热处理工艺对金属材料抗疲劳性能影响分析

　　摘要：针对金属材料的热处理工艺，以目前常用且较为复杂的铝合金材料为例，对其抗疲劳性能受热处理工艺的影响进行分析与验证，以此为实际的金属热处理中保证热处理作用充分发挥提供可靠参考依据。

　　关键词：金属材料,铝合金,热处理工艺,抗疲劳性能,影响

　　金属材料在原始的固态采用加热的方法获得预期组织形态的工艺即金属材料的热处理。这一工艺在石器时代就出现和应用，在现代得到逐步发展与优化。在机械制造过程中，最为重要和关键的环节即为热处理，热处理能赋予或改善金属材料具有的各项性能，在保持其形状和化学成分的基础上，对其化学组成及内部组织进行改变，提高其内在质量。人们为了对金属材料进行改造，使其具备想要的各项性能，包括化学性能、力学性能与物理性能，通常会通过热处理来加工。在机械工业领域，铝合金的实际应用相对较多，它的显微组织比其他类型的金属材料复杂，所以需要通过热处理来有效控制。本文以铝合金为例，研究热处理对金属材料可能造成的影响。

　　1 影响因素

　　为确保淬火加热顺利完成，准备充足的结晶核心，为同金属材料做等温处理，通过等温处理，能得到碳化物，其颗粒呈球状、弥散，原结构形态发生变化，获得球化以后的物质。晶粒处在较高的温度条件下会明显变粗，使金属自身韧性与塑性均降低，并析出一定量的奥氏体。部分奥氏体还会在此过程中得到韧性加强，材料由于所剩晶界碳化物不断变脆，导致材料自身抗疲劳性能受到影响。通过进一步探究，发现金属材料自身热疲劳性会受到回火的影响，在不同温度条件下，材料具有不同的硬度。除此之外，增加奥氏体温度，还会使基体当中的碳化物不断溶解，在淬火完成以后，奥氏体当中含有的碳及合金元素大量增加，促使金属材料自身强度显著提高，产生二次硬化峰，同时抗回火软化性也得到明显的提高[1]。

　　当然，采用不同工艺时，也会对金属材料自身抗疲劳性能造成影响，包括硬度、在高温条件下的强度及韧性，无论是化学成分，还是显微组织，都会受到很大影响。基于此，必须保证所选热处理工艺科学性与合理性，减小材料不均匀性，避免产生过大的局部应力，从而有效保证材料自身抗疲劳性，避免在热处理以后导致抗疲劳性大幅降低。

　　2 影响机理

　　从金属材料自身角度讲，其热疲劳性可以直接反映出它的抗疲劳性能。事实上，累积回火转变即为热疲劳发生实质，而热疲劳又以裂纹为主要表现，它会受到碳化物不断聚集这一因素的影响。通过对碳化物聚集进行的建模和模型分析可知，碳化物均存在于冷、热持续交替的环境当中，在这种条件下必然会发生聚集，这是一种无法避免的趋势。一个单独的颗粒可能看起来很小，但在持续循环的过程当中，颗粒将发生聚集，形成一个较大的颗粒，此时将形成整体碳化物，同时裂纹也会这一过程中形成，从微裂纹不断发育为可见裂纹。另外，金属材料当中的夹杂物与少量的碳化物通常处在非共格的相互关系中，微裂纹将产生在这一颗粒当中，当其尺寸和颗粒相似时，在冷、热持续交替的条件下，材料将受到一定程度的应力，使四周分布极大的应力，如果裂纹所在位置的应力超出极限，将使裂纹失去平衡，发生扩展，最终导致热疲劳性裂纹的产生及发展[2]。

　　3 性能验证与结果分析

　　试验操作严格按照以下规程进行:(1)对操作场地进行认真清理，认真检查电源与仪表，确认是否正常。(2)现场的操作人员必须按照要求穿戴好各类防护用品，以免在操作中发生意外造成人身伤害。(3)开启转换开关，以设备技术要求为依据进行分段的升温和降温，以此保持设备的完好性，延长其使用寿命。(4)充分注意热处理炉实际温度与网带调速，掌握并确定不同材料需要达到的温度标准，确保工件的硬度与表面平直程度，同时认真开展安全工作。(5)充分注意回火炉实际温度与网带调速，适时启动排风，确保工件完成回火后能够满足质量要求。(6)整个工作过程中相关工作人员必须坚守岗位。(7)准备好所有消防器具，同时熟练使用各种方法。(8)在停机以后，应对所有控制开关进行检查，确认其是否处在关闭的状态，并将转换开关及时关闭[3]。

　　采用不同的热处理工艺对金属材料进行热处理，验证金属材料自身热疲劳性受到的影响，2种试样执行600余次冷、热交替后，其表面都开始出现大量细裂纹，而当交替的次数达到1 200次以后，试样表面开始出现较粗的裂纹。

　　当交替次数为600次时，在680℃的温度条件下，A的值为28.11%,W的值为0.045 mm,L的值为31.76 mm,D的值为4.56×10-4;在700℃的温度条件下，A的值为18.57%,W的值为0.018 mm,L的值为28.82mm,D的值为1.33×10-4。当交替次数为1 200次时，在680℃的温度条件下，A的值为43.37%,W的值为0.081 mm,L的值为19.45 mm,D的值为21.36×10-4;在700℃的温度条件下，A的值为37.85%,W的值为0.044 mm,L的值为23.65 mm,D的值为10.31×10-4。

　　从以上数据可以看出，对于同一种类型的金属材料，采用相同的热处理工艺时，试样表面裂缝面积与主裂纹的缝宽和冷、热交替次数为正比关系，也就是当冷、热交替次数增加时，无论是裂缝的面积还是主裂纹的缝宽均明显在增大;同时，裂纹的总长和冷、热交替次数为反比关系，也就是当冷、热交替次数增加时，损伤因子不断减少[4]。

　　通过以上研究，所有试样在冷、热交替次数达到600次以后都会产生不同程度的裂纹，之后虽然也会出现新裂纹，但现有裂纹发生扩展将成为主导。一些裂纹由于冷、热交替过程中产生的应力，会使裂纹进一步加宽和加深，这些裂纹由此会变为主裂纹，其他相对来说比较细小的裂纹会因为应力被释放掉而不再扩展，伴随冷、热交替次数的不断增加，持续发生氧化剥落，而在进行抛光与酸洗之后，将会消失，因此得出了当冷、热交替次数为1 200次时试样裂纹总长反倒少于交替次数为600次的结论[5]。对于铝合金材料，采用热处理工艺后，其强度得到明显提高，材料自身热疲劳性也能得到一定程度的改善[6]。

　　结语

　　本文以铝合金为主要研究对象，对热处理工艺对其可能造成的影响进行分析探究，虽然可以得出较准确的结果，但它并不能代表所有金属材料，即不同金属材料在抵抗热处理可能造成的负面影响方面具有不同能力，需要开展具体的分析或试验来确定。但可以认定的是，通过适当的热处理，能起到良好的性能改善作用。

　　参考文献
　　[1]王宝仓，张远冲．金属材料热处理变形的影响因素和控制策略研讨[J]．世界有色金属，2019(13):171-173.
　　[2]赵琳．影响金属材料热处理变形的因素及减小措施[J]．设备管理与维修，2019(14):187-189+255.
　　[3]张宏．热处理工艺对金属材料抗疲劳性能影响研究[J]．世界有色金属，2019(10):274-275+111.
　　[4]吴爱青．浅谈金属材料热处理变形的影响因素与控制策略[J]．世界有色金属，2019(5):174+178.