探析金属材料的构造性能同热处理之间的相互关系

房永顺,吕延彬,郭 睿

（大连大高阀门股份有限公司，辽宁 大连 116000）

在工业生产之中，许多金属材料通过采用退火、正火、淬火、回火等热处理方式能够很好地改变金属内部的晶体组织结构，使原本性质单一的金属材料产生一些良好的机械性能，因此热处理在改变金属材料构造性能，特别是机械性能如硬度、强度、韧性等方面起着至关重要的作用。

1 金属材料构造性能

自从人类进入青铜器时代开始，金属材料就与人类的生活息息相关，例如铁、铝、铜、镍等金属以及大量的合金被广泛运用于军事、农业、建筑等领域，换句话说，金属材料已经渗透到人类的日常生活的方方面面，成为了人类生活不可替代的一部分。无论是金属单质还是合金，其机械性能往往取决于内部构造。准确地来说，金属性质是由金属原子之间的结合方式和空间排列所决定的[1]。例如合金往往比金属单质的硬度大，不锈钢比生铁的强度高、腐蚀性强等，这些都是由于金属原子的构造排列不同所导致的。

2 金属材料性能与热处理之间的关系

为满足工件的加工要求，需采用热处理的方式改变其固有的加工性能，包括切削性能、切变模量、断裂韧性以及腐蚀开裂等，下面就分析这些金属性能同热处理工艺之间的关系。

（1）切削性能与热处理预热的关系。在金属材料的加工过程中，切削工艺对于金属工件的质量有着较为明显的影响，如果能够利用热处理技术来改善金属材料的切削性能，那么这将大大地提升金属工件产品质量，减少次品或废品的切割数量。在金属材料进行切割的过程中，由于金属材料的硬度、强度以及变形程度等并不相同，另外切割刀具的切削环境和切割条件也存在着较大的差异性，因此各种材料的切削效果也并不相同。为了提高金属材料的切削性能，通常在锻铸件或焊接件毛坯半成品上采用预热处理，从而改善甚至消除冶金及热加工过程中所产生的缺陷，同时减少变形并提高精度。

（2）金属切变模量与热处理温度的关系。切变模量是金属材料力学的重要性能指标之一，金属材料在受到剪切应力之后，定然会发生形变，切变模量准确来说是金属在其形变范围之内的切应力与切应形变之间的比值。换句话说，切变模量是表征材料抵抗切应变的能力，模量大，则表示材料的刚性强，模量小，则表示材料的刚性弱。金属切变模量的大小主要取决于原子间相互作用力的大小，而原子间作用力又受到材料的结构、原子排布、稳定等影响，当材料经过热处理之后，金属材料中的原子间相互作用力就会发生变化，由此材料的切变模量也会发生与之相应的变化，因此在将金属材料进行热处理的过程中，一定要将热处理的回火温度和材料硬度严格控制在一定的合理范围之内，从而避免因为切变模量超过了形变范围而导致不可逆的金属形变，不同材料钢回火温度与硬度的关系如下图所示。

一般来说，具有回火脆性的合金钢40Cr在中温或高温回火后用清水或油冷却，防止脆性断裂，而高合金钢一般在采用低温500-520℃回火两次。

（3）金属材料的断裂韧性与热处理温度的关系。金属材料的断裂韧性是金属材料的基本属性，该性质与金属材料的热处理工艺有着十分密切的关系[2]。实际上任何材料都含有不同数量、不同程度的裂纹，断裂韧性也可以理解为含有裂纹的金属材料在外力的作用下抵抗裂纹扩展的性能，一般来说，减少金属晶体中的排列错位，降低金属材料中的位错密度，而目前效果最明显提高金属断裂韧性的方法就是对金属材料进行细晶强化处理。具体来讲，细晶强化的基本原理就是对材料先进行热处理，然后再进行冷却结晶，使得变形最剧烈的区域产生新的等轴晶粒来代替原来的变形晶粒。只有当金属材料的热处理温度达到一定值时才能够激活原子，使之进行迁移，再结晶的过程才能够保证，金属材料的宏观性能才能发生变化，SY钢坯在不同热处理温度下的晶粒形貌。

不同热处理温度下等轴晶体的数量情况

SY钢在700℃时，扁平的晶粒开始向等轴晶粒变化，800℃是已有少量等轴晶粒出现，900℃时，晶粒突然变得细小，几乎全部为等轴晶粒，晶粒度达到YB12级，温度在1000℃时，晶粒开始长大。因此为了保证材料的原子发生扩散和转移，实现材料的再结晶，就必须控制好材料的热处理温度，从而最终提高材料的断裂韧性。

（4）金属材料抗应力腐蚀开裂与热处理应力关系。无论何种金属材料都有一定的拉伸延展性，然而当金属材料收到一定的拉伸力作用时，并且同时还受到周围环境的腐蚀作用，那么金属材料虽然在其拉伸延展范围之内也会发生腐蚀断裂，也称脆性断裂。例如在金属淬火过程中稍有不慎就会产生裂纹，这就是残余应力的结果，因此金属淬火通常在后期缓慢冷却，尽量减少金属膨胀速度和热应力值，最终达到抑制断裂的效果[3]。

总而言之，金属材料在人们日常生活中应用程度和范围不断扩大，各种金属材料、合金的热处理工艺需要不断完善，为生产出更高品质的工件奠定良好的基础，随着科学技术的不断发展和人们对金属工件精密度要求的不断提高，热处理工艺在建筑金属材料的加工和应用中必将充当更为重要的角色。

[1]王斌武，周晓艳.浅谈金属零件的设计、切削加工及热处理的关系[J].桂林航天工业高度专科学校学报,2006(04).

[2]苗高蕾.金属材料与热处理关系浅议[J].企业技术开发,2014(11).

[3]明平剑.金属淬火过程传热与流动规律数值研究[D].哈尔滨工程大学,2006(02).