金屬熱處理培訓(xùn)課件

1、金屬熱處理金屬是晶體。在晶體中，原子按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列，稱為有序排列。晶體有固定的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)，晶體的性能呈各向異性。金屬材料絕大多數(shù)是晶體。 一、金屬的結(jié)構(gòu)常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方：-Fe,Cr,W,V等。面心立方：-Fe、 Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等密排六方：Mg、Zn、Be、Ti、Cd等合金的結(jié)構(gòu)金屬中加入合金后可形成固溶體或金屬化合物。固溶體合金各組元在液態(tài)下互相溶解，結(jié)晶為固態(tài)后仍然保持溶解狀態(tài)的合金相，稱為固溶體。固溶體的特征是：溶劑為含量較多的基體金屬，晶格類型保持不變。溶質(zhì)為含量較少的合金元素，晶格類型消失。例如碳原子溶解到-Fe的晶格中，形成的固溶體(

2、稱鐵素體)具有-Fe原來的體心立方晶格，而碳失去原來的密排六方結(jié)構(gòu)，以單個原子溶入-Fe的晶格，-Fe是溶劑，碳是溶質(zhì)。固溶體溶質(zhì)原子置換了溶劑晶格中溶劑原子的部分位置而形成的固溶體稱為置換固溶體，溶質(zhì)原子位于溶劑晶格間隙中所形成的固溶體稱間隙固溶體，如圖所示。溶劑 溶質(zhì) (b) 溶質(zhì) (a) 溶劑 固溶強(qiáng)化因溶質(zhì)原子的溶入而導(dǎo)致固溶體原子間作用力發(fā)生變化，使晶格發(fā)生畸變，增加了位錯移動的阻力，提高了合金的強(qiáng)度和硬度。這種通過溶入溶質(zhì)元素而使溶劑金屬強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。 原子尺寸相差越大，畸變就越嚴(yán)重。金屬化合物合金中各組元按一定方式形成的一種新晶體稱為金屬化合物。金屬化合物的晶

3、格類型不同于任一組元，一般具有復(fù)雜晶格，如碳鋼中的滲碳體(Fe3 C)是鐵與碳形成的金屬化合物，其晶格類型既不同于鐵，也不同于碳的復(fù)雜結(jié)構(gòu) 。彌散強(qiáng)化復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)，很高的硬度與脆性。合金中出現(xiàn)金屬化合物時，合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性提高，但塑性、韌性降低。由于金屬化合物硬而脆，通常不能作為合金的基體材料，而是以彌散狀態(tài)(細(xì)粒狀、細(xì)點(diǎn)狀)分布于合金基體上作為強(qiáng)化相。彌散度越高，金屬強(qiáng)度、硬度越高。這種以彌散粒子作為第二強(qiáng)化相使金屬強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化。 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變多數(shù)金屬結(jié)晶后，晶格類型不再發(fā)生變化。但有少數(shù)金屬如鐵、鈷、鈦、錫等，在結(jié)晶完成后繼續(xù)冷卻的

4、過程中還會發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。這種金屬在固態(tài)下由一種晶格向另一種晶格的轉(zhuǎn)變稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。金屬變形和強(qiáng)化1金屬的塑性變形及其對金屬組織性能的影響金屬在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后不能恢復(fù)的永久性變形稱為塑性變形。塑性變形不僅使金屬獲得所需的形狀和尺寸，而且能改變金屬的組織和性能。 金屬的結(jié)合鍵是金屬鍵 金屬鍵決定金屬的特性：導(dǎo)電、導(dǎo)熱、 良好的塑性+相鄰金屬原子間的相互作用力處于平衡位置的金屬原子引力斥力距離1.單晶體的塑性變形1.單晶體的塑性變形當(dāng)受力較小時，晶體內(nèi)原子間距發(fā)生微小變化，原子稍偏離平衡位置處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)外力去除后原子則返回平衡位置，晶體變形隨之消失，這就是彈性變形階

5、段；當(dāng)外力進(jìn)一步增加達(dá)到一定程度，原子就沿著某些晶面滑移，達(dá)到新的平衡位置，這時外力去除后，原子不再恢復(fù)到原來的位置，晶體產(chǎn)生了永久性的塑性變形。在切應(yīng)力作用下,晶體的一部分相對于另一部分產(chǎn)生滑動,稱為滑移。發(fā)生滑移的晶面稱為滑移面。 經(jīng)過計算，滑移面上的原子同時滑移時所需的剪切力是很大的，約為E/10。對于鋼鐵：E=214000MPa。屈服強(qiáng)度應(yīng)為21400MPa，而實際鋼鐵的強(qiáng)度為3001700MPa。塑性變形的產(chǎn)生并不是沿著整個滑移面同時進(jìn)行的簡單的剛性滑移造成的，而是由位錯在滑移面上的運(yùn)動來實現(xiàn)的。 1345665432125665443211231234566543211234561

6、23456 位錯在晶體中的移動會使金屬塑性變形容易進(jìn)行。106-108位錯密度強(qiáng)度加工硬化1010-1011理論強(qiáng)度：E/10金屬的強(qiáng)化一般金屬產(chǎn)生塑性變形后在變形較大的地方產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)大最終產(chǎn)生斷裂。因此，要想避免金屬斷裂就要防止金屬產(chǎn)生塑性變形。提高金屬強(qiáng)度，防止塑性變形和斷裂的方法叫作金屬的強(qiáng)化。金屬的強(qiáng)化方法金屬的強(qiáng)化主要是通過各種方法阻止位錯移動，從而提高金屬的強(qiáng)度。怎樣阻止位錯移動呢？使滑移面崎嶇不平：使晶格變形、扭曲，增加晶界。纏住位錯：增加位錯密度、形成大量雜質(zhì)顆粒或第二相。二、金屬熱處理在固態(tài)下加熱金屬,并在一定的溫度下保溫一定的時間,再以一定的方式冷卻,通過金屬內(nèi)

7、部的組織轉(zhuǎn)變改變金屬性能的工藝。金屬熱處理工藝一般地說，熱處理工藝的基本過程包括加熱、保溫和冷卻三個階段。由于熱處理時起作用的主要因素是溫度和時間，所以各種熱處理都可以用溫度時間曲線來表示，叫做熱處理工藝曲線，臨界溫度保溫淬火回火加熱冷卻溫度時間圖3-14 熱處理工藝曲線示意圖1.82.5MJ/m2ak5080HBSHB3050%100170MN/m20.27080%180280MN/m2b1、鐵碳合金中的相(1) 鐵素體碳在-Fe中的固溶體，用“F”表示。特點(diǎn)： 在727有最大溶解度，為0.0218%C； 強(qiáng)度和硬度低，韌性塑性好。其力學(xué)性能大致為；(2) Fe3C滲碳體由鐵和碳組成的一種具

8、有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，含碳量為6.69%，用“Fe3C”或“Cem”(Cementite)表示。滲碳體的性能特點(diǎn)硬度高，脆性大。 硬度 HB=800kgf/mm2; 抗拉強(qiáng)度 b30MN/m2; 塑性、韌性幾乎為零。(3) 奧氏體碳在-Fe中的固溶體，用“A”表示。特點(diǎn)： 在1148時有最大溶解度2.11%C，727時可固溶 0.77%C； 其力學(xué)性能與含碳量及晶粒大小有關(guān)，一般170220HBS、=4050%； 形變能力好，形變抗力小。（4）珠光體珠光體：（P）由鐵素體和滲碳體組成成分：0.77%C綜合性能好。2、碳含量與鋼組織之間的關(guān)系FFe3CFe3CPLd00.772.114.36.

9、69C%0.02183. 碳鋼的機(jī)械性能與碳含量的關(guān)系400MPa800MPa1200MPaHB(100HB)(200HB)(300HB)00.40.81.2akdysbsbHB60%14J/cm2d,y40%12J/cm220%8J/cm2akC%4、常用熱處理工藝常用熱處理工藝可分為普通熱處理和表面熱處理兩大類:a.普通熱處理包括退火、正火、淬火和回火。b.表面熱處理包括表面淬火、滲碳、滲氮和碳氮共滲等。滲碳、滲氮和碳氮共滲又叫化學(xué)熱處理。1）退火退火是將鋼件加熱，保溫后以極緩慢的速度冷卻的一種熱處理工藝。退火可以達(dá)到的目的：降低硬度，以利于切削加工。細(xì)化晶粒，改善組織，提高力學(xué)性能。消除

10、內(nèi)應(yīng)力，為下一道淬火工序作好準(zhǔn)備。提高鋼的塑性和韌性，便于進(jìn)行冷沖壓或冷拉拔加工。常用退火工藝完全退火、球化退火、等溫退火、去應(yīng)力退火等。2）正火正火是將鋼件加熱，保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的作用與完全退火相似，兩者的主要差別是冷卻速度。退火冷卻速度慢，獲得珠光體組織；正火冷卻速度較快，得到的是索氏體組織。因此，同樣鋼件在正火后強(qiáng)度和硬度比退火高，而且鋼的含碳量愈高，用這兩種方法處理后的強(qiáng)度和硬度的差別愈大。碳鋼退火.正火加熱溫度1000110040060080000.40.81.2擴(kuò)散退火完全退火正火再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火TC%圖3-15 碳鋼退火.正火加熱溫度3）淬火與回火（1）淬

11、火將鋼加熱至Ac3線或Ac1線以上的某一溫度，保溫一定時間使之奧氏體化后，迅速冷卻，從而獲得馬氏體組織的工藝叫淬火。碳在鐵中的過飽和固溶體叫馬氏體。馬氏休的硬度很高，而塑性韌性差。4）回火將淬火后的鋼加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后取出空冷或油冷的熱處理工藝過程稱為回火。根據(jù)加熱溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。a.低溫回火加熱溫度在150250之間，回火組織為回火馬氏體。這種回火主要是為了降低鋼中的殘余應(yīng)力和脆性，而保持淬火后得到的高硬度和耐磨性。主要用于各種工具，滾珠軸承及滲碳件等。硬度一般為HRC5864。b.中溫回火加熱溫度在350500之間, 回火組織

12、為回火屈氏體。中溫回火后鋼的內(nèi)應(yīng)力大大降低，同時具有較高的彈性極限的屈服極限，硬度為HRC3545。主要用于彈簧元件、鍛模等。c.高溫回火加熱溫度在500600之間，回火組織為回火索氏體。淬火加高溫回火又稱為“調(diào)質(zhì)處理”。它可以消除鋼的內(nèi)應(yīng)力，獲得較高的韌性，使鋼具有良好的綜合性能。因此，調(diào)質(zhì)被廣泛用于要求具有一定強(qiáng)度和較高塑性、韌性的各類機(jī)械零件。調(diào)質(zhì)處理后的硬度一般為HRC2535。在硬度相同的情況下調(diào)質(zhì)鋼的各項力學(xué)性能明顯高于正火。5）表面淬火表面淬火是將鋼件表面進(jìn)行快速加熱，使其表面組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后快速冷卻，表面層轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的一種局部淬火的方法。工件冷卻水冷卻水感應(yīng)線圈淬火噴水

13、套進(jìn)水圖3-17 感應(yīng)加熱淬火示意圖a. 滲碳滲碳是向鋼的表面滲入碳原子，使其表面達(dá)到高碳鋼的含碳量滲碳主要有固體滲碳和氣體滲碳兩種方法，應(yīng)用廣泛的是氣體滲碳法。液體滲碳劑廢氣沙封加熱元件耐熱罐工件風(fēng)扇圖3-18 氣體滲碳示意圖b. 滲氮(氮化)滲氮是將氮原子滲入鋼件表面，形成以氮化物為主的滲氮層，以提高滲層的硬度、耐磨性、抗蝕性、疲勞強(qiáng)度等多種性能。滲氮種類很多，有氣體滲氮法、鹽浴氮化法、軟氮化、離子氮化等。三、 金屬的表面處理表面防護(hù)為防止金屬腐蝕而采用各種方法叫金屬表面防護(hù)。常用的金屬表面防護(hù)方法有表面涂層和表面轉(zhuǎn)化膜工藝。金屬的表面改性金屬的表面改性也稱表面優(yōu)化，就是借助于離子束、激光

14、、等離子體等新技術(shù)手段，改變材料表面及近表面的組分、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，1、電鍍金屬涂層是與被保護(hù)金屬不同的材料，其作用是把介質(zhì)與金屬隔開，達(dá)到防腐的目的。形成金屬涂層的工藝主要有電鍍、化學(xué)鍍、噴鍍、熱鍍等。其中電鍍是目前我國應(yīng)用最廣的一種價廉而有效的防護(hù)方法。陰極：主反應(yīng) Zn2+2e-Zn副反應(yīng) 2H+2e-H2陽極：主反應(yīng) Zn-Zn2+2e 副反應(yīng) 4OH-2H2O+O2+4e 圖3-20鍍鋅過程示意圖HZnFeH+Zn2+ZnSO4陽極(Zn)陰極 (Fe)2、電泳涂裝電泳涂裝是一種水溶性漆液施工方法。其原理是在外加電場的影響下，漆液中的帶電膠體粒子在水溶性分散介質(zhì)中作定向移動，沉積到作為陽

15、極工件的表面上，形成涂層。水溶性漆用樹脂，有環(huán)氧酯、丙烯酸、聚氨酯、酚醛和醇酸等水溶性漆品種。3、靜電噴漆此法是使已霧化的油漆微粒在直流高壓電場中帶電，而在靜電場的作用下，帶電油漆微粒迅速地向異極性的工件表面結(jié)集成膜。4、轉(zhuǎn)化膜轉(zhuǎn)化膜是用化學(xué)和電化學(xué)的方法使金屬表面層發(fā)生反應(yīng)，形成有自身參與的氧化物或金屬鹽類防護(hù)膜層也可起到防護(hù)作用。最常見的工藝有黑色金屬的氧化(發(fā)藍(lán))、磷化和鋁合金的陽極化。（1）鋼的氧化處理鋼氧化處理后零件表面上能生成保護(hù)性的氧化膜。膜的組成主要是磁性氧化鐵（Fe3O4），膜的顏色一般呈黑色和藍(lán)黑色。又稱發(fā)蘭或發(fā)黑。膜層的厚度約為0.61.5 微米，因此氧化處理不影響零件的

16、精度。發(fā)蘭后的零件再進(jìn)行浸油和其他填充處理，能進(jìn)一步提高膜層的耐蝕性和潤滑能力。 （2）鋼的磷化處理鋼鐵零件在含有錳、鐵、鋅的磷酸鹽溶液中，進(jìn)行化學(xué)處理，使其表面生成一層難溶于水的磷酸鹽保護(hù)膜的方法，叫做磷化處理。磷化膜的外觀由于基體材料及磷化工藝的不同可由暗灰到黑灰色。磷化膜的主要成分由磷酸鹽Me3(PO4)2或磷酸氫鹽（MeHPO4)的晶體組成。 （3） 陽極化所謂陽極化是指用電化學(xué)的方法在鋁及鋁合金表面獲得一層氧化膜的方法，由于在處理時零件為陽極，所以稱為陽極氧化處理（陽極化）。氧化膜的性質(zhì)：a多孔：b硬度高 c化學(xué)穩(wěn)定性好d絕緣性好：e結(jié)合能力好：f耐高溫： 5、金屬的表面改性金屬的表面改性也稱表面優(yōu)化，就是借助于離子束、激光、等離子體等新技術(shù)手段，改變材料表面及近表面的組分、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，從而獲得傳統(tǒng)的冶金和表面處理技術(shù)無法得到的新薄層材料，或者使傳統(tǒng)材料具有更好的性能。1. 物理氣相沉積（PVD)（1）蒸發(fā)鍍膜（2）濺射沉射（3）離子鍍2.