金屬材料的強化與表面處理

1、化工學院高分子化工學院高分子金屬材料的強化與表面處理化工學院高分子化工學院高分子2強化的原理 大部分金屬材料屬于塑性材料，大部分金屬材料屬于塑性材料，其塑性變形是靠位錯的運動而發(fā)生其塑性變形是靠位錯的運動而發(fā)生n任何任何阻止位錯運動阻止位錯運動的因素都可以成的因素都可以成為提高金屬材料強度的為提高金屬材料強度的途徑途徑。q消除內(nèi)部位錯和其他缺陷消除內(nèi)部位錯和其他缺陷q引入大量缺陷引入大量缺陷化工學院高分子化工學院高分子3主要方式主要方式n細晶強化細晶強化n固溶強化固溶強化n加工硬化加工硬化( (位錯強化位錯強化) )n沉淀強化沉淀強化( (時效強化時效強化) )化工學院高分子化工學院高分子4

2、：合金的晶粒越細小，內(nèi)部的晶粒和晶界的數(shù)目就越合金的晶粒越細小，內(nèi)部的晶粒和晶界的數(shù)目就越多。細晶強化利用晶界上原子排列的不規(guī)則性，原子能多。細晶強化利用晶界上原子排列的不規(guī)則性，原子能量高這一特點，對材料進行強化。量高這一特點，對材料進行強化。 雙晶粒的拉伸試驗說明：晶界對形變有阻礙作用。雙晶粒的拉伸試驗說明：晶界對形變有阻礙作用?；W院高分子化工學院高分子5 在上圖中，低碳鋼的在上圖中，低碳鋼的s 與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈線與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈線性關(guān)系，可用下式表示：性關(guān)系，可用下式表示： s 0+Kd1/2 HallPetch公式公式細晶強化理論的提出：細晶強化理論的提出： （1）

3、針對不同常規(guī)材料，探索抑制其晶粒長大的辦法。）針對不同常規(guī)材料，探索抑制其晶粒長大的辦法。 （2）在世界范圍掀起了研究納米材料的狂潮。）在世界范圍掀起了研究納米材料的狂潮。 可以實現(xiàn)在提高材料強度的同時，也改善材料的塑性可以實現(xiàn)在提高材料強度的同時，也改善材料的塑性和韌性，獲得最佳的強韌性配合。和韌性，獲得最佳的強韌性配合?；W院高分子化工學院高分子6 ： 當合金由單相固溶體構(gòu)成時，隨溶質(zhì)原子含量的增當合金由單相固溶體構(gòu)成時，隨溶質(zhì)原子含量的增加，其塑性變形抗力大大提高，表現(xiàn)為強度和硬度上升，加，其塑性變形抗力大大提高，表現(xiàn)為強度和硬度上升，塑性和韌性值下降。塑性和韌性值下降。b化工學院高分

4、子化工學院高分子7 晶體結(jié)構(gòu)中的彈性交互作用、晶體結(jié)構(gòu)中的彈性交互作用、 電電 交互作用和化學交互作用。其中最主要的是：溶質(zhì)交互作用和化學交互作用。其中最主要的是：溶質(zhì) 原子與位錯的彈性交互作用阻礙了位錯的運動。原子與位錯的彈性交互作用阻礙了位錯的運動。溶質(zhì)原子與位錯彈性交互作用的結(jié)果，使溶質(zhì)原子趨于溶質(zhì)原子與位錯彈性交互作用的結(jié)果，使溶質(zhì)原子趨于聚集在位錯的周圍，以減小點陣畸變，降低體系的能量。聚集在位錯的周圍，以減小點陣畸變，降低體系的能量。（它對位錯有（它對位錯有“釘扎釘扎”作用）作用）化工學院高分子化工學院高分子8 ：加工硬化是指金屬材料隨著塑性變形程度的增加，強加工硬化是指金屬材料隨

5、著塑性變形程度的增加，強度、硬度升高；塑性、韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化（冷變度、硬度升高；塑性、韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化（冷變形）是熱處理不能強化的金屬材料的主要強化方法。形）是熱處理不能強化的金屬材料的主要強化方法。 曲線分為三階段曲線分為三階段1）易滑移階段（位錯少干擾）易滑移階段（位錯少干擾）2）線性硬化階段（位錯塞積）線性硬化階段（位錯塞積）3）拋物線硬化階段（螺旋位錯）拋物線硬化階段（螺旋位錯 啟動，位錯密度下降）啟動，位錯密度下降）化工學院高分子化工學院高分子9加工硬化的實質(zhì)加工硬化的實質(zhì)： 是金屬塑性變形時內(nèi)部產(chǎn)生滑移，使晶粒變形和細化是金屬塑性變形時內(nèi)部產(chǎn)生滑移，使晶粒變形和細化

6、亞組織，因而產(chǎn)生大量的位錯，晶格嚴重畸變，內(nèi)部應(yīng)力亞組織，因而產(chǎn)生大量的位錯，晶格嚴重畸變，內(nèi)部應(yīng)力增加，其宏觀效應(yīng)就是加工硬化。增加，其宏觀效應(yīng)就是加工硬化?；W院高分子化工學院高分子10 ：強化是指獲得過飽和固溶體后，在一定溫度下保強化是指獲得過飽和固溶體后，在一定溫度下保溫析出過渡相、第二相等而實現(xiàn)對材料強化的方法。溫析出過渡相、第二相等而實現(xiàn)對材料強化的方法。條件：條件：固溶度隨溫度固溶度隨溫度的下降而降低的下降而降低化工學院高分子化工學院高分子11化工學院高分子化工學院高分子12金屬強韌化的常用方法n細晶韌化n鋼的熱處理q普通熱處理q表面熱處理n鋁合金的時效強化化工學院高分子化工學

7、院高分子13細晶韌化 晶粒越細在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目多，同樣塑性變形量分散在更多的晶粒內(nèi)進行，變形較均勻，且每個晶粒中塞積德位錯少，因應(yīng)力集中引起的開裂機會少，在開裂前可承受較大的變形量。化工學院高分子化工學院高分子14q 鋼的普通熱處理鋼的普通熱處理 將鋼加熱到一將鋼加熱到一定溫度進行保溫，定溫度進行保溫，緩冷至緩冷至600600以下，以下，再空冷至室溫的熱再空冷至室溫的熱處理工藝。處理工藝?；W院高分子化工學院高分子15名稱名稱目的目的工藝制度工藝制度組織組織應(yīng)用應(yīng)用完全完全退火退火細化晶粒，消除鑄造細化晶粒，消除鑄造偏析，降低硬度，提偏析，降低硬度，提高塑性高塑性加熱到加熱到A AC3

8、C320205050，爐冷至，爐冷至550 550 左右空冷左右空冷 F FP P亞共析鋼的亞共析鋼的鑄、鍛、軋鑄、鍛、軋件，焊接件件，焊接件球化球化退火退火降低硬度，改善切削降低硬度，改善切削性能，提高塑性韌性，性能，提高塑性韌性，為淬火作組織準備為淬火作組織準備加熱到加熱到A AC1C120204040，然后緩冷，然后緩冷片狀珠光體和片狀珠光體和網(wǎng)狀滲碳體組網(wǎng)狀滲碳體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙羁椶D(zhuǎn)變?yōu)榍驙罟参?、過共共析、過共析鋼及合金析鋼及合金鋼的鍛件、鋼的鍛件、軋件等軋件等擴散擴散退火退火改善或消除枝晶偏析，改善或消除枝晶偏析，使成分均勻化使成分均勻化加熱到加熱到T Tm m-100-100200

9、200 ，先緩冷，先緩冷，后空冷后空冷粗大組織（組粗大組織（組織嚴重過燒）織嚴重過燒）合金鋼鑄錠合金鋼鑄錠及大型鑄鋼及大型鑄鋼件或鑄件件或鑄件再結(jié)晶再結(jié)晶退火退火消除加工硬化，提高消除加工硬化，提高塑性塑性加熱到再結(jié)晶溫加熱到再結(jié)晶溫度，再空冷度，再空冷變形晶粒變成變形晶粒變成細小的等軸晶細小的等軸晶冷變形加工冷變形加工的制品的制品去應(yīng)力去應(yīng)力退火退火消除殘余應(yīng)力，提高消除殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性尺寸穩(wěn)定性加熱到加熱到500500650 650 緩冷至緩冷至200 200 空空冷冷 無變化無變化鑄、鍛、焊、鑄、鍛、焊、冷壓件及機冷壓件及機加工件加工件化工學院高分子化工學院高分子16 正火將鋼加

10、熱到正火將鋼加熱到A AC3C3以上溫度并保溫，出爐空冷至室溫以上溫度并保溫，出爐空冷至室溫的熱處理工藝。由于正火比退火加熱溫度略高，冷卻速度的熱處理工藝。由于正火比退火加熱溫度略高，冷卻速度大，故珠光體的分散度大，先共析鐵素體的數(shù)量少，因而大，故珠光體的分散度大，先共析鐵素體的數(shù)量少，因而正火后強度、硬度較高。正火后強度、硬度較高。用正火作為性能要求的一般結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。用正火作為性能要求的一般結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。亞共析鋼采用正火來調(diào)整硬度，改切削加工性能。亞共析鋼采用正火來調(diào)整硬度，改切削加工性能。過共析鋼的正火可消除網(wǎng)狀碳化物。過共析鋼的正火可消除網(wǎng)狀碳化物?；W院高分子化工學院高

11、分子17淬火是將鋼加熱到淬火是將鋼加熱到A AC1C1或或 A AC3C3以上溫度并保溫，出以上溫度并保溫，出爐快速冷卻，使獲得馬氏體的熱處理工藝。爐快速冷卻，使獲得馬氏體的熱處理工藝。 經(jīng)過退火或正火的工件只能獲得一般的強度和硬度，經(jīng)過退火或正火的工件只能獲得一般的強度和硬度，對于許多需要高強度、高耐磨條件下工作的零件則必須對于許多需要高強度、高耐磨條件下工作的零件則必須淬火與回火處理。淬火與回火處理?；W院高分子化工學院高分子18回火是把淬火后的鋼件，重新加熱到回火是把淬火后的鋼件，重新加熱到A A1 1以下某一以下某一溫度，經(jīng)保溫后空冷至室溫的熱處理工藝。溫度，經(jīng)保溫后空冷至室溫的熱處

12、理工藝。淬火鋼件經(jīng)回火可以減少或消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定淬火鋼件經(jīng)回火可以減少或消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織，提高鋼的塑性和韌性，從而使鋼的強度、硬度和塑組織，提高鋼的塑性和韌性，從而使鋼的強度、硬度和塑性、韌性得到適當配合，以滿足不同工件的性能要求。性、韌性得到適當配合，以滿足不同工件的性能要求。化工學院高分子化工學院高分子19 回火的目的是降低應(yīng)力和脆性，獲得回火馬氏體組織，回火的目的是降低應(yīng)力和脆性，獲得回火馬氏體組織，使鋼具有高的硬度、強度和耐磨性。低溫回火一般用來處使鋼具有高的硬度、強度和耐磨性。低溫回火一般用來處理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滾動軸理要求高硬度和高耐磨性的工件，如

13、刀具、量具、滾動軸承和滲碳件等。（承和滲碳件等。（HRC60HRC60）1 1）低溫回火）低溫回火（150150250250）2 2）中溫回火）中溫回火（350350500500） 回火的目的是獲得回火屈氏體，具備高的彈性極限和回火的目的是獲得回火屈氏體，具備高的彈性極限和韌性，并保持一定的硬度，主要用于各種彈簧，鍛模、壓韌性，并保持一定的硬度，主要用于各種彈簧，鍛模、壓鑄模等模具。（鑄模等模具。（35HRC4535HRC45） 化工學院高分子化工學院高分子203 3）高溫回火）高溫回火（500500650650） 回火的目的是具備良好的綜合機械性能（較高的強回火的目的是具備良好的綜合機械性能

14、（較高的強度、塑性、韌性），得到回火索氏體組織。一般把淬火度、塑性、韌性），得到回火索氏體組織。一般把淬火加高溫回火的熱處理稱為加高溫回火的熱處理稱為“調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理”。適用于中碳結(jié)。適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車拖拉機半軸、構(gòu)鋼制作的曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車拖拉機半軸、機床主軸及齒輪等重要機器零件。（機床主軸及齒輪等重要機器零件。（25HRC3525HRC35） 化工學院高分子化工學院高分子21q 鋼的表面熱處理鋼的表面熱處理 表面淬火表面淬火是將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后是將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，僅使表面層獲得淬火組織，而心部仍保持淬迅速冷卻

15、，僅使表面層獲得淬火組織，而心部仍保持淬火前組織的熱處理方法。火前組織的熱處理方法。火焰表面淬火火焰表面淬火是氧炔焰等高溫熱源將工件表面許速是氧炔焰等高溫熱源將工件表面許速加熱到形變溫度以上，然后立即進行低溫回火，或利用加熱到形變溫度以上，然后立即進行低溫回火，或利用工件內(nèi)部余熱自身回火。工件內(nèi)部余熱自身回火。 這種方法可獲得這種方法可獲得2 26mm6mm的淬的淬透深度，設(shè)備簡單，成本低，適于單件或小批量生產(chǎn)。透深度，設(shè)備簡單，成本低，適于單件或小批量生產(chǎn)?；W院高分子化工學院高分子22感應(yīng)加熱表面淬火的特點：感應(yīng)加熱表面淬火的特點： 淬火溫度高于一般淬火溫度。淬火溫度高于一般淬火溫度。

16、淬火后馬氏體晶粒細化，表淬火后馬氏體晶粒細化，表層硬度比普通淬火高層硬度比普通淬火高2 23HRC3HRC。 表層存在很大的殘余壓應(yīng)力。表層存在很大的殘余壓應(yīng)力。 不易產(chǎn)生變形和氧化脫碳。不易產(chǎn)生變形和氧化脫碳。 易于實現(xiàn)機械化與自動化。感應(yīng)加熱淬火后，為了減易于實現(xiàn)機械化與自動化。感應(yīng)加熱淬火后，為了減小淬火應(yīng)力和降低脆性，需進行小淬火應(yīng)力和降低脆性，需進行170170200200低溫回火。低溫回火。 感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理，表層感應(yīng)電流密度感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理，表層感應(yīng)電流密度大，溫度高；心部幾乎不受熱。大，溫度高；心部幾乎不受熱?；W院高分子化工學院高分子23 鋼的化學熱處理

17、是指將工件放在一定溫度的活性介鋼的化學熱處理是指將工件放在一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中分解出的一種或幾種元素的活性原質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中分解出的一種或幾種元素的活性原子被鋼件表面吸附并向表層擴散，從而改變其表層化學子被鋼件表面吸附并向表層擴散，從而改變其表層化學成分、組織和性能的一種熱處理工藝方法。成分、組織和性能的一種熱處理工藝方法。 基本過程基本過程： 鋼件加熱時，化學介質(zhì)分解出滲入元素鋼件加熱時，化學介質(zhì)分解出滲入元素的活性原子；的活性原子； 活性原子被鋼件表面吸附和溶解；活性原子被鋼件表面吸附和溶解； 原子由表面向內(nèi)部擴散，形成一定的擴原子由表面向內(nèi)部擴散，形成一定的擴散層。散層。

18、 種類種類： 滲碳滲碳 滲氮滲氮 碳氮共滲碳氮共滲 化工學院高分子化工學院高分子24 將鋼放入滲碳的介質(zhì)中加熱并保溫，使活性碳原子將鋼放入滲碳的介質(zhì)中加熱并保溫，使活性碳原子滲入鋼的表層的工藝稱為滲入鋼的表層的工藝稱為滲碳滲碳。其目的是其目的是通過滲碳通過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，及隨后的淬火和低溫回火，使表面獲得高碳回火馬氏使表面獲得高碳回火馬氏體，具有高硬度、耐磨性體，具有高硬度、耐磨性和抗疲勞性能；而心部為和抗疲勞性能；而心部為低碳回火馬氏體或索氏體，低碳回火馬氏體或索氏體，具有一定的強度和良好的具有一定的強度和良好的韌性配合。韌性配合。氣體滲碳示意圖氣體滲碳示意圖化工學院高分子化工學

19、院高分子25滲碳方法滲碳方法：氣體滲碳氣體滲碳固體滲碳固體滲碳液體滲碳液體滲碳目前廣泛應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用化工學院高分子化工學院高分子26 滲氮俗稱氮化，是指在一定溫度下使活性氮原子滲入滲氮俗稱氮化，是指在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面，在鋼件表面獲得一定深度的富氮硬化層的熱處工件表面，在鋼件表面獲得一定深度的富氮硬化層的熱處理工藝。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、理工藝。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等。熱硬性和耐蝕性等。 常用的滲氮方法有常用的滲氮方法有氣體滲氮氣體滲氮、離子滲氮、離子滲氮、氮碳共滲氮碳共滲（軟氮化）（軟氮化）等。生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是氣體滲氮。等。生產(chǎn)中應(yīng)用