热处理工艺对金属材料抗疲劳性能的影响

邹彤雯

(黑龙江省科学院高技术研究院,哈尔滨 150009)

金属材料热处理采用淬火加热、回火保温及介质冷却等技术工艺改善金属的显微组织,提升晶粒细化程度,增加金属材料强度,以实现金属材料抗疲劳性能的全面提升。在不改变金属材料性质、化学成分的基础上对材料内在进行调整与改善,如均匀稳定显微组织、增加疲劳强度、制造金属表面的硬化层等,使其综合性能符合工业生产制造要求。本研究针对热处理工艺,对金属材料抗疲劳性能的影响进行分析,以提高金属材料热处理质量与效率为目的,改善其抗疲劳性能。

1 影响金属材料抗疲劳性能的主要因素

1.1 应力集中

金属材料存在着不同形式的缺口,缺口根部的理论集中应力系数(Kf)=根部最大实际应力/名义应力,疲劳应力集中系数(Kt)=光滑金属疲劳极限/缺口金属疲劳极限,其中疲劳应力集中受到金属材料物理化学性能及热加工处理的影响,应力与缺口的尖锐程度成正比,这是金属构件发生疲劳破坏的源头。疲劳缺口敏感度系数q=kf-1/kt-1,q值为0～1,值越小说明敏感度越低,q值的大小与缺口尺寸有着一定的关系,但当缺口尺寸超过一定值后,则与q值的大小无关。

1.2 化学成分

在一定条件下,金属材料的抗疲劳性能与抗拉强度存在着一定的关系,碳是影响其抗拉强度的重要物质,如果钢材中存在碳的夹杂物则会增加钢材的脆性。在其他合金材料中,合理运用碳元素可提高材料的抗拉强度[1],增强抗疲劳性能。

1.3 加载经历

金属材料加载经历对其抗疲劳性能的影响主要是指超载损伤与次载锻炼,少数的超载对于金属材料的疲劳性能影响非常小,但在高于疲劳极限负荷且长时间加载的情况下会降低金属的疲劳极限,引起疲劳破坏。使用金属材料前进行适当的超载可促进金属形变强化,使金属表面形成良好的残余应力,有助于提升疲劳强度。次载锻炼与超载相反,在金属疲劳极限范围内且在大于一个锻炼应力值下运行会增加金属材料的疲劳极限,锻炼时间与锻炼应力值的大小会影响金属疲劳极限改善的效果。

1.4 金属表面状态

1.4.1 加载方式

对金属表面采用轴向、弯曲及扭转等不同加载方式会形成不同的金属表面状态,对抗疲劳性能的影响也不同,如轴向加载,应力分布均匀,金属表面不同深层的应力一致,但只改善了金属表面性能,未能强化到一定深度下的金属内部。如果是弯曲加载,表面加载形成附加应力,与表面残余应力叠加后可增加表面的抗疲劳性。

1.4.2 淬火与滚压

在金属表面淬火加热形成热传导作用,渗透至金属表面一定的深度,形成硬化层并增加残余应力,以增强材料的抗疲劳性能。对金属表面进行滚压处理,可增加硬化层厚度,达到改善抗疲劳性能的目的。金属材料表面机械性能、残余应力、光洁度等的调整对于抗疲劳性能都会产生直接影响。

1.4.3 机械加工

在金属材料机械加工过程中如果钢材表面留有微小的缺口,表面不够光滑,存在着加工痕迹,会导致钢材表面应力集中,影响抗疲劳性。以钢材机械加工为例,分别采用粗加工与精抛光,材料强度越大,表面越光洁,精抛光的钢材料要比粗加工的钢材料疲劳极限提升10%～20%。

2 热处理工艺影响金属材料抗疲劳性能的因素及机理

2.1 影响因素

热处理工艺的实质是采用淬火加热金属材料,改变其物理与化学性能,从而达到提高其综合性能的目的。影响金属材料抗疲劳性能的关键因素包括应力集中、金属材料强度、显微组织均匀性、表面加工状态、化学成分、晶粒细化程度等[2],金属材料的热处理工艺直接影响以上各种因素,而影响热处理工艺质量的因素包括温度、预处理及冷却介质。同一种金属材料使用不同的热处理工艺可得到不同的显微组织,令金属材料的抗疲劳性能存在较大的差异。

2.1.1 温度因素

使用淬火加热金属材料可使其显微组织均匀分布、晶粒细化。但金属材料有着最佳的加热温度,一旦淬火加热超过最高温度,晶粒会变粗,致使疲劳强度下降。回火温度也会对金属材料的抗疲劳性能产生影响,温度的高低影响着金属硬度与显微组织晶粒的粗细程度。

2.1.2 预处理因素

使用热处理工艺前,需对金属材料表面进行预处理,常规的预处理包括表面整平、浸蚀与表面除油、净化表面使表面粗化。金属材料预处理过程采用的技术标准及质量控制措施对于后续预处理质量有着直接影响,如用砂轮打磨、化学浸蚀金属表面,会对金属基体造成损伤[3],从而对热处理后的金属材料综合性能产生不良影响,降低抗疲劳性能。

2.1.3 冷却介质因素

在金属材料淬火加热及高速冷却处理过程中需采用淬火冷却介质,如水-油、水-空气、空气-油、有机物水溶液等,以快速冷却加热后的金属材料。介质类型及冷却速度等对于金属显微组织状态有着直接影响,会令其内部结构发生改变。在回火工艺处理环节需对淬火后的金属进行一定时间的保温,再进行冷却,这也会影响金属材料的稳定性及抗疲劳性。

2.2 影响机理

金属材料的抗疲劳性能包括热疲劳、接触疲劳、冲击疲劳、腐蚀疲劳等。以热疲劳性能为例,主要影响因素是碳化物聚集。在金属材料加热处理过程中,金属材料需淬火冷却、回火冷却,冷热交替促使碳化物生成与聚集,单个的碳化合物颗粒不会产生大的影响,持续累积后形成大碳化物团,进而引发热疲劳裂纹。金属材料中的夹杂物周边有着微小缺口,与碳化物处于不同的位置,成为裂纹源且夹杂物类型不同,机械性能也不同,这些因素都会影响抗疲劳性能。金属中细微的裂缝存在于夹杂物与碳化物团之间,在冷热循环的影响下裂纹源受到应力作用,促使微裂纹不断生长,导致热疲劳裂纹的出现。

3 关键技术对金属材料抗疲劳性能的影响

3.1 激光热处理

激光热处理属于表面热处理技术,处理金属材料主要利用高能量的激光束快速提高照射点的温度,当超过金属相变点时停止照射,金属内部发生热传导,实现对低温金属淬火的目的,提高金属硬度,减少金属材料加工过程中的变形量。具体工艺流程如下：预处理(除油、除锈、清洗、干燥)→预置吸光涂层→激光淬火(工艺参数设计)→质量检测(观察淬火带表面状态、硬化层深度与面积),处理过的金属硬化层深度及面积可控性好[4],具有极高的功率密度。一般使用计算机进行激光淬火工艺参数的自动化控制,如控制扫描速度、离焦量等。

3.2 表面渗层处理

该技术是将氮、碳等化学元素渗入金属材料的表层,提高金属材料的抗热疲劳性、耐磨性、耐腐蚀性等,改善其综合性能。以表面渗碳为例,工艺处理流程是对金属材料进行渗碳处理,经过淬火、回火后使碳渗入至金属材料表层,增加其硬度与使用寿命。常用的表面渗层工艺包括固体粉末渗碳、气体渗碳、真空渗碳与离子渗碳等。

3.3 热处理CAD技术

热处理CAD技术是在金属材料热处理过程中使用计算机辅助设计软件CAD建设模拟系统,根据金属材料的物理与化学特性模拟还原热处理工艺过程,查找存在的问题并进行参数调整,梳理热加工工序,进行风险点预防,解决热处理过程中的技术难点,提高热处理工艺的可用性,将金属材料变形量降至最低,达到改善抗疲劳性能的目的。

3.4 真空热处理

真空热处理技术是在真空高压气淬炉中、在与大气压只差0.1 MPa的范围内对金属材料进行热加工,可提高金属材料热处理效率与质量。与空气环境下的金属材料热处理相比,真空环境下金属材料无氧化、无脱碳、无渗碳,在真空脱气、真空脱脂、表面净化、金属蒸发等作用下不会使金属材料化学成分发生大的变化,可防止气孔的出现,获得良好的热处理效果。

3.5 电子束表面淬火

该技术以高能电子束对金属材料进行表面淬火加热,加热速度达到1000～100 000 ℃/s,功率密度为104～105W/cm2,可令金属表面快速升温,通过高能电子束能量的调解进行金属表面硬化层深度的控制,在加热结束自冷后获取超细化晶粒,使金属材料表面组织细化,提高抗疲劳性能。其效率高于激光热处理,淬火加热处理硬化层面积可控,不会对金属构件其他部位产生影响。

3.6 振动时效处理

金属材料内部存在着一定的微观缺陷,缺陷周边有着不同程度的应力集中。振动时效处理技术采用激振器给金属材料施加动应力,与金属材料本身的残余应力共同作用,消除残余的内应力,使其发生微量的塑性变形。振动时效设备中的控制箱用于控制电机转速,维持金属材料共振状态大约20～30 min,累积时间不可大于40 min,即可完成金属材料20%～80%残余应力的调整[5],工艺较为简单,适用性强且节约能源,可提高金属材料的使用强度、抗疲劳性、抗变形能力,令金属构件尺寸精度稳定,降低微观裂变的发生概率。

4 金属材料热处理工艺发展趋势

4.1 智能化

物联网技术、人工智能技术、现代自动化技术等在工业生产制造中的应用为金属热处理工艺的智能化与自动化发展提供了技术支撑。如计算机辅助设计软件的应用可建立金属材料热处理工艺的数字孪生体,模拟仿真还原热处理过程,实时监控热处理状态,实现对工艺参数的精准控制。现代自动化控制技术与物联网的结合运用可实时采集金属材料热处理过程中的生产数据,全生命周期监控热处理过程,及时发现存在的问题,在控制终端发出提示信息,避免热处理工艺运用偏差而引起抗疲劳性能的下降。智能化是金属材料热处理工艺未来发展的重要方向,需合理优化人力、物力资源配置,降低能源消耗,减少因人为操作引发的抗疲劳性能下降问题。

4.2 无氧化

在空气环境下进行热处理,金属材料可能会与空气发生氧化反应及脱碳现象,形成一定的热处理损耗,影响金属表面状态,降低金属材料的抗疲劳性能。热处理需向着无氧化的方向发展,减少空气对热处理效果的影响,如激光热处理、电子束热处理、真空热处理、可控气氛热处理、涂层处理等,均是在少氧或无氧的条件下对金属材料进行热处理[6]。真空热处理是将真空热处理设备的炉子抽到一定的真空度,加入气氛,加快真空环境下金属材料的加热速度,实现无氧化热处理。可控气氛热处理是使用可控气氛,如控制H2与H2O的比值,规避金属材料氧化与脱碳问题,提高热处理质量,达到节约能源、节约金属、节约时间的目的。

5 结束语

金属材料热处理采用不同工艺、不同工艺参数、不同处理技术等会对其抗疲劳性能产生影响。在实际热处理操作中准确选择与运用热处理工艺,加强热处理关键技术控制,可降低预处理、淬火、回火等对抗疲劳性能的影响,提高热处理质量与效率,全面增强金属材料的综合性能。