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[摘 要]金属热处理工艺是一种新型的工艺技术，其主要是通过金属的物理变化过程，以此来改变金属材料表面或内部的组织结构，从而使其满足某一工艺需求的加工处理技术。但是，在金属热处理过程中，过高的温度会使金属内部产生应力，引发金属应力变形，在温度降低的情况下，很有可能出现开裂失效的现象。基于此，文章主要对金属热处理的残余应力及开裂失效关系进行了分析，并提出了相应的改进措施。
[关键词]金属热处理；残余应力；开裂失效
中图分类号：TH443 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
引言
近年来，随着我国加工制造行业的不断发展，金属材料在其中的应用越来越广泛。金属热处理作为一种加工工艺，其目的是为了改变金属的组织结构，为加工制造生产提供良好的加工原材料。但是，金属在受热情况下，其会产生相应的热应力，若应力变化范围在允许范围内，则不会给金属热处理工艺带来影响，若应力变化超出了正常水平，则金属热处理工艺效果就会受到影响，给后续工艺的进行带来阻碍。因此，对金属热处理残余应力及开裂失效的关系进行分析与研究，能够提升金属热处理工艺水平。
1 金属材料热处理概述
1.1 金属材料热处理的作用
金属材料的热处理在金属工件的制造中，主要有以下3种不同的作用：
1.1.1 提高金属材料的切削性能和加工精度
在传统的金属工件的毛坯和半成品的切削过程中，由于切削刀具、切削温度和切削条件的不同，导致金属工件的变形程度也不同。利用金属预热处理工艺，能够消除或减少加工过程中所致的材料缺陷，在保证金属材料的切削性能时，又能够提高金属材料的加工精度。
1.1.2 提高金属材料的断裂韧性
一般情况下，金属的硬度比较大，在强应力的作用下，金属的韧性不足，会出现断裂现象，降低金属材料的使用性能。所以，对金属材料进行热处理，在一定程度上能够增加金属材料的断裂韧性，提高金属材料抵抗裂纹扩展的性能。“细晶强化”是降低金属材料中晶体位错的密度的重要方法之一，其工艺过程从本质上来说，就是金属材料的热处理过程。因此，在金属材料热处理过程中，对于不同的金属材料来说，我们可以通过操作热处理的温度和时间，提高金属材料的断裂韧性，减少金属材料中的晶体位错，降低金属材料中的位错密度，提高金属材料的强度。
1.1.3 减少金属材料的开裂
金属材料的开裂，是指金属材料在特定的腐蚀环境中，受到拉伸应力作用时，发生的脆性、断裂性破坏。这里所提到的拉伸应力大部分来自于金属热处理中的残余应力。
1.2 金属热处理中的残余应力
热处理技术，是指通过对金属材料“加热→冷却”过程的控制，来达到改变金属材料组织结构、性能和品质的目的。在“加热→冷却”过程中，会产生因温差引起的热应力和该金属材料变相引起的相变应力。
1.2.1 热应力
金属材料在“加热→冷却”过程中，由于金属表层与内部的加热和冷却速度不同，这种温差导致膨胀和收缩不均，由此产生的应力即为热应力。这种热应力在冷却过程中表现的更加突出。
1.2.2 相变应力
在“加热→冷却”过程中，金属材料的组织结构发生变化。对于钢铁材料来说，在化学成分相同的情况下，马氏体的比容大于珠光体的比容，而珠光体的比容又大于奥氏体的比容。因此，在冷却过程中，奥氏体向马氏体转换，引起金属工件的膨胀。这种由相变体积差带来的应力，即成为相变应力。相变应力的大小与局部相变区的冷却速度有关。
2 残余应力与开裂
在金属材料的热处理过程中，难免会产生材料局部的损伤和微小裂纹的出现，并由此导致金属材料出现宏观裂缝，进而发生断裂，影响金属工件的应用安全性，缩短使用寿命。
2.1 残余应力引起金属材料开裂的原因
残余应力引起金属材料开裂的原因有很多，下面我们就来简单介绍一下当前残余应力引发金属材料开裂的主要原因：
第一，拉应力的作用是其必不可少的因素，在压应力的作用下金屬工件不会发生开裂。当多向应力同时存在时，如若其最大应力为拉应力，就会发生金属工件的开裂。
第二，与大多数体系一样，残余应力体系也存在临界应力值。当金属材料所受的总应力小于这一临界值时，就不会发生开裂。一旦材料所受的总应力大于临界值时，即可发生开裂。通常情况下，除不锈钢外，其余金属材料均有临界值。
第三，开裂主要发生在合金中，纯金属中一般很少发生。合金具有开裂敏感性是因为合金成分的各种微小偏析所致。但是在现实的操作中，并不存在百分之百的纯金属。即使所谓的纯金属，也会含有极少不纯的杂质。但正是这极少杂质也会增加金属材料的开裂敏感性，不容忽视。
第四，金属材料的开裂只有在特定的腐蚀介质中才会发生。由于金属材料的成分和组织的不同，其开裂的敏感性也不同。
2.2 残余应力引起金属材料开裂的影响
在金属工件的使用过程中，工作应力与残余应力相互叠加，会导致金属工件产生残余应力的重新分布和二次变形。在金属工件的使用过程中，由于受到工作环境、使用温度、工作介质和残余应力的影响，工件的抗腐蚀能力和抗开裂能力会大大下降。残余应力开裂按原理主要分为晶间开裂和穿晶开裂。在应力开裂过程中，裂纹主要沿着与最大应力垂直的方向进行。
2.3 开裂失效和裂纹愈合的途径
金属材料在热处理过程中，会产生局部损伤和裂纹，进而引起金属工件的开裂。实现金属材料损伤的修复和愈合，对延长金属工件的使用寿命有重大意义。下面我们就来简单分析一下开裂失效和裂纹愈合的途径，以此来提高金属材料的使用性能：
第一，要减少热处理所致的金属材料开裂问题，首先要消除裂纹产生的可能。減少结构设计缺陷，例如，过大的截面、过小的圆角半径等；减少表面加工质量缺陷，例如，表面过度粗糙，表面有刀痕或划伤，淬火引起裂纹、渗碳、氮化，表面出现网状组织等。可以通过减少应力集中程度的方法减少金属材料的开裂，例如，加大圆角半径等。
第二，提高表面压应力。拉应力是开裂的必要条件之一，因而要充分发挥表面压应力的积极作用，提高工件表面的压应力。在金属工件的使用过程中，需要定期检测，防患于未然。提高金属材料质量。在金属材料中加入适当分量的合金元素，可以提高材料的耐疲劳强度，延长工件的使用寿命。第五，一旦金属工件产生裂纹，应评估其修复成本，如修复成本小于制作成本，就值得修复工件。常见的裂纹修复方法有：常规焊接、高温塑变、高温保温等。
结束语
总而言之，在金属热处理工艺过程中，受残余热应力的影响，金属材料的状态并不稳定，容易降低金属加工工艺水平。因此，在金属热处理过程中，相关人员应注重金属热处理残余应力的变化，并将其控制在一定水平过程中，从而提高金属材料的韧性，降低金属材料开裂失效现象的发生。
参考文献
[1] 刘军杰.金属热处理残余应力与开裂失效关系的探讨[J].企业技术开发，2013，（19）：65-66+87.
[2] 陈再良，吕东显，曹明宇，付海峰.金属热处理残余应力与开裂失效关系的探讨[J].金属热处理，2007，（S1）：40-44.
[关键词]金属热处理；残余应力；开裂失效
中图分类号：TH443 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
引言
近年来，随着我国加工制造行业的不断发展，金属材料在其中的应用越来越广泛。金属热处理作为一种加工工艺，其目的是为了改变金属的组织结构，为加工制造生产提供良好的加工原材料。但是，金属在受热情况下，其会产生相应的热应力，若应力变化范围在允许范围内，则不会给金属热处理工艺带来影响，若应力变化超出了正常水平，则金属热处理工艺效果就会受到影响，给后续工艺的进行带来阻碍。因此，对金属热处理残余应力及开裂失效的关系进行分析与研究，能够提升金属热处理工艺水平。
1 金属材料热处理概述
1.1 金属材料热处理的作用
金属材料的热处理在金属工件的制造中，主要有以下3种不同的作用：
1.1.1 提高金属材料的切削性能和加工精度
在传统的金属工件的毛坯和半成品的切削过程中，由于切削刀具、切削温度和切削条件的不同，导致金属工件的变形程度也不同。利用金属预热处理工艺，能够消除或减少加工过程中所致的材料缺陷，在保证金属材料的切削性能时，又能够提高金属材料的加工精度。
1.1.2 提高金属材料的断裂韧性
一般情况下，金属的硬度比较大，在强应力的作用下，金属的韧性不足，会出现断裂现象，降低金属材料的使用性能。所以，对金属材料进行热处理，在一定程度上能够增加金属材料的断裂韧性，提高金属材料抵抗裂纹扩展的性能。“细晶强化”是降低金属材料中晶体位错的密度的重要方法之一，其工艺过程从本质上来说，就是金属材料的热处理过程。因此，在金属材料热处理过程中，对于不同的金属材料来说，我们可以通过操作热处理的温度和时间，提高金属材料的断裂韧性，减少金属材料中的晶体位错，降低金属材料中的位错密度，提高金属材料的强度。
1.1.3 减少金属材料的开裂
金属材料的开裂，是指金属材料在特定的腐蚀环境中，受到拉伸应力作用时，发生的脆性、断裂性破坏。这里所提到的拉伸应力大部分来自于金属热处理中的残余应力。
1.2 金属热处理中的残余应力
热处理技术，是指通过对金属材料“加热→冷却”过程的控制，来达到改变金属材料组织结构、性能和品质的目的。在“加热→冷却”过程中，会产生因温差引起的热应力和该金属材料变相引起的相变应力。
1.2.1 热应力
金属材料在“加热→冷却”过程中，由于金属表层与内部的加热和冷却速度不同，这种温差导致膨胀和收缩不均，由此产生的应力即为热应力。这种热应力在冷却过程中表现的更加突出。
1.2.2 相变应力
在“加热→冷却”过程中，金属材料的组织结构发生变化。对于钢铁材料来说，在化学成分相同的情况下，马氏体的比容大于珠光体的比容，而珠光体的比容又大于奥氏体的比容。因此，在冷却过程中，奥氏体向马氏体转换，引起金属工件的膨胀。这种由相变体积差带来的应力，即成为相变应力。相变应力的大小与局部相变区的冷却速度有关。
2 残余应力与开裂
在金属材料的热处理过程中，难免会产生材料局部的损伤和微小裂纹的出现，并由此导致金属材料出现宏观裂缝，进而发生断裂，影响金属工件的应用安全性，缩短使用寿命。
2.1 残余应力引起金属材料开裂的原因
残余应力引起金属材料开裂的原因有很多，下面我们就来简单介绍一下当前残余应力引发金属材料开裂的主要原因：
第一，拉应力的作用是其必不可少的因素，在压应力的作用下金屬工件不会发生开裂。当多向应力同时存在时，如若其最大应力为拉应力，就会发生金属工件的开裂。
第二，与大多数体系一样，残余应力体系也存在临界应力值。当金属材料所受的总应力小于这一临界值时，就不会发生开裂。一旦材料所受的总应力大于临界值时，即可发生开裂。通常情况下，除不锈钢外，其余金属材料均有临界值。
第三，开裂主要发生在合金中，纯金属中一般很少发生。合金具有开裂敏感性是因为合金成分的各种微小偏析所致。但是在现实的操作中，并不存在百分之百的纯金属。即使所谓的纯金属，也会含有极少不纯的杂质。但正是这极少杂质也会增加金属材料的开裂敏感性，不容忽视。
第四，金属材料的开裂只有在特定的腐蚀介质中才会发生。由于金属材料的成分和组织的不同，其开裂的敏感性也不同。
2.2 残余应力引起金属材料开裂的影响
在金属工件的使用过程中，工作应力与残余应力相互叠加，会导致金属工件产生残余应力的重新分布和二次变形。在金属工件的使用过程中，由于受到工作环境、使用温度、工作介质和残余应力的影响，工件的抗腐蚀能力和抗开裂能力会大大下降。残余应力开裂按原理主要分为晶间开裂和穿晶开裂。在应力开裂过程中，裂纹主要沿着与最大应力垂直的方向进行。
2.3 开裂失效和裂纹愈合的途径
金属材料在热处理过程中，会产生局部损伤和裂纹，进而引起金属工件的开裂。实现金属材料损伤的修复和愈合，对延长金属工件的使用寿命有重大意义。下面我们就来简单分析一下开裂失效和裂纹愈合的途径，以此来提高金属材料的使用性能：
第一，要减少热处理所致的金属材料开裂问题，首先要消除裂纹产生的可能。減少结构设计缺陷，例如，过大的截面、过小的圆角半径等；减少表面加工质量缺陷，例如，表面过度粗糙，表面有刀痕或划伤，淬火引起裂纹、渗碳、氮化，表面出现网状组织等。可以通过减少应力集中程度的方法减少金属材料的开裂，例如，加大圆角半径等。
第二，提高表面压应力。拉应力是开裂的必要条件之一，因而要充分发挥表面压应力的积极作用，提高工件表面的压应力。在金属工件的使用过程中，需要定期检测，防患于未然。提高金属材料质量。在金属材料中加入适当分量的合金元素，可以提高材料的耐疲劳强度，延长工件的使用寿命。第五，一旦金属工件产生裂纹，应评估其修复成本，如修复成本小于制作成本，就值得修复工件。常见的裂纹修复方法有：常规焊接、高温塑变、高温保温等。
结束语
总而言之，在金属热处理工艺过程中，受残余热应力的影响，金属材料的状态并不稳定，容易降低金属加工工艺水平。因此，在金属热处理过程中，相关人员应注重金属热处理残余应力的变化，并将其控制在一定水平过程中，从而提高金属材料的韧性，降低金属材料开裂失效现象的发生。
参考文献
[1] 刘军杰.金属热处理残余应力与开裂失效关系的探讨[J].企业技术开发，2013，（19）：65-66+87.
[2] 陈再良，吕东显，曹明宇，付海峰.金属热处理残余应力与开裂失效关系的探讨[J].金属热处理，2007，（S1）：40-44.