金屬材料熱處理的方法及其作用
發布日期：2021-6-2 類別:公司新聞 瀏覽量: 4424 times
金屬材料在固態下經加熱、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、調質、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，生產率較高，因此生產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，可代替調質處理作為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，使鋼的組織轉變為相對穩定狀態。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、調質處理
淬火后高溫回火的熱處理方法稱為調質處理。高溫回火是指在500-650℃之間進行回火。調質可以使鋼的性能，材質得到很大程度的調整，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，但熱處理質量不穩定;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。有數據表明高強度螺栓的失效絕大多數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生疲勞破壞時發生。
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，螺栓表面質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、螺栓材料晶體內部存在的大量位錯和一些合金元素或雜質，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，發現提高螺栓的靜載荷承受能力可通過提高硬度來實現，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質改善顯微組織，并具有優良的綜合力學性能，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生。
在材料內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，要根據螺栓性能來具體確定熱處理工藝。初始疲勞裂紋的產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，并規定Z大脫碳層深度。大量的文獻資料表明，由于不當的熱處理方式，使得螺栓表面脫碳和表面質量下降，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，發現在頭桿交接處是因為存在脫碳層。Fe3C在高溫下能與O2、H2O、H2發生反應導致螺栓材料內部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。從長遠看能夠節約資源，符合可持續發展戰略。
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