熱處理工藝對金屬材料抗疲勞性能影響分析

(惠州市技師學院，廣東 惠州 516000)

0 引言

金屬材料在原始的固態采用加熱的方法獲得預期組織形態的工藝即金屬材料的熱處理。這一工藝在石器時代就出現和應用，在現代得到逐步發展與優化。在機械制造過程中，最為重要和關鍵的環節即為熱處理，熱處理能賦予或改善金屬材料具有的各項性能，在保持其形狀和化學成分的基礎上，對其化學組成及內部組織進行改變，提高其內在質量。人們為了對金屬材料進行改造，使其具備想要的各項性能，包括化學性能、力學性能與物理性能，通常會通過熱處理來加工。在機械工業領域，鋁合金的實際應用相對較多，它的顯微組織比其他類型的金屬材料復雜，所以需要通過熱處理來有效控制。本文以鋁合金為例，研究熱處理對金屬材料可能造成的影響。

1 影響因素

為確保淬火加熱順利完成，準備充足的結晶核心，為同金屬材料做等溫處理，通過等溫處理，能得到碳化物，其顆粒呈球狀、彌散，原結構形態發生變化，獲得球化以后的物質。晶粒處在較高的溫度條件下會明顯變粗，使金屬自身韌性與塑性均降低，并析出一定量的奧氏體。部分奧氏體還會在此過程中得到韌性加強，材料由于所剩晶界碳化物不斷變脆，導致材料自身抗疲勞性能受到影響。通過進一步探究，發現金屬材料自身熱疲勞性會受到回火的影響，在不同溫度條件下，材料具有不同的硬度。除此之外，增加奧氏體溫度，還會使基體當中的碳化物不斷溶解，在淬火完成以后，奧氏體當中含有的碳及合金元素大量增加，促使金屬材料自身強度顯著提高，產生二次硬化峰，同時抗回火軟化性也得到明顯的提高[1]。

當然，采用不同工藝時，也會對金屬材料自身抗疲勞性能造成影響，包括硬度、在高溫條件下的強度及韌性，無論是化學成分，還是顯微組織，都會受到很大影響。基于此，必須保證所選熱處理工藝科學性與合理性，減小材料不均勻性，避免產生過大的局部應力，從而有效保證材料自身抗疲勞性，避免在熱處理以后導致抗疲勞性大幅降低。

2 影響機理

從金屬材料自身角度講，其熱疲勞性可以直接反映出它的抗疲勞性能。事實上，累積回火轉變即為熱疲勞發生實質，而熱疲勞又以裂紋為主要表現，它會受到碳化物不斷聚集這一因素的影響。通過對碳化物聚集進行的建模和模型分析可知，碳化物均存在于冷、熱持續交替的環境當中，在這種條件下必然會發生聚集，這是一種無法避免的趨勢。一個單獨的顆粒可能看起來很小，但在持續循環的過程當中，顆粒將發生聚集，形成一個較大的顆粒，此時將形成整體碳化物，同時裂紋也會這一過程中形成，從微裂紋不斷發育為可見裂紋。另外，金屬材料當中的夾雜物與少量的碳化物通常處在非共格的相互關系中，微裂紋將產生在這一顆粒當中，當其尺寸和顆粒相似時，在冷、熱持續交替的條件下，材料將受到一定程度的應力，使四周分布極大的應力，如果裂紋所在位置的應力超出極限，將使裂紋失去平衡，發生擴展，最終導致熱疲勞性裂紋的產生及發展[2]。

3 性能驗證與結果分析

試驗操作嚴格按照以下規程進行：①對操作場地進行認真清理，認真檢查電源與儀表，確認是否正常。②現場的操作人員必須按照要求穿戴好各類防護用品，以免在操作中發生意外造成人身傷害。③開啟轉換開關，以設備技術要求為依據進行分段的升溫和降溫，以此保持設備的完好性，延長其使用壽命。④充分注意熱處理爐實際溫度與網帶調速，掌握并確定不同材料需要達到的溫度標準，確保工件的硬度與表面平直程度，同時認真開展安全工作。⑤充分注意回火爐實際溫度與網帶調速，適時啟動排風，確保工件完成回火后能夠滿足質量要求。⑥整個工作過程中相關工作人員必須堅守崗位。⑦準備好所有消防器具，同時熟練使用各種方法。⑧在停機以后，應對所有控制開關進行檢查，確認其是否處在關閉的狀態，并將轉換開關及時關閉[3]。

采用不同的熱處理工藝對金屬材料進行熱處理，驗證金屬材料自身熱疲勞性受到的影響，2種試樣執行600余次冷、熱交替后，其表面都開始出現大量細裂紋，而當交替的次數達到1 200次以后，試樣表面開始出現較粗的裂紋。

當交替次數為600次時，在680 ℃的溫度條件下，A的值為28.11%，W的值為0.045 mm，L的值為31.76 mm，D的值為4.56×10-4；在700 ℃的溫度條件下，A的值為18.57%，W的值為0.018 mm，L的值為28.82mm，D的值為1.33×10-4。當交替次數為1 200次時，在680 ℃的溫度條件下，A的值為43.37%，W的值為0.081 mm，L的值為19.45 mm，D的值為21.36×10-4；在700 ℃的溫度條件下，A的值為37.85%，W的值為0.044 mm，L的值為23.65 mm，D的值為10.31×10-4。

從以上數據可以看出，對于同一種類型的金屬材料，采用相同的熱處理工藝時，試樣表面裂縫面積與主裂紋的縫寬和冷、熱交替次數為正比關系，也就是當冷、熱交替次數增加時，無論是裂縫的面積還是主裂紋的縫寬均明顯在增大；同時，裂紋的總長和冷、熱交替次數為反比關系，也就是當冷、熱交替次數增加時，損傷因子不斷減少[4]。

通過以上研究，所有試樣在冷、熱交替次數達到600次以后都會產生不同程度的裂紋，之后雖然也會出現新裂紋，但現有裂紋發生擴展將成為主導。一些裂紋由于冷、熱交替過程中產生的應力，會使裂紋進一步加寬和加深，這些裂紋由此會變為主裂紋，其他相對來說比較細小的裂紋會因為應力被釋放掉而不再擴展，伴隨冷、熱交替次數的不斷增加，持續發生氧化剝落，而在進行拋光與酸洗之后，將會消失，因此得出了當冷、熱交替次數為1 200次時試樣裂紋總長反倒少于交替次數為600次的結論[5]。對于鋁合金材料，采用熱處理工藝后，其強度得到明顯提高，材料自身熱疲勞性也能得到一定程度的改善[6]。

4 結語

本文以鋁合金為主要研究對象，對熱處理工藝對其可能造成的影響進行分析探究，雖然可以得出較準確的結果，但它并不能代表所有金屬材料，即不同金屬材料在抵抗熱處理可能造成的負面影響方面具有不同能力，需要開展具體的分析或試驗來確定。但可以認定的是，通過適當的熱處理，能起到良好的性能改善作用。