【自然辨证法论文-xxx-2016xxxx29-机械系】材料改性工艺的科学本质探索.docxVIP

材料改性工艺的科学本质探索摘要：材料改性在机械世界中是一个永恒不变的主题。材料改性工艺起初源于经验，近现代开始才渐渐的被研究，其科学本质也渐渐的被探索。本文就传统的材料改性工艺——热处理的“四把火”以及新型的电磁强化工艺的经验与科学探索过程出发，对材料改性的科学本质进行探讨，进而探讨经验与科学之间的辨证关系。关键字：材料改性；热处理；电磁强化0前言自古以来的“打铁”到近代的传统热处理工艺，再到现代的复合工艺与先进工艺如激光、真空渗碳、电磁强化等[1]，种种不同的手段被应用于对材料的不同属性的改良以适应不同的环境。在机械世界中材料改性是一个永恒的主题，所有机械的产生都离不开。早在商朝时期人们就已经发现青铜的退火工艺，工匠们发现青铜器加热后缓慢冷却可以增加延展性，从而被制作成多种多样的器物[2]。但是材料改性的物理规律仅在近代才开始被研究，显微镜的发明和对金相组织的观察促使着这门古老的手艺渐渐的从经验上升为科学。热处理中的“四把火”——退火、正火、淬火、回火是传统的材料改性手段，相关的技术和理论研究很广很深，形式和对象都有很大的变化。不过随着材料种类的增多、设备精密化、社会的需求，这些传统的处理手段也在不断的进化适应新的需求。随着技术水平的发展，新的材料处理工艺也不断涌现：激光[3]的高功率和高聚焦性可以实现材料表面的淬火，在满足强度和硬度的前提下，极大的提高了传统渗氮渗碳工艺的疲劳性能；电磁脉冲强化技术应用于高疲劳性的构件如轴承环[4]上可降低残余应力水平，极大的提高疲劳寿命，电磁强化作用于刀具[5]又可降低表面摩擦系数、提高冲击韧性和耐磨性从而提高刀具的切削寿命；离子注入方式[6]提升材料表面的抗磨损、抗腐蚀和抗氧化性等特性而延长材料服役寿命。本文将从传统的热处理工艺和电磁强化这两项材料改性技术出发，对材料改性工艺的科学本质探索过程进行阐述和分析。1. 传统热处理工艺——“四把火”[7]1.1 退火将组织偏离平衡状态的钢加热到适当的温度并保温一定时间，按照一定的规律以较慢的速度冷却（一般是炉冷），以获得接近平衡组织的热处理工艺叫做退火。常见的分类有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火等，各种退火工艺加热温度范围和工艺曲线如图1所示。图1碳钢各种退火和正火工艺规范示意图从退火工艺的特点看，材料在高温阶段停留较长时间，且温度变化缓慢，这样的条件很适合晶粒的生长和组织的均匀化。因此退火工艺常用于去应力、降低硬度、平衡组织形态等场合。例如加工硬化后的材料，退火可以改善其延展性；钢锭机加工前可以进行完全退火改善切削加工性能。从微观角度分析，高温情况下，原子的跳动频率大大增加，使得高应力区、不平衡区的势垒相对于低温情况下降低，材料更倾向于均匀化。对于合金材料，亦可以平衡不同元素的浓度达到均匀化的效果[8]。1.2 正火钢材在加热到一定温度后，放置在空气中进行冷却的热处理称为正火。正火的冷却速度大于退火工艺，目的使得钢的组织正常化。冷却速度加快，使得材料的晶粒来不及长大就冷却，因而有细化晶粒的作用，却又不失组织的均匀性。这样处理的材料的力学性能很好，强度足够，韧性也很好。正火在一些力学性能要求不高的场合可作为最终的热处理。正火后的材料的硬度、强度和韧性均比退火后的材料要高，这似乎提示着人们改变钢材的冷却速度可以改善力学性能，而且似乎是更快的冷速可以得到性能更好的钢材。这个现象的科学本质是什么呢？人们从晶粒细化的角度去比较正火和退火，发现晶粒度的不同对于同种材料的力学性能表征具有很明显的不同，正火后的晶粒度更小。但也可以从组织的均匀程度进行分析，正火后的组织均匀性不及退火态的材料。从辨证的角度看，这两者（其他因素也可以）都可以作为影响因素被考虑，并且在各种实验中，很难对一样因素进行精确的控制。那么从微观的角度对材料属性的预测应该如何呢？这是一个一直进行下去的问题，总是难以直接解释。1.3淬火将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却（一般水冷或油冷）以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。在传统热处理工艺中，淬火是最为重要的强化方法。因为淬火后形成了一个马氏体组织，是一个高硬度的组织。与正火对比，淬火的冷却速度更快。但不同的时此时发生变化的并不是晶粒度而是组织；也不是组织的均匀程度，而是组织的形态。马氏体组织根据碳元素的不同而呈板条状或针状，完全不同于正火或者退火态的珠光体组织形态，图2所示马氏体和珠光体之间的比较。图2马氏体（左）与珠光体（右）组织形态对比淬火态的钢材缺陷密度非常高，例如常见的晶体内的点缺陷、线缺陷和面缺陷。因为快速冷却的过程元素难以扩散，在晶格形状几乎顺便的情况下，只能形成过饱和的固溶体，因为带来了很高的缺陷密度。缺陷密度像一个乱缠的线团，因此组织的硬度非常高。从淬火态材料的微观分析，组织的形态产生了很