金属材料热变形原因及处理工艺优化研究

张 宏

（甘肃工业职业技术学院，甘肃 天水 741000）

1 金属材料热变形的原因

1.1 金属材料的内应力塑性变形

金属材料热处理过程通常分为加热、冷却和保温三个阶段，由于金属材料的不均匀加热，金属零件组织会受到不同的因素影响，导致金属材料在热处理过程中会产生相应的内应力，金属材料在内应力作用下会发生塑性变形。根据内应力产生的原因不同，把塑性变形分为热应力塑性变形和组织应力变形[1]，热应力塑性变形是金属材料在加热和冷却过程中使金属的内部和外部温度不一致，导致金属出现不同程度的热胀冷缩现象；组织应力变形形成的原因是金属物质在热处理时内部金属组织发生相变，影响内应力塑性变形的因素是金属物质的结构和形状，变形后方向性具有明显变化[2]。

1.2 金属材料的比容变形

比容变形是由于金属材料的内部组织结构有很大区别，在热处理过程中相变出现体积、形状和大小等微小变化。

2 金属材料处理工艺优化

2.1 设定金属物质的膨胀系数

金属物质的膨胀系数是指一般的金属物质都具有热胀冷缩的特性，金属物质受热就会膨胀，从而产生一个系数叫做膨胀系数。原长为L的金属物体，经过热处理给予一定的温度后，伸长量与温度的变化量大约是成正比的，即：

公式中的ΔL为金属物体受热后的伸长量；Δt是温度的变化量；α为物体的膨胀系数。不同金属物质的膨胀系数是不同的，表1为不同金属材料的膨胀系数数量级。

表1 不同金属材料的膨胀系数数量级

2.2 计算金属物质的膨胀系数

同一种金属物质在不同的温度变化区域，其对应的膨胀系数也不同，除此之外，金属物质的膨胀系数与金属材料的纯度也有很大关系，如果某一金属物质里面掺杂了其他物质，膨胀系数就会变大，计算膨胀系数时，为了方便测量长度，通常将金属物质做成线状，膨胀系数的计算公式如下。

通过上述公式可以得到金属物质的膨胀系数，再结合温度变化范围来研究金属物质处理工艺的优势。

2.3 确定温度变化范围

温度的变化范围对金属材料处理工艺有一定的影响，如果整个处理工艺的温度检测不准确，就会导致得到的温度变化量不准确，影响膨胀系数的计算结果。金属材料在进行处理工艺之前首先进行预热，预热的温度要求是非常高的，一般情况下，预热温度设置在200℃～400℃之间，高温和低温都会影响处理工艺的效果；其次，在完成预热之后，要对金属物质进行完全合理的热处理，第二步也是很关键的，热处理的温度设置在700℃～800℃之间，随后等待自然降温，最后是冷却，当热处理的温度降低到550℃时进行冷却。因此，在预热、加热和冷却这三个环节中温度的控制都是非常严谨的，保持合理的温度能有效提高处理工艺的质量。

2.4 实现多因素优化

首先，金属物质的纯度对膨胀系数有一定影响。金属物质的纯度越低，膨胀系数就越大，金属物质出现热变形的概率越高，金属物质在热处理过程中会出现固溶强化现象，这种现象会在不同程度上影响金属物质的稳定性和强度。因此通过提高金属物质的纯度来降低膨胀指数，促进金属材料处理工艺的发展。其次，相变也影响着金属材料的膨胀系数。在实际处理过程中，金属材料发生相变时，膨胀系数也随之变化，当纯金属材料发生同种元素的不同结构转变时，金属的比容也会发生突变，造成金属物质的膨胀系数不断发生变化。在金属材料处理工作中，要随时发现影响处理工艺的种种因素，并做到及时解决不利因素对金属材料处理的影响。

3 金属材料处理工艺优化实验

图1 膨胀系数与温度变化量关系图

实验采用种类相同、纯度相同、内部组织结构相同的金属材料，为了方便膨胀系数的计算，选择的金属材料时要保证原长相等，给予相同的温度，不受湿度、室温等环境因素的影响，分别采用本文研究的处理工艺和基础处理工艺对金属材料进行热处理，制作对比实验，通过温度变化量的不同，比较两种工艺的膨胀系数，实验结果见图1。

图1实验结果表明，采用不同的处理工艺计算的金属膨胀系数有很大差别，采用本文处理工艺计算的膨胀系数低于基础处理工艺的膨胀系数，可以有效降低金属材料热处理过程中变形发生的概率。因此，可以采用本文的处理工艺来进行金属材料的热处理。

4 结语

本文的金属材料处理工艺对促进铸造行业发展具有重要意义。

随着科学技术的不断发展，金属材料处理工艺的不断优化，为金属制造生产做出了巨大贡献，本文研究的金属材料处理工艺能降低金属的膨胀系数，从而降低金属材料发生变形的概率，提高生产的质量。希望本文的研究能为铸造行业降低不必要的成本，促进中国工业的快速发展。