浅析金属材料热处理过程变形及开裂问题

张均红

（武汉市汉阳区武汉船舶职业技术学院，湖北 武汉 430050）

金属材料热处理实际上采用特定工艺对金属材料进行加热，保温或者冷却，改变固态金属的形态，然后在机械或化学的作用下，优化和改善金属材料内部结构与性能，从而达到提高金属产品制造质量的目的[1]。

1 金属材料热处理工艺的优点

为了达到提升金属材料性能的目的，工作人员必须通过对金属材料进行热处理加工的方式，在多种方式的淬炼下，降低金属材料中可能出现的网状碳化物等杂质，然后通过对金属材料颗粒的细化，消除金属材料的内应力，促进金属材料强度与韧性的全面提升，才能发挥出金属材料在工业生产中应用的效果。通过对金属材料进行热处理，帮助金属材料塑形，然后在热应力与重力势能的双重作业下，破坏原子结构，从而达到降低金属材料塑型难度的目的。另外，由于针对金属材料进行热处理不仅有助于金属材料使用寿命的延长，提高了金属材料的力学性能，而且最大限度的避免了因为金属材料表面出现损伤或者局部塑性形变等问题的发生，导致金属材料出现断裂的问题，降低了工业生产的成本，促进了企业经济效益的稳步提高。

2 金属材料热处理主要工艺

如果根据金属材料热处理部位不同分类的话，金属材料的热处理可以详细的氛围表面热处理与整体热处理两种。①表面热处理。所谓表面热处理就是只需要对金属零部件表面进行加热，然后对零部件进行热处理的一种工艺方法。表面热处理技术在实际应用的过程中，要求操作人员必须严格的按照要求控制零部件加热的过程，避免热量传导至零部件的内部。②整体热处理。整体热处理主要是通过对零部件整体加热的方式，改变零部件表层的力学性能。比如，操作人员如果采用火焰淬火或者电感应等方式作为加热源加热的话，促使金属零部件的表层或者局部在短时间内即可达到工艺处理要求的温度。工作人员在进行金属零部件的整体热处理时，必须先对零部件整体进行加热，然后将金属零部件放置于专用加热装置中，在零部件达到适当温度后，再按照工艺要求冷却金属零部件，从而达到改变零部件整体性能的目的。目前，常见的钢铁材料整体热处理工艺主要有以下几种。①退火。所谓退火就是先将金属零部件加热到一定温度，然后再根据金属零部件的外形尺寸设定材料保温的时间，在保温结束后，再通过缓慢冷却零部件的方式，使金属零部件内部组织达到一种平衡的状态，从而达到提高金属零部件工艺性能与使用性能的目的。②正火。正火过程与退火非常相似，也就是在金属零部件达到合适温度后，将零部件放在空气中自然冷却。正火与退火相比，经过正火处理的金属零部件不仅组织更细，而且金属材料的切削性能也会道德显著的提高。③淬火。淬火作为一种增强金属零部件硬度最有效的方法之一，该方法在实际应用的过程中，要求操作人员必须先将零部件进行加热，然后将经过保温处理的零部件放入水、无机盐溶液、油等液体介质中进行冷却，经过淬火处理的金属零部件不管是硬度还是脆性都得到了显著=提高。④回火。回火作为淬火的最后一道工序，该工序的应用主要是为了降低零部件经过淬火处理后的脆性。该工序在实际应用时，要求操作人员必须将零部件放在650℃的高温环境下，进行长时间的恒温与保温，然后再按照操作步骤完成对零部件的冷却处理[2]。

3 金属材料热处理中造成变形与开裂的主要原因

3.1 金属材料热处理过程中的冷却方法

由于金属材料热处理过程中主要分为退火、正火、淬火和回火等几个步骤，再加上金属材料在热处理过程中对冷却技术的应用提出了非常严格的要求，如果冷却技术选择出现问题的话，必然会导致金属材料因为冷却处理不均匀，影响金属材料的拉伸应力。就目前来说，我国最常用的金属材料热处理工艺主要有双液淬火与单液淬火两种。经过长期的实践应用发现，这两种方法在实际应用的过程中优势和缺陷都非常的明显。在这其中，双液淬火法虽然实现了快速降低金属材料温度的目的，但是其淬火效率较低，无法进行大范围的推广和应用。而单液淬火法虽然可以应用于大型金属材料的热处理，但是由于使用这种方法操作人员无法有效控制淬火的速度。如果金属材料热处理过程中，操作人员选择了措施的冷却方法的话，不但会会影响到金属材料的形变应力控制能力，而且还会因为金属材料热处理效率的下降，影响金属材料使用性能的提高。

3.2 温度控制不合理

由于金属材料热处理过程对温度控制提出了非常严格的要求，再加上金属材料在热处理的各个步骤中对温度控制的要求也各不相同，一旦温度控制失衡的话，就会导致金属材料出现形变或者开裂的问题。比如，操作人员在进行金属材料热处理时，忽略了金属材料加热炉的温度，或者将未经过精密温度测量的金属材料直接进行热处理，不但会影响金属材料出现质量问题，严重的还会导致金属材料报废，无法正常使用。另外，金属材料热处理过程中，出现的加热温度、加热速度、保温时间等工艺参数把控不到位，热处理工艺应用不科学等现象，也是导致金属材料出现变形或者开裂等质量问题的主要原因。

3.3 热处理过程中残余应力引起

虽然正常的金属材料热处理过程中，并不会导致金属材料出现变形或者开裂的问题，但是如果金属材料热处理过程中，拉应力与多项应力同时存在，且两者之间发生对冲关系时，那么一旦金属材料承受的总应力超出临界值的话，那么残余应力体系就可能导致金属材料出现变形或者开裂的问题。另外，金属材料在工作环境、热处理温度、工作介质、残余应力体系等因素，不仅会导致金属材料抗腐蚀性能与防开裂能力的下降，严重的还会因为金属材料表面控制裂纹保护膜出现破裂，导致金属材料出现局部变形或者开裂的问题，影响金属材料的使用寿命和质量。

3.4 原材料组织以及性能原因

①金属材料热处理主要是为了提高其材料的表层相关性能，例如增强金属材料表层抗氧化的能力和减少金属材料表面的磨损程度等。但热处理层的深度有限，为使已渗透层发挥有效作用，那就应在热处理之后，只对材料进行磨削加工处理，然而一般的金属材料想要进行热处理变形矫正的难度却很大。②在金属材料淬火前相关原始组织通常会对材料造成影响，比如影响碳化物的数量、形态和合金元素的偏差、影响淬火所产生的纤维的方向等。为了实现金属材料变形量的减少，可采取一些有效的調质处理，从而使金属材料淬火中的变形更有规律可言，继而达到防范变形的目标。

4 变形与开裂处理在变形和开裂的预防处理

4.1 做好处理前预处理

金属材料热处理使用的正火和退火是导致金属材料产生变形问题的主要原因。由于金属材料在正火过程中的温度较大，引发金属材料内部出现明显的变形问题。针对此类问题，工作人员在开始金属材料的热处理作业前，必须采取积极有效的措施控制金属材料热处理的温度，避免因为热处理环节温度误差过大，影响金属材料的使用性能和质量。经过长期的实践操作发现，经过正火处理后的金属材料，应该使用等温淬火的方法，确保金属材料内部结构的均匀性，才能达到有效控制金属材料内部变形问题的目的。此外，为了提高金属材料热处理正火的效果，工作人员应该根据金属材料的结构特点，选择最佳的退火工艺，合理借助温度梯度对金属材料结构稳定性产生的影响，控制金属材料热处理过程可能出现的变形问题。

4.2 选用合适的冷却介质

水是最常用的金属材料淬火介质之一，虽然水具有冷却能力强、成本低、成分稳定且不易变质等各方面的优点，但是如果将水作为淬火介质的话，且缺点也同样突出。比如，水在500℃～600℃区间处于蒸汽膜阶段，冷却速度会明显下降。如果金属材料的温度达到100℃～300℃时时，处在沸腾阶段的水，就会因为冷却能力过强，导致金属材料出现马氏体转变速度过快、内应力增大的问题，一旦金属材料的应力超过且临界值的话，那么金属零部件就会出现变形或者开裂的问题。所以，为了最大限度的克服水作为淬火介质应用时的缺点，工作人员往往采取向水中添加食盐或者碱等方法，在高温部件浸入到水溶液后，水在蒸汽膜阶段离析出的食盐或者碱的晶体就会产生爆裂，破坏蒸汽膜以及金属零部件表层的氧化皮，从而达到有效提升水的冷却能力的目的。另外，为了达到有效控制水溶液对金属材料腐蚀性的目的，工作人员往往采取将水溶液浓度控制在10%～15%之间的方式，在金属材料淬火完成后按照要求对金属材料进行防锈处理和清洗，提高金属材料的淬透性和淬硬性，降低金属零部件变形问题发生的几率。

4.3 减少金属材料因热处理产生的残余应力

虽然工作人员通过优化和完善金属材料热处理工艺的方式，可以最大限度的减少金属材料热处理后残留的应力，但是由于残留应力并不能完全消除，所以必然会因为金属材料表面保护膜遭到破坏，而导致零部件出现变形或者开裂的问题。针对这一情况，操作人员在进行金属材料的热处理时，应该根据零部件实际应用的现场，采取具有针对性的措施，将金属材料的残留应力降至可控的范围。此外，针对本身就后已经出现局部局限的金属零部件，必须在进行热处理前，仔细的检查金属材料表面的粗糙度、裂纹、划伤等表面质量，避免因为金属材料表面存在缺陷，导致零部件在催化过程中因为热膨胀出现应力集中的问题，影响金属零部件热处理的质量和效果。

4.4 保证零件结构配置的合理性

金属零部件结构也是导致金属热处理或者冷却过程中，金属零部件出现变形的问题。由于金属材料因为厚度不同所以冷却的速度行业不同，因此，工作人员在进行金属零部件的热处理时，应该采取积极有效的措施减小材料厚薄的误差，集中控制因为应力集中产生的变形和开裂问题，确保金属零部件界面保持均匀的状态。同时在金属零部件设计阶段，工作人员应该尽可能的避免棱角与沟槽的出现，才能最大限度的降低金属零部件热处理过程中出现变形或者开裂问题的几率。

4.5 采用合适的装夹方式

为了达到有效控制金属零部件热处理过程中产生的变形问题的目的，工作人员必须在金属材料热处理过程中，确保金属材料加热与冷却的均匀性，保证金属材料的内部应力始终处在均匀的状态下，然后运用合理的装夹方式，提高金属材料热处理的效果，避免因为金属零部件热处理环节出现问题，影响金属零部件的使用性能和质量。

4.6 加强机械加工控制

经过热处理的金属材料还需要按照要求进行深度的机械加工，工作人员在进行金属材料的机械加工时，必须以金属材料的变形规律为依据，使用反变形方法或者收缩预胀孔等方法，控制金属材料热处理过程中出现的变形问题。在金属材料热处理进入到最后一道工序后，工作人员必须通过对热处理变形允许量的有效控制和调整，修正金属材料热处理前的尺寸修正工作，才能在有效提升金属材料热处理质量的前提下，确保经过热处理后的金属材料大多设计标准和要求[3]。

5 结语

总之，金属材料热处理技术是一种同时兼具高性能与高经济性的金属材料处理手段，该技术在机械制造行业中的推广和应用，彻底解决了传统金属材料加工制造过程中出现的变形和开裂问题，促进了金属材料加工质量的有效提升。由于金属材料热处理不仅会导致金属材料出现变形和开裂的问题，增加了金属零部件的质量控制成本，而且限制了热处理工艺在特殊场合中的应用。所以，相关研究人员必须从理论和实践层面不断的探索和研究，解决金属材料热处理引发的变形和开裂问题，促进金属材料热处理质量和使用性能的有效提升。