热处理工艺对金属材料抗疲劳性能影响研究

热处理工艺对金属材料抗疲劳性能影响研究

陆伟

舟山市特种设备检测院316021

摘要：为探究热处理工艺是否影响金属材料的抗疲劳性能.首先通过观察热处理工艺对金属材料的热疲劳性研究，在过程中观察萌生的疲劳裂纹，与标准图谱相比较，不同工艺试样的热疲劳性能受影响结果。从结果分析得出：经过热处理工艺的加工铝合金的热强性被提高，提升了铝合金的热疲劳性能。从结果上分析得出结论：合理的热处理工艺可以提升金属材料抗疲劳性能。

关键词：热处理工艺；金属材料；抗疲劳性能；热疲劳裂纹

金属材料在固态形态下通过加热、保温和冷却等手段，获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺称之为热处理工艺[1]。热处理工艺早在原始石器时代就已经产生，经过铜器时代和铁器时代再到现代，一步步地优化和完善。机械制造中最重要的一环就是金属材料的热理，相对比其它工艺，热处理工艺可以赋予并改善材料的使用性能。改变材料表面的化学组成和材料内部的显微组织，完善材料的内在质量，而这一般是肉眼所不能看到的。人们为了使金属材料具有其所需要的力学、物理和化学性能，往往会使用热处理工艺进行加工。铝合金是机械工业中应用最广的材料，铝合金的显微组织相较于其它金属材料更加复杂，这就需要热处理工艺对其加以控制。所以，以铝合金的热处理工艺为例，进行研究得出热处理工艺对金属材料的影响。

1金属材料抗疲劳性能影响因素

金属材料的疲劳强度对各种外在因素和内在因素都极为敏感。外在因素包括零件的形状和尺寸，表面光洁度及使用条件等，内在因素包括材料的本身成分，组织状态，纯净度和残余应力等。这些因素的细微变化，均会造成材料疲劳性能的波动甚至大幅度变化。

在探究前为了淬火加热准备了大量的结晶核心，对同金属材料实施等温处理，获取球状珠光体和弥散细颗粒碳化物，原有的结构形态被改变得到球化后的基体。采用淬火处理的方式均匀奥氏体，从而细化淬火组织。晶粒在过高的奥氏体温度下会变粗，这样金属的塑性降低、韧性降低，大量奥氏体量析出。少量残余奥氏体在这一过程中韧性还会提高，金属材料还会因剩余大部分析出后的晶界碳化物变脆，影响抗疲劳性能。在研究时发现，金属的热疲劳性受回火影响，温度不同对应材料不同硬度，稳定程度的显微组织和强度塑性共同作用下得以提供。另一方面，提高奥氏体化温度，会使基体中碳化物加速溶解，淬火后增加了奥氏体中的碳和合金元素的含量，使金属提高强度，出现二次硬化峰并保证抗回火软化性增强。不同的热处理工艺必然会影响金属材料的抗疲劳性能。热处理工艺对金属材料的硬度、高温强度、韧性也有很大的影响。热处理工艺对化学成分和显微组织的抗疲劳性能都有一定的影响[2]。所以应合理的进行热处理工艺，降低和消除材料的不均匀性及局部应力，进一步使金属材料的抗疲劳性能得以提高。

2金属材料热疲劳性能影响机理

以金属的热疲劳为例，金属材料的热疲劳性能直接反映其抗疲劳性能。累积回火转变的过程就是热疲劳过程的实质，热疲劳裂纹的萌生受到碳化物的聚集影响。图1为碳化物聚集模型，以这个模型为例解释热疲劳裂纹的萌生与扩张：碳化物共同生长在冷热循环过程中，有聚集在一起的趋势。单独一个颗粒看似很小，但在不断的循环中，颗粒会聚集在一起，组成一个大颗粒，这样一个碳化物团就形成了，裂纹源也会因微裂纹的产生而形成。同时，金属材料夹杂物和部分碳化物处于非共格关系，微裂纹就会存在于这些颗粒中，微裂纹尺寸与颗粒相当时，冷热循环下的金属材料会受到应力作用，形成更大的应力围绕在四周，裂纹处的应力场强度因子超过最大限度会使微裂纹失去平衡而扩展，热疲劳裂纹逐渐形成。

3不同热处理工艺下金属热疲劳性能验证

球化退火不同等温温度下铝合金的热疲劳性能对比：两个试样材料在600次的冷热循环后表面都出现不同程度的细裂纹产生，在循环1200次后，两个试样表面都有不同程度的变粗的裂纹产生。表1为不同退火等温温度下试样经600次和1200次后的热疲劳表面损伤因子的记录。

从表1损伤因子数记录可以清晰地看出，在相同金属材料条件下，相同工艺试样的裂纹面积和主裂纹宽度与热疲劳循环次数成正比，即损伤因子随着热疲劳循环次数的增加而增加；裂纹总长度与热疲劳循环次数成反比，即损伤因子会随着循环次数的增加而减少。

4验证结论

根据上述研究得出，不同样本在循环600次时裂纹已基本产生，随后虽有新的裂纹源产生，但裂纹的扩展已占主导。一部分裂纹受到冷热交变的热应力而变宽、变深形成主裂纹，而其他小裂纹由于应力的释放失去了扩展的机会，随着循环次数的增加而氧化剥落，但在经过酸洗、抛光便会消失，所以得出结果，循环次数1200次时裂纹总长度反而比循环600次时要少。金属铝合金在经过热处理工艺的加工后热强性被提高，所以铝合金的热疲劳性能提升，从而提升了铝合金的抗疲劳性能。

5结语

本文仅以铝合金材料为例进行了热处理工艺的探究，得到的结果可以代表大部分的金属材料不足以代表全部。具有局限性，但目前国内外对金属材料抗疲劳性能影响研究正向多元素、多层结构的方向发展。多种元素在热处理过程中相互配合，展现出优异的性能。因此热处理工艺仍然是我们研究的重要方向。

参考文献：

[1]蒋英，热处理对磷铜合金组织性能影响研究[J].世界有色金属，2018，11（1）：112-113.

[2]王国强，赵子博，于冰冰，等.热处理工艺对Ti6246钛合金组织与力学性能的影响[J].材料研究学报，2017，31（5）：352-358.