，這時，對金屬材料進行熱處理工藝這一步驟就是必不可少的。

通過三個實驗，即：碳鋼和鑄鐵平衡組織觀察、碳鋼的表面淬火操作和碳鋼的熱處理操作，來進一步了解熱處理工藝。

1 碳鋼和鑄鐵平衡組織觀察，確定平衡狀態下鐵碳合金的組織和含碳量關系

工業純鐵、鋼和鑄鐵是三種不同的合金。

含碳量低于0.01%的鐵碳合金，其顯微組織由單相鐵素體和沿晶界分布的少量三次滲碳體，稱為工業純鐵。含碳量位于0.01%～2.11%的鐵碳合金稱為碳鋼。碳鋼還分為亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼三種。含碳量在2.11%～6.69%的鐵碳合金稱為鑄鐵[3]。

實驗研究的主要內容是：在平衡狀態時，鐵碳合金在極緩慢冷卻條件下得到的組織也就是顯微組織，酸對不同組織的腐蝕性是不同的。各個試樣在進行了熱處理之后，得到金相試樣，再用4%的硝酸酒精腐蝕之前所得到的金相試樣，不同試樣的腐蝕程度也不同。使用操作金相顯微鏡來觀察各個試樣的表面，從而判定各試樣的金相組織。

通過這個實驗，可以得出，平衡狀態下鐵碳合金的組織和含碳量的關系。當Wc增高，不僅滲碳體的數量增加，而且滲碳體的存在形式也發生了變化，它的位置由原本的分散在鐵素體的基體內變成了分布在珠光體的周圍，最后形成萊式體的時候，滲碳體又會作為基體出現。工業純鐵中的三次滲碳體的量隨著含碳量的增加而增加。當亞共析鋼中的鐵素體的含量減少時，其中的二次滲碳體含量則會隨著它的減少而開始增加。當亞共晶白口鑄鐵的珠光體和二次滲碳量也減少時，共晶滲碳體的量也會隨之增加，同時過共晶白口鐵中的一次滲碳體和共晶滲碳體量也會隨之增加。所以，一向鐵碳合金力學性能的根本原因就是以上實驗所觀察到的合金組織隨含碳量的變化規律。當有不同的加熱和冷卻條件時，最終得到鐵碳合金的性能、組織都會大不相同。

2 通過碳鋼熱處理，分析不同溫度下鋼件性能

做碳鋼熱處理操作實驗，可以很清楚地看到，當鋼件在奧氏體化之后，如果以不同冷卻速度將鋼件進行冷卻，最后得到的組織是不同的，鋼件最終所表現出來的機械性能也是不一樣的。

鋼件在經過淬火處理后，如果用不同溫度回火，那么在回火后獲得的組織也不同，并且會具有不同的機械性能。通過本實驗，從硬度的變化上可以觀察出，當回火溫度逐漸升高時，鋼件的硬度和強度這兩項力學性能都在下降，而塑性和韌性在上升。

3 通過碳鋼的表面淬火操作與普通加熱淬火對比，分析其具備的優勢

在碳鋼表面淬火操作中，充分了解到感應加熱淬火對材料表面及芯部性能的影響。

在實際生產生活中，因為對零件表面的性能與心部的性能要求是不一樣的，所以在生產中主要采用表面熱處理辦法來對碳鋼進行處理。通常用的方法就是表面淬火和化學熱處理。本實驗主要是應用表面淬火處理方法。

鋼的表面感應淬火是快速對鋼件進行加熱，然后立即淬火冷卻，將兩者結合起來。通過快速加熱過程，可以使得待加工鋼件表面達到淬火溫度，但是熱量還沒傳到鋼件的中心就能夠迅速冷卻，這樣得到的組織就是讓表層淬硬為馬氏體，但是鋼件的中心由于沒有淬火，所以仍為未淬火時候的組織，塑性、韌性依舊是原來未淬火時較好的形態。

通過兩種淬火方式最后得出的組織進行比較發現，感應加熱表面淬火具有更多的優點：A.感應加熱表面淬火的加熱速度特別快，縮短轉變時間(由于A體的轉變范圍被擴大了)。B.經感應加熱表面淬火處理過的工件不易氧化脫碳，有些工件處理后甚至可以直接裝配使用。C.淬火后的工件表層可以得到極細的隱晶馬氏體，硬度高。D.淬硬層深，便于操作上的控制，有易于實現機械化和自動化[4]。

4 盡量減少金屬材料熱處理過程中的變形

可以運用合理的冷卻方法減少金屬材料發生形變。金屬在淬火后的冷卻過程非常容易發生變形，所以淬火后的冷卻是金屬發生形變的重要因素。在實驗中，選擇了不同的油對工件進行了淬火后的冷卻處理，當再用熱油淬火時，工件產生的形變要比用冷油淬火時小[5]。不同種類的油有著不同的冷卻效果，不同效果的油的冷卻能力直接導致變形的嚴重與否。淬火時冷卻速度也是影響材料變形大小的重要因素。金屬在熱處理過程中，如果冷卻速度過快，那么就會造成冷卻效果不均勻，產生的應力就會越大，相對應的材料變形也越大。要保證它合理冷卻速度，可以在保證材料對硬度要求前提下，使用冷卻方式為預冷。用分級冷卻淬火的方法可以有效減少金屬在淬火時產生的組織應力和熱應力，這是減小形變的有效方法。

運用合理的冷卻方法時，可將工件結構進行合理優化，減小變形。在滿足實際生產需要前提下，工件應盡量保持結構與材料成分和組織對稱性，減少由于冷卻不均引起的畸變。盡量使工件的各個部位薄厚程度不要相差太多，過渡處承載的應力就會變得很大。要將零件的截面盡量做得均勻一些，這樣可減少在過渡的地方由于應力集中而產生變形和開裂傾向。在工件的設計上盡量避免出現溝槽、尖銳的棱角。對于厚度不均勻的零件應該采用預留加工量方法。

在實驗操作過程中，規范的實驗操作，嚴謹的實驗精神對于實驗的數據和結果有著極其重要的作用，否則數據就會出現很大誤差，甚至會導致很多意想不到的結果。

5 結語

材料是生產生活的物質基礎。現代工業對金屬材料在數量和質量上都提出越來越高的要求，在今后相當長的一段時間內，機械制造行業中應用最多的還是金屬材料。科學技術的發展對材料的要求也越來越嚴格，越來越高，對金屬材料要求更高的硬度、高耐磨性、耐高溫等等。金屬的熱處理操作能很好地提高工件的硬度及強度，滿足各種產品對材料性能的不同需求，也能很好地提高工件的機械性能，使材料的用途能夠更加廣泛。我國現階段在熱處理技術及設備上需要加強和改進的地方還有很多，國外的很多先進技術值得去借鑒和學習，同時也要大力發展自主研發，有大膽創新精神和不停地探索精神，努力提高工件質量，盡可能提高合格率，為我國的金屬材料熱處理這一工藝技術的研發出一份力。

[1] 顧宜.材料科學與工程基礎[M].化學工業出版社,2011.

[2] 吳承建,陳國良.金屬材料學[M].冶金工業出版社,2009.

[3] 趙忠魁.金屬材料及熱處理技術[M].國防工業出版社,2011.

[4] 趙先存，楊志勇.鋼鐵結構材料的功能化[M].冶金工業出版社,2008.

[5] 劉天模.工程材料[M].機械工業出版社,2013.

Studyonheattreatmentandapplicationofmetalmaterials

HAN Zi-qi

(The Second Experimental School, Changchun 130022, China)

The understanding of engineering materials, observation, analysis and summary of carbon steel and cast iron balance microstructure heat treatment operation and the surface of carbon steel quenching operation of the three experiments were summarized, and the surface quenching process of steel and its application in the production of life were analyzed.

Metal materials; Heat treatment; Application

TG156

B

1674-8646(2017)20-0036-02

2017-09-30

韓子琦(2000-)，男，學生。