铁匠打铁论文
分析铁匠打铁的历程
曹正涛
（兰州城市学院培黎机械工程学院汽车151本曹正涛 20151701050103）
内容提要：随着我国经济的快速发展，工业生产技术得到很大提高，较高的机械性能能够发挥出金属材料最大的潜能，为了满足生产需求，需要通过热处理工艺改变金属材料的机械性能，所以必须加强对热处理工艺的研究，处理好金属材料和热处理工艺之间的关系，获得最佳的生产效果，作为设计人员需要根据金属材料的特性和组成成分，选择最佳的热处理工艺，实现二者之间的有机结合，希望老师能提供一定的借鉴。
关键词：金属材料及热处理；炼铁的原理及方式；
一、金属材料和热处理发展的历史以及两者之间的关系
早在四千年前我国就已经开始使用金属材料了，而且相比世界其他国家，我们就开始具有很高的热处理水平，自从改革开放之后我国经济得到了快速发展，金属材料的种类日益繁多，热处理的技术也得到很大的提升，为我国金属制造业，冶金业，钢铁业等工业做出巨大贡献，进一步促进我国经济发展，当前金属材料和热处理工艺之间的关系越来越紧密。
分析热处理预热和金属材料的切削性能所存在的关系为了能够保证生产出来的金属材料性能满足需要，就必须保证在加工过程中热处理工艺和切削性能之间保持相互配合的关系。在切削加工中可能会因为金属材料、切削条件、加工材料等因素而产生不同程度的光洁度。在热处理过程中不可避免的会出现一些问题，影响到金属材料的性能，所以为了尽可能地减少加工缺陷，就需要对这些毛坯或者金属半成品进行预热处理，使其保持在切削加工的良好状态，同时也保障切削材料的加工精度满足产品要求，零件的性能也能够进一步提高。不同的金属材料具有不同的金相组织和硬度范围，所以相对应的每种金属材料都具有一个最佳的切削性能。在切削加工的过程中，有可能会因为硬度不达标而产生粘刀现象，在倾面上产生积屑瘤，这不仅影响到金属材料的切削性能，同时也影响了零件表面的光洁度。目前，加工人员可以通过正火处理来减少粘刀问题的产生，进一步提高了切削性能。铝合金是当前生产工业中比较常见的一种合金。在加工铝合金时可以采用固溶处理，能够增强铝合金的性能，使合金内部晶粒体现出均匀的组织，这也能有效提高机械的加工精度。
热处理温度和金属材料切边横量所存在的关系材料力学性能指标之一包括了切边横量，切应变和切应力的比值，是材料在弹性变形比例极限范围内以及剪切应力作用下得出来的。对材料抵抗切应变的能力有了表征的作用，模量大，材料的刚性就越强，通过热处理，改变了材料本身的物理性质，材料的性能也发生了改变，随之切边衡量也应该发生变化，从而实际和设计计算的弹簧伸长量出现了一定的误差。通过对热处理和金属材料切边模量变化关系的分析，可以看出，选用弹簧钢的工业生产中，对其进行设计计算时，要使用弹簧模量和材料切边的模量。然而，切边模量的取值是按照传统的设计给出的，会导致弹簧的变形量在实际和计算中都存在着很大的误差。因为经过热处理后，加工的成品弹簧以及热绕成型的弹簧，由于原子间的结合力决定了材料弹性模量的大小，弹性模量的大小受到影响原子间结合力的因素的影响。影响原子间的结合力是由合金组织、成分、温度和形变强化等产生的。所以材料温度在经过热处理后发生了变化，因此在设计的时候，弹簧特性线产生的先天性误
差，是由弹性模量的变化所引起的。所以在设计计算特性线要求比较高的弹簧时，设计不能按照传统资料给的定值，要根据载荷、工作温度等弹簧的服役情况确定。
热处理温度和金属材料断裂韧性所存在的关系在金属材料加工的过程中，经常会出现金属材料断裂的现象。实际上，在外力的作用下，存在裂纹的金属材料会抵抗裂纹的扩展，我们可以称之为断裂韧性。通过减少金属晶体中的位错现象，就能够减小位错密度，进而提高金属材料的性能，使得金属材料的断裂韧性能力得到提升。通常情况下，主要采用细晶强化的方式来阻碍金属晶体位错。而通过热处理工艺，能够使得细晶强化功能得到进一步提升，实现金属组织的再结晶，其过程是通过加热金属材料，使之达到非常高的温度，然后产生等轴晶粒代替已经变形的晶粒，这一过程通常是在变性剧烈区域完成。在变形温度达到一定的前提下，金属材料的局部错位密度就会累计到一个最高点，进而发生动态再结晶。因此，金属的热处理温度直接关系到再结晶效果，而且这种关系十分明显，需要加工人员能够特别注意。为了能够更高程度的激活原子，并使它迁移，必须保证变形金属的加热温度达到一定程度，同时逐渐形成结晶。原子的扩散过程能够获得热处理的控制温度，进而提高金属材料的断裂韧性。
热处理应力和金属材料应力腐蚀所存在的关系金属材料的应力腐蚀开裂直接影响到其使用性能，所以必须引起重视。应力腐蚀开裂的产生主要是在特定的腐蚀环境以及拉伸应力的作用，金属材料出现了脆性断裂。金属材料在焊接过程中会存在一些残余应力，而这些残余应力却导致了金属材料的应力腐蚀开裂。金属材料在加热和冷却过程中其内部组织和性能会发生改变，导致金属材料的表面和内部温度存在差异，进而产生一定的热应力，在这种情况下，金属内部的冷却温度要高于表面温度，收缩程度比表面小，使得材料内部受到拉应力影响。在金属材料热处理过程中，由于材料的性能发生了变化，不同部位有不同的体积，产生了组织应力。金属材料的表面和内部都会受到不同程度的组织应力和残余应力的影响。在热处理过程中的冷却速度是决定残余应力和影响淬火质量的决定性因素之一。所以加工人员在进行金属材料热处理过程中应该控制好冷却速度，尽可能地接近标准值，减少应力的产生，进而提高金属材料的性能。
二、塑性变形与再结晶
1．变形程度对金属组织和性能的影响
若变形前金属为等轴晶粒，则，经微量变形后晶粒内即有滑移带出现，经过较大的变形后即发现晶粒被拉长，变形程度愈大，晶粒被拉得愈长；当变形程度很大时，则加剧了晶粒沿一定方向伸长，晶粒内部被许多的滑移带分割成细小的小块，晶界与滑移带分辨不清，呈纤维状组织。（注：实验中观察的Fe -α、单相黄铜形变组织中看不到滑移带）
由于变形的结果，滑移带附近晶粒破碎，产生较严重的晶格歪扭，造成临界切应力提高，使继续变形发生困难，即产生了所谓加工硬化现象。随变形程度的增加，金属的硬度、强度、矫顽力、电阻增加，而塑性和韧性下降。
2．形变金属在加热后组织和性能的影响
加工硬化后的金属，由于晶粒破碎，晶格歪扭、位错密度、空位和间隙原子等缺陷的增加，使其内能增加，金属处于不稳定状态，有力求恢复到稳定状态的趋势，加热则为之创造了条件，促进这一过程的进行。
变形后的金属在较低温度加热时，金属内部的应力部分消除，歪曲的晶格恢复正常但显微组织没有变化，原来拉长的晶粒仍然是伸长的。这个过程是靠原子在一个晶粒范围内的移动来实现的，称为回复。这时金属可部分地恢复机械性能，而物理性能，如导电性，几乎全
部恢复。
变形后金属加热到再结晶温度以上时，发生再结晶过程，显微组织发生显著变化。再结晶使金属中被拉长的晶粒消失，生成新的无内应力的等轴晶粒，机械性能完全恢复。
如变形60%的α-黄铜经270℃再结晶退火后，其组织是由许多细小的等轴晶粒及原来纤维状组织组成；温度继续升高，纤维状组织全部消失为等轴晶粒。此后温度再升高，就发生积聚再结晶；温度愈高，晶粒愈大。
在单相黄铜-α组织内，经再结晶退火后能看到明显的退火孪晶，它是与基体颜色不同、边很直的小块。退火孪晶的产生是再结晶过程中，面心立方结构的新晶粒界面在推移过程中发生层错现象所致。
对于立方晶系的金属，当变形度达到70～80%以上时，最低（开始）的再结晶温度与熔点有如下关系：
（绝对温度）熔化再T T 4.0=
金属中有杂质存在时，最低的再结晶温度显著变化。在大多数情况下，杂质均使再结晶温度升高。
为了消除加工硬化现象，通常退火温度要比其最低再结晶温度高出100～200℃。 变形金属经过再结晶后的晶粒度，不仅会影响其强度和塑性，而且还会显著影响动载下的冲击韧性值。
再结晶后晶粒的大小，不仅与再结晶退火的温度有关，而且与再结晶退火前的变形度有关。在同一再结晶退火温度下，晶粒度的大小与预先变形程度的关系，如下图所示：
晶
粒
大
小
临界变形度
预先变形程度
当变形度很小时，由于晶格歪扭程度很小，不足以引起再结晶，故晶粒大小不变；当变形度在2~10%范围内时，金属中变形极不均匀，再结晶时形核数量很少，再结晶后晶粒度很不均匀，晶粒极易相互吞并长大，这样的变形度称“临界变形度”。大于临界变形度后，随着变形度的增加，变形愈均匀，再结晶时的形核率愈大，再结晶后的晶粒便愈细。
在进行冷塑性变形时，应尽量避免在临界变形度下变形，而采用较大的变形度，以获得较细小的晶粒。临界变形度，因金属的本性及纯度而异，铁为7~15%，铝为2~4%。
结束语
热处理能改善机件的机械性能，提高工件的强度和硬度，满足各种性能的需要，但引起的变形影响是不可避免的，我们要重视我国现阶段的热处理技术和装备的改进，不断学习国外先进技术，同时发展自主研发，创新的能力提高热处理工件质量及合格率，为我国的热处理行业做出贡献，为我国成为工业大国而努力。
[参考文献]
1.雷声齿轮热处理变形的控制。机械工程师2007年10期
2魏强刘晓清热处理淬火变形的控制。机械工程师2008年5期
3 史文金属材料及热处理第二版