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: 4328 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
將工件加熱到適當溫度，保溫一段時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一些，其機械性能也有所提高。另外，正火爐外冷卻不占用設備，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，也可作為用感應加熱方法進行表面淬火前的預備處理。
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，從而避免淬火時較大的開裂傾向。
⑥用于球墨鑄鐵，使硬度、強度、耐磨性得到提高，如用于制造汽車、拖拉機、柴油機的曲軸、連桿等重要零件。
2、退火
將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻（通常是緩慢冷卻，有時是控制冷卻）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，使化學成分均勻化，去除殘余應力，或得到預期的物理性能。退火工藝隨目的之不同而有多種，如重結晶退火、等溫退火、均勻化退火、球化退火、去除應力退火、再結晶退火，以及穩(wěn)定化退火、磁場退火等等。主要是指將材料曝露于高溫一段很長時間后，然后再慢慢冷卻的熱處理制程。主要目的是：（1）釋放應力，（2）增加材料延展性和韌性，（3）產(chǎn)生特殊顯微結構。
3、回火
將淬火成馬氏體的鋼加熱到臨界點A1以下某個溫度，保溫適當時間，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力，使鋼的組織轉變?yōu)橄鄬Ψ�(wěn)定狀態(tài)。在不降低或適當降低鋼的硬度和強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，其強度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機械性能。
5、表面熱處理
某些零件在使用時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化的表面熱處理方法。生產(chǎn)廣泛應用的有表面淬火和化學熱處理。
（1）表面淬火
表面淬火常用火焰加熱和高頻感應加熱兩種方法。火焰加熱常用氧一乙炔火焰，設備簡單。靈活方便，成本低，但熱處理質(zhì)量不穩(wěn)定;感應加熱需要在Z用設備上進行。
（2）化學熱處理
化學熱處理是將鋼件置于某種化學介質(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。常用的化學熱處理有滲碳、滲氮、碳氮共滲等。
高強度螺栓的疲勞強度一直以來都是受到重視的問題。有數(shù)據(jù)表明高強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?使其疲勞強度提高多少?針對高強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度更顯十分重要。
一、高強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。疲勞源對于螺栓微觀結構組織很敏感，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)部存在的大量位錯和一些合金元素或雜質(zhì)，晶界強度差異，這些因素都有可能導致疲勞裂紋萌生。
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雜多變的微觀組織有關。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度。
二、熱處理對疲勞強度的影響
在對螺栓疲勞強度進行分析時，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現(xiàn)，而疲勞強度的提高并不能通過提高硬度的方法。因為螺栓有缺口應力會引起較大的應力集中，對于沒有應力集中的樣品提高硬度是能夠提高其疲勞強度的。
1、硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標，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度、塑性的大小。
2、螺栓表面的應力集中會降低其表面強度，在受到交變的動載荷時，在缺口應力集中部位不斷發(fā)生微變形和恢復的過程，且其受到的應力遠遠大于無應力集中的部位，從而容易導致疲勞裂紋的產(chǎn)生。
三、熱處理提高螺栓材料的疲勞強度
緊固件通過熱處理調(diào)質(zhì)改善顯微組織，并具有優(yōu)良的綜合力學性能，可以提高螺栓材料的疲勞強度。
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展。
四、熱處理對于螺栓材料疲勞強度的影響
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致應力集中引起的。
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、脫碳對疲勞強度的影響
螺栓表面脫碳會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度。
1、GB/T3098、1標準中就有針對螺栓性能的脫碳試驗，并規(guī)定Z大脫碳層深度。大量的文獻資料表明，由于不當?shù)臒崽幚矸绞剑沟寐菟ū砻婷撎己捅砻尜|(zhì)量下降，從而使其疲勞強度降低。
2、在分析42CrMoA風電機組高強度螺栓斷裂失效原因時，發(fā)現(xiàn)在頭桿交接處是因為存在脫碳層。Fe3C在高溫下能與O2、H2O、H2發(fā)生反應導致螺栓材料內(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，同時必須采用可控氣氛保護加熱能夠很好地解決這一問題。從長遠看能夠節(jié)約資源，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
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