金属材料的热处理及应用探究

韩子琦

(长春市第二实验学校,长春 130022)

金属材料的热处理及应用探究

韩子琦

(长春市第二实验学校,长春 130022)

对工程材料的认识，对碳钢及铸铁平衡组织观察、碳钢的热处理操作以及碳钢的表面淬火操作这三个实验的分析与总结，着重分析了钢的表面淬火工艺及其在生产生活中的实际应用。

金属材料；热处理；应用

纯机械制造发展到以计算机技术、网络技术为支持平台的先进的制造工程，在材料科学与工程领域，一批新型的工程结构材料、功能材料不断涌现，并在机械制造中广泛应用。

材料按照物质结构可以分为金属材料、有机高分子材料、陶瓷材料等。金属材料具有很多优质性能，如：使用性能、工艺性能等[1]。

金属材料的热处理是指将固态金属或合金，通过采用适当方式进行加热、保温和冷却，有时也会一起加以化学作用和机械作用，改变金属合金内部的组织和结构，从而得到可以有效改善材料性能的结果[2]。各种金属材料若想获得更加优良的性能，热处理工艺则是可以实现这一目的非常重要的方法。很多实际应用中，选用的材料和各种成形工艺并不能满足金属工件所需要的力学性能、物理性能和化学性能，这时，对金属材料进行热处理工艺这一步骤就是必不可少的。

通过三个实验，即：碳钢和铸铁平衡组织观察、碳钢的表面淬火操作和碳钢的热处理操作，来进一步了解热处理工艺。

1 碳钢和铸铁平衡组织观察，确定平衡状态下铁碳合金的组织和含碳量关系

工业纯铁、钢和铸铁是三种不同的合金。

含碳量低于0.01%的铁碳合金，其显微组织由单相铁素体和沿晶界分布的少量三次渗碳体，称为工业纯铁。含碳量位于0.01%～2.11%的铁碳合金称为碳钢。碳钢还分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种。含碳量在2.11%～6.69%的铁碳合金称为铸铁[3]。

实验研究的主要内容是：在平衡状态时，铁碳合金在极缓慢冷却条件下得到的组织也就是显微组织，酸对不同组织的腐蚀性是不同的。各个试样在进行了热处理之后，得到金相试样，再用4%的硝酸酒精腐蚀之前所得到的金相试样，不同试样的腐蚀程度也不同。使用操作金相显微镜来观察各个试样的表面，从而判定各试样的金相组织。

通过这个实验，可以得出，平衡状态下铁碳合金的组织和含碳量的关系。当Wc增高，不仅渗碳体的数量增加，而且渗碳体的存在形式也发生了变化，它的位置由原本的分散在铁素体的基体内变成了分布在珠光体的周围，最后形成莱式体的时候，渗碳体又会作为基体出现。工业纯铁中的三次渗碳体的量随着含碳量的增加而增加。当亚共析钢中的铁素体的含量减少时，其中的二次渗碳体含量则会随着它的减少而开始增加。当亚共晶白口铸铁的珠光体和二次渗碳量也减少时，共晶渗碳体的量也会随之增加，同时过共晶白口铁中的一次渗碳体和共晶渗碳体量也会随之增加。所以，一向铁碳合金力学性能的根本原因就是以上实验所观察到的合金组织随含碳量的变化规律。当有不同的加热和冷却条件时，最终得到铁碳合金的性能、组织都会大不相同。

2 通过碳钢热处理，分析不同温度下钢件性能

做碳钢热处理操作实验，可以很清楚地看到，当钢件在奥氏体化之后，如果以不同冷却速度将钢件进行冷却，最后得到的组织是不同的，钢件最终所表现出来的机械性能也是不一样的。

钢件在经过淬火处理后，如果用不同温度回火，那么在回火后获得的组织也不同，并且会具有不同的机械性能。通过本实验，从硬度的变化上可以观察出，当回火温度逐渐升高时，钢件的硬度和强度这两项力学性能都在下降，而塑性和韧性在上升。

3 通过碳钢的表面淬火操作与普通加热淬火对比，分析其具备的优势

在碳钢表面淬火操作中，充分了解到感应加热淬火对材料表面及芯部性能的影响。

在实际生产生活中，因为对零件表面的性能与心部的性能要求是不一样的，所以在生产中主要采用表面热处理办法来对碳钢进行处理。通常用的方法就是表面淬火和化学热处理。本实验主要是应用表面淬火处理方法。

钢的表面感应淬火是快速对钢件进行加热，然后立即淬火冷却，将两者结合起来。通过快速加热过程，可以使得待加工钢件表面达到淬火温度，但是热量还没传到钢件的中心就能够迅速冷却，这样得到的组织就是让表层淬硬为马氏体，但是钢件的中心由于没有淬火，所以仍为未淬火时候的组织，塑性、韧性依旧是原来未淬火时较好的形态。

通过两种淬火方式最后得出的组织进行比较发现，感应加热表面淬火具有更多的优点：A.感应加热表面淬火的加热速度特别快，缩短转变时间(由于A体的转变范围被扩大了)。B.经感应加热表面淬火处理过的工件不易氧化脱碳，有些工件处理后甚至可以直接装配使用。C.淬火后的工件表层可以得到极细的隐晶马氏体，硬度高。D.淬硬层深，便于操作上的控制，有易于实现机械化和自动化[4]。

4 尽量减少金属材料热处理过程中的变形

可以运用合理的冷却方法减少金属材料发生形变。金属在淬火后的冷却过程非常容易发生变形，所以淬火后的冷却是金属发生形变的重要因素。在实验中，选择了不同的油对工件进行了淬火后的冷却处理，当再用热油淬火时，工件产生的形变要比用冷油淬火时小[5]。不同种类的油有着不同的冷却效果，不同效果的油的冷却能力直接导致变形的严重与否。淬火时冷却速度也是影响材料变形大小的重要因素。金属在热处理过程中，如果冷却速度过快，那么就会造成冷却效果不均匀，产生的应力就会越大，相对应的材料变形也越大。要保证它合理冷却速度，可以在保证材料对硬度要求前提下，使用冷却方式为预冷。用分级冷却淬火的方法可以有效减少金属在淬火时产生的组织应力和热应力，这是减小形变的有效方法。

运用合理的冷却方法时，可将工件结构进行合理优化，减小变形。在满足实际生产需要前提下，工件应尽量保持结构与材料成分和组织对称性，减少由于冷却不均引起的畸变。尽量使工件的各个部位薄厚程度不要相差太多，过渡处承载的应力就会变得很大。要将零件的截面尽量做得均匀一些，这样可减少在过渡的地方由于应力集中而产生变形和开裂倾向。在工件的设计上尽量避免出现沟槽、尖锐的棱角。对于厚度不均匀的零件应该采用预留加工量方法。

在实验操作过程中，规范的实验操作，严谨的实验精神对于实验的数据和结果有着极其重要的作用，否则数据就会出现很大误差，甚至会导致很多意想不到的结果。

5 结语

材料是生产生活的物质基础。现代工业对金属材料在数量和质量上都提出越来越高的要求，在今后相当长的一段时间内，机械制造行业中应用最多的还是金属材料。科学技术的发展对材料的要求也越来越严格，越来越高，对金属材料要求更高的硬度、高耐磨性、耐高温等等。金属的热处理操作能很好地提高工件的硬度及强度，满足各种产品对材料性能的不同需求，也能很好地提高工件的机械性能，使材料的用途能够更加广泛。我国现阶段在热处理技术及设备上需要加强和改进的地方还有很多，国外的很多先进技术值得去借鉴和学习，同时也要大力发展自主研发，有大胆创新精神和不停地探索精神，努力提高工件质量，尽可能提高合格率，为我国的金属材料热处理这一工艺技术的研发出一份力。

[1] 顾宜.材料科学与工程基础[M].化学工业出版社,2011.

[2] 吴承建,陈国良.金属材料学[M].冶金工业出版社,2009.

[3] 赵忠魁.金属材料及热处理技术[M].国防工业出版社,2011.

[4] 赵先存，杨志勇.钢铁结构材料的功能化[M].冶金工业出版社,2008.

[5] 刘天模.工程材料[M].机械工业出版社,2013.

Studyonheattreatmentandapplicationofmetalmaterials

HAN Zi-qi

(The Second Experimental School, Changchun 130022, China)

The understanding of engineering materials, observation, analysis and summary of carbon steel and cast iron balance microstructure heat treatment operation and the surface of carbon steel quenching operation of the three experiments were summarized, and the surface quenching process of steel and its application in the production of life were analyzed.

Metal materials; Heat treatment; Application

TG156

B

1674-8646(2017)20-0036-02

2017-09-30

韩子琦(2000-)，男，学生。