热处理工艺对金属材料抗疲劳性能影响分析

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。为工业制造的发展、为国家的可持续发展做出贡献。

1 金属材料热疲劳性能影响机理

金属热疲劳现象与金属的抗疲劳性能息息相关。钢件的热疲劳裂纹的发生受碳化物堆积作用。以该模型来说明热疲劳裂纹的产生和扩展。在热循环过程中，碳化物趋于一起生长并聚集。单个颗粒可能看起来很小，但在连续循环中，这些颗粒会结合形成较大的颗粒，从而形成碳化物基团和微裂纹，这些裂纹也可能会导致新裂纹的出现，对金属性能造成影响。同时，金属材料中某些碳化物的含量是不连贯的，这些颗粒具有微裂纹。如果微裂纹的尺寸与颗粒的尺寸相当，热循环下的金属材料将会因其存在的应力而出现问题，产生更大的张力，并且如果裂纹内部的应力场的膨胀系数超过最大值，则微裂纹将不断的扩大，最终它平衡地膨胀并逐渐形成热疲劳裂纹。

2 金属材料抗疲劳性能影响因素

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。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。

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。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1200 次以后，试样表面开始出现较粗的裂纹。

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。

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1200 次时试样裂纹总长反倒少于交替次数为600 次的结论。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。

文章来源：《热处理技术与装备》 网址: http://www.rcljsyzb.cn/qikandaodu/2021/0205/339.html