第三章-熱處理與表面工程技術(shù)

,主講人：于美杰副教授Tel：88396181Email：yumeijie,工程材料與機械制造基礎(chǔ),第三章熱處理與表面工程技術(shù),本章基本要求了解熱處理的原理，了解熱處理后的組織變化；掌握熱處理“四把火”工藝特點、用途，區(qū)別與聯(lián)系；（重點：鋼的熱處理）了解常用表面工程技術(shù)及其應(yīng)用（擴展知識面）。,第一節(jié)鋼的熱處理,什么是鋼的熱處理？在固態(tài)下將鋼加熱到一定溫度，進(jìn)行必要的保溫，以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷至室溫，改變鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能的工藝方法。熱處理目的：提高金屬材料的力學(xué)性能，延長零件使用壽命。消除毛坯中的缺陷，改善工藝性能，為其他工藝處理（如鍛造、焊接、切削等）做組織準(zhǔn)備。熱處理方法普通熱處理表面熱處理,第三章熱處理與表面工程技術(shù),HeatTreatmentofSteels,提高強度、硬度,增加塑性、降低硬度,正火,淬火,回火,退火,第一節(jié)鋼的熱處理,一、鋼在加熱和冷卻時的組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度,HeatTreatmentofSteels,（1）平衡條件下A3、Acm、A1（2）實際生產(chǎn)中加熱：Ac3、Accm、Ac1冷卻：Ar3、Arcm、Ar1加熱和冷卻速度越大，相變溫度偏離平衡臨界點的程度也越大，即過熱度和過冷度越大。,鋼的固態(tài)相變,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第一節(jié)鋼的熱處理,1.鋼在加熱時的組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變大多數(shù)熱處理工藝都是將鋼加熱至臨界溫度以上，奧氏體區(qū)域，使其室溫組織（全部或部分）轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆驃W氏體，即“奧氏體化”。以共析鋼為例當(dāng)加熱至Ac1時，奧氏體形核奧氏體長大A成分均勻化,HeatTreatmentofSteels,P（FFe3C）,A,體心立方,復(fù)雜結(jié)構(gòu),面心立方,奧氏體的形成過程,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第一節(jié)鋼的熱處理,HeatTreatmentofSteels,A形核：晶核易于在F和Fe3C相界面形成，由于原子排列呈過渡態(tài)，晶格畸變。(b)A長大：FA（先完成）；Fe3C溶解。原理：原子擴散(c)殘余Fe3C溶解：殘余Fe3C溶入A(d)A均勻化：保溫，碳擴散使A的含C量趨于均勻。,第三章熱處理與表面工程技術(shù),界面形核,異構(gòu)轉(zhuǎn)變,溶碳,均勻化,第一節(jié)鋼的熱處理,2.鋼在冷卻時的組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變（冷卻曲線）連續(xù)冷卻:使奧氏體化后的鋼，在溫度連續(xù)下降的過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。如水冷、油冷、爐冷、空冷。等溫冷卻：將奧氏體化后的鋼迅速冷卻到A1以下某一溫度（A1以下存在的不穩(wěn)定奧氏體稱過冷奧氏體），保溫，使A在等溫狀態(tài)下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，然后再冷卻下來。（鹽?。┊a(chǎn)物：珠光體類（A1550）貝氏體（550230）馬氏體（230-50）,HeatTreatmentofSteels,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第一節(jié)鋼的熱處理,冷卻曲線,HeatTreatmentofSteels,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第一節(jié)鋼的熱處理,共析鋼等溫冷卻TTT曲線（TimeTemperatureTransformation）,HeatTreatmentofSteels,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第一節(jié)鋼的熱處理,共析鋼等溫冷卻產(chǎn)物,第一章工程材料導(dǎo)論,HeatTreatmentofSteels,第五節(jié)鋼的熱處理,P、S、T的顯微組織,HeatTreatmentofSteels,P,T,S,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第一節(jié)鋼的熱處理,連續(xù)冷卻產(chǎn)物由于生產(chǎn)中連續(xù)冷卻曲線不易獲得,所以通常將冷卻速度線疊加到等溫轉(zhuǎn)變C曲線,來大致估計冷卻后獲得什么組織,第一章工程材料導(dǎo)論,HeatTreatmentofSteels,特點：無B轉(zhuǎn)變,因冷卻速度快,無孕育期；晶粒粗細(xì)不等,組織為混合組織,第一節(jié)鋼的熱處理,二、鋼的基本熱處理工藝退火：將鋼加熱到一定溫度，保溫一定時間，隨后在爐中緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的一種熱處理方法。正火：將鋼加熱到Ac3線（亞共析鋼）、Ac1線（共析鋼）、Accm線(過共析鋼）以上3050，保溫一定時間后，出爐在空氣中冷卻的熱處理方法。淬火：將鋼加熱到Ac3線（亞共析鋼）、Ac1線（共析鋼和過共析鋼）以上3050，保溫后在水或油中迅速冷卻的熱處理方法?；鼗穑簩⒋慊鸷蟮匿撝匦录訜嶂罙c1線以下的某一溫度，保溫后在空氣中冷卻的一種熱處理方法。注意：淬火與回火成對使用。,HeatTreatmentofSteels,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第一節(jié)鋼的熱處理,（1）退火（A均勻化）目的：降低硬度，以利于切削加工；細(xì)化晶粒，均勻組織、改善性能；增加塑性和韌性，消除內(nèi)應(yīng)力；為淬火作好組織準(zhǔn)備。,完全退火用于亞共析鋼加熱到Ac3線以上3050球化退火（不完全退火）用于共析、過共析鋼和鑄鐵件加熱到Ac1線以上1020，碳化物球化均勻化退火（擴散退火）,HeatTreatmentofSteels,去應(yīng)力退火加熱到Ac1以下某一溫度(約500650)保溫后緩冷再結(jié)晶退火加熱到約650750后空冷消除加工硬化,完全A化,未發(fā)生相變,第三章熱處理與表面工程技術(shù),將鋼錠、鑄件加熱至略低于固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。,未發(fā)生相變,第一節(jié)鋼的熱處理,（2）正火目的：提高硬度、改善切削加工性對重要件：為淬火作準(zhǔn)備與退火的區(qū)別：組織不同（SP）硬度略高，切削性能好消除內(nèi)應(yīng)力不如退火徹底不占用設(shè)備,HeatTreatmentofSteels,完全A化,亞共析：Ac3共析：Ac1過共析：Accm,3050,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第一節(jié)鋼的熱處理,HeatTreatmentofSteels,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第一節(jié)鋼的熱處理,（3）淬火（AM）目的：提高硬度、耐磨性應(yīng)用：工具、模具、量具、滾動軸承馬氏體（M）：碳在-Fe中的過飽和固溶體。,HeatTreatmentofSteels,亞共析：Ac3共析：Ac1過共析：Ac1,3050,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第一節(jié)鋼的熱處理,（4）回火（與淬火并用，重新加熱至Ac1以下）工藝：將淬火后的鋼重新加熱到A1以下溫度，保溫，然后置于空氣或水等介質(zhì)中冷卻。目的消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力降低脆性、提高韌性調(diào)整硬度、防止開裂變形分類低溫回火：150250，保持高硬度、耐磨性，高碳鋼中溫回火：250500，降低脆性、提高彈性，一般碳鋼高溫回火：500650，獲得較好的強、硬、塑、韌綜合性能，中碳鋼、結(jié)構(gòu)件。調(diào)質(zhì)處理：淬火高溫回火,HeatTreatmentofSteels,回火馬氏體M,回火托氏體T,回火索氏體S,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第一節(jié)鋼的熱處理,三、其他熱處理方法1.表面淬火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的熱處理方法。(1)感應(yīng)加熱表面淬火法(2)火焰加熱表面淬火2.化學(xué)熱處理將金屬工件放入一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝叫做化學(xué)熱處理。分為滲碳、滲氮、碳氮共滲等。3.形變熱處理形變熱處理是將塑性變形和熱處理工藝有機結(jié)合，以提高材料力學(xué)性能的復(fù)合工藝。,HeatTreatmentofSteels,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第二節(jié)金屬間化合物熱處理,略并不是所有材料都與鋼材一樣,有些材料如Fe3Al金屬間化合物,其原始硬度和強度較高，（可加工性差），但采用急冷處理后強度、硬度下降，加工性能得到改善。,HeatTreatmentofintermetallics,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第三節(jié)非金屬材料熱處理,一、玻璃的熱處理退火：包括加熱、均熱、慢冷和快冷四個階段目的：降低或消除熱應(yīng)力晶化退火：將非晶態(tài)的原始玻璃經(jīng)過適當(dāng)?shù)耐嘶鸷螽a(chǎn)生部分結(jié)晶態(tài)組織的熱處理工藝微晶玻璃玻璃陶瓷目的：提高斷裂韌性，由于晶界阻礙裂紋擴展淬火：又稱物理鋼化，是指將玻璃制品加熱至轉(zhuǎn)變溫度Tg以上50-60，然后在冷卻介質(zhì)中急速均勻冷卻的過程表層有壓應(yīng)力層，內(nèi)部有相互平衡的應(yīng)力分布；彎曲強度提高抗沖擊強度提高承受冷熱突變能力提高,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第三節(jié)非金屬材料熱處理,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第三節(jié)非金屬材料熱處理,二、陶瓷的熱處理陶瓷的抗熱震性能較枯，一般采用緩慢冷卻的退火方式，目的：去除熱應(yīng)力、消除加工缺陷、改變晶界相、減少玻璃相，改善性能。化學(xué)熱處理（如表面滲氮增韌）,第三章熱處理與表面工程技術(shù),氧化鋯增韌莫來石（ZTM）復(fù)相陶瓷,第四節(jié)表面工程技術(shù),表面工程技術(shù)分類表面涂鍍：有機涂裝、熱噴涂、電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積表面擴滲：化學(xué)熱處理、表面合金化等表面處理：表面淬火、噴丸處理等（一）熱噴涂熱噴涂技術(shù)是采用氣體、液體燃料或電弧、等離子弧、激光等作熱源，使金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它們的復(fù)合材料等噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，通過高速氣流使其霧化，然后噴射、沉積到經(jīng)過預(yù)處理的工件表面，從而形成附著牢固的表面層的加工方法。,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第四節(jié)表面工程技術(shù),幾種不同熱源的熱噴涂方法火焰噴涂電弧噴涂等離子噴涂,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第四節(jié)表面工程技術(shù),（二）電鍍、化學(xué)鍍、電刷鍍電鍍：是一種用電化學(xué)方法在鍍件表面上沉積所需形態(tài)的金屬覆層工藝?；瘜W(xué)鍍：是指在沒有外電流通過的情況下，利用化學(xué)方法使溶液中的金屬離子還原為金屬并沉積在基體表面，形成鍍層的一種表面加工方法。電刷鍍,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第四節(jié)表面工程技術(shù),（三）熱浸鍍將工件浸在熔融的液態(tài)金屬中，在工件表面發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，取出冷卻后表面形成所需的金屬鍍層。熱浸鍍工藝熔劑法工藝流程為：預(yù)鍍件堿洗水洗酸洗水洗熔劑處理熱浸鍍鍍后處理成品保護(hù)氣體還原法2熱浸鍍層的種類常用的鍍層金屬是低熔點金屬及其合金，如錫、鋅、鋁、鉛、A1Sn、Al-Si、PbSn,第三章熱處理與表面工程技術(shù),第四節(jié)表面工程技術(shù),（四）涂料與涂裝用有機涂料通過一定方法涂覆于材料或制件表面