金屬材料熱變形原因及處理工藝優(yōu)化研究

張 宏

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

1 金屬材料熱變形的原因

1.1 金屬材料的內(nèi)應(yīng)力塑性變形

金屬材料熱處理過程通常分為加熱、冷卻和保溫三個階段，由于金屬材料的不均勻加熱，金屬零件組織會受到不同的因素影響，導(dǎo)致金屬材料在熱處理過程中會產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力，金屬材料在內(nèi)應(yīng)力作用下會發(fā)生塑性變形。根據(jù)內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因不同，把塑性變形分為熱應(yīng)力塑性變形和組織應(yīng)力變形[1]，熱應(yīng)力塑性變形是金屬材料在加熱和冷卻過程中使金屬的內(nèi)部和外部溫度不一致，導(dǎo)致金屬出現(xiàn)不同程度的熱脹冷縮現(xiàn)象；組織應(yīng)力變形形成的原因是金屬物質(zhì)在熱處理時內(nèi)部金屬組織發(fā)生相變，影響內(nèi)應(yīng)力塑性變形的因素是金屬物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和形狀，變形后方向性具有明顯變化[2]。

1.2 金屬材料的比容變形

比容變形是由于金屬材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別，在熱處理過程中相變出現(xiàn)體積、形狀和大小等微小變化。

2 金屬材料處理工藝優(yōu)化

2.1 設(shè)定金屬物質(zhì)的膨脹系數(shù)

金屬物質(zhì)的膨脹系數(shù)是指一般的金屬物質(zhì)都具有熱脹冷縮的特性，金屬物質(zhì)受熱就會膨脹，從而產(chǎn)生一個系數(shù)叫做膨脹系數(shù)。原長為L的金屬物體，經(jīng)過熱處理給予一定的溫度后，伸長量與溫度的變化量大約是成正比的，即：

公式中的ΔL為金屬物體受熱后的伸長量；Δt是溫度的變化量；α為物體的膨脹系數(shù)。不同金屬物質(zhì)的膨脹系數(shù)是不同的，表1為不同金屬材料的膨脹系數(shù)數(shù)量級。

表1 不同金屬材料的膨脹系數(shù)數(shù)量級

2.2 計算金屬物質(zhì)的膨脹系數(shù)

同一種金屬物質(zhì)在不同的溫度變化區(qū)域，其對應(yīng)的膨脹系數(shù)也不同，除此之外，金屬物質(zhì)的膨脹系數(shù)與金屬材料的純度也有很大關(guān)系，如果某一金屬物質(zhì)里面摻雜了其他物質(zhì)，膨脹系數(shù)就會變大，計算膨脹系數(shù)時，為了方便測量長度，通常將金屬物質(zhì)做成線狀，膨脹系數(shù)的計算公式如下。

通過上述公式可以得到金屬物質(zhì)的膨脹系數(shù)，再結(jié)合溫度變化范圍來研究金屬物質(zhì)處理工藝的優(yōu)勢。

2.3 確定溫度變化范圍

溫度的變化范圍對金屬材料處理工藝有一定的影響，如果整個處理工藝的溫度檢測不準(zhǔn)確，就會導(dǎo)致得到的溫度變化量不準(zhǔn)確，影響膨脹系數(shù)的計算結(jié)果。金屬材料在進(jìn)行處理工藝之前首先進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱的溫度要求是非常高的，一般情況下，預(yù)熱溫度設(shè)置在200℃～400℃之間，高溫和低溫都會影響處理工藝的效果；其次，在完成預(yù)熱之后，要對金屬物質(zhì)進(jìn)行完全合理的熱處理，第二步也是很關(guān)鍵的，熱處理的溫度設(shè)置在700℃～800℃之間，隨后等待自然降溫，最后是冷卻，當(dāng)熱處理的溫度降低到550℃時進(jìn)行冷卻。因此，在預(yù)熱、加熱和冷卻這三個環(huán)節(jié)中溫度的控制都是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，保持合理的溫度能有效提高處理工藝的質(zhì)量。

2.4 實現(xiàn)多因素優(yōu)化

首先，金屬物質(zhì)的純度對膨脹系數(shù)有一定影響。金屬物質(zhì)的純度越低，膨脹系數(shù)就越大，金屬物質(zhì)出現(xiàn)熱變形的概率越高，金屬物質(zhì)在熱處理過程中會出現(xiàn)固溶強化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會在不同程度上影響金屬物質(zhì)的穩(wěn)定性和強度。因此通過提高金屬物質(zhì)的純度來降低膨脹指數(shù)，促進(jìn)金屬材料處理工藝的發(fā)展。其次，相變也影響著金屬材料的膨脹系數(shù)。在實際處理過程中，金屬材料發(fā)生相變時，膨脹系數(shù)也隨之變化，當(dāng)純金屬材料發(fā)生同種元素的不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時，金屬的比容也會發(fā)生突變，造成金屬物質(zhì)的膨脹系數(shù)不斷發(fā)生變化。在金屬材料處理工作中，要隨時發(fā)現(xiàn)影響處理工藝的種種因素，并做到及時解決不利因素對金屬材料處理的影響。

3 金屬材料處理工藝優(yōu)化實驗

圖1 膨脹系數(shù)與溫度變化量關(guān)系圖

實驗采用種類相同、純度相同、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)相同的金屬材料，為了方便膨脹系數(shù)的計算，選擇的金屬材料時要保證原長相等，給予相同的溫度，不受濕度、室溫等環(huán)境因素的影響，分別采用本文研究的處理工藝和基礎(chǔ)處理工藝對金屬材料進(jìn)行熱處理，制作對比實驗，通過溫度變化量的不同，比較兩種工藝的膨脹系數(shù)，實驗結(jié)果見圖1。

圖1實驗結(jié)果表明，采用不同的處理工藝計算的金屬膨脹系數(shù)有很大差別，采用本文處理工藝計算的膨脹系數(shù)低于基礎(chǔ)處理工藝的膨脹系數(shù)，可以有效降低金屬材料熱處理過程中變形發(fā)生的概率。因此，可以采用本文的處理工藝來進(jìn)行金屬材料的熱處理。

4 結(jié)語

本文的金屬材料處理工藝對促進(jìn)鑄造行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，金屬材料處理工藝的不斷優(yōu)化，為金屬制造生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)，本文研究的金屬材料處理工藝能降低金屬的膨脹系數(shù)，從而降低金屬材料發(fā)生變形的概率，提高生產(chǎn)的質(zhì)量。希望本文的研究能為鑄造行業(yè)降低不必要的成本，促進(jìn)中國工業(yè)的快速發(fā)展。