金屬材料的熱處理是將固態(tài)金屬或合金，采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，有時并兼之以化學作用和機械作用，使金屬合金內(nèi)部的組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而獲得改善材料性能的工藝。金屬材料在處理過程中不可避免地會產(chǎn)生或多或少的變形，而這又是機械加工中必須避免的，兩者之間是共存而又需要避免的關(guān)系，只能采用相應的方法盡量把變形量控制在盡量小的范圍內(nèi)。而要減小熱處理的變形，我們就需要了解影響熱處理變形的因素。正確制定熱處理工藝可以改變某些金屬材料的機械性能。而不合理的熱處理條件，不僅不會提高材料的機械性能，反而會破壞材料原有的性能。因此，設(shè)計人員在根據(jù)金屬材料成分及組織確定熱處理的工藝要求時，應準確分析金屬材料與熱處理工藝的關(guān)系，合理安排工藝流程，才能得到理想的效果。

1金屬材料與熱處理工藝的關(guān)系

1.1金屬材料的切削性能與熱處理預熱的關(guān)系

金屬材料加工的整個工藝流程中，如果切削加工工藝與熱處理工藝之間能相互溝通，密切配合，對提高產(chǎn)品質(zhì)量將有很大好處。在金屬切削過程中，由于被加工材料、切削刀具和切削條件的不同，金屬的變形程度也不同，從而產(chǎn)生不同程度的光潔度。預先熱處理主要是應用于各類鑄、鍛、焊工件的毛坯或半成品消除冶金及熱加工過程產(chǎn)生的缺陷，并為以后切削加工及熱處理準備良好的組織狀態(tài)。從而保證材料的切削性能、加工精度和減少變形。提高零件的切削性能。各種材料的最佳切削性能都對應有一定的硬度范圍和金相組織。齒坯材料在切削加工中，當齒柸硬度偏低時會產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，在前傾面上形成積屑瘤，使被加工零件的表面光潔度降低。而對齒坯材料進行正火，不完全淬火處理，切屑容易碎裂，形成粘刀的傾向性減少。并隨著齒坯硬度的提高，切屑從帶狀向擠裂多渡，減少了粘刀現(xiàn)象，提高了切削性能。經(jīng)固溶處理和時效強化后的鋁合金，比鑄態(tài)或壓力加工狀態(tài)的切削性能好。所以鋁合金通常都是先經(jīng)強化處理(固溶處理，時效，時效)，再切削加工。晶粒細小、均勻的組織，不僅改善了切削性能，提高了機械加工精度，而且為最終熱處理(淬火十回火)，保證獲得良好的組織和陛能做好準備。

1.2金屬材料的斷裂韌性與熱處理溫度的關(guān)系斷裂力學的出發(fā)點是：任何材料實際都含有不同數(shù)量、不同尺寸的裂紋。斷裂韌性實際可以理解為含有裂紋的材料在外力作用下抵抗裂紋擴展的性能。提高金屬斷裂韌性的關(guān)鍵是要減少金屬晶體中位錯，使金屬材料中的位錯密度下降，從而提高金屬強度。細晶強化是減少金屬晶體中位錯的一種重要方法，其原理是通過細化晶粒使晶界所占比例增高而阻礙位錯滑移從而提高材料強韌性。而金屬組織的細化則主要通過熱處理后再結(jié)晶獲得。當冷變形金屬加熱到足夠高的溫度以后，會在變形最劇烈的區(qū)域產(chǎn)生新的等軸晶粒來代替原來的變形晶粒，這個過程稱為再結(jié)晶。只有在一定的應力和變形溫度的條件下，材料在變形過程中才會積累到足夠高的局部位錯密度級別，導致發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。因此，不同溫度對金屬的再結(jié)晶效果好壞有明顯的關(guān)系?？梢酝ㄟ^以下實驗證明，在SY鋼坯料上線切割適當?shù)男A柱，機加工后，選擇在700℃、800℃、900℃、1000℃和1100℃在Cleeble-1500型熱模擬試驗機上以5×10-1的變形速率保溫30s壓縮變形50%然后在空氣中冷至室溫，再進行680℃×6hAC(空冷)的退火處理，再將壓縮后的試樣沿軸向線切割剖開，研磨拋光后用化學物質(zhì)顯示晶粒形貌。實驗現(xiàn)象為，在700℃時，扁平的晶粒開始逐漸向等軸晶粒的形狀變化。800℃變形的晶粒中等軸晶粒已經(jīng)有少量出現(xiàn)，但仍然以變形拉長的晶粒為主。在900℃變形開始，晶粒突然變得細小，幾乎全部為等軸晶粒，晶粒度達到Y(jié)Bl2級。在900℃以上，晶粒開始長大。因此，900℃左右溫度，是鋼的宏觀性能變化最為劇烈的階段。再結(jié)晶晶核的形成與長大都需要原子的擴散，因此必須將變形金屬加熱到一定溫度之上，足以激活原子，使其能進行遷移時，再結(jié)晶過程才能進行。那么，我們就可以得出控制熱處理的溫度，可以提高金屬材料的斷裂韌性。

1.3金屬材料抗應力腐蝕開裂與熱處理應力的關(guān)系

金屬材料在拉伸應力和特定腐蝕環(huán)境共同作用下發(fā)生的脆性斷

裂破壞稱為應力腐蝕開裂。大部分引起應力腐蝕開裂的應力是由殘余拉應力引起的。殘余應力是金屬在焊接過程中產(chǎn)生的。金屬在加熱時，以及加熱后冷卻處理時，改變了材料內(nèi)部的組織和性能，同時伴隨產(chǎn)生了金屬熱應力和相變應力。這種應力對材料的影響有利也有弊，下面主要對金屬熱處理中的殘余應力與形成裂紋間的關(guān)系進行分析。金屬材料在加熱和冷卻過程中，表層和心部的加熱及冷卻速度(或時間)不一致，由于溫導致材料體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應力，即熱應力。在熱應力的作用下，由于冷卻時金屬表層溫度低于心部，收縮表面大于心部而使心部受拉應力，另一方面材料在熱處理過程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時，因比容的增大會伴隨材料體積的膨脹，材料各部位先后相變，造成體積長大不一致而產(chǎn)生組織應力。組織應力變化的最終結(jié)果是表層受拉應力，心部受壓應力，恰好與拉應力相反。金屬熱處理的熱應力和相變應力疊加的結(jié)果就是材料中的殘余應力。金屬熱處理中淬火冷卻速度是一個能影響淬火質(zhì)量并決定殘余應力的重要因素，也是一個能對淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。通過相關(guān)實驗，我們可以得出：1)淬火冷卻速度加快，抑制縱裂效果增大。為了達到淬火的目的，通常必須加速材料在高溫段內(nèi)的冷卻速度，并使之超過材料的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。就殘余應力而論，這樣做由于能增加抵消組織應力作用的熱應力值，故能減少工件表面上的拉應力而達到抑制縱裂的目的。2)冷卻后期緩冷的。主要不是為了降低馬氏體相變的膨脹速度和組織應力值，而在于盡量減小截面溫差和截面中心部位金屬的收縮速度，從而達到減小應力值和最終抑制淬裂的目的。

1.4金屬材料的切邊橫量與熱處理溫度的關(guān)系

切變模量是材料的力學性能指標之一，是材料在剪切應力作用下，在彈性變形比例極限范圍內(nèi)，切應力與切應變的比值。它表征材料抵抗切應變的能力，模量大，則表示材料的剛性強。通過熱處理，可以改變材料的性能。同時，材料本身的物理性質(zhì)也發(fā)生改變，切邊模量應該也隨之變化。從而導致了彈簧的實際伸長量與設(shè)計計算的伸長量存在著一定的誤差。筆者結(jié)合相關(guān)實驗，分析了熱處理與金屬材料切邊模量變化的關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)中在選用彈簧鋼進行彈簧設(shè)計計算時，要用到材料的切邊模量和彈簧模量。如果按傳統(tǒng)設(shè)計資料中給出的切邊模量取值。那么，通常計算的彈簧變形量和實際測得的彈簧變形量有較大的誤差。這是因為加工后的成品彈簧，特別是熱繞成形的彈簧都需經(jīng)過熱處理。

2變形原因

零件的變形包括尺寸變形和幾何形狀的變形，而熱處理時這兩種變形同時存在，在于熱處理時工件內(nèi)部的熱應力和組織應力綜合作用的結(jié)果。當應力大于材料屈服強度時變形就會產(chǎn)生，淬火變形還與鋼的屈服強度有關(guān)，材料塑性變形抗力越大，其變形程度越小。就產(chǎn)生的根源來說，可分為內(nèi)應力造成的應力塑性變形和比容變化引起的體積變形。

2.1內(nèi)應力塑性變形

熱處理過程中加熱冷卻的不均勻和相變的不等時性,都會產(chǎn)生內(nèi)應力,在一定塑性條件的配合下,就會產(chǎn)生內(nèi)應力塑性變形。在加熱和冷卻過程中,零件的內(nèi)外層加熱和冷卻速度不同造成各處溫度不一致,致使熱脹冷縮的程度不同,這樣產(chǎn)生的應力變形叫熱應力塑性變形。

2.2比容變化引起的體積變形

比容變形在熱處理過程中,各種相結(jié)構(gòu)的組織比容不同,在相變時發(fā)生的體積和尺寸變化為比容變形。比容變形一般只與奧氏體中碳和金元素的含量、游離相碳化物、鐵素體的多少、淬火前后組織比容變化差和殘余奧氏體的多少和鋼的淬透性等因素有關(guān)。

3金屬材料變形控制

通過以上分析確定了金屬材料在熱處理過程中變形的原因，減小熱處理變形需要合理的熱處理工藝。各種熱處理方式相結(jié)合，搭配，盡量既滿足性能需要同時又減少變形等缺陷。通過以下的方法可以盡量降低熱處理后的變形。

3.1合理的加熱次序和冷卻次序

根據(jù)不同零件的結(jié)構(gòu)特點，制定適合該零件的熱處理順序，可相應的減小熱處理帶來的變形，盡量使各部分熱處理產(chǎn)生的變形可以相互抵消。最終達到變形最小的目的。不過，此方法成本較高，較復雜，浪費時間。一般情況下，除非非常精密的零件，才會采用此種方式。

3.2預備熱處理

正火硬度過高、混晶、大量索氏體或魏氏組織都會使內(nèi)孔變形增大，所以要用控溫正火或等溫退火來處理鍛件。金屬的正火、退火以及在進行淬火之前的調(diào)質(zhì)，都會對金屬最終的變形量產(chǎn)生一定的影響，直接影響到的是金屬組織結(jié)構(gòu)上的變化。實踐證明，在正火時采用等溫淬火可有效地使金屬組織結(jié)構(gòu)趨于均勻，從而使其變形量減小。

3.3運用合理的冷卻方法

金屬淬火后冷卻過程對變形的影響也是很重要的一個變形原因。熱油淬火比冷油淬火變形小，一般控制在100±20℃。油的冷卻能力對變形也是至關(guān)重要的。淬火的攪拌方式和速度均影響變形。金屬熱處理冷卻速度越快，冷卻越不均勻，產(chǎn)生的應力越大，模具的變形也越大?？梢栽诒ＷC模具硬度要求的前提下，盡量采用預冷；采用分級冷卻淬火能顯著減少金屬淬火時產(chǎn)生的熱應力和組織應力，是減少一些形狀較復雜工件變形的有效方法；對一些特別復雜或精度要求較高的工件，利用等溫淬火能顯著減少變形。

3.4零件結(jié)構(gòu)要合理

金屬熱處理后在冷卻過程中，總是薄的部分冷得快，厚的部分冷得慢。在滿足實際生產(chǎn)需要的情況下，應盡量減少工件厚薄懸殊，零件截面力求均勻，以減少過渡區(qū)因應力集中產(chǎn)生畸變和開裂傾向；工件應盡量保持結(jié)構(gòu)與材料成分和組織的對稱性，以減少由于冷卻不均引起的畸變；工件應盡量避免尖銳棱角、溝槽等，在工件的厚薄交界處、臺階處要有圓角過渡；盡量減少工件上的孔、槽筋結(jié)構(gòu)不對稱；厚度不均勻零件采用預留加工量的方法。

3.5采用合理的裝夾方式及夾具

此方法的目的是使工件加熱冷卻均勻，以減少熱應力不均，組織應力不均，來減小變形，可改變裝夾方式，盤類零件與油面垂直，軸類零件立裝，使用補償墊圈，支承墊圈，疊加墊圈等，花鍵孔零件可用滲碳心軸等。

3.6機械加工

當熱處理是工件加工過程的最后工序時，熱處理畸變的允許值應滿足圖樣上規(guī)定的工件尺寸，而畸變量要根據(jù)上道工序加工尺寸確定。為此，應按照工件的畸變規(guī)律，熱處理前進行尺寸的預修正，使熱處理畸變正好處于合格范圍內(nèi)。當熱處理是中間工序時，熱處理前的加工余量應視為機加工余量和熱處理畸變量之和。通常機械加工余量易于確定，而熱處理由于影響因素多比較復雜，因此為機械加工留出足夠的加工余量，其余均可作為熱處理允許畸變量。熱處理后再加工，根據(jù)工件的變形規(guī)律，施用反變形、收縮端預脹孔，提高淬火后變形合格率。

3.7采用合適的介質(zhì)

在保證同樣硬度要求的前提下，盡量采用油性介質(zhì)，實驗和實踐證明，再其他條件無差異的前提下，油性介質(zhì)的冷卻速度較慢，而水性介質(zhì)的冷卻速度則相對快一些。而且，和油性介質(zhì)相比，水溫變化對水性介質(zhì)冷卻特性的影響較大，在同樣的熱處理條件下，油性介質(zhì)相對水性介質(zhì)淬火后的變形量要相對小。

4結(jié)語

任何因素的變化都或多或少的影響其變形度，只有在某一特定的條件下，才表現(xiàn)出影響變形的主要因素和次要因素，在選擇預防熱處理變形的具體措施時，應根據(jù)具體情況制定具體的方法，許多減小和控制熱處理變形的有效措施均來源于實踐，要反復幾次后才能探索出一些規(guī)律，還要配合從理論上對變形基本規(guī)律的分析研究才能正確的制定出來。隨著技術(shù)的不斷進步，金屬材料熱處理工藝和技術(shù)也在日益完善，在注重技術(shù)進步，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時，還要保護好環(huán)境，節(jié)能降耗，實現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，金屬材料熱處理工藝和技術(shù)一方面要更加高效、精準，另一方面要節(jié)約成本，減少廢氣和廢渣的排放。

參考文獻

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[2]雷聲，齒輪熱處理變形的控制.機械工程師.2008年5期.

[3]劉曄東，熱處理變形淺析.機械工人：熱加工.2007年10期.

作者：

1.曹漢卿  海軍駐貴陽地區(qū)某航空軍事代表室

2.文靖     中國航空工業(yè)標準件制造有限責任公司

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