浅析金属材料热处理变形机制与控制措施

世界有色金属 2023年 7月上
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浅析金属材料热处理变形机制与控制措施
张均红
（武汉船舶职业技术学院，湖北　武汉　４３００５０）
摘 要：
在金属材料的制造过程中，热处理是一种常见且重要的方法。

通过优化退火、淬火、回火等技术，可以显著改善金属材料的性能，实现各种机械制造，并提高其耐磨性和使用寿命。

然而，目前的热处理工艺中，如果不能有效控制金属应力，会增加金属材料发生形变的概率，甚至可能导致裂纹出现，从而降低金属材料的质量。

本论文主要研究金属材料经过热处理后的形变问题，分析其变形机制和影响因素，并提出相应的控制措施，以更好地优化金属材料的加工效果。

关键词：
金属材料；热处理；变形机制中图分类号：ＴＧ１５６ 文献标识码：Ａ 文章编号：
１００２－５０６５（２０２３）１３－０１４８－３Analysis on deformation mechanism and control measures of heat treatment of metal materials
ZHANG Jun-hong
（Ｗｕｈａｎ　Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，　Ｗｕｈａｎ　４３００５０，Ｃｈｉｎａ）
Abstract: Ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｉｓ　ａ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｍｍｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎｎｅａｌｉｎｇ，　ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ，　ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｃａｎ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，　ｔｈｕｓ　ｒｅａｌｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｍａｃｈｉｎｅｓ，　ａｎｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ａｎｄ　ｅｘｔｅｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｌｉｆｅ．　Ｈｏｗｅｖｅｒ，　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ，　ｉｆ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｎｏ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｓｔｒｅｓｓ，　ｉｔ　ｗｉｌｌ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，　ａｎｄ　ｍａｙ　ｅｖｅｎ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｃｒａｃｋｓ，　ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ｌｅａｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ．　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｔａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ，　ｔｈｅｎ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｉｔｓ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，　ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔｏ　ｂｅｔｔｅｒ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Keywords: ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ；　Ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
收稿日期：
２０２３－０４作者简介：
张均红，男，生于１９７３年，汉族，湖北红安人，本科，工程师、实验师，研究方向：金属材料及热处理。

金属材料具有一定的导电性和延展性，在实际应用中通常需要经过热处理来提升其性能和金属性能。

因此，金属材料也被称为"热加工材料"。

热处理是金属材料加工中常用的方法之一，但在进行处理时存在一些问题。

如果不及时解决变形问题，金属材料可能出现裂纹和变形等情况。

本论文主要研究金属材料经过热处理后的形变问题，并分析其变形机制和影响因素，最后提出相应的优化策略，以进一步提高金属材料的加工制造效果。

1 金属材料热处理变形机制分析
1.1 内应力塑形
金属材料在使用前经历高温加热和冷却等过程，加热时
部分组织会软化。

当温度升高到一定程度后，软化的金属组织会重新转变为弹性状态并恢复原来的形状。

然而，如果金属材料没有进行必要的预塑变形处理，在这个过程中就会产生塑性变形缺陷。

这种塑性变形主要包括体积变形和温度应力。

若其中某一种形态发生变化，也可理解为塑性变形行为。

通常情况下，当金属部件内部组织结构软化时，其体积膨胀大于原有体积，形成内部应力。

温度应力指的是金属材料在加热时，由于内外温差作用导致材料内部应力改变。

不
同环境条件会影响内部应力的大小，这是一个连续变化的过程。

然而，由于金属是惰性金属且对环境依赖性不强，因此在很大程度上可以看作是一种热应力。

这种热变形通常在300℃时开始出现，随着温度继续升高，会持续增加，并受到各种复杂因素的影响。

1.2 比容变形
从材料的组织结构来看，金属中原子的排列按照规则形成有序性。

当材料经过加热后，金属中的原子在运动过程中受到一定阻碍。

当达到某一位置后，又会返回原来的位置。

此时，原子之间的相互关系呈不稳定状态。

这是一个相变过程，在此过程中出现大量细小尺寸和体积变化即为比容变形。

通常情况下，比容形变是影响材料性能的重要因素，直接影响着淬透性、铁含量、合金含量等。

比容形变无法精确判断。

根据实际情况分析，如果组织结构较均匀，其变形会呈现出不同的形态。

同时变形与加工过程的热变形和次数密切相关。

1.3 蠕变因素
蠕变是指钢材在高温条件下发生塑性变形的现象，在工程上称为蠕变，此变形主要发生在金属内部，短时间内会导致断裂。

蠕变对金属材料性能的影响非常重要，因此必须注意蠕变因素处理。

温度对蠕变问题有影响，在300℃以上或500℃以下蠕变变形现象更为明显和严重。

通常情况下，在热处理过程中，需要对金属零件进行表面处理，使其温度更高。

如果支承结构设置不合理，会导致蠕变变形。

这样，金属零件就会发生蠕变，超出预定要求。

热处理温度越高，时间越长，蠕变的概率就越大。

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2 金属材料热处理变形的影响因素
2.1 应力状态因素的影响
金属材料内部的应力状态会对热处理过程产生相应的影响。

由于材料本身存在差异，并受到各类外界因素的影响，因此很难对其进行精确测量和计算，从而难以保证测量数据的准确性。

以铜合金材料为例，由于铜具有良好的延展性、弹性和导电性能，加上其复杂的组织结构，随着变形程度增加，内部应力也会改变，导致出现明显的弯曲情况。

此外，对于一些合金材料来说，其内部应力状态同样会产生影响。

通常情况下，在加工生产过程中，当温度相对稳定时，材料内的应力场发生变化，应力分布也会随之变化。

以镍基合金为例，当热处理温度较高时，由于变形程度相对较小，最终的变形情况也会更加明显。

然而，当材料受到外界冲击时，内部应力也会发生变化。

同时，在热处理加热和保温过程中，也会对材料内部的应力场产生影响。

2.2 冷处理因素的影响
在金属材料进行热处理时，会出现低温回火现象。

低温回火是将金属淬火后，在空气中进行冷却的一种处理方法。

这是因为在金属合金淬火时，会出现高温和高压等情况，导致金属温度迅速上升，容易造成变形。

而在进行低温回火的过程中，会先将金属的表层和内部应力去除，然后再进行加热。

通过冷却，残余应力进一步减少，从而改变材料的形状。

在金属材料回火时，变形的主要因素是残余应力。

在回火过程中，残余应力的变化也会影响变形。

当存在较高温度和过大压力时，残余应力相对较大，会导致金属软化。

而在冷隔过程中，应力会减小，残余应力也相对较小。

焊接过程中，由于热应变和热膨胀的存在，变形较大，并容易造成断裂。

2.3 淬火因素的影响
淬火是金属在高温下进行的热处理方法。

在淬火过程中，某些化学元素会转变为较小分子量，并形成较大体积的碳化物。

若未按照要求对材料进行淬火处理，可能导致钢材中化学元素含量过高，造成变形问题。

同时，高温热处理也容易引起钢材内部出现孔洞、裂纹等问题，进而影响钢材品质和质量。

此外，在进行淬火处理时，控制和调整温度是重要的，长时间缺乏控制和调整可能会对淬火效果产生不利影响。

此外，在金属材料淬火时，需要合理控制冷却速度。

在淬火过程中，应确保冷却速度均匀，避免产生较大的温差。

过快或过慢的冷却速度都会对材料产生不利影响。

通常情况下，可选择较高温度进行淬火，以加快冷却速度。

同时，为了避免冷却时间不足的问题，应选择适量的介质对材料进行淬火处理。

2.4 预处理因素的影响
通过有效实施预热工作，可以有效降低金属材料在加工过程中出现的应力集中问题。

预处理方式能从根本上减少产品所受的应力集中，进而提高产品性能。

通过预处理工作，可以有效提升热处理过程中的变形程度，从而提高产品性能。

常见的预处理方法包括正火和淬火等几种。

正火可以有效提高材料的组织状态稳定性和强度，而淬火则可以提高材料的硬度和韧性。

然而，在实际应用中，正火处理方式受到诸多因素的影响，变形程度较为严重。

相比之下，淬火处理通常以回火方式为主，回火状态下产生的效果最为显著。

通过有效控制淬火处理过程，可以提高材料的组织稳定性。

但由于淬火工艺具有一定的特殊性，它不仅需要经历淬火的一系列步骤，还需要对后续的加工环节进行有效控制。

因此，在实际应用中，需充分重视工艺环节所存在的问题。

3 金属材料热处理变形控制基本原则
3.1 科学性原则
科学的热处理，是保障金属材料变形得到有效控制的关键，其可使金属材料热处理效果得到提升。

通过相关科学手段可有效控制金属材料的变形情况。

因此在实际应用中，需结合相关理念和方法进行全面把握。

确保其科学性，才能有效避免技术不佳所带来的不利影响。

同时要注意技术应用期间的安全性。

在实际应用中，需对科学管理方法进行优化，使其更具实用性和有效性。

3.2 实用性原则
金属材料是一种不可再生资源，对金属材料的利用，应严格遵循实用性基本原则，尽可能做到避免浪费。

在对金属材料热处理过程中，需对变形进行科学合理控制。

基于此，可利用材料本身性质及热处理过程中的温度、时间等相关因素，对金属材料进行优化调整，使其符合实际应用需求。

以上述内容为例，在采用不锈钢材质时，若要达到最佳使用效果，需选择最合适温度和时间。

若想提升实际使用效果，则需合理控制温度、时间等条件。

若要提升金属材料强度及硬度等性能要求的话，则需根据具体情况选用合适的热处理工艺。

3.3 易操作原则
热处理工作人员在操作过程中，需严格把握好相关原则。

例如，对金属材料进行变形控制，需避免出现因人为操作不当而导致变形控制效果降低的情况。

针对此问题，需在前期阶段对相关策略加以科学优化处理。

同时，需提升对变形控制方案的容错率，保证操作方案可以在短时间内完成调整以及优化工作。

另外，对方案进行科学简化是热处理变形控制中不可或缺的一部分。

如对金属材料进行热处理时，若出现较大变形，可对金属材料的变形控制方案加以简化。

同时，需提高变形控制方案容错率，使变形控制策略能够以简单高效的方式展开。

4 金属材料热处理变形处理方案
4.1 淬火过程确保合理有效
根据不同的淬火工艺，金属材料在经过热处理后，其主要特征是表面和内部组织结构的变化，并可能出现形变现象。

在进行金属材料淬火时，通常需要进行二次淬火，以便根据金属材料的性能采用相应的热处理工艺。

对于使用高强度合金元素的材料，在进行二次淬火时应严格控制热处理温度、时间和速度，确保金属材料能够达到一定的硬度。

对
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于高强度钢而言，可以采用多次冷却处理工艺进行二次淬火。

低碳钢和低合金钢在进行二次冷却处理之前已经经历了较长时间的热处理过程，所以在进行二次淬火时不容易出现变形问题。

在实际淬火过程中，技术人员需要科学控制温度，并保持水和油的温度统一。

对于淬透性差的低碳钢，温度一般在55℃~65℃，油温为60℃~80℃。

对于合金等材质，温度可提高10℃~20℃至80℃，而油温则可提高10℃至90℃。

此外，技术人员也需要深入了解各种金属的特性，并针对不同材质选择合适的散热方法，这对于确保制程品质至关重要。

4.2 以水为介质的钢板淬火板形控制
淬火介质，即钢板表面温度和化学成分的变化是影响淬炼后钢板板形的主要因素。

以水为介质的淬火板形控制是通过提高水温、减少水中有害物质对钢板变形的影响来实现的。

在将水温降低至45℃并进行水浴加热时，通过改变水温，可以控制钢材表面的温度均匀且稳定，确保钢材表面无明显冷却效果，从而降低金属变形的影响。

具体来说，在水浴加热时需保持水温不变，并维持在45℃。

然而，在水浴加热过程中，钢板需要均匀受热，减少钢锭和表面之间的温差，以避免温差应力引起的变形。

在以水为介质的钢板淬火过程中，减少钢板变形的措施包括：①在进行淬火之前，认真检查淬火喷头，确保喷出的水线整齐一致，水量均匀，水压平稳，并符合工艺要求的流量和压力；②在淬火机下辊缝与板材厚度相等时尽量做到最大为1.5毫米，以确保对钢板的压制效果，降低淬火时的变形；③对淬火后的钢板进行不均匀性测定，并根据变形的形状适时调节淬火机内的污水比例和钢板转速；④针对季节和环境温度对温度变化的影响，适当调整淬火工艺；⑤定期检查和清洗喷嘴和水过滤系统，避免喷嘴因氧化铁皮和杂物堵塞而导致喷水不均匀；⑥在淬火过程中，钢板会发生变形，可以进行矫直或平整处理。

4.3 冷却过程的科学性
冷却过程是金属材料热处理操作中的关键环节。

过快的冷却会使工件内部温度升高，导致变形；而过慢的冷却则会导致金属材料内部温度下降。

同时，过热会降低零件内部的热传导性能，增加内部应力。

因此，为了更好地控制冷却过程，技术人员需要根据不同的淬火工艺选择适当的冷却时间和速度。

实际应用中，可以采用单一介质淬火或双介质淬火两种方式。

双介质淬火需要在相同的介质中对淬火部件进行冷却，这能提高生产效率，但难以控制冷却速度。

在双介质淬火中，可使用特殊的快速冷却介质将淬火部件迅速冷至300℃，经2~3分钟热处理后，再置于低温下进行第二次冷却。

根据不同的冷却速率，所使用的冷却材料也会有所不同。

如果冷却速率过高，会增大内部张力，影响淬透性和增大变形。

因此，必须进行合理的热处理工艺设计才能有效控制冷却过程。

4.4 有效加工
在金属材料加工过程中，技术人员需要结合金属材料的变形特点来确保加工质量和效率，以确保金属材料获得充分淬火。

具体来说，为了最大程度降低机械设备零件所受的热应力不平衡问题，技术人员需要根据热处理工件的要求合理选择机械设备。

同时，在实际加工过程中，需要合理选择和设计机械设备，以提高金属材料淬火质量水平。

对于具体加工而言，为了确保工件零件的加工质量和工艺水准，并控制变形，技术人员应严格执行金属材料加工工序标准，以减少由于工艺原因导致的变形情况。

从具体操作上看，在机械设备热处理过程中，需要合理设置冗余度。

在实际加工过程中，技术人员需要注意根据金属材料的要求和基本性能选择适宜的吊具，为工件提供充分的淬火环境。

此外，为了确保机械设备的稳定性，还可以在设备内部设置温度控制器，为工作人员提供必要的工作环境和保障条件。

对于具体操作来说，为了更好地控制工件加工质量问题，技术人员需要根据金属材料的基本性能选择合适的工具，并通过综合分析尺寸、结构和使用条件等方面进行选择。

同时，在实际加工过程中需要注意确保工件零件不发生变形，以保证整个工艺参数得到有效调整和控制。

4.5 做好预处理
预处理过程通常包括正火和退火。

在具体的操作过程中，要注意对温度控制的有效掌握，使温度保持在正火和退火之间。

同时，在热处理之前必须进行表面处理。

一般情况下，热处理工艺主要是表面处理。

由于表面处理时间短、温度低，因此可以有效地减少变形情况。

而在正火工艺中，温度的相对变化会增加材料内部的变形，所以在进行热处理前应进行温度控制。

实际操作中，为了使金属内部的组织均匀、平滑，并能有效地控制变形，可以在热加工结束后进行等温淬火。

另外，为了使预处理效果更好、更好地适应材料的结构特点，还必须对热处理工艺进行科学、合理的选择，从而有效地控制热处理时的变形，进而改善产品的整体质量和水平。

5 结语
总之，在对金属材料进行热处理的过程中，会出现一定的变形情况，但也不能盲目地选择一些错误的方式进行处理。

在对金属材料进行热处理加工时，应充分考虑其变形机制以及影响因素，以有效地提升加工效果。

本文主要研究金属材料的热处理变形，并分析了其变形机制及对金属材料热处理变形的影响因素，最后提出相应的控制措施，以期更好地确保金属材料加工效果的优化提升。

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