219529139_金属材料的热处理变形及开裂研究

世界有色金属 2023年 4月下
20冶金冶炼
M etallurgical smelting
金属材料的热处理变形及开裂研究
易小兰
（天府新区通用航空职业学院，四川　眉山　６２０５６４）
摘 要：
金属材料的热处理可以增强金属材料的稳定性，但在热处理过程中会引起金属材料的变形和开裂，从而影响金属零件的质量和性能。

文章探讨造成金属发生变形开裂问题的原因，包括热处理、组织应力、错误选择了冷却方式，温度控制不够合理等，分析影响金属变形与开裂的常见因素，提出了解决热处理变形与开裂的策略，包括预处理、执行好淬火工艺、选用合理的冷却与装夹方式、完善机械化加工工序等，以供同行参考。

关键词：
金属材料；热处理工艺；变形开裂；原因分析；解决策略中图分类号：ＴＧ１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：
１００２－５０６５（２０２３）０８－００２０－３Study on heat treatment deformation and cracking of metal materials
YI Xiao-lan
（Ｔｉａｎｆｕ　Ｎｅｗ　Ａｒｅａ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎ　Ａｃａｄｅｍｙ，Ｍｅｉｓｈａｎ　６２０５６４，Ｃｈｉｎａ）
Abstract: Ｆｉｒｓｔｌｙ，　ｔｈｅ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｆｏｒ　ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．　Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，　ｔｈｅ　ｃａｕｓｅｓ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，　ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｌ　ｓｔｒｅｓｓ，　ｗｒｏｎｇ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｍｏｄｅ，　ｕｎｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ，　ｅｔｃ．　Ｃｏｍｍｏｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｍｅｔａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ｆｉｎａｌｌｙ，　ｔｈｅ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　ｓｏｌｖｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｗａｓ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ　ｉｎ　ｄｅｐｔｈ，　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｐｒｅ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｌａｍｐｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ，　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｐｅｅｒｓ．
Keywords: ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ；　Ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ；　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｒａｃｋｉｎｇ；　Ｃａｕｓｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ；　Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ
收稿日期：
２０２３－０２作者简介：易小兰，女，生于１９８７年，汉族，四川自贡人，硕士研究生，讲师，研究方向：粉末冶金成型、金属材料及其热处理。

热处理是金属工件加工过程中的一道重要工序，其和常规的加工工艺有差异，具体实施过程不会使材料的外形发生改变，其能使材料内部组织结构发生一定变化，改善工件的性能，进而更好的达到使用标准，延长使用寿命。

但实际中多种因素会影响材料的热处理效果，容易出现变形与开裂问题，应分析问题成因，制定相关解决方案，以降低后续加工及金属产品制造环节中相关问题发生的风险。

1 金属材料热处理的工艺的概述
1.1 定义
金属材料的热处理及采用加热、保温、冷却等一系列工法，使其获得设计所需的组织结构与性能。

通过对材料执行热处理工序，能减少或规避加工环节由于材料内部各处组织有差异而带来的不合理问题，进而使材料生产加工效率与质量均能得到更大的保障。

对金属材料进行终极热处理时，要全面分析其现实投用期间在力学性能方面提出的需求，为设定适宜度更高的热处理参数创造便利，进而提升材料的综合应用性能。

热处理工艺最大的优点体现在其能减少材料网状碳化物及其他类型杂质含量，改善材料的品质与性能指标。

1.2 热处理工艺的分类
淬火、退火、回火是当前金属材料常用的热处理工艺类型。

淬火工艺应用时最基本的要求是确保淬选用最合理的火冷却介质，借此方式使类型冷却介质的配合效率与成效得到保障。

退火工艺还可以细分成完全、等温、球化以及去应力退火等类型，现实中应结合材料本体属性与现实加工需求科学应用工艺，提升材料加工前期的退火处理效果，同步满足材料后续执行热处理与加工工序的现实需求，相应质量也会
有所提升[1]。

回火工艺最大的功能作用是消解掉材料的内应力，使其性能更具稳定性，进而规避材料后续加工中易出现的质量缺陷、加工水平低等现实问题。

2 金属材料的变形开裂的原因
在热处理金属材料的环节中，材料内部应力会出现一定改变，在综合组织应力和热应力的共同作用下材料硬度会有所增加，若陷入材料应力无法承受作用力的情景下时，就会引起局部变形问题，严重时部分材料出现了无法纠正维度变形问题。

关于金属材料热处理工艺中出现变形开裂问题的成因，可以做出如下分析。

2.1 热处理
在大部分工况下，同行会选用冷却、加热模式执行金属材料的热处理任务，随着热处理工序的持续进行，结合热胀冷缩原理材料的体积会出现一定改变。

当材料工件抵达淬火温度时，尽管其屈服强度值会连续降低，工件塑性会有不同程度的增加，材料屈服强度低于内应力时就会发生塑性变形情况。

2.2 组织应力
金属工件的组织应力具备如下两个特点：一是切向应力高于轴向应力，摒弃热邻近工件表层；二是受拉应力，内部受压应力共同作用在工件表面之上。

工件淬火处理时，工件发生局部形变与开裂情况是热应力与组织应力两者共同作用的结果。

2.3 错误选择了冷却方式
金属材料热处理过程中对冷却技术应用情况提出较高要求，若选用的冷却方法有错误或者操作应用不够规范，那么将会使工件因冷却不均匀而对其拉伸应力产生负面影响。

双液淬火和单液淬火是常用的淬火工艺，以上两种方法现实应用时各有千秋，前者虽然能在短时间内迅速降低材料的温度，但实际淬火工效很低，直接限制其推广应用，单液淬火法尽管适用于大型金属工件的热处理工序中，但采用这种工法时技术人员很难精准调控淬火的速度，此时若技术人员选择的冷却
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方法不适宜，则会直接影响金属工件形变应力的控制效果，热处理效率也很难得到保障，降低金属材料的应用性能[2]。

2.4 温度控制不够合理
金属工件热处理环节对周围温度提出较高的要求，故而具体操作时如果没有严格有效把控温度时，将会增加工件变形开裂的风险。

在温度过高的工况下，局部金属工件可能会发生，不仅会引起变形问题，也会影响材料的凝固过程。

若温度过低，达不到材料的处置要求，会影响到其融化及凝固过程。

3 影响金属材料变形和开裂的相关因素
3.1 金属钢的化学组成
钢材质是金属工件的主要构成。

低碳钢在淬火工序时自身体积会出现改变，以致淬火性较以及低碳钢淬透性均较差。

而淬火加工中碳钢时，其体积改变幅度比低碳钢更大，尽管淬透性很低，但其MS点却较高，故而常选用中碳钢生产制造小尺寸零件，热处理工序中一定要重点分析相变应力带来的影响。

若金属工件尺寸渐进式增加，那么材料硬度层的深度程度将会降低，内部相变应力变形将会发生改变，最后转变成热应力变形。

选用高碳钢进行热处理时，因为其MS点整体偏低，内部残留了较多的奥氏体，热处理过程中导致的变形问题主要是淬火环节的热应力变形。

3.2 钢的淬透性
若金属材料是钢材质，那么热处理期间技术人员要重视其淬透性、依照业内现行的热处理规范，已经明确材料硬度的具体分布特性和淬硬深度的具体表现。

淬火环节中为了高效率执行完材料热处理工作，提升零部件的综合性能，则技术人员应结合碳钢型号的差异和淬火介质特性科学调控冷却时间，以确保工件的力学性能达标[3]。

3.3 钢的原始成分组织
金属钢材的成分组织状态对其淬火中变形问题发生情况会产生较大的影响，比如碳素工具钢、轴承钢等。

在加工以上这些金属钢的原始组织之前，一定要对其进行球化退火处置，借此方式确保淬火过程中奥氏体不会出现较大形变，降低冷却工序中工件变形与开裂程度。

既往有研究发现，金属原始组织的晶体越小时，其屈服强度水平就越高。

4 金属热处理变形与开裂的解决方案
4.1 落实好热处理前的预处理
设计金属工件时技术人员一定要认识到热处理操作可能带来局部形变的问题，明确其带来的危害性，具体实践中运用校直的方法去调整，如果在一些因素的限制下无法直接校直，则要确保工件有足够的加工余量，以防因热处理不够规范而造成工件变形、报废等。

金属工件热处理工序中，正火、退火等操作均可能造成材料局部形体发生改变。

例如，正火温度偏高时，则会造成材料内部变形量显著增加，为规避以上状况，执行热处理操作之前一定严格控制正火处理温度。

由实践视角出发，正火处理以后建议选用等温淬火处理办法，借此方式确保材料内部各处的均匀性符合相关标准要求，实现对变形问题的有效把控。

为了提高金属材料正火处理成效，技术人员还要落实好各项退火准备工作内容，综合分析材料的结构特性，先用适宜度最高的退火工艺，减少梯度温度给材料带来的影响，一方面能较有效的消除造成材料变形的因素，另一方面也能提升材料的热处理性能。

李传峥[4]研究了回火温度对GCr15、45#钢性能产生的影响，具体是检测不同回火温度150℃、300℃、600℃条件下连续保温1.5h的冲击韧性和硬度，结果见图
1。

图1 对GCr15、45#钢性能[（a）—冲击功，（b）-宏观硬度]
读图发现，伴随回火温度的提高材料的冲击韧性有所增加，主要是在回火温度达到150℃、300℃时，GCr15钢材的基体组织是回火马氏体，并没有彻底消除掉内应力，后续伴随回火温度上升过程，逐渐析出越来越多的弥散、微小的碳化物，析出物对内部组织位错运动过程形成一定阻碍作用，以致冲击韧性整体增加。

伴随回火温度的上升材料硬度值呈现出渐进式下降趋势，主要是由于基体组织由回火马氏体慢慢转型成回火索氏体，所以硬度值下降。

为了满足工作层硬度、耐磨性的要求，决定选用回火以后硬度大于60HRC的回火条件，回火温度150℃。

4.2 规范执行淬火冷却工艺
在加工钛合金材料时，流变应力是衡量其塑性变形能力水平的一个重要参数，且会影响设备型号选择及校核情况，故而研究钛合金热变形时的流变应力大小具有很大现实意义。

金属材料的成分、晶粒尺寸、热处理工艺类型等节能是影响流变应力大小的常见因素，可以采用下式表示[5]：
ε
ε
=
σ•C
T
f,,,
分别表示应变，应变速率，温度，C 是除了
之外的其他条件。

在材料的现实变形过程中，一般C可以看成恒定，故而可以将上式改写成：
ε
ε
=
σ•T
f,,
图2是Ti-5322合金材料于不同变形温度条件之下，基于特定应变速率变形以后得到的到的应力—应变曲线。

读图能发现，温度对流变应力大小起到决定性作用，当温度上升时，流变应力会下滑，低温工况下以上这种现象会更为显著。

其原因可以做出如下阐述：伴随温度的上升，钛合金材料自身位错的运动能力会有所提高，材料的变形抗力随之下降，塑性增高，流变应力减小。

单液、双液及分级淬火法等是金属热处理中常用的冷却形式，单液淬火法的优势主要体现在自动化、机械化水平较高方面，不足是很难确保淬火冷却速度符合相关标准，采用水淬火工法时会经常出现变形、开裂等缺陷，油淬火的问题主要集中在工件硬度不够、均匀性偏差等。

双液淬火工艺中稍有不慎就会引起变形、开裂等状况，需要先于冷却速度偏快介质中冷却到300℃，随后将其放在另一类介质中冷却至环境温度，比如部分碳钢零部件由于自身外形的复杂度较高，多采用水淬油冷的联合工艺，可以直接将其投放进冷水中使温度降低到300℃左右，随后放进油中再冷却至室温；
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合金钢的材质较特别，在油内先进行淬火处理，随后于空气
内实现自然冷却。

对于分级淬火法，通常是在整体加热处置后，把其放在可以促进马氏体生成的盐浴或碱浴中，连续保温2min~5min，并确保材料内外温度一致性后，就可以将其安置在空气内冷却[6]。

但客观上讲，盐浴、碱浴的冷却处理效果普遍较差，故而多用其处理尺寸偏小、精准要求较高、变形较小的金属工件，例如刀具、
模具等。

图2 温度对钛合金流变应力大小产生的影响[（a）0.0,1s -1，（b）0.1s -1，（c）1s -1，（d）10s -1]
4.3 选用最适宜的冷却介质
在金属材料热处理工序中淬火工艺占据着重要地位，若以上过程中投用的淬火介质不符合相关规范要求，则将会造成材料内部应力明显提高，以致工件局部明显形变，甚至出现肉眼清晰可见的变形问题。

为了规避以上状况，技术人员一定要严格实施淬火工艺，以提升材料的整体处理效果。

结合实际工作推进过程中提出的要求，淬火处理金属材料时，应严格管控淬火温度，若检测到温度超出了规定要求，则造成的直接后果是冷却后材料的均匀性较差，增加了其变形量。

水、油是工业实践中常选用的淬火介质类型，水有成本低、成分稳定、冷却能力强及不易变质等诸多优势，水温550~650℃时冷却速度能达到600℃/s，200℃~300℃范围内时依然能实现快速冷却，冷却速度约为270℃/s，以上过程中金属材料会出现不同程度的马氏体转变，冷却加速的工况下容易出现局部变形、开裂问题。

如果水内盐或碱的含量相对较高时，虽然能使冷却速度高达1100℃/s，但在200℃~300℃温度范围内冷却速度会出现较大的波动。

由此可见，水、盐水、碱水等均是淬火工序中可供选用的介质，能规避严重的变形、开裂问题。

而油温上升到200℃~300℃时金属材料冷却速度大概为20℃/s，这就预示着技术人员能在特点范畴中有效控制淬火变形行为，减少或规避开裂质量缺陷，但是油温550℃~650℃时冷却速度显著减缓，无法生成马氏体，仅能将其用在合金钢材料内[7]。

4.4 减少残余应力
为了能降低金属热处理后的残余应力，技术人员要持续改进与完善热处理工艺，但事实上残余应力无法彻底消除掉，所以一定会对金属工件的保护膜造成不同程度的破坏，造成加工所得的零部件出现问题。

所以，技术人员要依照工件的现实状况，应用相关措施方法将残余应力维持在可控区
间内[8]。

对于一些零部件因应力集中带来的问题，需要在热处理之前仔细检查材料表面状况，以防因其表面局部有缺陷
而致使热处理工序中由于受热膨胀而应力集中，对最后加工所得的工件质量产生较大的影响。

4.5 确保零部件配置的合理性
金属工件自身的结构也是引起局部变形的一个主要因素。

不同金属材料的厚度不同，故而实际处理时的冷却速度也必然会出现一定差异，因此技术人员在对金属工件进行热处理时，应配合适宜的策略以尽可能的减少材料在薄厚方面出现的误差，借此方式不仅能将变形量与局部开裂程度控制在可控范畴中，还能使金属工件表面的均匀度得到保障。

设计金属工件时，已经尽可能减少出现棱角与沟槽，降低热处理中变形开裂风险，提升加工质量。

4.6 科学应用装夹方式
为了使金属工件热处理变形问题有一定可控性，应结合实际状况对其进行加热、冷却操作，确保其组织应力均匀性符合相关要求。

应选用适宜的装夹方式，配合最优良的夹具进行操作。

例如，面对盘类工件和油面时要抵达垂直性要求，而对于轴类部件要应用立装的工法。

科学应用垫圈部件，包括叠加垫圈、支撑垫圈等，力争将变形问题给热处理工件带来的影响降到最低。

4.7 做好机械化加工工序
金属工件经热处理后就要对其进行相应的机械化加工，技术人员要整体分析材料局部变形问题的发展规律，合理应用反变形、收缩端预胀孔等办法处理，其对变形问题能起到一定缓解或消除功用。

进入到金属热处理最后工序时，工作人员要严格控制与调整材料的允许变形量，确保其能满足加工精准要求，适时适度修正材料的尺寸大小。

环境、因素、加工技术应用情况均会影响材料最后加工出的质量与精度，刀具本体强度会对金属工件机械加工中的受力变形程度产生直接影响，故而实际中应结合材料属性选用最合适的刀具与加工方法，以减少加工操作对材料形状产生的影响。

5 结语
热处理是金属零部件生产制造中的一道重要工序，零件
的构造材质不同时，其对热处理金属产生的影响也会有差别，一些材料在热处理环节还会出现变形开裂等问题，对工件的质量及应用性能产生明显影响。

故而，金属热处理过程中应加强“质量关”的控制，以将材料废品率降到最低，规避局部开裂问题，确保金属材料使用过程中能创造出良好效益。

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