金屬材料熱處理變形的影響因素分析及控制措施探究

李 明

（河鋼邯鋼技術中心長材作業區，河北 邯鄲 056015）

1 金屬熱處理工藝概念介紹

金屬材料熱處理是一種重要手段，對產品進行一定的熱處理可以除去在高溫狀態下進行加工對產品造成的缺陷問題，能夠促進內部組織與結構變化，改善材料性能,同時還能夠消除化學成分不均勻現象、降低殘存在物體內部的應力，使得組織結構和性能更加均勻，而不恰當的熱處理，會造成人力、物力的浪費。1863年時，英國鋼的內部組織在加熱和溫度降低時會發生變化，鋼中的高溫相在淬火時會轉變為硬相，英國專家發現鋼鐵的內部結構會隨著溫度的冷熱變化而變化，證實鋼鐵在淬火過程中會變得越來越堅硬。漸漸人們也發現在對鋼鐵等進行熱處理過程中，還能夠對其形成保護作用，避免被跟氧化合而致使鋼的含碳量減少。20世紀60年代，熱處理技術利用等離子體場效應發展了離子氮碳共滲和低溫滲氮處理。發展至今，熱處理工藝多種多樣，常被應用的熱處理工藝有加熱到一定溫度并持續一定時間后緩慢溫度降低、加熱到一定溫度后放在水或油或空氣中迅速溫度降低和表面加熱溫度降低改變表層力學性能等。對于熱處理的概念不能一概而論，它包含著詳細的分類。金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理（熱處理一般可分為三個環節：一是淬火環節，主要是利用冷卻水對軋制后的高溫鋼材進行急劇降溫冷卻，使軋件表面形成具有更高強度與硬度的馬氏體結構；第二環節是回火，經過淬火后的鋼材，其表面溫度要低于內部溫度，此時鋼材內部的熱量就會向外部傳遞，繼而使表面溫度升高。由于其溫升熱量來自于鋼材內部，因而也被稱為自回火；第三是冷卻環節，經過自回火后加工，其表面與內部溫度逐漸趨于一致，內部的奧氏體經過等溫相變，獲得最終的金相組織。金屬熱處理常用的處理方法包括三種：表面熱處理、局部熱處理和化學熱處理。其中表面熱處理包含激光和感應加熱熱處理以及火焰淬火；而日常所說的滲碳、滲氮、滲金屬、復合滲等則屬于化學熱處理。

2 金屬熱處理變形的影響因素及原因分析

金屬材料熱處理變形的影響因素：實際工業生產中，熱處理形式繁多，但由于熱處理主要依靠溫度實現工藝目的，所以通俗點說就是一個熱作用過程，結合熱處理工藝特點來看基本都是通過加熱速率，加熱溫度，再經過保溫時間控制，最后在冷卻的速度和時間周期等影響下達到工藝處理目的。由此看出造成變形的最直接的因素就是溫度。溫度變化引起深層次的調整就是金屬材料中殘存奧氏體與馬氏體之間的轉變以及熱處理過程中時效的把握。①原始組織與應力狀態：在淬火之前，由于碳化物數量、形態不同以及合金元素纖維方向變化等關聯原始組織會直接影響金屬材料。調質處理后，通過改善材料內部變形規律性，從而減少熱處理的變形幅度，以此達到熱處理變形控制的目的。除此之外，化學熱處理方式也是引起材料原始組織與應力狀態變化的原因之一。②時效與冷處理：時效處理的概念是指材料經特定處理、塑性變形或鑄造后，在高溫或常溫下放置，其性能、形狀、尺寸隨時間而變化的熱處理工藝。主要包括三種處理方法：人工時效處理、自然時效處理和振動時效。其中前兩種主要依靠溫度變化：高溫后冷處理方式不同達到材料處理目的，而振動時效則是利用一定頻率的振動達到消除材料內部內應力的目的。歸根結底，就是為了成功分解馬氏體，并使其中碳化物得以析出，從而達到材料體積變化的目的。

3 金屬材料熱處理工藝中材料變形的種類

在生產實際中，熱處理變形的表現形式多種多樣，有體積和尺寸的增大和收縮變形，也有彎曲、歪扭、翹曲等變形，就其根源來說，可分為內應力造成的應力塑性變形和比容變化引起的體積變形兩大類：①內應力變形是指材料由于經過不同原因導致內部宏觀及微觀的組織發生了不均勻的體積變化而產生的。熱處理過程中的溫度變化，造成材料內部機構受影響的不均勻，從而引起相變的不等時性，這所有過程中均會產生內應力，從而產生內應力塑性變形。②比容變形其實是指材料本身內含有多種相結構，而且其組織比容各不相同，經過熱處理后，在溫度的影響下，相變時引起的體積和尺寸變化。

4 金屬材料熱處理工藝中材料變形的控制措施探究

（1）謹遵三大原則，理性控制熱處理變形：①遵守科學性的原則，就是采用科學的管理方法（科學精神、科學手段和科學理念）來應實施金屬材料的熱處理等。②操作簡化原則，根據不同的環境和工況，制定優化熱處理操作流程，降低工藝實施過程中操作失誤率，切實提高容錯率，從而實現熱處理變形目標控制。③遵循實用性的原則，科學利用各種途徑匯總整理實用的工藝操作方法，秉持實用性為根本，減少浪費，節約材料降低成本，保證熱處理的有效性。通過保證質量實現實用性原則的最大化。

（2）合理選用合適的冷卻介質，最常見的淬火介質就是水和油。水，其優點眾多，但缺點也較為突出，水在500℃～600℃區間處于蒸汽膜階段，冷卻速度不夠快。當金屬材料溫度在100℃～300℃時，水處于沸騰階段，冷卻能力過強，導致材料馬氏體轉變速度過快、內應力增大，當應力超過臨界值時將使試樣產生變形甚至開裂。因此，可通過在水中添加不同原料以達到克服水作為淬火介質的缺點。一般在水中添加食鹽或堿等方式，可提高水溶液在高溫區的冷卻能力。另一種常用的冷卻介質就是礦物油（機油、變壓器油或柴油等），可通過不同配比混合使用，達到提升特性溫度來增加淬火油在高溫區的冷卻能力，從而減少材料變形。

（3）加強熱處理工藝中溫度環節的精確把控，可有效減低熱處理變形目標的影響。熱處理工藝的特性來看，整個工藝其實就是一個溫度變化調整處理。熱處理主要利用加熱爐來實現溫度的控制，爐內溫度是熱處理工藝實現的重要參數之一。溫度升高會使材料內部均勻性下降，從而引起變形量的加大，由此看出，溫度均勻性可有助于減低材料變形量。通過不同方法和措施保證加熱爐內材料各個部分均勻受熱，并按要求提升至指定溫度，使其達到滲碳要求，可以減小熱處理變形，從而減小變形散差。。切實落實各工藝階段溫度的精確控制，細化金屬內部晶粒的措施，改變晶粒排列，提高金屬材料的強度，從而減少變形。

（4）減少熱處理產生的殘余應力。熱處理過程中由于塑性變形產生殘留的應力，因為不能完全消除，會破壞金屬材料表面的保護膜，殘余應力值越高表現出有害就越大，會降低試樣的實際抗拉強度或屈服強度，還會降低疲勞極限，縮短試樣壽命造成脆性斷裂。殘余應力會導致試樣在淬火時因熱膨脹而產生應力集中，試樣可能因而產生嚴重變形或開裂，為了避免熱處理失敗，就要求爐內溫度溫差不能超過±20℃/小時，保溫時間不宜過長和過快，在熱處理升溫過程中要有緩慢升溫階段，也要有緩慢冷卻階段，這種方法是消除殘余應力的有效方法。對此類有缺陷的試樣也可以在熱處理之前預先采取適當的修復措施。

5 結語

工業生產制造業的高速發展，離不開需要高質量、高性能的材料，熱處理的運用越來越廣泛，已經不單單是一種材料處理手段，而是實現高性能、高經濟工業企業所必須的科技。本文所述熱處理影響因素分析及部分措施介紹，只是冰山一角，還需企業投入更多精力與人力，研究解決該工藝實施工過程中的問題，針對不同的材料，全面考慮其應用領域，總結探析出更加全面的解決方案。