热处理工艺对金属材料抗疲劳性能影响分析

2021-08-01谢进

中国金属通报 2021年3期

谢进

（山西铁路装备制造集团轨道交通有限公司，山西晋中 030600）

为了能够更好地分析金属材料的抗疲劳性，就需要掌握热处理工艺造成的影响，分析相关的热处理工艺，观察金属材料的热疲劳性能，明确热加工时期出现的变化。通过研究能够看出，金属采取热处理工艺，可以改善钢材的耐热性，而且可以提升热疲劳性，这样可以显示出提升金属抗疲劳性能是比较重要的。

1 热处理预热和金属材料的切削性能所存在的关系

在热加工的时候存在冶金缺陷，因此需要先对于各个金属材料采取热处理，其中要具备热处理和切削加工良好组织状态，保障金属材料的加工精度，如此也可以改善金属切削性能。在切削金属材料的时候，要是选择预热处理措施，金属材料的光洁度会发生一定的变化，使用热处理工艺进行预热处理有助于提升金属材料的光洁度。金属材料的内部组织和硬度存在一定的差异，因此在采取热处理工艺的时候，需要掌握相对应的切削性能，选择最合适的切削条件和工具，如此也有助于提升金属材料的切削光洁度。

不仅如此，在切削金属材料热处理的时候，要是金属材料没有经过预热，就比较容易因为硬度较低进而产生粘刀的情况。本文对于金属材料采取预热处理，掌握金属材料和预热处理存在的切削性能关系。在这个过程中也需要研究金属材料和预热处理存在的切削性能关系，掌握经过预热处理的金属材料各项性能是否得到了显著的提升。通过研究可以看出，及你数材料和预热处理存在的切削性能保持正比关系，借助预热处理也可以改善金属材料的切削性能。

2 金属材料热处理工艺使用的重要性

2.1 增强金属材料性能

如今企业选择传统的工业方法虽然可以实现金属切削，而且可以在短时间中加工出符合规定的工业产品，不过难以有效地保障金属材料的性能质量，因此加工出来的部件规格参数和工业产品还是存在一些问题，稳定性较差，并且使用的寿命较短，这些产品在使用的时候难以处于一个稳定的状态，不过通过对于金属材料进行热处理，能够显著增强金属材料性能，并且可以有效地保障产品质量，增加使用年限。例如一部分金属材料要是长期存储和放置，金属材料的应力会产生裂口和腐蚀等情况，通过进行热处理，可以降低应力状况对于金属材料的影响，而且可以改善金属材料的使用性能。其中金属材料进行热处理之后，需要保障金属材料产生氧化的情况。

2.2 减小金属材料的切削难度

传统的金属材料部件和工业产品在生产的时候，金属材料的硬度系数会直接影响到整体的切削作业，常见的问题包括切削难度较大，整体的作业效率较差，道具比较容易产生磨损的情况，之所以会产生这些情况，主要就是由于金属材料硬度系数较高，不过要是进行热处理，可以有效地调整金属材料性能，而且可以有效地应对各项问题，不仅能够更好地保障金属加工质量，而且可以提升金属材料在生产时期的切削效率。

3 金属材料热疲劳性能影响机理

钢件热疲劳裂纹，主要是由于存在碳化物堆积作用。下图就是碳

金属热疲劳和金属抗疲劳有着紧密的联系，之所以会产生化物聚集的模型，这个模型展示了热疲劳裂纹的产生以及扩散，在热循环的时候，碳化物可以做到一起生长和聚集，其中单个颗粒比较小，不过通过连续循环，这部分颗粒会产生较大的颗粒，而且会产生碳化物基团以及微裂纹，这部分裂纹比较容易造成新的裂纹，进而影响到金属性能。在这个时期，金属材料的部分碳化物含量不是连贯的，这部分颗粒存在微裂纹，要是微裂纹的尺寸和颗粒的尺寸相似，热循环下的金属材料会由于存在的应力进而产生各种问题，要是裂纹内部的应力场膨胀系数超出了预定的范围，裂纹就会持续地进行扩散，进而产生热疲劳裂纹。

图1 碳化物聚集模型

4 金属材料热处理加工工艺的具体使用

4.1 对于真空热处理技术的使用

在10Pa 环境中进行真空热处理，虽然整体的金属材料性能不会产生较大的变化，但是可以防止加工时期出现变形的情况，其中可以避免金属材料中出现气孔的情况，整体的材料效果也比较可靠。

4.2 对于振动时效热处理工艺技术的使用

在使用振动时效热处理工艺技术的时候，需要联系机械振动过程或者是超声波振动过程来减小工作时期存在的内部残余应力，因此也能够称作振动消除应力法。借助这项技术可以显著提升金属材料的稳定性，而且可以实现对于材料变形的控制。不仅如此，振动时效处理措施在控制和监督金属材料加工设备的时候可以达到一个良好的效果，其中可以有效地符合自动化控制需求进而提升金属材料生产效率，增强产品质量，而且可以减少企业的生产成本，因此得到了广泛的使用。

4.3 对于表面渗层处理工艺技术的使用

对于这项技术的使用就是把化学元素渗入到工件表层，确保可以改善金属工件性能，在进行操作实践的时候，会选择把工件放置到含有多种合金元素的介质中完成综合加热处理。在处理的时候可以使得各项元素快速地渗入到工件表层里面，这样的一种技术可以显著改善工件的亮度和光洁度，而且可以有效地改善工件的耐磨性。在开展材料表面渗层处理的时候，可以先选择化学热处理措施，对于金属材料的表面渗层进行处理挑战，实现提升金属材料的整体塑韧性，之后借助表面渗层处理可以显著提升材料的使用效率。这个过程不会消耗较多的材料，而且可以更加合理地控制金属材料生产过程，并且由于该项工艺不会造成较大的污染，进而不会给附近环境造成一定的影响。

4.4 激光热处理工艺技术的使用

通过使用这项技术可以达到一个良好的热处理效果，能够显著提升金属表面硬度，整体的处理效果比较可靠。要想确保激光热处理工艺技术可以达到一个精准的使用状态，就需要在激光热处理的时候，联系计算机和有关的辅助设施来控制激光使用情况。通过使用计算机系统，这项技术变得越来越自动化和智能化，而且有着比较广阔的发展潜力。

4.5 对于电子束淬火工艺技术的使用

在使用电子束淬火工艺技术的时候，主要就是选择把电子束当作基础热源，其中加热工件的速度较快，整体属于自冷式方法。电子束的能量显著大于普通激光，能量的使用效率也高于激光热处理效率，整体的使用效率可以达到百分之八十以上。在电子束表面淬火使用的时候，能够提供质量较高的淬火，整体的淬火过程不会给其它的工件造成一定的影响，因此得到了相关行业的高度重视，这项技术也有着比较可观的前途。

4.6 对于热处理CAD工艺技术的使用

对于热处理CAD 工艺技术的使用属于现阶段现代金属热处理时期的一种先进技术，这项技术有着比较广泛的使用范围，其中主要就是以计算机模拟为基础，联系智能控制来全面改善整体的热处理操作流程。

热处理CAD 技术的使用和振动时效处理技术有着紧密的联系，可以快速地完成对于金属材料的热处理，而且可以保障金属材料在热处理的时候具备较强的安全性和稳定性。热处理CAD技术需要抽取热处理环境中的空气成分，并且在这个时期需要增加一些惰性气体，避免在金属材料热处理的时候出现金属氧化的情况，进而影响到材料质量。

5 金属材料热处理变形的影响因素

在金属材料的热处理过程中，影响金属材料变形的主要因素有。

5.1 温度的影响

加热温度达到一定数值时金属材料完成加热处理，随着加热温度持续下降，金属材料的耐高温性能会随之减弱。在一个特定的临界温度点，金属材料的内部张力和结构应力也会发生变化，对材料性能的影响也较大，因此要全面了解引发金属材料变形的相关因素。

5.2 冷却介质的影响

淬火介质会对金属材料的热处理产生一定的影响，而金属材料热处理出现变形情况通常是由于加入介质速度及搅拌措施导致的，金属材料的内部组织形态发生改变材料的外观也会发生变化。经过实验研究得出，金属材料的热处理与冷却介质有一定的关联性。

5.3 预处理的间接作用

在开展加工操作之前，一部分材料需要采取预处理措施，去除金属材料中的原始内部张力。一般情况下，预处理工艺技术属于标准化措施，因为要求的空间规模较大，标准化过程中的冷却环节都堆叠冷却的可能。在这个时期，金属材料需要完全冷却，要是没有充分冷却就会严重影响到金属的材料性能。

6 性能验证与结果分析

在进行试验操作的时候，主要的流程包括这样几个部分：首先需要仔细地清理操作场地，仔细地检查电源和仪表，明确其是否处于正常的状态。现场的操作人员需要根据相关的需求来佩戴各项防护用具，防止在操作的时候出现意外的情况。操作时期开启转换开关，按照设备技术需求来分段控制温度，保障设备的完好性，如此也可以增加设备的使用寿命。在这个过程中要重视热处理炉实际温度和网带调速，明确不同材料的温度标准，保障工件的硬度和表面平直程度，其中要正确进行安全工作。对于工作人员来说需要重视回火炉实际温度和网带调速，控制好排风，保障工件完成回火之后可以满足质量需求。整个工作过程需要确保工作人员坚守自己的岗位，而且要准备好各项消防用具，工作人员需要熟练地使用各项措施，等到停机完毕，需要检查各项控制开关，确保这些开关处于关闭的状态，需要注意的是转换开关需要及时地关闭。

在对于金属材料开展热处理的过程中，选择的热处理工艺也存在一定的差异，其中需要验证金属材料自身疲劳性受到的影响，通过多次冷热交替，金属表面都产生一定的细裂纹，等到交替次数达到一千两百次之后，试样表面会产生粗裂纹。针对同种金属材料，选择相同的热处理工艺，试样表面缝隙和热交替的次数保持一定的比例关系，冷热交替次数增加，裂缝规模也会增加。载重合格时期，裂纹的长度和冷热交替次数处于反比例关系，随着冷热交替次数的增多，损伤因子会持续减少。

通过研究可以看出，试验工件经过冷热交替六百次之后会产生一定程度的裂纹，之后虽然也会产生新的裂纹，不过大多数就是之前的裂纹扩散。一部分裂纹因为经过冷热交替会产生一定的应力，裂纹规模也会发生一定的变化，这部分裂缝会产生主裂纹，其他相对较小的裂纹也会随着应力的减小而不会再出现扩展的情况。不仅如此，随着冷热交替次数多持续增多，氧化剥落问题也会变得越来越严重，不过通过抛光和酸洗，这部分氧化脱落也会消失。不仅如此，针对铝合金材料，选择热处理工艺，金属材料强度会显著提升，材料的自身热疲劳性也会得到一定的改善。

具体的实验过程：首先就是先仔细地清理操作场地，保障电源表处于一个正常的运行状态，对于工作人员来说，在使用防护设备的时候需要按照相关的规章制度进行操作。其中技术要求包括加热温度以及冷却温度，而且需要具备完整性的维护和总寿命，可以急速的增加室内的温度，能够有效地控制材料温度，实现减小表面硬度。操作时期需要控制好室内的温度，确保可以实现长期放电和维护工作。在工作的时候，只有参照相关的标准才可以更好地保障整体的安全性，要是温度以及疲劳性能处于不平衡的状态，表面材料经过六百次冷循环之后，单个材料的裂纹不够均匀，表面循环1200 次之后裂纹厚度更大。下表为损伤因素记录表，能够看出要是材料处于相同的处理条件中，选择相同工艺样品的裂纹面积和主要裂纹以及热疲劳循环数处于一个比例关系，随着热疲劳循环次数的增加，损伤因子的数量也会持续增多，不过裂纹总长度会减小，能够看出损伤因子和循环次数有着紧密的关系。

表1 显示的是不同温度下的热疲劳表面损伤因子的记录

7 金属材料热处理工艺技术的发展和创新

7.1 对于金属材料热处理工艺技术的创新

现阶段科学技术发展速度持续增快，金属材料热处理工艺技术也得到了显著的发展，其中可控气氛热处理工艺技术属于一种新型的金属材料热处理工艺技术，这属于气体介质，能够实现对于气氛的控制以及保护。这项技术不仅能够有效地保护金属表面的性能，而且可以提升热处理工作的完整性和可靠性。特别是对于钢制工制品，借助这项技术能够实现对于钢材料的保护，主要由于钢在高温预热环境中会产生氧化的作用，这样会破坏金属表面，不过使用这项技术能够显著减小钢氧化概率。不仅如此，这项技术也能够在其它的金属材料中进行使用，其中可以自主地控制尺寸，并且能够提升操作的灵活性。如今可控气氛热处理工艺技术得到了广泛的使用，不过在使用的时候还是存在一些问题，对于工作人员来说需要深入地进行研究和分析，确保这项技术能够获得更加显著的发展和进步，这样也能够给社会的可持续发展提供更加可靠的保障。

7.2 金属材料热处理工艺技术的发展趋势

7.2.1 自动化发展

现阶段金属材料热处理工艺技术得到了相关企业的高度重视，企业在使用这项技术的时候，需要具备合理的配置，而且需要消耗较多的人力资源和物力资源，在进行金属热处理的过程中，人为因素属于主要的影响因素，对于科研人员来说需要重视对于金属材料热处理工艺技术的自动化发展，实现自动化应用，这样不仅可以显著改善金属热处理效果，而且可以充分地联系热处理工艺和信息技术，进而实现对于金属材料热处理效率的提升。

7.2.2 无氧化处理

如今我国科学技术发展速度持续增快，无氧化处理技术也得到了广泛的使用，这项技术有着较高的使用价值，可控气氛技术也属于无氧化处理技术，借助可控气氛热处理工艺技术能够显著减小钢的氧化概率，而且可以提升热处理的稳定性以及可靠性，因此主要就是使用到钢制品热处理过程中，能够看出这项技术属于金属材料热处理工艺的主要发展趋势，对于企业来说需要增强对于无氧化处理工艺技术的研发，使其可以发挥更加显著的作用。