第四章材料的强化、改性及表面技术

第四章材料的强化、改性及表面技术第一节钢的热处理一、热处理的基本概念及分类钢的热处理是将钢在固态下通过加热、保温、冷却以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。热处理工艺曲线箱式电阻炉热处理分类：（1）整体热处理：退火、正火、淬火、回火等。（2）表面热处理：表面淬火。（3）化学热处理：渗碳、碳氮共渗、渗氮等。二、钢在加热和冷却时的转变1.钢加热时的转变热处理加热最主要的目的就是为了得到奥氏体，因此这种加热转变过程称为钢的奥氏体化。（1）钢的奥氏体化完全奥氏体化加热；不完全奥氏体化加热。（2）奥氏体晶粒的长大及其控制奥氏体晶粒越小，冷却坐标产物的组织越细，其屈服强度、冲击韧度越高。本质晶粒度只表示钢在一定温度范围内晶粒长大的倾向性。当加热温度超过一定范围（930℃）时，本质细晶粒钢的奥氏体晶粒可能迅速长大，甚至超过本质粗晶粒钢。在实际生产中，常从加热温度、保温时间和加热速度几个方面来控制奥氏体的晶粒大小。2.钢在冷却时的转变（1）奥氏体的等温冷却转变1）珠光体转变（550°C以上）索氏体（S）、托氏体（T）（奥氏体向马氏体转变开始温度点）（奥氏体向马氏体转变终了温度点）稳定区P和A的平衡温度共存区珠光体组织特征图珠光体P索氏体S托氏体T2）贝氏体转变（B）按组织形态和转变温度，可将贝氏体组织分为：上贝氏体（B上）下贝氏体（B下）上贝氏体：光学显微镜下B上呈羽毛状，在电子显微镜下观察时可看到B上组织为一束大致平行分布的条状铁素体和夹于条间的断续条状碳化物的混合物。(光学显微）（2）亚共析碳钢和过共析碳钢过冷奥氏体的等温转变（3）过冷奥氏体的连续冷却转变1）奥氏体连续冷却转变图Vc-临界冷却速度(获得全部马氏体组织的最小冷却速度)2）马氏体转变马氏体（M）分为：针片状马氏体（高碳马氏体）板条状马氏体（低碳马氏体）马氏体（M）是碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体。三、钢的整体热处理对工件整体进行穿透加热的热处理工艺称为整体热处理，它包括退火、正火、淬火、回火、固溶处理、水韧处理等。1.钢的退火将钢材或钢件加热到适当的温度，保持一定的时间，随后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，称为退火。2.钢的正火钢材或钢件加热到Ac3（Accm）以上，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺称为正火。退火与正火的加热温度范围3.钢的淬火将钢件加热到Ac1或Ac3点以上某一温度，保温一定的时间，然后以大于临界冷却速度冷却以获得马氏体和（或）下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。（1）淬火工艺（2）钢的淬透性钢的淬火加热温度范围钢种加热温度加热组织淬火组织亚共析钢Ac3+（30-50℃）AM共析钢Ac1+（30-50℃）AM+Aˊ过共析钢Ac1+（30-50℃）A+Fe3CM+Aˊ+Fe3CⅡ淬火加热温度1）淬透性的概念钢的淬透性是指在规定条件下，决定钢材有效淬硬深度和硬度分布的特性，它是钢材本身固有的属性，也是钢热处理的主要工艺性能。（a)淬火装置(b)淬透性曲线(c)钢的半马氏体区硬度与含碳量关系曲线(a)(b)(c)离钢的淬透性用末端淬火法（端淬法）测定2）淬透性的应用钢的力学性能沿截面的分布是受淬透性的影响。（3）淬火缺陷及其防止1）变形与开裂2）硬度不足3）氧化与脱碳4.淬火钢的回火工件在淬火后通常得到马氏体加残留奥氏体（Ar），这种组织不稳定，存在很大的内应力，因此必须回火。钢件淬硬后，再加热到Ac1点以下的某一温度，保温一定时间后冷却到室温的热处理过程，称为回火。（1）低温回火（150~250°C）（2）中温回火（350~500°C）（3）高温回火（500~650°C）习惯上将淬火加高温回火称为调质处理。回火产物的组织形态比较回火M×400回火T×7500回火S×7500M低倍T×1000S×1000在250400℃出现的，称为第一类回火脆性；在450650℃出现的，称为第二类回火脆性。淬火钢回火时，其冲击韧性在250～400℃和450～650℃两个温度区间内出现明显下降，这种脆化现象称为钢的回火脆性。四、钢的表面热处理仅对钢的表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺，称为钢的表面热处理。在实际生产中，最常用的是表面淬火加回火。为了保证表面淬火后工件的力学性能，在表面淬火前需要进行预备热处理，最好是进行调质处理。五、钢的化学热处理把钢制零件放在含欲渗元素的活性介质中加热到预定的温度，保温一定的时间，使该元素渗入到工件的表面层中，从而改变表面层的成分、组织和性能，这种工艺过程称为钢的化学热处理。1.钢的渗碳为了增加钢件表层的含碳量和获得一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入到钢件表层的化学热处理工艺称为渗碳。工件渗碳后必须进行淬火加低温回火，才能有效地发挥渗碳层的作用，达到硬而耐磨的要求。2.钢的渗氮在一定温度下（一般在Ac1温度以下）使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮（也称氮化）。为了保证零件的力学性能，在渗氮前零件须经调质处理。3.碳氮共渗碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，旧称氰化。在生产中主要采用气体碳氮共渗。低温气体碳氮共渗以渗氮为主，实质上就是氮碳共渗。碳氮共渗后进行淬火加低温回火。六、热处理工序的位置1.预备热处理的位置预备热处理包括退火、正火、调质等。2.最终热处理的工序位置最终热处理包括整体淬火、表面淬火、整体渗碳、局部渗碳、渗氮等。七、热处理技术要求在零件图样上的表示方法在图样上标注热处理技术条件时，可在文字对热处理技术条件加以扼要说明（一般可注在零件图样标题栏的上方）。第二节非铁合金的强化一、非铁合金的固溶处理将固溶度随温度的升高而增大的合金，加热到单相固溶体相区内的适当温度，保温适当时间，以使原组织中的脱溶（析出）相溶入固溶体的工艺过程称为固溶处理。固溶处理旨在获得过饱和固溶体，为时效作组织准备。二、非铁合金的时效强化工件经固溶处理后在室温或稍高于室温放置，过饱和固溶体发生脱溶分解，其强度、硬度升高的过程称为时效。第三节高聚物的改性强化一、高聚物的物理改性物理改性主要是通过物理共混来进行的。将不同种类的聚合物置于混合设备中，借助于溶剂或热量的作用进行物理混合的方法称为机械共混或物理共混。二、高聚物的化学改性高聚物的化学改性是指在加工过程中使一种高聚物与另一种高聚物或单体共混并产生化学反应，从而实现化学改性的方法。1.接枝共聚物2.嵌段共聚物3.交联共聚物第四节材料的复合强化在复合过程中，利用高强度、高模量材料作为增强组分与基体材料进行人工复合，使材料性能大幅度提高的方法就是复合强化。复合强化中常用的增强组分有两种，即硬质颗粒增强组分和高强度纤维增强组分。第五节材料的表面处理技术表面技术是指通过施加覆盖层或改变表面形貌、化学组分、相组成、微观结构等达到提高材料抵御环境作用能力或赋于材料表面某种功能特性的材料工艺技术。1.原子沉积原子沉积主要包括气相沉积和电镀等工艺。气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程在工件表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层，使工件表面性能优化的一种新技术。（1）化学气相沉积（简称CVD法）（2）物理气相沉积（简称PVD法）（3）电镀电镀工艺是将直流电通过电镀溶液（电解液）在阴极（工件）表面沉积金属镀层的工艺过程。阳极溶解MeM()()/MOHMOH阴极沉积MeM2.颗粒沉积将金属或其它软、硬的化合物以颗粒形态覆于基体材料上，形成表面覆盖层，能改变材料的表面性能，满足耐磨性及其它性能的要求。3.离子注入离子注入是将预先选择的元素原子电离，经电场加速，获得高能量后注入工件的表面改性工艺。4.激光表面处理激光表面处理包括激光表面强化、激光表面合金化及激光表面气相沉积。5.钢的氧化和磷化（1）钢的氧化处理钢的氧化处理是将钢件在空气、水蒸气和化学药物中加热到适当温度，使其表面形成一层蓝或黑色氧化膜，以改善钢的耐蚀性和外观，这种工艺称为氧化处理，又叫发蓝处理。（2）磷化处理把钢件浸入到以磷酸盐为主的溶液中，使其表面沉积不溶于水的磷酸盐转化膜的过程称为磷化处理。谢谢观看！