加工对金属材料拉伸性能的影响研究

加工对金属材料拉伸性能的影响研究

张江涛

身份证号码：610524198407283216

摘要：不同的热处理工艺对金属材料硬度、变形量、显微组织、抗拉强度等有着不同的影响，进而影响金属材料的抗疲劳性能。通过对金属材料表面进行处理，可以显著改善金属材料的性能，如提高其耐腐蚀性、耐磨性、涂层附着力等。本文分析了加工对金属材料抗疲劳性能的影响，探讨了温度、冷却介质及预处理对抗疲劳性能的影响原因与机理及关键技术，展望了热处理工艺的发展趋势，以改善其抗疲劳性能。

关键词：金属材料；拉伸性能；加工

中图分类号：TG156     文献标识码：A

引言

金属材料表面处理技术是一种通过物理、化学或电化学方法，在金属材料表面形成一层保护性的涂层、氧化层或改变表面的化学成分、组织结构和性质的技术。这些处理方法包括热浸镀锌、电镀、喷涂、涂覆、热喷涂、化学涂覆、物理气相沉积、电解抛光、电解脱脂、电化学沉积、喷丸等。通过这些处理技术，可以提高金属材料的抗腐蚀性能、耐磨性、导电性、绝缘性、隔热性、光学性等特性，从而延长金属材料的使用寿命，减少维护成本，提高工程结构的可靠性和安全性。

1 影响金属材料拉伸性能的因素

1.1 应力集中

金属材料存在着不同形式的缺口，缺口根部的理论集中应力系数(Kf)=根部最大实际应力/名义应力，疲劳应力集中系数(Kt)=光滑金属疲劳极限/缺口金属疲劳极限，其中疲劳应力集中受到金属材料物理化学性能及热加工处理的影响，应力与缺口的尖锐程度成正比，这是金属构件发生疲劳破坏的源头。疲劳缺口敏感度系数q=kf-1/kt-1，q值为0~1，值越小说明敏感度越低，q值的大小与缺口尺寸有着一定的关系，但当缺口尺寸超过一定值后，则与q值的大小无关。

1.2 加载经历

金属材料加载经历对其抗疲劳性能的影响主要是指超载损伤与次载锻炼，少数的超载对于金属材料的疲劳性能影响非常小，但在高于疲劳极限负荷且长时间加载的情况下会降低金属的疲劳极限，引起疲劳破坏。使用金属材料前进行适当的超载可促进金属形变强化，使金属表面形成良好的残余应力，有助于提升疲劳强度。次载锻炼与超载相反，在金属疲劳极限范围内且在大于一个锻炼应力值下运行会增加金属材料的疲劳极限，锻炼时间与锻炼应力值的大小会影响金属疲劳极限改善的效果。

1.3 淬火与滚压

在金属表面淬火加热形成热传导作用，渗透至金属表面一定的深度，形成硬化层并增加残余应力，以增强材料的抗疲劳性能。对金属表面进行滚压处理，可增加硬化层厚度，达到改善抗疲劳性能的目的。金属材料表面机械性能、残余应力、光洁度等的调整对于抗疲劳性能都会产生直接影响。

2 金属材料拉伸性能提升策略

2.1 FDM加工成型

FDM加工成型技术在导热领域的应用是比较常见的。具体而言，散热片、热界面材料属于现代电子通信行业导热的关键设备，随着时代的发展，电子信息系统技术不断提高，在这一背景下，常规的模塑、热挤压之类的高分子加工成型工艺所制作的材料很难满足相关工作需求。而FDM加工成型技术能够在低成本支出的技术背景下，制作更加复杂的多功能结构，进而满足更加复杂的导热器件制备与应用需求。此外，FDM加工成型技术还能够对导热填料在制件中取向进行调控，强化复合材料的导热性能，进而制备具有可调的分层增强导热复合制件。在实际工作情境中，为了制备导热器材，相关技术人员需要往高分子基体中添加导热填料，其中的典型材料包括石墨烯、碳纳米管、铜等。但是，在FDM加工打印高导热率制件时，导热快的材料存在较高的传热速率，很容易导致制件精度受到严重影响，因此，需要采用复合导热丝条进行加工处理，比较常见的材料包括石墨烯/PLA复合材料等。例如，Jia等人结合FDM加工成型技术，从平面打印、竖直打印两个方向，完成了石墨片/高分子打印，并对其导热率进行了综合分析，发现竖直打印的产物具有更加优秀的导热性特征。

2.2 计算机辅助技术

随着计算机技术以及信息技术的高速发展，计算机辅助技术在金属热处理领域中的融合应用能够进一步提高热处理质量以及效率，并起到良好的节能效果。在金属热处理领域中应用的计算机辅助技术主要以CAD技术为主。在应用CAD技术时，需要技术人员在虚拟化环境下对金属热处理的各个环节及工艺进行综合分析，同时需要配合基于物联网技术的传感器观察淬火剂及淬火环节等各项工艺环节的运行进程，例如在淬火过程中通过物联网传感器能够掌握金属表面温度及性状等各类参数，并将收集的数据返回到云数据中心平台，再通过数据建模的方式将二维数据信息转化为三维立体模型，或将数据信息转变为图示结构展示在图形界面交互平台当中。此时，技术人员可以结合各性能参数的变化情况下达相关命令，例如为了达到金属热处理节能效果，通过利用控制系统，采用喷雾冷却技术节约大量资源。此外，该技术还可应用在金属热处理节能设计环节当中，例如技术人员通过CAD技术构建三维温度场进行热处理节能模拟设计，在此期间，可灵活选择企业现有的各类耐火材料进行实验分析，再通过数据比对的方式选择节能效果最佳的耐火材料，有效保障了能源的节约效果。

2.3 3D建模和CAD设计

在展开金属材料加工之前，首先需要确定金属工件的几何形状、尺寸、特征等信息，以便于建立合理的加工程序，满足数控加工技术的实际要求。在收集相关数据的同时，需要使用CAD软件创建金属工件的完整3D模型，使用几何建模工具和操作进一步明确该金属工件的各个部分、特征以及结构。并在此基础上，进一步细化工件的外部轮廓、曲面、孔洞等细节。然后进一步完善该金属工件的加工特征，例如槽口、凸台、螺纹等特征，以便于进行金属工件的加工。此外，还需要进一步明确该金属工件使用的材料和加工的工艺，从而提升金属工件加工的质量，满足工件使用的具体要求。

2.4 金属工件检测

在使用传感器测量设备对材料的加工质量、尺寸进行全过程监控与检测的同时，需要根据系统反馈的偏差、问题进行针对性的调整，使其满足金属工件加工的要求。例如，在使用测量设备进行尺寸测量的情况下，三坐标测量仪、激光扫描仪等设备可以对金属工件的尺寸进行实时的测量，并对比设计图纸中的参数，判断加工过程是否存在误差，一般情况下可以根据自动加工程序的控制进行快速调整和修正。但存在较大误差的情况下，则会发出相应的警告，并向设备管理人员提供相关的数据，以便于判断加工过程中出现误差的具体原因。而设备管理人员则可以根据相关的参数，展开刀具更换或者加工过程的调整，例如调整切削过程中的力度，对刀具进行磨削或者调整，从而满足高精度加工的要求。

3 结束语

金属材料热处理采用不同工艺、不同工艺参数、不同处理技术等会对其抗疲劳性能产生影响。在实际热处理操作中准确选择与运用热处理工艺，加强热处理关键技术控制，可降低预处理、淬火、回火等对抗疲劳性能的影响，提高热处理质量与效率，全面增强金属材料的综合性能。

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