王錦波

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照 276800）

考慮到金屬材料自身具備耐久性、硬度以及疲勞性的特點(diǎn)，利用熱處理工藝對金屬材料進(jìn)行加工，能夠有效的改變金屬材料的機(jī)械性能[1]。我國對金屬材料和熱處理工藝的研究起步較早，早在4000多年前就有使用熱處理工藝對金屬材料進(jìn)行熱加工的經(jīng)驗(yàn)，通過熱處理工藝改變金屬材料中原子排列的方式，可達(dá)到提高金屬材料硬度以及增加金屬材料使用壽命等目的，取得了一定的研究成果，并于1960年獲得兩項(xiàng)專利，能夠在提高金屬材料質(zhì)量的同時，取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

為此，本文進(jìn)行金屬材料和熱處理工藝的相關(guān)性分析。在金屬材料和熱處理工藝的相關(guān)性分析中，本文主要針對熱處理工藝中的退火工藝進(jìn)行重點(diǎn)分析。希望通過本文研究，為金屬材料綜合性能的提升提供理論依據(jù)。

1 金屬材料和熱處理工藝的相關(guān)性

1.1 熱處理預(yù)熱和金屬材料的切削性能所存在的關(guān)系

考慮到熱加工過程中存在的冶金缺陷，必須對各類金屬材料進(jìn)行預(yù)熱處理，在具備熱處理以及切削加工良好組織狀態(tài)的同時，最大限度上保障金屬材料加工的精度，提高切削性能。在金屬材料切削過程中，對金屬材料進(jìn)行預(yù)熱處理會導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)不同程度的光潔度[2]。通過熱處理工藝中的預(yù)熱處理能夠提高金屬材料的光潔度。針對不同的金屬材料進(jìn)行預(yù)熱處理中，由于金屬材料內(nèi)部組織以及硬度的不同，必須明確與其一一對應(yīng)的最佳切削性能，選擇與之匹配的切削條件以及切削使用工具，提高金屬材料切削光潔度。因此，在切削金屬材料熱處理過程中，不經(jīng)過預(yù)熱處理的金屬材料，很容易由于硬度偏低產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象。本文通過對金屬材料進(jìn)行預(yù)熱處理，進(jìn)一步判斷金屬材料和預(yù)熱處理存在的切削性能關(guān)系。分析金屬材料和預(yù)熱處理存在的切削性能關(guān)系，明確經(jīng)過預(yù)熱處理后的金屬材料無論是抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度還是硬度，均與未經(jīng)過預(yù)熱處理的金屬材料對比具有明顯的提高。因此，金屬材料和預(yù)熱處理存在的切削性能呈正比關(guān)系，通過預(yù)熱處理增強(qiáng)金屬材料的切削性能。

1.2 熱處理溫度和金屬材料切邊橫量所存在的關(guān)系

切邊衡量作為衡量金屬材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，可以通過金屬材料在受熱處理彈性變形剪切應(yīng)力作用下得出[3]。利用對切邊衡量關(guān)系的分析，可以對金屬材料抵抗切應(yīng)變能力進(jìn)行表征，金屬材料抵抗切應(yīng)變的能力越強(qiáng)，證明該金屬材料的剛性就越強(qiáng)。由于熱處理溫度的不同，熱處理對金屬材料本身物理性質(zhì)的改變也不盡相同。因此，金屬材料溫度在經(jīng)過熱處理后必然會產(chǎn)生一定程度上的變化。在金屬材料和熱處理溫度存在的切邊衡量關(guān)系研究中，本文以切邊模量作為衡量金屬材料和熱處理工藝溫度存在切邊衡量關(guān)系的參數(shù)，通過對切邊模量進(jìn)行計算，進(jìn)而判斷金屬材料和熱處理溫度存在的切邊衡量關(guān)系。設(shè)切邊模量為G，則其計算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，E指的是金屬材料的彈性模量；U指的是金屬材料切邊產(chǎn)生的先天性誤差；C指的是熱處理溫度。設(shè)E為自變量，而其他參數(shù)保持不變時，G也會隨之發(fā)生變化。金屬材料的彈性模量越大，金屬材料的切邊模量數(shù)值越大，金屬材料的彈性模量和切邊模量之間同樣為正比例增長關(guān)系。結(jié)合表1、表2數(shù)據(jù)，在選用金屬材料進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)過程中，必須對金屬材料的切邊模量利用公式（1）進(jìn)行計算，在得出精確地彈簧模量的基礎(chǔ)上，確定金屬材料切邊的使用模量。因此，影響金屬材料內(nèi)部原子間結(jié)合力的主要因素，包括：金屬材料內(nèi)部組織、成分以及熱處理溫度等。

1.3 熱處理溫度和金屬材料斷裂韌性所存在的關(guān)系

熱處理工藝中的退火工藝是影響金屬材料斷裂韌性的直接因素，在實(shí)際工作中，每一件金屬材料自身的尺寸以及裂紋，都可以看作是斷裂力學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。金屬材料和退火工藝存在的斷裂韌性關(guān)系只要指的就是通過對金屬材料退火，達(dá)到消除內(nèi)應(yīng)力以及降低硬度的目的，致力于得到近乎平衡的金屬內(nèi)部組織。本文采用球化退火類型，球化退火類型具體工藝參數(shù)，如表1所示。

表1 球化退火類型參數(shù)

結(jié)合表1信息可知，退火工藝與金屬材料之間的斷裂韌性關(guān)系主要依據(jù)金屬材料自身的臨界點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到臨界點(diǎn)再退去之后，金屬材料中位錯會明顯減少，導(dǎo)致位錯密度下降，從而提高金屬材料的強(qiáng)度。這樣一來，能夠有效提高金屬材料的斷裂韌性。由于使用不同退火工藝進(jìn)行退火，在加熱過程中金屬材料內(nèi)部組織發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，很容易影響金屬材料的斷裂韌性。因此，需要延長保溫時間，直至碳化物逐漸溶入基體中，金屬材料的強(qiáng)度以及伸長率都處于上升狀態(tài)，且均勻彌散在晶粒內(nèi)部。通過退火工藝處理后再結(jié)晶獲得金屬材料內(nèi)部組織的細(xì)化，此時，由于碳化物的固溶，迫使金屬材料的斷裂韌性達(dá)到最大，進(jìn)而提高金屬材料的斷裂韌性。

1.4 熱處理應(yīng)力和金屬材料應(yīng)力腐蝕所存在的關(guān)系

利用退火工藝能夠在焊接過程中減少金屬材料產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，最大程度上避免引起大部分應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力。在使用退火工藝對金屬材料進(jìn)行加熱和加熱冷卻的時候，通過改變金屬材料內(nèi)部的性能和組織，產(chǎn)生金屬材料的相變以及熱應(yīng)力。本文采用亞溫退火、周期球化退火以及等溫球化退火三種退火工藝分析熱處理應(yīng)力和金屬材料應(yīng)力腐蝕所存在的關(guān)系。退火工藝具體參數(shù)，如表2所示。

表2 退火工藝具體參數(shù)

結(jié)合表2信息，在利用退火工藝對金屬材料進(jìn)行冷卻的過程中，由于金屬材料的心部和表層冷卻速度的不同，產(chǎn)生的熱應(yīng)力大小也隨之改變。當(dāng)金屬材料的心部在冷卻時，其溫度必須高于表層溫度；當(dāng)金屬材料的表層在冷卻時，表層面積必須大于心部。殘余應(yīng)力就是金屬材料退火工藝的相對應(yīng)力以及熱應(yīng)力相疊加的結(jié)果，退火工藝中金屬材料的冷卻速度是一個決定性的影響因素。利用退火工藝在冷卻后期進(jìn)行緩冷，其目的在于能夠達(dá)到抑制金屬材料淬裂或是減少金屬材料應(yīng)力值，在提高金屬材料截面中心部位截面溫差的同時，盡可能的減少金屬材料冷卻收縮的速度。通過激活原子，使其能夠按照金屬材料冷卻收縮的速度進(jìn)行遷移，提高金屬材料的抗腐蝕性。

2 結(jié)語

通過對金屬材料和熱處理工藝的相關(guān)性研究，發(fā)現(xiàn)熱處理工藝在金屬材料中的應(yīng)用顯得越來越重要。利用熱處理工藝對金屬材料進(jìn)行加工是提高金屬材料力學(xué)性能最實(shí)用和最可靠的方法。金屬材料的力學(xué)性能是衡量金屬材料質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，有必要加大對熱處理工藝的研究投入，尤其是針對熱處理工藝中的退火工藝，更應(yīng)加大研究力度，致力于提高金屬材料的斷裂韌性以及抗腐蝕性。截止目前，國內(nèi)外針對金屬材料和熱處理工藝的相關(guān)性研究仍存在一定的局限性，缺少專業(yè)性極強(qiáng)的配套試驗(yàn)研究裝置，因此在后期的行業(yè)市場調(diào)研過程中，可通過進(jìn)行配套試驗(yàn)研究裝置的優(yōu)化設(shè)計，提高熱處理工藝的設(shè)備質(zhì)量。但本文唯一不足之處在于，沒有針對退火工藝對金屬材料的具體影響進(jìn)行深入分析。相信這一點(diǎn)，可以成為金屬材料日后重點(diǎn)研究的內(nèi)容。