熱處理工藝對金屬材料抗疲勞性能影響研究

張 宏

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 天水 741000）

金屬材料在固態(tài)形態(tài)下通過加熱、保溫和冷卻等手段，獲得預期組織和性能的一種金屬熱加工工藝稱之為熱處理工藝[1]。熱處理工藝早在原始石器時代就已經(jīng)產(chǎn)生，經(jīng)過銅器時代和鐵器時代再到現(xiàn)代，一步步優(yōu)化，完善。機械制造中最重要的一環(huán)就是金屬材料的熱理，相較于其他工藝，熱處理工藝可以賦予并改善材料的使用性能，在不改變其材料的形狀、整體的化學成分前提下，改變材料表面的化學組成和材料內(nèi)部的顯微組織，完善材料的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般是肉眼所不能看到的。人們?yōu)榱耸菇饘俨牧暇哂衅渌枰牧W、物理和化學性能，往往會使用熱處理工藝進行加工。鋁合金是機械工業(yè)中應用最廣的材料，鋁合金的顯微組織相較于其他金屬材料更加復雜，這就需要熱處理工藝對其加以控制，所以以鋁合金的熱處理工藝為例，進行研究得出熱處理工藝對金屬材料的影響。

1 金屬材料抗疲勞性能影響因素

在探究前為了淬火加熱準備了大量的結(jié)晶核心，對同金屬材料實施等溫處理，獲取球狀珠光體和彌散細顆粒碳化物，原有的結(jié)構(gòu)形態(tài)被改變得到球化后的基體。采用淬火處理的方式均勻奧氏體，從而細化淬火組織。晶粒在過高的奧氏體溫度下會變粗，這樣金屬的塑性降低、韌性降低，大量奧氏體量析出。少量殘余奧氏體在這一過程中韌性還會提高，金屬材料還會因剩余大部分析出后的晶界碳化物變脆，影響抗疲勞性能。在探究時還發(fā)現(xiàn)，金屬的熱疲勞性受回火影響，溫度不同對應材料不同硬度，穩(wěn)定程度的顯微組織和強度塑性共同作用下得以提供。另一方面，提高奧氏體化溫度，會使基體中碳化物加速溶解，淬火后增加了奧氏體中的碳和合金元素的含量，使金屬提高強度，出現(xiàn)二次硬化峰并保證抗回火軟化性增強。

不同的熱處理工藝必然會影響金屬材料的抗疲勞性能。熱處理工藝對金屬材料的硬度、高溫強度、韌性也有很大的影響。熱處理工藝對化學成分和顯微組織的抗疲勞性能都有一定的影響[2]。所以應合理的進行熱處理工藝，降低和消除材料的不均勻性及局部應力，進一步使金屬材料的抗疲勞性能得以提高。

2 金屬材料熱疲勞性能影響機理

圖1 碳化物聚集模型

以金屬的熱疲勞為例，金屬材料的熱疲勞性能直接反映其抗疲勞性能。累積回火轉(zhuǎn)變的過程就是熱疲勞過程的實質(zhì)，熱疲勞裂紋的萌生受到碳化物的聚集影響。圖1為碳化物聚集模型，以這個模型為例解釋熱疲勞裂紋的萌生與擴張：碳化物共同生長在冷熱循環(huán)過程中，有聚集在一起的趨勢。單獨一個顆粒看似很小，但在不斷的循環(huán)中，顆粒會聚集在一起，組成一個大顆粒，這樣一個碳化物團就形成了，裂紋源也會因微裂紋的產(chǎn)生而形成。同時，金屬材料夾雜物和部分碳化物處于非共格關(guān)系，微裂紋就會存在于這些顆粒中，微裂紋尺寸與顆粒相當時，冷熱循環(huán)下的金屬材料會受到應力作用，形成更大的應力圍繞在四周，裂紋處的應力場強度因子超過最大限度會使微裂紋失去平衡而擴展，熱疲勞裂紋逐漸形成。

3 不同熱處理工藝下金屬熱疲勞性能驗證

球化退火不同等溫溫度下鋁合金的熱疲勞性能對比：

兩個試樣材料在600次的冷熱循環(huán)后表面都出現(xiàn)不同程度的細裂紋產(chǎn)生，在循環(huán)1200次后，兩個試樣表面都有不同程度的變粗的裂紋產(chǎn)生。

表1為不同退火等溫溫度下試樣經(jīng)600次和1200次后的熱疲勞表面損傷因子的記錄。

表1 損傷因子數(shù)記錄

從表1損傷因子數(shù)記錄可以清晰地看出，在相同金屬材料條件下，相同工藝試樣的裂紋面積和主裂紋寬度與熱疲勞循環(huán)次數(shù)成正比，即損傷因子隨著熱疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增加；裂紋總長度與熱疲勞循環(huán)次數(shù)成反比，即損傷因子會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減少。

4 驗證結(jié)論

根據(jù)上述研究得出，不同樣本在循環(huán)600次時裂紋已基本產(chǎn)生，隨后雖有新的裂紋源產(chǎn)生，但裂紋的擴展已占主導。一部分裂紋受到冷熱交變的熱應力而變寬、變深形成主裂紋，而其他小裂紋由于應力的釋放失去了擴展的機會，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而氧化剝落，但在經(jīng)過酸洗、拋光便會消失，所以得出結(jié)果，循環(huán)次數(shù)1200次時裂紋總長度反而比循環(huán)600次時要少。金屬鋁合金在經(jīng)過熱處理工藝的加工后熱強性被提高，所以鋁合金的熱疲勞性能提升，從而提升了鋁合金的抗疲勞性能。

5 結(jié)語

本文僅以鋁合金材料為例進行了熱處理工藝的探究，得到的結(jié)果可以代表大部分的金屬材料不足以代表全部。具有局限性，但目前國內(nèi)外對金屬材料抗疲勞性能影響研究正向多元素、多層結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。多種元素在熱處理過程中相互配合，展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。因此熱處理工藝仍然是我們研究的重要方向。