金屬熱處理殘余應力與開裂失效關系的探討

楊繼軍

（沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110034）

金屬材料在加工中強化其自身材料特性最有效的途徑便是熱處理工藝，通過熱處理工藝可以提高金屬工件產品質量和金屬工件的使用壽命，提高金屬材料在日常應用中的使用性能。金屬材料工件在熱處理工藝中，需要將工件事先放在特制的介質容器中進行加熱，等到金屬材料工件被加熱到一定溫度后，加工人員需要對金屬材料工件進行溫度檢測，并使金屬工件在此溫度中保持1~3分鐘，使金屬工件內外充分受熱。完成這一工序后并需要將加熱完成后的金屬工件材料快速的放置于溫度較低的介質中，在溫度較低的介質環境中金屬材料工件并會快速冷卻，而這一驟冷環節便會對金屬工件表面材質結構進行改變，同時對金屬工件內部顯微結構也會產生一定的影響，進而提高金屬工件的自身原有性能。

1 金屬材料進行熱處理的作用

1.1 通過熱處理可提高金屬材料的切削性能

對金屬材料進行熱處理工藝可以提高金屬材料在加工環節中的切削性能，進而提高金屬材料工件的加工精度。加工人員在對金屬材料工件進行切削的過程中，需要將金屬材料工件加熱至相適宜的切削溫度，然后選用正確的切削工具進行加工，但是這一加工工藝可能在切削過程中造成金屬工件的變形程度不一。對金屬材料工件進行預加熱，便可以減少材料在加工過程中出現的材料缺陷，進而保證金屬材料在使用過程中的切削性能，提高金屬材料的加工精密度。

1.2 通過熱處理可增加金屬材料的斷裂韌性

對金屬材料進行熱處理工藝，可以提高金屬材料的鍛煉韌性。通常金屬材料自身帶有一定的裂紋，如果金屬材料受到外界作用力后，材料本身所攜帶的裂紋便會出現延展特性。通過熱處理工藝便可以減少金屬材料內部的晶體錯位結構，提高金屬材料在使用中的鍛煉韌性，這一原理主要是通過熱工藝降低金屬材料的錯位密度，從而提高基礎材料在使用中的自身強度。在熱處理工藝下金屬材料內部細晶會進一步的強化，這就需要加工人員在對金屬材料工件進行熱處理的過程中，合理控制金屬工件受熱時間，避免金屬材料工件在熱處理過程中對自身的材料特性造成損壞。

1.3 通過熱處理可減少金屬材料的開裂問題

再對金屬材料工件進行熱處理加工中，通過熱應力對金屬材料進行鍛煉便可以提高材料的自身任性。但是多數金屬材料自身會存在一定的裂紋，這便會使得材料一旦受到外界過大的熱應力影響就會造成輕微的斷裂性破損，而金屬材料所擁有的拉伸應力，通常是源于金屬材料熱處理中的殘余應力，因此通過熱處理工藝可以減輕金屬材料的開裂問題。

2 金屬材料在熱處理過程中的殘余應力

金屬材料在生產中進行熱處理工藝時，首先需要對金屬材料進行加熱，將金屬材料加到一定溫度后對該材料進行冷卻，從而對金屬材料內部組織結構、自身性能和品質進行改變。金屬材料在加熱和冷卻的過程中，存在較為明顯的溫差效應，這便會改變基礎材料內部熱應力和金屬材料變相引起的相變應力。

2.1 金屬材料熱處理中的熱應力

金屬材料所擁有的熱應力主要體現在材料從加熱到冷卻的過程中，由于金屬材料表層與內部結構的加熱和冷卻速度存在一定的時間差異，這便使得金屬材料在溫差效應下，自身的膨脹和收縮比例不均勻，使得金屬材料在使用過程中存在一定的熱應力，這種熱應力在金屬材料冷卻的過程中表現較為明顯。

2.2 金屬材料熱處理中的相變應力

金屬材料從加熱到冷卻的過程中，會導致金屬材料內部產生相變應力，然后相變應力與金屬材料局部相變區域的冷卻速度有著直接的聯系。

在科學研究中發現，金屬受熱后的熱應力與相變應力疊加便會產生殘余應力，該應力也被稱之為內應力。殘余應力會在金屬材料上表現出宏觀參與應力和微觀殘余應力這兩種變化，當金屬材料工件在加熱處理過程中，金屬材料工件內部的熱應力會占據主導地位，加熱中金屬材料的中間位置會受到熱應力的拉力作用，金屬材料的邊緣位置會受到熱應力的壓力作用，而這一力學效應也是熱應力通過疊加后的效果。金屬材料工件在不同的加熱溫度和加熱條件下，金屬材料內部的殘余應力會發生一定的變化，這便使得金屬材料在使用過程中存在著疲勞、開裂、形狀變化等影響，進而降低金屬材料工件在使用過程中的壽命和安全性能。

3 金屬材料在熱處理中殘余應力與開裂

3.1 金屬材料熱處理后殘余應力開裂

金屬材料熱處理后殘余應力引起開裂的原因主要有以下幾點：一是金屬材料在使用過程中的拉應力作用必不可少，在適當的拉應力作用下金屬工件不會發生斷裂，但是多種應力同時存在的情況下，便會導致金屬工件發生開裂；二是金屬工件中存在的殘余應力體系與大多數力學體系相一致，如果金屬材料工件在加熱過程中所受到的總應力效應小于金屬自身應力臨界值，那么金屬材料工件并不會在加熱過程中出現開裂問題。但是金屬材料在使用過程中所受到的應力總效應一旦大于臨界值，便會造成金屬表面出現開裂；三是金屬材料在使用過程中發生開裂的位置主要位于合金區域，在調查中發現一般純金屬中發生開裂問題較少。這主要源于合金金屬內部存在微小的偏折效應，使得合金金屬在使用過程中存在開裂的可能性大幅度提高。但是在現實生活中并不存在100%的純金屬，即使是高純度的金屬也含有一定的雜質，而這些雜質便是導致金屬材料在使用過程中開裂的主要原因。因此在金屬材料熱加工過程中，就需要盡可能地去除金屬材料中所存留的雜質，降低金屬材料在使用中的開裂敏感性；四是金屬材料在使用過程中出現開裂的可能性只存在于腐蝕介質中，同時金屬材料工件自身組織成分具有較大的差異，這就使得不同金屬材料工件在應用中存在著一定的開裂敏感性。

3.2 金屬材料熱處理后殘余應力對其造成開裂的影響

金屬材料工件在使用過程中，無法避免金屬材料內部工作應力與熱效應的殘余應力相互作用，這便可能會導致金屬材料工件中的殘余應力在應用中會出現二次分布的問題。此外又由于不同金屬材料工件的工作環境、工作介質、使用溫度、殘余應力分布效應等具有一定的差異性影響，這會在一定程度上降低金屬材料在應用中的抗裂性和抗裂能力。通常在對金屬材料的抗裂性進行研究時，可以將抗裂性劃分為穿透開裂和晶間開裂，在金屬材料應力開裂過程中，開裂位置會隨著裂紋的最大應力垂直方向蔓延。

金屬材料工件在應用中如果受到較大的拉應力，那么裂紋擴展速度會大幅度地提升。同時拉應力過大時，還會減少金屬工件的使用壽命。因此有效預防金屬材料的拉應力，就可以對金屬材料工件在使用過程中的裂紋產生速度進一步的遏制，避免金屬材料工件在使用中出現開裂程度過大的問題；金屬材料工件表面所剩余的殘余應力是控制表面裂紋蔓延的主要應力結構，同時參與應力也是造成金屬工件表面開裂的主要原因。金屬材料工件表面局部位置的拉應力，可能會在表面裂紋尖端處造成局部應力，這就會造成金屬材料表面的保護膜破裂。從理論上闡述，金屬材料工件表面局部應力通常是殘余應力與外部應力的總和，當局部應力低于金屬材料工件表面臨界值時，就不會造成金屬工件在使用中出現開裂；但是當局部應力一旦大于金屬材料工件表面臨界值時，就會造成金屬工件表面出現開裂。在此過程中還需要考慮到復合應力對金屬工件表面開裂大小的影響，這主要源于金屬材料工件表面的殘余應力若超過負荷應力，那么可能會在金屬材料表面較輕處出現工件開裂問題。

3.3 金屬材料工件裂紋擴展過程中的應力分布

金屬材料在熱處理工藝后都會存在一定的裂紋，這主要是源于金屬表面殘余應力與外部應力相互作用帶來的結果。金屬材料工件的表面參與應力分布情況、方向和大小力，在后續的使用中都會對金屬工件裂紋的擴展造成一定的干擾。金屬材料工件在有外部應力干擾的情況下，其表面裂紋尖端會在外部拉應力的缺口效應作用下進一步拉伸，使得金屬材料工件內部需承受較大的應力效應。此外隨著金屬材料工件表面裂紋的進一步擴大，工件表面裂紋尖端的應力也會隨之增大，同時裂紋在金屬材料工件表面的擴張速度也會隨之增快。如果出現裂縫位置所受到的主要應力為殘余應力，那么在金屬材料工件斷面，殘余應力便會在一定范圍內保持自身平衡；但是如果金屬材料工件在使用中有應力來源于外部，那么殘余應力就無法保持內外平衡，進而造成表面裂縫進一步擴展。因此通過對金屬材料工件的殘余應力變化進行探測，就可以進一步預測金屬材料表面裂紋的擴展方向和速度，這對預防金屬材料工件的開裂問題具有一定的實踐性意義。

4 金屬材料熱處理后開裂失效和裂紋愈合的具體途徑

為了預防金屬材料在預處理后出現開裂或裂紋問題，需要在金屬材料熱處理中做好以下幾點：

第一，加工人員需要消除金屬材料在熱處理中產生裂紋的可能性。一是解決金屬材料結構設計的缺陷，例如對過大截面或過小圓形面積的材料進行再加工；二是對進行熱加工的金屬材料工件表面質量進行檢查，杜絕對表面過于粗糙、金屬材料表面有劃痕或刀痕等材料進行加工，這樣便可以避免金屬材料在淬火過程中出現氮化、裂紋、網狀結構等問題。

第二，在金屬材料進行熱處理工藝中，需要提高金屬材料表面壓應力，這也是減少金屬材料出現開裂問題的主要方法。

第三，在對金屬材料工件進行使用的過程中，需要對金屬材料工件進行定期檢查，秉著防患于未然的態度，避免金屬材料在使用中出現裂紋等問題。

第四，金屬材料在熱處理加工之前，需進一步提高金屬材料工件的自身質量。加工人員需要在熱處理工藝之前對金屬材料中添加相應的合金元素，通過金屬元素之間的融合并可以提高工件在熱處理中的耐疲勞強度，進而延長金屬材料在后期使用中的壽命。

5 結束語

金屬材料在熱處理過程中所出現的殘余應力，是造成金屬材料出現不穩定狀態的主要原因，而這一問題主要源于金屬材料的加工條件和使用條件。所以在金屬材料的熱加工過程中，需要進一步的改變金屬材料的制作工藝，減少金屬材料在熱加工過程中出現的問題，注重金屬材料的損傷和修復工藝，延長金屬材料的使用壽命。