金屬材料熱處理變形的影響因素及控制策略

李晉

摘要：目前，我國(guó)工業(yè)發(fā)展處于上升階段，在生產(chǎn)制造過程中，對(duì)金屬材料的質(zhì)量要求越來越高，要求更專業(yè)化、多樣化，使金屬材料的使用范圍變得更廣。在金屬材料制作中使用熱處理技術(shù)進(jìn)行加工，不僅能改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能調(diào)整和優(yōu)化金屬形狀，提升金屬材料的性能。從實(shí)際情況來看，金屬材料熱處理過程中存在很多影響因素，容易出現(xiàn)變形的情況。對(duì)該影響因素進(jìn)行分析，深刻研究控制變形的策略方案，以提高金屬行業(yè)的生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：金屬材料;熱處理;變形;控制策略

在金屬工業(yè)發(fā)展中，金屬材料熱處理是一種非常重要的制作手段，其能夠改變金屬材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有很重要的作用。對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理，主要是將金屬材料通過高溫加熱、保溫和冷卻等流程制成各種金屬產(chǎn)品。在此過程中，高溫容易使金屬材料變形，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而金屬材料的性能也會(huì)有所變化;此外，還容易出現(xiàn)金屬材料中化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，經(jīng)過冷卻環(huán)節(jié)后，就會(huì)出現(xiàn)材料粗細(xì)變化、長(zhǎng)短變化、扭曲等現(xiàn)象。因此，在對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理過程中，需要專業(yè)性非常強(qiáng)的工作人員進(jìn)行操作，分析金屬材料熱處理變形的影響因素，總結(jié)歸納解決措施，以降低金屬材料的變形概率，提高金屬材料的加工產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)我國(guó)工業(yè)的發(fā)展。

1 金屬材料熱處理變形的種類

在金屬材料熱處理過程中，變形是不可避免的，既有金屬體積和尺寸變大或縮小的變形，也有金屬?gòu)澢?、變?xì)、扭曲等變形情況，可概括為內(nèi)應(yīng)力改變的塑性變形和比容改變的體積變形。（1）內(nèi)應(yīng)力塑性變形是指金屬材料的化學(xué)性質(zhì)改變?cè)斐傻淖冃巍Ｔ诓煌瑮l件下加工金屬材料時(shí)，金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織會(huì)發(fā)生改變，出現(xiàn)體積不均的情況，進(jìn)而引發(fā)變形，這是一種不可能自己恢復(fù)的變形類型。同時(shí)，對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理過程中，由于溫度在不斷變化，金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)受熱不均、冷卻速度不等的情況，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而出現(xiàn)不定向的形變，而在這個(gè)形變過程中，金屬材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力塑性變形。（2）比容形變是一種物理性質(zhì)的形變，在一定單位質(zhì)量?jī)?nèi)，金屬材料所占有的容積稱為單位質(zhì)量?jī)?nèi)的比容。由于金屬材料內(nèi)含有多種結(jié)構(gòu)，內(nèi)部組織的比容完全不同。當(dāng)對(duì)金屬材料進(jìn)行高溫加熱時(shí)，金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不同方向的反應(yīng)，由于比容不同，金屬材料會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形。

2 金屬材料熱處理變形的影響因素

2.1 應(yīng)力狀態(tài)因素的影響

在金屬材料熱處理過程中，由于金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同、密度不同、比容不同等，金屬材料會(huì)出現(xiàn)溫度分布不均勻的現(xiàn)象。這種溫度對(duì)金屬材料造成的影響，主要是指高溫加熱、濕度變化、冷卻溫度不穩(wěn)定、受力情況等因素的改變，使金屬材料產(chǎn)生形變。對(duì)于溫度的變化，金屬材料內(nèi)部組織會(huì)產(chǎn)生不同的作用力，并與外界環(huán)境的壓力進(jìn)行對(duì)抗，以維持原有的形狀。但對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理時(shí)，變形主要發(fā)生在高溫和保溫階段，由于金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，對(duì)外界的應(yīng)力也會(huì)不同，進(jìn)而出現(xiàn)不同位置的形變，導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生不均勻的變形。如果金屬材料在加熱階段就出現(xiàn)變形，那么在冷卻階段就難以恢復(fù)原有的形狀，最終影響金屬材料的產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 冷處理因素的影響

在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)金屬材料進(jìn)行高溫加熱時(shí)，由于金屬材料的特殊屬性以及因溫度降低而出現(xiàn)的低溫回火情況，金屬材料的性能、形狀、尺寸等都發(fā)生變化，導(dǎo)致在冷處理階段，金屬材料會(huì)因冷熱不均而發(fā)生變形。這就需要不斷更新金屬材料熱處理技術(shù)和冷處理技術(shù)，保證在熱處理過程中不改變金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)將其內(nèi)部的奧氏體與馬氏體相互轉(zhuǎn)化，析出金屬內(nèi)部的碳化物結(jié)構(gòu)，改善金屬材料的變形情況，使金屬材料能夠冷熱均勻，不會(huì)出現(xiàn)冷處理的變形，加強(qiáng)金屬材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，提高金屬材料的質(zhì)量。

2.3 淬火因素的影響

在金屬材料熱處理過程中，最經(jīng)典的工藝操作就是淬火。淬火介質(zhì)的選擇影響著整個(gè)熱處理的效果，對(duì)金屬材料的變形也至關(guān)重要。只有將金屬材料放置在淬火介質(zhì)中進(jìn)行冷卻處理，才可以提升金屬材料的特殊性質(zhì)。然而在實(shí)際熱處理工作中，淬火介質(zhì)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)淬火效果至關(guān)重要。在淬火介質(zhì)的選擇上，不僅需要關(guān)注對(duì)金屬材料產(chǎn)生的效果，還需要分析淬火的穩(wěn)定性。分析不同淬火介質(zhì)對(duì)不同金屬材料的反應(yīng)過程，按照使用說明確定淬火介質(zhì)。同時(shí)，由于淬火介質(zhì)的性質(zhì)不穩(wěn)定，在淬火過程中，需要不斷攪拌，并嚴(yán)格要求攪拌速度和攪拌方式，以防操作不當(dāng)出現(xiàn)金屬材料變形情況，影響金屬材料的質(zhì)量。

2.4 預(yù)處理因素的影響

為了避免熱處理過程中多次出現(xiàn)材料變形的情況，通常會(huì)在熱處理加工之前做好預(yù)處理。預(yù)處理主要是消除金屬材料內(nèi)部的應(yīng)力，使金屬材料在熱處理過程中不會(huì)出現(xiàn)因應(yīng)力變化造成的形變。常見的預(yù)處理方法是正火處理方法。該方法能夠消除金屬材料內(nèi)部的全部應(yīng)力，但受到了較多的外界因素影響。一般情況下，正火處理的冷卻方式大多為堆冷，即將金屬材料堆積在一起共同冷卻，但金屬材料在加熱箱內(nèi)的冷卻效果受到較大影響，形成內(nèi)外溫差，出現(xiàn)冷卻不均勻的情況，容易導(dǎo)致金屬材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而出現(xiàn)變形現(xiàn)象。同時(shí)，如果在正火處理過程中操作不當(dāng)，也會(huì)提高金屬材料變形的概率。因此，預(yù)處理對(duì)金屬材料熱處理的過程也十分重要[1]。

3 金屬材料熱處理變形的控制策略

3.1 選擇合適的冷卻方式

在熱處理過程中，冷卻過程是一個(gè)核心環(huán)節(jié)。如果在冷卻過程中操作不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致金屬材料變形。由于金屬材料的特殊性質(zhì)和材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布不同，冷卻過程也會(huì)出現(xiàn)受熱不均的現(xiàn)象。因此，為了改善金屬材料冷卻過程中的變形情況，需要根據(jù)不同金屬材料的特殊性質(zhì)，選擇不同性質(zhì)的冷卻介質(zhì)。常見的冷卻方法包括：（1）分級(jí)淬火式冷卻。其特點(diǎn)是金屬材料的內(nèi)應(yīng)力低，可以改善金屬材料結(jié)構(gòu)的變形情況。但在冷卻過程中需要加入鹽液或者堿液，這樣能夠適用于精準(zhǔn)度較高的金屬材料。（2）單介質(zhì)淬火式冷卻。其特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化和機(jī)械化的冷卻操作，可以提升冷卻效果，但很難控制冷卻速度，無法保證金屬材料在冷卻過程中的質(zhì)量。（3）等溫淬火式冷卻。其主要適用于對(duì)精度要求較高的金屬材料，但冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，需要的成本較高，導(dǎo)致使用率并不高。（4）雙液淬火式冷卻。其可以對(duì)金屬材料內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻，需要結(jié)合預(yù)處理進(jìn)行操作，這樣能夠加快冷卻速度，改善金屬材料冷卻過程中的變形情況。綜上所述，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的冷卻方式，改善金屬材料在熱處理過程中出現(xiàn)的變形情況，提升金屬材料的質(zhì)量[2]。

3.2 選擇合適的淬火介質(zhì)

淬火介質(zhì)的選擇對(duì)金屬材料熱處理具有重要的作用，如果淬火介質(zhì)不合適，會(huì)導(dǎo)致金屬材料內(nèi)部應(yīng)力失調(diào)，造成材料變形，甚至出現(xiàn)材料開裂的情況，影響金屬材料的質(zhì)量。常見的淬火介質(zhì)是油和水。當(dāng)水作為淬火介質(zhì)使用時(shí)，其溫度需要控制在60℃左右，這樣不僅能加快淬火速度，還可以優(yōu)化冷卻效果，減少金屬材料的變形量。但如果溫度降低，保持在30℃左右，冷卻效果就會(huì)逐漸降低，速度也會(huì)減緩，這樣容易導(dǎo)致金屬材料變形。因此在實(shí)際操作中，可以添加鹽液或堿液來加快冷卻速度，降低金屬材料變形的概率。油淬火介質(zhì)主要是對(duì)合金類材料的淬火，當(dāng)溫度在60℃左右時(shí)，冷卻效果非常差，冷卻速度完全不能滿足冷卻需求。所以，針對(duì)不同的金屬材料，需要選擇合適的淬火介質(zhì)，嚴(yán)格控制淬火介質(zhì)的加熱溫度，控制金屬材料熱處理的溫度，這樣不僅能加快冷卻速度，還能提升金屬材料的質(zhì)量，降低金屬材料變形的概率[3-4]。

3.3 加強(qiáng)對(duì)預(yù)處理變形的控制

在預(yù)處理過程中，要想降低金屬材料變形的概率，需要結(jié)合等溫正火的冷卻方式處理材料。這樣不僅能夠改善金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻的現(xiàn)象，還可以減少材料變形的現(xiàn)象。在熱處理過程中，由于金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大有不同，需要根據(jù)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行處理，通過在預(yù)處理過程中的變形控制，可以選擇合適的材料加工手段和冷卻方式，提高金屬材料的質(zhì)量。當(dāng)然，在預(yù)處理過程中，要想達(dá)到較好的成形效果，成本就會(huì)增加，金屬材料處理的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，所以需要根據(jù)實(shí)際需求，合理安排預(yù)處理方式[5]。

3.4 選擇合適的加工方式

在金屬材料加工過程中，不僅需要加熱、冷卻，還需要采取夾裝等加工方式。在夾裝過程中，需要對(duì)金屬材料部件的形狀進(jìn)行控制。因此，合適的夾裝方式能夠改善熱力不均造成的金屬材料變形。在加工過程中，熱處理為最后的工藝手段，需要在材料加工過程中預(yù)留出加工余量，可以根據(jù)不同的材料變形情況，結(jié)合反變形的加工方式，對(duì)其余材料進(jìn)行反加工，盡最大的可能恢復(fù)變形的金屬材料，進(jìn)而提升變形材料的合格率，提高金屬材料的質(zhì)量。同時(shí)，材料加工裝置的合理應(yīng)用，能夠?qū)Σ牧系暮穸冗M(jìn)行控制，設(shè)計(jì)出合格的零部件，以免材料變形導(dǎo)致零件變形、產(chǎn)生棱角或溝槽等情況，提高金屬材料的使用效率。

4 結(jié)語

工業(yè)發(fā)展離不開高質(zhì)量、高品質(zhì)、高性能的金屬材料，而熱處理技術(shù)對(duì)金屬材料的應(yīng)用越來越廣泛。其不僅能夠加強(qiáng)對(duì)金屬材料的加工處理，還可以提升金屬材料的性能。對(duì)金屬材料熱處理變形的影響因素及控制策略進(jìn)行詳細(xì)的分析，深入研究熱處理變形的種類，對(duì)不同種類材料和不同性質(zhì)材料的變形問題進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致金屬材料熱處理變形的主要因素，分析其存在的原因，總結(jié)金屬材料熱處理變形的控制策略，降低金屬材料變形的概率，提高材料的質(zhì)量，擴(kuò)大金屬材料的使用范圍，加快我國(guó)金屬材料的工業(yè)發(fā)展和金屬材料的加工速度。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]王寶倉(cāng)，張遠(yuǎn)沖.金屬材料熱處理變形的影響因素和控制策略研討[J].世界有色金屬，2019（13）：171，173.

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[5]居春艷.探究金屬材料熱處理的影響因素[J].冶金與材料，2021（2）：23-24.