热处理工艺中温度及应力与金属材料的关系探讨

2016-12-27赵建刚四川职业学院

大陆桥视野 2016年12期

赵建刚 / 四川职业学院

赵建刚 / 四川职业学院

现代工业生产领域的机械性能，能够促使金属材料的潜能得到最大程度发挥，而热处理技术能够改变一些金属材料的机械性能，至此，需在设计阶段便需制定正确热处理工艺。为获更加效果，除制定合理工艺流程之外，设计人员还需依据金属材料成分及组织，准确分析二者关系。本文基于相关实验现象和数据，对热处理工艺当中的应力、温度与金属材料的性能和组织间关系进行客观分析，为相关实践研究提供参考。

热处理；金属材料；关系

现代工业生产当中，为实现金属材料潜力的最大限度发挥，需对其机械性能给予提高。在设计阶段，热处理工艺的正确制定，可对一些金属材料原有的机械性能予以改变。若所采用的热处理条件不合理，不仅难以实现材料在机械性能有效提升之外，还会对材料原性能造成不同程度的破坏。至此，设计人员需依据金属材料组织及成分，将热处理相关工艺要求确定好，还需对热处理工艺于金属材料之间关系进行分析，并对金属材料进行合理安排，方可获取更好效果。

1. 热处理发展与金属材料历史分析

我国乃是世界领域内热处理技术及金属材料使用最早的国家。诸多历史实物证实，我国早在4000年前已经开始使用了金属材料，由此可知，我国已经具有很好的热处理技术水平。改革开放以来，伴随我国经济的不断发展，热处理技术与金属材料也得到了迅猛发展，其被广泛应用于航天事业、石油化工、仪器仪表及机械制造等领域，代表了我国热处理技术和金属材料的新水准。

2.金属材料基本组织和结构

在现代工业生产当中，使用较为广泛的简述为锰、镍、铅、铝、铁、铬、锌、铜及铁等，但运用最为广泛的乃是他们的合金。无论是金属还是合金，其内部结构均有两中方式，其一，原子在空间内所存在的排列方式；其二，基于金属原子之间所存在的结合方式。而对于金属的性能而言，其与原子在具体的空间配置和排列方面存在紧密关系，随着原子在排列方式上的差异，金属在性能方面也会产生不同。所谓金属材料热处理，其就是在一定的介质中，将金属工件放置其中，而后将其加热至一定温度，且维持此温度所需时间后，分别采用不同速度，将其冷却于不同的介质中，通过对金属材料内部或者表面的显微组织结构予以改变，以此达到对其性能改变的一种工艺。所以，对于一些合金或金属而言，可采用热处理工艺，将其原子排列予以改变，并对其组织结构进行改变，以此达到对其机械性能给与有效控制的目的，满足在相关工程技术方面的实际需求。当热处理条件不同时，其在材料性能改变效果方面也会存在差异，现通过分析金属材料的一些性能，探讨其和热处理工艺之间所存在的关系，为实现材料机械性能的提升提供依据。

3. 热处理工艺与金属材料之间的关系

3.1金属材料与金属材料的切边模量之间的关系

切变模量作为材料重要的力学性能指标，乃是材料在弹性变形相应比例最大限度范畴内，在剪切应力作用下，切应变和切应力之间的比值。它表征材料对切应变相应能力予以改变，当具有较大模量时，则表明此材料具有较强的刚性。利用热处理工艺，能够对材料的性能予以改变，此外，基于材料本身所具有的物理性能也会相应发生变化，切边模量也伴随其而改变。进而造成设计计算得出的设计计算，与弹簧的实际伸长量之间存在相应误差。依据以往实验研究经验，分析了金属材料切边模量变化与热处理之间的关系。在整个工业生产当中，在弹簧设计计算时，采用弹簧钢完成此操作，需运用材料的弹簧模量以及切边模量。如若依据以往设计资料当中已经给出的切边模量具体取值，则一般情况下，通过计算而得出的弹簧变形量，往往与以往变形量之间差距较大。究其原因，主要为原子间结合力，决定了材料弹性模量的大小，因此，当完成热处理操作之后，材料在温度上出现改变，也就是材料在具体的弹性模量方面发生了改变。与此同时，弹性模量E与切边模量G存在如下关系式，即E/2(1+μ)=G，如若其它因素维持不变，当E发生改变，则就会造成G也发生改变。因此，当弹性模量发生改变，就会造成弹簧特性线在开始设计时，变已经存在误差。所以，在设计计算那些对于弹簧的特性线具有较高要求的弹簧时，在设计时，不能仅依据传统资料所给出的各种传统资料，需依据弹簧现今使用状况，比如载荷及工作温度等。只要硬度与回火温度维持于相关要求区间内，便可对切变模量进行选取。如若对于特性线存在不高要求，则针对螺旋弹簧而言，可不将弹簧经过热处理之后，其弹簧所存在的变化给予改变。

3.2热处理温度与金属材料的断裂韧性之间的关系

若从断裂力学角度来考量，无论何种材料，其均存在有不同尺寸及数量的裂纹。而在实际当中，可将断裂韧性解释为内有裂纹材料，而基于相应外力作用下，产生对裂纹扩展予以抵抗的性能。将金属断裂韧性提升的核心要素，就是实现金属晶体当中的错位减少，致使金属材料当中在错误密度方面呈现下降趋势，进而实现金属强度的提升。对于细化晶粒而言，其能够提升晶界所占比重，并对位错滑移给与组织，进而促进材料强韧性的提升。而对于细化的金属组织而言，其需要利用热处理工艺实施处理后，经再次结晶而获取。当冷变形金属经过加温，而温度值已经足够高时，基于变形最为剧烈的地方，就会出现全新的等轴晶粒，并且对原有的变形晶粒进行替换，此过程即为结晶。当变形温度及应力达到一定程度的状况下，材料在进行变形时，局部位错密度级别才会被积累到足够高的程度，造成动态再结晶的发生。所以，若温度不同，则其直接关系着金属再结晶的好坏。可依据如下实验给予验证，即选用金属的再结晶，采用线切割方式将其切割成小圆柱，当完成机加工之后，分别选择1100℃、1000℃、900℃、800℃及700℃，选择5×10-1变形速率，在Cleeble-1500型热模拟试验机上，保持温度30s，并将其进行压缩变形50%，并将其放置空气中，使之与室温相同，然后采用680℃×6hAC（空冷），实施退火处理操作，然后将完成压缩之后的试样，经过轴向线实施切割操作，完成研磨抛光之后，采用相关化学物质，将晶粒形貌予以显示。实验现象：当温度为700℃时，原本为扁平的晶粒，则逐渐变化成等轴晶粒。当温度为800℃，在发生变形的晶粒当中，等轴晶粒已经较少出现，但主要还是变形拉长晶粒，当温度维持于900℃时，此时将会发生最为剧烈的钢的宏观性能变化。对于再结晶晶核而言，无论是其长大还是形成，均与原子扩散息息相关，所以，需将变形金属在加热方面维持相应温度内，足以将原子激活，当发生迁移时，方能进行再结晶。由此看，便可对热处理温度进行有效控制，还可促进金属材料在具体的断裂韧性方面的提升。