材料的強化與表面處理

材料的強化與表面處理第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2023/4/11第九章材料的強化與表面處理第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五材料的強化與表面處理

2023/4/11

內(nèi)容簡介：本章對工程材料強化及表面處理方面的有關(guān)知識做了較為全面的介紹，使我們對工程材料的性能特點及應用有了更好的了解。本章重點：

9.2非金屬材料的強化與韌化的途徑；9.3金屬材料的表面強化與表面改性技術(shù)。第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2023/4/11概述好材料之所以好，是因為它具有好的性能。人們在利用材料的力學性能時，總是希望所用材料既有足夠的強度，又有較好的韌性。但通常的材料往往兩者只能居其一，要么是強度高韌性差；要么是韌性好，但強度卻達不到要求。尋找辦法來彌補材料各自的缺點，這就是材料的強化和增韌所要解決的問題。第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)金屬材料強化與韌化的途徑學習目標：1.了解金屬材料強化和韌化的原理；2.掌握金屬材料強化和韌化的主要方法。第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五金屬材料的強化原理一、金屬材料的強化原理

提高金屬強度的途徑有兩條：一是完全消除內(nèi)部的位錯和其他缺陷，使其強度接近于理論強度，目前實驗室條件可以實現(xiàn)，但實際大量應用還存在技術(shù)困難。二是在金屬中引入大量缺陷，以阻礙位錯的運動，例如加工硬化、合金強化、細晶強化、馬氏體強化、沉淀強化等。第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五金屬材料的強化原理—細晶強化（一）細晶強化細晶強化是指通過晶粒粒度的細化來提高金屬的強度。金屬材料在外力作用下會產(chǎn)生塞積位錯，塞積位錯應力場強度與塞積位錯數(shù)目和外加切應力值有關(guān)，而塞積位錯數(shù)目正比于晶粒尺寸，因此當金屬材料的晶粒變細時，必須加大外加作用力以激活相鄰晶粒內(nèi)位錯源，從而達到了強化的作用。第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五金屬材料的強化原理—固溶強化（二）固溶強化

純金屬經(jīng)過適當?shù)暮辖鸹髲姸?、硬度提高的現(xiàn)象，稱為固溶強化。固溶強化的原因可歸結(jié)于溶質(zhì)原子和位錯的交互作用，這些作用起源于溶質(zhì)引發(fā)的局部點陣畸變。固溶體可分為無序固溶體和有序固溶體，其強化機理各不相同。第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五金屬材料的強化原理—位錯強化（三）位錯強化當晶體中的位錯的分布比較均勻時，流變應力τ和位錯密度間存在培萊赫許（Bailey，J.E-Hirsch，P.B）關(guān)系式，即τ

＝τ0+αGbρ1/2式中：ρ為位錯密度；G為切變模量；b為柏氏矢量；α為系數(shù)，多晶體鐵素體α＝0.4；參量τ0表示位錯交互作用以外的因素對位錯運動所造成的阻力。

第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五金屬材料的強化原理—位錯強化

由上式可見，當增高時，τ也增大。在金屬晶體受到外力作用時，內(nèi)部增殖大量位錯。位錯的增殖是塑性變形造成的，所以流變應力的增大率與塑性應變的增大率有關(guān)，即流變應力的增大率取決于塑性形變引起的位錯密度的增大率。第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五金屬材料的強化原理—沉淀強化（四）沉淀強化

沉淀強化，即材料強度在時效溫度下隨時間而變化的現(xiàn)象，是鋁合金和高溫合金的主要強化手段，其基本條件是固溶度隨溫度下降而降低。實際的材料往往會綜合有多種強化機制在起作用，鋼中馬氏體相變強化就是這樣一種強化機制，它實際上是固溶強化、彌散強化、形變強化、細晶強化的綜合效應。第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五金屬材料的韌化原理二、金屬材料的韌化原理金屬材料的斷裂類型：韌性斷裂和脆性斷裂韌性斷裂系指在斷裂之前發(fā)生一定的塑性變形，例如宏觀塑性變形不小于5％；脆性斷裂則包括解理斷裂、沿晶斷裂。韌性斷裂是微孔形成、聚集長大的過程，在這種斷裂機制中，塑性變形起著主要作用。第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五金屬材料的韌化原理改善金屬材料韌性斷裂的途徑是：①減少誘發(fā)微孔的組成相，如減少沉淀相數(shù)量：②提高基體塑性，從而可增大在基體上裂紋擴展的能量消耗；③增加組織的塑性形變均勻性，這主要為了減少應力集中；④避免晶界的弱化，防止裂紋沿晶界的形核與擴展；⑤金屬材料的各種強化方法都會對其韌性產(chǎn)生影響第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五金屬材料的韌化原理（一）位錯強化與塑性和韌性一般地，位錯密度提高，其金屬材料的拉伸塑性和韌性都降低。（二）固溶強化與塑性1.強度若保持不變而提高塑性，則可以提高材料的韌性。2.低碳位錯型馬氏體的強韌配合（三）細化晶粒與塑性細化晶粒既能提高強度，又能明顯優(yōu)化塑性和韌性（四）沉淀相顆粒與塑性總的來說，析出相沉淀強化危害塑性。第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五金屬材料強韌化常用方法三、金屬材料強韌化常用方法（一）鋼的普通熱處理

熱處理是改善金屬材料性能的一種重要加工工藝。它是在固態(tài)下通過加熱、保溫和冷卻的方法，改變合金的內(nèi)部組織，從而獲得所需性能的一種工藝操作。

鋼的熱處理主要有普通熱處理（退火、正火、淬火、回火）和表面熱處理（表面淬火和表面化學熱處理）。第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五鋼的普通熱處理—退火和正火

1.鋼的退火和正火

退火是將工件加熱到臨界點（A1、A3、Acm）以上或者在臨界點以下某一溫度保溫一定時間后，以十分緩慢的冷卻速度（爐冷、坑冷、灰冷）進行冷卻的一種操作工藝。最常用的退火工藝有完全退火、球化退火和去應力退火。

正火是將工件加熱至Ac3、Accm以上30～80℃，保溫后從爐中取出在空氣中冷卻。正火和退火都是使鋼件非正常的組織常態(tài)化，細化組織，適當提高硬度和強度。第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五鋼的普通熱處理—淬火和回火

2.鋼的淬火和回火

淬火就是將鋼件加熱至Ac3（對亞共析鋼）或Ac1（對共析和過共析鋼）以上30～50℃，保溫一定時間后快速冷卻（一般為油冷或水冷）以獲得馬氏體（或下貝氏體）組織

回火是將淬火鋼重新加熱至A1點以下的某一溫度，保溫一定時間后冷卻至室溫的一種工藝操作。

根據(jù)回火溫度及組織的不同，鋼的回火可分為：1）低溫回火150～250℃2）中溫回火350～500℃

3）高溫回火500～650℃第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五鋁合金的時效強化（二）鋁合金的時效強化淬火后，鋁合金的強度和硬度隨時間而發(fā)生顯著提高的現(xiàn)象稱為時效強化或沉淀硬化。室溫下進行的時效稱為自然時效，加熱條件下進行的時效稱為人工時效。鋁合金的時效強化與兩個因素有關(guān)：時間和加熱溫度。若人工時效的時間過長（或溫度過高），反而使合金軟化，這種現(xiàn)象稱為過時效。第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五兩類典型鋼種的強韌化

（三）兩類典型鋼種的強韌化1.低碳馬氏體鋼的強韌化2.馬氏體時效鋼的強韌化第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五鋼的特種熱處理（四）鋼的特種熱處理1.真空熱處理真空是指壓強遠低于一個大氣壓（101325Pa）的氣態(tài)空間。在真空中進行的熱處理稱為真空熱處理，包括真空退火、真空淬火、真空回火及真空化學熱處理等。真空熱處理的作用1）表面保護作用2）表面凈化作用3）脫脂作用4）脫氣作用真空熱處理的應用1）真空退火2）真空淬火3）真空滲碳第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五鋼的特種熱處理2.可控氣氛熱處理可控氣氛的組成分類：1）具有氧化和脫碳作用的氣體2）具有還原性的氣體3）具有強烈滲碳作用的氣體4）中性氣體可控氣氛的類型根據(jù)氣體制備的特點，可分為放熱式氣氛、吸熱式氣氛、分解氨氣體以及氮氣和惰性氣體等第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五鋼的特種熱處理3.形變熱處理形變熱處理就是將塑性變形與熱處理操作相互結(jié)合，使金屬材料同時受到形變強化和相變強化的一種綜合強化工藝。若按形變與相變過程的先后順序，可將形變熱處理分為三種基本類型：相變前變形的形變熱處理；相變中變形的形變熱處理；相變后變形的形變熱處理。第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)非金屬材料強化與韌化的途徑

學習目標：1.掌握高分子材料和陶瓷材料的強化原理和強化途徑；2.了解高分子材料和陶瓷材料的韌化原理。第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五高分子材料的強化原理一、非金屬材料的強化原理（一）高分子材料的強化原理對高分子材料機械強度的研究表明，大分子鏈的主價鍵力、分子間力和大分子的柔順性是決定其機械強度的主要因素。在高分子材料中構(gòu)成缺陷的薄弱環(huán)節(jié)就是材料中結(jié)構(gòu)的不均一的部位，如裂紋、銀紋、表面刻痕、氣孔和雜質(zhì)等。第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五高分子材料的強化途徑高分子材料的強化途徑：(1)引入極性基（2）鏈段交聯(lián)（3）結(jié)晶度和取向（4）定向聚合第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五陶瓷材料的強化原理及方法（二）陶瓷材料的強化原理微裂紋是材料各種缺陷的總和，陶瓷材料的強化措施就是要盡量消除陶瓷的各種缺陷和阻止已有缺陷的發(fā)展，即要減少微裂紋或縮小其尺寸。陶瓷材料的強化方法：

1.制造微晶、高密度、高純度陶瓷，提高晶體完整性。2.在表面生成一層殘余壓應力將表面拋光或施以化學處理消除表面缺陷也能提高實際強度。3.復合強化是發(fā)揮陶瓷材料優(yōu)勢的重要途徑。第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五高分子材料的韌化原理二、非金屬材料的韌化原理（一）高分子材料的韌化原理斷裂伸長率的大小往往對材料的沖擊韌性起著更大的作用，通常材料沖擊韌性隨著伸長率增大而增大。非晶態(tài)高分子鏈越柔順，相對分子質(zhì)量越大，在外力作用下，能將較多的外加動能變?yōu)闊崮埽ㄓ煞肿觾?nèi)摩擦產(chǎn)生），則其沖擊韌性越高。試驗溫度升高，沖擊韌性增加。第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五高分子材料的韌化原理

1.增塑劑與沖擊韌性添加增塑劑使分子間作用力減小，鏈段以至大分子易于運動，則使得高分子材料的沖擊韌性提高。但某些增塑劑在添加量較少時，有反增塑作用，反使沖擊韌性下降。2.分子結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量與沖擊韌性熱塑性塑料的大分子結(jié)構(gòu)及分子間力是決定材料性能的主要因素，這兩個因素若使堆砌密度小，玻璃化溫度低時，則沖擊韌性就高。大分子鏈的柔順性好，可提高結(jié)晶性高分子材料的結(jié)晶能力，而結(jié)晶度高，常使沖擊韌性下降。第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五高分子材料的韌化原理

3.嵌段共聚與沖擊韌性采用多元嵌段是增加高分子材料韌性的有效方法。

4.共混與沖擊韌性共混增韌聚合物的發(fā)展其中最重要的是與橡膠態(tài)的高聚物摻混在一起的玻璃態(tài)或接近玻璃態(tài)的樹脂，當配合適宜時能得到高度的韌性。成功的產(chǎn)品有抗沖聚苯乙烯、ABS和改良型抗沖聚氯乙烯等。第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五陶瓷材料的韌化原理（二）陶瓷材料的韌化原理陶瓷實際上是各種無機非金屬材料的通稱，同金屬和高聚物一起成為現(xiàn)代工程材料的支柱。陶瓷受載時不發(fā)生塑性變形就在較低的應力下斷裂，因此韌性極低。陶瓷的增韌機制主要有兩種：（1）相變增韌（2）微裂紋增韌。第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五非金屬材料強韌化常用方法三、非金屬材料強韌化常用方法（一）高分子材料的強韌化方法1.填料增強2.共混與共聚3.增塑劑和成核劑4.淬火（二）陶瓷材料的強韌化方法目前增韌效果最好的有2個系統(tǒng)：一是氧化鋯增韌氧化鋁；另一個是氧化鋯增韌氧化鋯，即相變韌化氧化鋯，也稱為部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ）。第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五復合改性（三）復合改性將兩種或兩種以上的不同性質(zhì)或不同組織的物質(zhì)，以微現(xiàn)或宏觀的形式組合而成的材料稱為復合材料。復合材料按分散相對復合改性材料進行分類，主要有纖維增強復合材料、顆粒改性復合材料和夾層增強復合材料等。第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)金屬表面強化與表面改性技術(shù)學習目標：1.了解鋼材的表面淬火和化學了處理技術(shù)；2.了解表面氣相沉積技術(shù)。第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五鋼的表面淬火一、鋼的表面淬火

表面淬火是將工件表面快速加熱到奧氏體區(qū)，在熱量尚未傳到心部時立即迅速冷卻，使表面得到一定深度的淬硬層，而心部仍保持原始組織的一種局部淬火方法。工業(yè)上廣泛應用的有火焰加熱表面淬火、感應加熱表面淬火和激光加熱表面淬火。第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五鋼的化學熱處理二、鋼的化學熱處理

化學熱處理是將工件置于某種化學介質(zhì)中，通過加熱、保溫和冷卻使介質(zhì)中某些元素滲入工件表層以改變工件表層的化學成分和組織，從而使其表面具有與心部不同性能的一種熱處理。主要特點是工件表面層不僅與心部組織不同，而且成分也不同。滲入不同的元素，可賦予鋼件表面不同的性能。在一般機器制造業(yè)中，最常用的是滲碳、滲氮和碳氮共滲。第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五表面熱噴涂三、表面熱噴涂（一）熱噴涂的基本原理

熱噴涂是將涂層材料加熱熔化，用高速氣流將其霧化成極細的顆粒，并以很高的速度噴射到工件表面，形成涂層。根據(jù)所用熱源，熱噴涂方法分為火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂、超音速噴涂和高頻感應噴涂等。熱噴涂工藝過程通常分為噴涂前處理、噴涂、噴涂后處理三個基本步驟。第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五表面熱噴涂（二）涂層的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)熱噴涂的涂層的顯微結(jié)構(gòu)是大致平行的迭層狀組織，疏松多孔（孔隙率最高達25％）。因與空氣接觸，涂層中還存在氧化物和氮化物。另外，涂層中還有殘余應力，外層為拉應力，內(nèi)層和基體表面產(chǎn)生壓應力。當涂層較厚或使用收縮率較高的材料時，涂層還可能產(chǎn)生裂紋。

涂層的上述結(jié)構(gòu)使涂層的性質(zhì)具有以下特點：①結(jié)合強度低；②良好的貯油和減摩性能，但干摩擦條件下往往不耐磨；③涂層的抗拉強度一般比基體材料低；④涂層的硬度取決于噴涂材料、噴涂方法及工藝，一般高于基體的硬度；⑤涂層強度低、硬而脆，且存在殘余應力，因而其機械加工性能差，許多涂層不宜車削，只能磨削。第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五表面熱噴涂（三）熱噴涂技術(shù)的特點及應用

技術(shù)特點：①取材范圍廣。②可用于各種基體。③基體可保持較低溫度，以保證基體不變形，不弱化；④工效高。⑤對噴涂工件的形狀、尺寸一般無限制；⑥涂層厚度較易控制。⑦可賦予普通材料特殊的表面性能。

應用：“探險者”號人造衛(wèi)星外殼前部，用熱噴涂等間隔地制成八條縱向條狀氧化鋁涂層?；鸺l(fā)動機燃燒室、尾噴管、噴嘴等部件均噴涂保護層。噴涂鋁涂層后有效地防止了高速雨滴對塑料的水點腐蝕和靜電積累，且顏色也與整體保持一致。第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五表面氣相沉積技術(shù)四、表面氣相沉積技術(shù)依據(jù)沉積過程反應的性質(zhì)，可分為化學氣相沉積和物理氣相沉積。（一）化學氣相沉積化學氣相沉積（ChemicalVapourDeposition）是利用氣態(tài)物質(zhì)在一定溫度下于固體表面上進行化學反應，生成固態(tài)沉積膜的過程，通常叫CVD法。（二）物理氣相沉積物理氣相沉積(PhysicalVapourDeposition)是氣態(tài)物質(zhì)在工件表面直接沉積成固體薄膜的過程，通常稱為PVD法。第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五激光束、離子束及電子束技術(shù)

五、激光束、離子束及電子束技術(shù)

（一）激光束表面合金化預先通過蒸發(fā)、濺射、涂敷或噴涂等方法使金屬工件表面附著一層合金元素表面膜，經(jīng)激光束掃描使表面膜及工件淺表層熔化并迅速凝固成具有特殊性能的合金化表層，這種處理叫激光表面合金化。

第40頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五激光束、離子束及電子束技術(shù)

（二）電子束表面熱處理電子束表面處理技術(shù)是用電子槍發(fā)射的電子轟擊金屬工件的表面，電子可穿過被處理物的表面進入到一定的深度，給材料的原子以能量，增加晶格的振動，把電子的動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使被處理物表層溫度迅速升高。電子束表面處理工藝