金屬材料熱處理的方法及其作用
發(fā)布日期：2021-6-2 類別:公司新聞 瀏覽量: 4274 times
金屬材料在固態(tài)下經(jīng)加熱、保溫和冷卻，以改善材料性能的工藝。熱處理的方法主要包括以下幾種：退火、正火、淬火、回火、調(diào)質(zhì)、表面熱處理。
1、正火
將工件加熱到適當(dāng)溫度，保溫一段時(shí)間后從爐中取出在空氣中冷卻的金屬熱處理工藝。正火與退火的不同點(diǎn)是正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快，因而正火組織要比退火組織更細(xì)一些，其機(jī)械性能也有所提高。另外，正火爐外冷卻不占用設(shè)備，生產(chǎn)率較高，因此生產(chǎn)中盡可能采用正火來代替退火。正火的主要應(yīng)用范圍有：
①用于低碳鋼，正火后硬度略高于退火，韌性也較好，可作為切削加工的預(yù)處理。
②用于中碳鋼，可代替調(diào)質(zhì)處理作為Z后熱處理，也可作為用感應(yīng)加熱方法進(jìn)行表面淬火前的預(yù)備處理。
③用于工具鋼、軸承鋼、滲碳鋼等，可以消降或抑制網(wǎng)狀碳化物的形成，從而得到球化退火所需的良好組織。
④用于鑄鋼件，可以細(xì)化鑄態(tài)組織，改善切削加工性能。
⑤用于大型鍛件，可作為Z后熱處理，從而避免淬火時(shí)較大的開裂傾向。
⑥用于球墨鑄鐵，使硬度、強(qiáng)度、耐磨性得到提高，如用于制造汽車、拖拉機(jī)、柴油機(jī)的曲軸、連桿等重要零件。
2、退火
將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時(shí)間，然后以適宜速度冷卻（通常是緩慢冷卻，有時(shí)是控制冷卻）的一種金屬熱處理工藝。目的是使經(jīng)過鑄造、鍛軋、焊接或切削加工的材料或工件軟化，改善塑性和韌性，使化學(xué)成分均勻化，去除殘余應(yīng)力，或得到預(yù)期的物理性能。退火工藝隨目的之不同而有多種，如重結(jié)晶退火、等溫退火、均勻化退火、球化退火、去除應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火，以及穩(wěn)定化退火、磁場(chǎng)退火等等。主要是指將材料曝露于高溫一段很長(zhǎng)時(shí)間后，然后再慢慢冷卻的熱處理制程。主要目的是：（1）釋放應(yīng)力，（2）增加材料延展性和韌性，（3）產(chǎn)生特殊顯微結(jié)構(gòu)。
3、回火
將淬火成馬氏體的鋼加熱到臨界點(diǎn)A1以下某個(gè)溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間，再冷到室溫的一種熱處理工藝。回火的目的在于消除淬火應(yīng)力，使鋼的組織轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)穩(wěn)定狀態(tài)。在不降低或適當(dāng)降低鋼的硬度和強(qiáng)度的條件下改善鋼的塑性和韌性，以獲得所希望的性能。
4、調(diào)質(zhì)處理
淬火后高溫回火的熱處理方法稱為調(diào)質(zhì)處理。高溫回火是指在500-650℃之間進(jìn)行回火。調(diào)質(zhì)可以使鋼的性能，材質(zhì)得到很大程度的調(diào)整，其強(qiáng)度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機(jī)械性能。
5、表面熱處理
某些零件在使用時(shí)要求表面具有高硬度、高耐磨性和抗疲勞等性能，而心部保持原有的組織和性能，這就需要采用表面強(qiáng)化的表面熱處理方法。生產(chǎn)廣泛應(yīng)用的有表面淬火和化學(xué)熱處理。
（1）表面淬火
表面淬火常用火焰加熱和高頻感應(yīng)加熱兩種方法。火焰加熱常用氧一乙炔火焰，設(shè)備簡(jiǎn)單。靈活方便，成本低，但熱處理質(zhì)量不穩(wěn)定;感應(yīng)加熱需要在Z用設(shè)備上進(jìn)行。
（2）化學(xué)熱處理
化學(xué)熱處理是將鋼件置于某種化學(xué)介質(zhì)中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入鋼件表面，改變其成分和組織，以提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性等。常用的化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮、碳氮共滲等。
高強(qiáng)度螺栓的疲勞強(qiáng)度一直以來都是受到重視的問題。有數(shù)據(jù)表明高強(qiáng)度螺栓的失效絕大多數(shù)是由于疲勞破壞引起的，且疲勞破壞時(shí)螺栓幾乎無征兆，因此重大事故很容易在產(chǎn)生疲勞破壞時(shí)發(fā)生。
那么，熱處理能夠提升緊固件材料性能嗎?使其疲勞強(qiáng)度提高多少?針對(duì)高強(qiáng)度螺栓越來越高的使用要求，通過熱處理提高螺栓材料的疲勞強(qiáng)度更顯十分重要。
一、高強(qiáng)度螺栓的材料疲勞裂紋
1、疲勞裂紋Z先開始的地方稱為疲勞源。疲勞源對(duì)于螺栓微觀結(jié)構(gòu)組織很敏感，能在很小的尺度下萌生疲勞裂紋。
2、一般在3~5個(gè)晶粒尺寸內(nèi)，螺栓表面質(zhì)量問題是主要的疲勞源，大部分的疲勞始于螺栓表面或者亞表面。
3、螺栓材料晶體內(nèi)部存在的大量位錯(cuò)和一些合金元素或雜質(zhì)，晶界強(qiáng)度差異，這些因素都有可能導(dǎo)致疲勞裂紋萌生。
研究表明，疲勞裂紋易發(fā)位置有：晶界、表面夾雜物或D二相顆粒、空洞，這些位置都與材料復(fù)雜多變的微觀組織有關(guān)。如果熱處理后能夠改善微觀組織，那么就能在一定程度上提高螺栓材料的疲勞強(qiáng)度。
二、熱處理對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響
在對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)提高螺栓的靜載荷承受能力可通過提高硬度來實(shí)現(xiàn)，而疲勞強(qiáng)度的提高并不能通過提高硬度的方法。因?yàn)槁菟ㄓ腥笨趹?yīng)力會(huì)引起較大的應(yīng)力集中，對(duì)于沒有應(yīng)力集中的樣品提高硬度是能夠提高其疲勞強(qiáng)度的。
1、硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，是材料抵抗比它更硬物體壓入的能力，硬度高低也同樣反映了金屬材料的強(qiáng)度、塑性的大小。
2、螺栓表面的應(yīng)力集中會(huì)降低其表面強(qiáng)度，在受到交變的動(dòng)載荷時(shí)，在缺口應(yīng)力集中部位不斷發(fā)生微變形和恢復(fù)的過程，且其受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無應(yīng)力集中的部位，從而容易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。
三、熱處理提高螺栓材料的疲勞強(qiáng)度
緊固件通過熱處理調(diào)質(zhì)改善顯微組織，并具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，可以提高螺栓材料的疲勞強(qiáng)度。
合理控制晶粒尺寸以保證低溫沖擊功，也能獲得較高的沖擊韌性。
合理的熱處理細(xì)化晶粒，縮短晶界距離能阻止疲勞裂紋的產(chǎn)生。
在材料內(nèi)部如果存在一定量的晶須或D二項(xiàng)顆粒，這些加入的相便可以在一定程度上阻止駐留滑移帶的滑移，從而阻止了微裂紋的萌生和擴(kuò)展。
四、熱處理對(duì)于螺栓材料疲勞強(qiáng)度的影響
在熱處理過程中，要根據(jù)螺栓性能來具體確定熱處理工藝。初始疲勞裂紋的產(chǎn)生是由于螺栓材料微觀組織缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中引起的。
熱處理是一種優(yōu)化緊固件組織的方法，能在一定程度上提高螺栓材料的疲勞性能，提高產(chǎn)品的壽命。
五、脫碳對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響
螺栓表面脫碳會(huì)降低淬火后螺栓的表面硬度、耐磨性，并顯著降低螺栓疲勞強(qiáng)度。
1、GB/T3098、1標(biāo)準(zhǔn)中就有針對(duì)螺栓性能的脫碳試驗(yàn)，并規(guī)定Z大脫碳層深度。大量的文獻(xiàn)資料表明，由于不當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞剑沟寐菟ū砻婷撎己捅砻尜|(zhì)量下降，從而使其疲勞強(qiáng)度降低。
2、在分析42CrMoA風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓斷裂失效原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)在頭桿交接處是因?yàn)榇嬖诿撎紝印e3C在高溫下能與O2、H2O、H2發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致螺栓材料內(nèi)部Fe3C的減少，從而增加了螺栓材料的鐵素體相，降低螺栓材料強(qiáng)度，容易引發(fā)微裂紋。
在熱處理過程中控制好加熱溫度，同時(shí)必須采用可控氣氛保護(hù)加熱能夠很好地解決這一問題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看能夠節(jié)約資源，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
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