刘亦晴

摘 要：本文基于金属材料热处理工艺的应用为中心，首先介绍了对金属材料进行热处理的作用，其次分析了金属材料热处理过程所产生的变形问题及其原因，结合选用合适的冷却介质和精确控制温度等方法，论证如何避免和减少金属材料热处理中变形与开裂问题。

关键词：金属材料;热处理;变形;开裂

在机械制造等行业中对金属材料进行热处理是一种较为重要的工艺，热处理与其他加工工艺不同，其过程不改变材料的外部形状，除了材料表面可能发生局部化学成分改变以外，材料本体的化学成分一般不变，热处理通过改变材料内部显微组织结构，使材料获得更优的使用性能。

1 对金属材料进行热处理的作用

在机械工业中经常应用的金属材料有钢铁、铝、铜等，这些材料都可以进行热处理以改变其物理、化学和力学等性能，以满足更高的使用性能要求，在这些常用金属材料中钢铁是应用最为广泛的材料。

1.1 金属材料热处理主要工艺

根据热处理的部位不同，金属材料的热处理可分为表面热处理和整体热处理两类，其中，表面热处理只加热零部件表层，整体热处理是对零部件整体进行加热，表面热处理的目的是改变零部件表层力学性能，而整体热处理的目的是改变零部件的整体力学性能。

对零部件的表面进行热处理的工艺，必须精确控制对零部件的加热过程，对零部件的表层进行加热的同时，不能使过多的热量传导至零部件内部，通常采取的措施是选用具有高能量密度的热源，例如采用火焰淬火和电感应方式作为加热热源，使零部件表层或局部在短时间就能达到工艺需要的温度。对零部件整体热处理的工艺，是对其整体进行加热，将金属零部件放置在专用加热装置中，当零部件达到适当的温度时，再按工艺要求的速度进行冷却，以达到改变零部件整体各项性能的目的。

对钢铁材料的整体热处理有四种基本工艺，分别是退火、正火、淬火和回火处理。退火是将金属零部件进行加热，当零部件达到合适的温度时进行保温，保温时间需根据金属材料和零部件外形尺寸设定，保温结束后再对零部件进行缓慢的冷却，慢速冷却的目的是尽可能使金属内部组织达到平衡状态，通过内部组织的再平衡也可以达到释放前工序内部应力的作用，使金属零部件工艺性能和使用性能得以提升。通常情况下，高质量的淬火之前会选择退火工艺，以使金属材料内部组织做好准备。正火的过程与退火较为相似，当零部件達到合适的温度时，将零部件放置到空气中自然冷却。同退火相比正火后组织更细，金属材料的切削性能有较大提升，在对零部件要求不高的场合，正火也可以作为一种最终的热处理方式。淬火的目的是使零部件硬度增强，首先将零部件加热，经保温后将零部件投入液体介质中使其快速冷却，常用的淬火液体有水、无机盐溶液或油等，经淬火的零部件在硬度增加的同时脆性也增加。回火是淬火的后工序，在某些时候为了降低零部件经淬火后的脆性，会采取回火工艺，即将零部件在650℃以下且高于室温的环境下，进行较长时间的恒温保温过程，然后再将零部件冷却。

1.2 金属材料热处理工艺的优缺点

在机械制造行业中大部分机械零部件的工作条件都是在常温常压下的，这些零部件通常都需要承受不同载荷。零部件的机械性能是指其在载荷作用下抵抗破坏的能力，零部件必须具备抵抗拉伸、扭转、压缩、冲击等载荷的能力。对金属材料进行热处理可以有效提升材料的机械性能，不同的热处理工艺可对应不同的机械性能提升要求，例如强度、塑性、硬度等。在实际应用过程中，常常会选择将多种热处理工艺合并使用，较为常见的有调质处理，即把淬火和高温回火结合起来，使金属材料强度和韧性同时增加。在同样满足机械性能需要的情况下，同更换高性能材质比，金属材料热处理的另外一个优点是在兼顾了高性能的同时具有良好的经济性，热处理工艺的广泛应用在推动国民经济发展方面起到了巨大的作用。

在具有诸多优点的同时，金属材料的热处理工艺也有其固有的缺陷，其中最主要的缺陷是热处理经常造成零部件发生变形，当热处理变形超出工艺允许的范围时，会使零部件的使用功能受到限制，甚至会导致零部件报废。因此对金属材料热处理变形原理进行研究很有必要。通过研究可有针对性地采取措施，控制金属材料的变形，或者预留变形余量，确保零部件热处理后的可用性。通过对热处理变形的研究和控制，可以有效降低热处理零部件废品率，也可以精确设计加工余量，降低后工序加工成本。

2 金属材料热处理过程变形问题及原因

2.1 热处理过程中应力分析

零部件的热处理过程中，由于加热和冷却均无法实现零部件表层和中心部位的完全同步，热传导速度导致了零部件不同位置具有一定的温度差，零部件不同位置间因温度不同所产生的体积膨胀和收缩也不同，因而产生了热应力。当零部件在冷却过程中，表层温度低于中心部位，冷却前期在热应力的作用下，表层的收缩大于中心部位，使零部件表层产生拉应力，中心部位产生压应力。在冷却中期热应力进一步增加，导致零部件产生具备塑形变形。在冷却后期表层的冷却速度慢于中心部位的速度，中心部位的收缩降低了一部分前期产生的热应力。当冷却完全结束时，零部件表层残留的热应力为压应力，而零部件中心部位残留的热应力为拉应力。

在产生热应用的同时，钢材在热处理过程也产生组织应力，钢材的热处理过程中会发生组织变化，随着奥氏体向马氏体转变，因比容不同会导致材料体积产生相应的膨胀，这种因相变而导致的体积膨胀，因不同部位相变速度不均，会产生组织应力。在零部件热处理后所残留的应力，是热应力与组织应力共同作用的结果，随着零部件形状、成分不同，起决定作用的应力也不同，最终导致热处理后的应力残留有较大区别。

2.2 工艺性与变形的关联性

金属材料热处理过程中的变形与零部件的温度等参数关联性较大，包括加热温度、升温速度、保温时间等因素，所以必须设计合理的热处理工艺，并且确保在实际操作中必须严格执行工艺要求。如果加热炉的温度传感器精度不足或者操作者疏忽，可能导致零部件热处理的质量问题，发生诸如金属材料变形或开裂等缺陷，零部件表面硬度下降，影响其淬透性，屈服强度降低，严重的可能造成材料报废。

金属材料热处理过程中单纯的拉应力通常不会导致零部件变形或开裂，金属材料所承受的总应力是拉应力与各种其他應力的综合结果，当总应力达到或超过临界值时，金属材料就可能出现微观的变形与开裂，使材料本身的防开裂能力或防腐蚀能力大幅度降低，材料表面起到控制裂纹作用的保护膜破损，进一步提高材料开裂的敏感性，当零部件的外观出现局部开裂或变形时，其使用寿命和产品质量受到影响，从而限制了材料在机械工业中的应用。

3 如何避免金属材料热处理中变形与开裂问题发生

3.1 在金属材料热处理过程中选用合适的冷却介质

水是常见的淬火介质之一，其优点是冷却能力较强、成本低、成分稳定、不易变质，但水作为淬火介质其缺点也较为突出，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零部件产生变形或开裂。

为了克服水作为淬火介质的缺点，通常采取在水中添加食盐或碱等方式，当高温零部件浸入水溶液后，在蒸汽膜阶段所析出的食盐或碱的晶体产生爆裂，从而达到破坏蒸汽膜的作用，同时也起到了破坏零部件表层的氧化皮的作用，水溶液在高温区的冷却能力同水相比有较大幅度提升。为了控制水溶液对金属的腐蚀性，通常将溶液浓度控制在10%～15%之间，并且在淬火后对零部件进行清洗和防锈处理。

矿物油也是较为常用的冷却介质，如机油、变压器油或柴油等，也可以将不同类型和黏度的矿物油按配比混合使用，进一步通过提升特性温度来增加淬火油在高温区的冷却能力。通过选择合适的冷却介质，实现对金属材料较高的淬透性和淬硬性，同时避免零部件产生较大变形。

3.2 在金属材料热处理过程中提高对温度控制的精确度

各种金属材料在常温常压下外形具有不同的尺寸稳定性，微观裂纹数量也有较大区别，其表现出的外部特征是由金属材料性质决定的，如果材料具有易产生裂纹的内在性质，则在外力的长期作用下，材料就会表现出易断裂的特性。金属材料的断裂特性与材料的强度相关，材料的强度越高，金属零部件在实际工况中越抗断裂，而材料的强度与其内在的金属晶体排列相关，晶体错位越少则金属强度越大，所以，在热处理工艺的设计方面需要精确控制各工艺阶段的温度，通过采取细化金属内部晶粒的措施改变晶粒排列，进一步提高金属材料的强度。

3.3 减少金属材料因热处理产生的残余应力

尽管通过工艺优化可以减少金属材料经热处理后所残留的应力，但仍不能完全予以消除，而残留的应用会破坏金属材料表面的保护膜，导致零部件的变形或开裂，所以必须根据零部件应用的场合，采取必要措施将残留应用降低到可以接受的程度。对于本身就有局部缺陷的零部件，在进行热处理之前要确认其表面粗糙度、裂纹、划伤等表面质量，因为这些因素会导致零部件在淬火时因热膨胀而产生应力集中，零部件可能因而产生严重变形或开裂，为了避免热处理失败，对此类有缺陷的零部件可以在热处理之前预先采取适当的修复措施。

4 结语

热处理作为一种兼顾高性能和经济性的材料处理手段，在机械制造等行业得到广泛应用，在实际应用过程中也出现了许多亟待解决的技术问题。热处理所导致的金属材料变形和开裂问题增加了零部件的质量成本，也限制了热处理工艺在部分有特殊性能要求的场合的应用。有效解决金属材料热处理所导致的变形和开裂问题，需要科研技术人员从理论和实践层面不断探索和研究，针对不同的材质和应用场景，提出有针对性的解决方案。

参考文献：

[1]杨杨.金属材料热处理变形的影响因素和控制策略 [J].机械化工，2019（9）.

[2]王利荣.浅谈金属材料热处理变形的影响要素及控制策略[J].世界有色金属，2018（09）.

[3]由建行.热处理变形在金属材料的影响因素和减小措施[J].世界有色金属，2016（16）.

[4]李春雷.热处理工艺中温度及应力与金属材料的关系探讨[J].中国金属通报，2018（03）.