金属材料热处理变形的影响因素分析及控制措施探究

李 明

（河钢邯钢技术中心长材作业区，河北 邯郸 056015）

1 金属热处理工艺概念介绍

金属材料热处理是一种重要手段，对产品进行一定的热处理可以除去在高温状态下进行加工对产品造成的缺陷问题，能够促进内部组织与结构变化，改善材料性能,同时还能够消除化学成分不均匀现象、降低残存在物体内部的应力，使得组织结构和性能更加均匀，而不恰当的热处理，会造成人力、物力的浪费。1863年时，英国钢的内部组织在加热和温度降低时会发生变化，钢中的高温相在淬火时会转变为硬相，英国专家发现钢铁的内部结构会随着温度的冷热变化而变化，证实钢铁在淬火过程中会变得越来越坚硬。渐渐人们也发现在对钢铁等进行热处理过程中，还能够对其形成保护作用，避免被跟氧化合而致使钢的含碳量减少。20世纪60年代，热处理技术利用等离子体场效应发展了离子氮碳共渗和低温渗氮处理。发展至今，热处理工艺多种多样，常被应用的热处理工艺有加热到一定温度并持续一定时间后缓慢温度降低、加热到一定温度后放在水或油或空气中迅速温度降低和表面加热温度降低改变表层力学性能等。对于热处理的概念不能一概而论，它包含着详细的分类。金属热处理工艺大体可分为整体热处理（热处理一般可分为三个环节：一是淬火环节，主要是利用冷却水对轧制后的高温钢材进行急剧降温冷却，使轧件表面形成具有更高强度与硬度的马氏体结构；第二环节是回火，经过淬火后的钢材，其表面温度要低于内部温度，此时钢材内部的热量就会向外部传递，继而使表面温度升高。由于其温升热量来自于钢材内部，因而也被称为自回火；第三是冷却环节，经过自回火后加工，其表面与内部温度逐渐趋于一致，内部的奥氏体经过等温相变，获得最终的金相组织。金属热处理常用的处理方法包括三种：表面热处理、局部热处理和化学热处理。其中表面热处理包含激光和感应加热热处理以及火焰淬火；而日常所说的渗碳、渗氮、渗金属、复合渗等则属于化学热处理。

2 金属热处理变形的影响因素及原因分析

金属材料热处理变形的影响因素：实际工业生产中，热处理形式繁多，但由于热处理主要依靠温度实现工艺目的，所以通俗点说就是一个热作用过程，结合热处理工艺特点来看基本都是通过加热速率，加热温度，再经过保温时间控制，最后在冷却的速度和时间周期等影响下达到工艺处理目的。由此看出造成变形的最直接的因素就是温度。温度变化引起深层次的调整就是金属材料中残存奥氏体与马氏体之间的转变以及热处理过程中时效的把握。①原始组织与应力状态：在淬火之前，由于碳化物数量、形态不同以及合金元素纤维方向变化等关联原始组织会直接影响金属材料。调质处理后，通过改善材料内部变形规律性，从而减少热处理的变形幅度，以此达到热处理变形控制的目的。除此之外，化学热处理方式也是引起材料原始组织与应力状态变化的原因之一。②时效与冷处理：时效处理的概念是指材料经特定处理、塑性变形或铸造后，在高温或常温下放置，其性能、形状、尺寸随时间而变化的热处理工艺。主要包括三种处理方法：人工时效处理、自然时效处理和振动时效。其中前两种主要依靠温度变化：高温后冷处理方式不同达到材料处理目的，而振动时效则是利用一定频率的振动达到消除材料内部内应力的目的。归根结底，就是为了成功分解马氏体，并使其中碳化物得以析出，从而达到材料体积变化的目的。

3 金属材料热处理工艺中材料变形的种类

在生产实际中，热处理变形的表现形式多种多样，有体积和尺寸的增大和收缩变形，也有弯曲、歪扭、翘曲等变形，就其根源来说，可分为内应力造成的应力塑性变形和比容变化引起的体积变形两大类：①内应力变形是指材料由于经过不同原因导致内部宏观及微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的。热处理过程中的温度变化，造成材料内部机构受影响的不均匀，从而引起相变的不等时性，这所有过程中均会产生内应力，从而产生内应力塑性变形。②比容变形其实是指材料本身内含有多种相结构，而且其组织比容各不相同，经过热处理后，在温度的影响下，相变时引起的体积和尺寸变化。

4 金属材料热处理工艺中材料变形的控制措施探究

（1）谨遵三大原则，理性控制热处理变形：①遵守科学性的原则，就是采用科学的管理方法（科学精神、科学手段和科学理念）来应实施金属材料的热处理等。②操作简化原则，根据不同的环境和工况，制定优化热处理操作流程，降低工艺实施过程中操作失误率，切实提高容错率，从而实现热处理变形目标控制。③遵循实用性的原则，科学利用各种途径汇总整理实用的工艺操作方法，秉持实用性为根本，减少浪费，节约材料降低成本，保证热处理的有效性。通过保证质量实现实用性原则的最大化。

（2）合理选用合适的冷却介质，最常见的淬火介质就是水和油。水，其优点众多，但缺点也较为突出，水在500℃～600℃区间处于蒸汽膜阶段，冷却速度不够快。当金属材料温度在100℃～300℃时，水处于沸腾阶段，冷却能力过强，导致材料马氏体转变速度过快、内应力增大，当应力超过临界值时将使试样产生变形甚至开裂。因此，可通过在水中添加不同原料以达到克服水作为淬火介质的缺点。一般在水中添加食盐或碱等方式，可提高水溶液在高温区的冷却能力。另一种常用的冷却介质就是矿物油（机油、变压器油或柴油等），可通过不同配比混合使用，达到提升特性温度来增加淬火油在高温区的冷却能力，从而减少材料变形。

（3）加强热处理工艺中温度环节的精确把控，可有效减低热处理变形目标的影响。热处理工艺的特性来看，整个工艺其实就是一个温度变化调整处理。热处理主要利用加热炉来实现温度的控制，炉内温度是热处理工艺实现的重要参数之一。温度升高会使材料内部均匀性下降，从而引起变形量的加大，由此看出，温度均匀性可有助于减低材料变形量。通过不同方法和措施保证加热炉内材料各个部分均匀受热，并按要求提升至指定温度，使其达到渗碳要求，可以减小热处理变形，从而减小变形散差。。切实落实各工艺阶段温度的精确控制，细化金属内部晶粒的措施，改变晶粒排列，提高金属材料的强度，从而减少变形。

（4）减少热处理产生的残余应力。热处理过程中由于塑性变形产生残留的应力，因为不能完全消除，会破坏金属材料表面的保护膜，残余应力值越高表现出有害就越大，会降低试样的实际抗拉强度或屈服强度，还会降低疲劳极限，缩短试样寿命造成脆性断裂。残余应力会导致试样在淬火时因热膨胀而产生应力集中，试样可能因而产生严重变形或开裂，为了避免热处理失败，就要求炉内温度温差不能超过±20℃/小时，保温时间不宜过长和过快，在热处理升温过程中要有缓慢升温阶段，也要有缓慢冷却阶段，这种方法是消除残余应力的有效方法。对此类有缺陷的试样也可以在热处理之前预先采取适当的修复措施。

5 结语

工业生产制造业的高速发展，离不开需要高质量、高性能的材料，热处理的运用越来越广泛，已经不单单是一种材料处理手段，而是实现高性能、高经济工业企业所必须的科技。本文所述热处理影响因素分析及部分措施介绍，只是冰山一角，还需企业投入更多精力与人力，研究解决该工艺实施工过程中的问题，针对不同的材料，全面考虑其应用领域，总结探析出更加全面的解决方案。