第三章-热处理及表面工程技术.ppt

,主讲人：于美杰副教授Tel：88396181Email：yumeijie,工程材料与机械制造基础,第三章热处理与表面工程技术,本章基本要求了解热处理的原理，了解热处理后的组织变化；掌握热处理“四把火”工艺特点、用途，区别与联系；（重点：钢的热处理）了解常用表面工程技术及其应用（扩展知识面）。,第一节钢的热处理,什么是钢的热处理？在固态下将钢加热到一定温度，进行必要的保温，以适当的冷却速度冷至室温，改变钢的组织结构和性能的工艺方法。热处理目的：提高金属材料的力学性能，延长零件使用寿命。消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为其他工艺处理（如锻造、焊接、切削等）做组织准备。热处理方法普通热处理表面热处理,第三章热处理与表面工程技术,HeatTreatmentofSteels,提高强度、硬度,增加塑性、降低硬度,正火,淬火,回火,退火,第一节钢的热处理,一、钢在加热和冷却时的组织结构转变组织转变的临界温度,HeatTreatmentofSteels,（1）平衡条件下A3、Acm、A1（2）实际生产中加热：Ac3、Accm、Ac1冷却：Ar3、Arcm、Ar1加热和冷却速度越大，相变温度偏离平衡临界点的程度也越大，即过热度和过冷度越大。,钢的固态相变,第三章热处理与表面工程技术,第一节钢的热处理,1.钢在加热时的组织结构转变大多数热处理工艺都是将钢加热至临界温度以上，奥氏体区域，使其室温组织（全部或部分）转变为均匀奥氏体，即“奥氏体化”。以共析钢为例当加热至Ac1时，奥氏体形核奥氏体长大A成分均匀化,HeatTreatmentofSteels,P（FFe3C）,A,体心立方,复杂结构,面心立方,奥氏体的形成过程,第三章热处理与表面工程技术,第一节钢的热处理,HeatTreatmentofSteels,A形核：晶核易于在F和Fe3C相界面形成，由于原子排列呈过渡态，晶格畸变。(b)A长大：FA（先完成）；Fe3C溶解。原理：原子扩散(c)残余Fe3C溶解：残余Fe3C溶入A(d)A均匀化：保温，碳扩散使A的含C量趋于均匀。,第三章热处理与表面工程技术,界面形核,异构转变,溶碳,均匀化,第一节钢的热处理,2.钢在冷却时的组织结构转变（冷却曲线）连续冷却:使奥氏体化后的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变。如水冷、油冷、炉冷、空冷。等温冷却：将奥氏体化后的钢迅速冷却到A1以下某一温度（A1以下存在的不稳定奥氏体称过冷奥氏体），保温，使A在等温状态下发生组织转变，然后再冷却下来。（盐浴）产物：珠光体类（A1550）贝氏体（550230）马氏体（230-50）,HeatTreatmentofSteels,第三章热处理与表面工程技术,第一节钢的热处理,冷却曲线,HeatTreatmentofSteels,第三章热处理与表面工程技术,第一节钢的热处理,共析钢等温冷却TTT曲线（TimeTemperatureTransformation）,HeatTreatmentofSteels,第三章热处理与表面工程技术,第一节钢的热处理,共析钢等温冷却产物,第一章工程材料导论,HeatTreatmentofSteels,第五节钢的热处理,P、S、T的显微组织,HeatTreatmentofSteels,P,T,S,第三章热处理与表面工程技术,第一节钢的热处理,连续冷却产物由于生产中连续冷却曲线不易获得,所以通常将冷却速度线叠加到等温转变C曲线,来大致估计冷却后获得什么组织,第一章工程材料导论,HeatTreatmentofSteels,特点：无B转变,因冷却速度快,无孕育期；晶粒粗细不等,组织为混合组织,第一节钢的热处理,二、钢的基本热处理工艺退火：将钢加热到一定温度，保温一定时间，随后在炉中缓慢冷却，以获得近于平衡组织的一种热处理方法。正火：将钢加热到Ac3线（亚共析钢）、Ac1线（共析钢）、Accm线(过共析钢）以上3050，保温一定时间后，出炉在空气中冷却的热处理方法。淬火：将钢加热到Ac3线（亚共析钢）、Ac1线（共析钢和过共析钢）以上3050，保温后在水或油中迅速冷却的热处理方法。回火：将淬火后的钢重新加热至Ac1线以下的某一温度，保温后在空气中冷却的一种热处理方法。注意：淬火与回火成对使用。,HeatTreatmentofSteels,第三章热处理与表面工程技术,第一节钢的热处理,（1）退火（A均匀化）目的：降低硬度，以利于切削加工；细化晶粒，均匀组织、改善性能；增加塑性和韧性，消除内应力；为淬火作好组织准备。,完全退火用于亚共析钢加热到Ac3线以上3050球化退火（不完全退火）用于共析、过共析钢和铸铁件加热到Ac1线以上1020，碳化物球化均匀化退火（扩散退火）,HeatTreatmentofSteels,去应力退火加热到Ac1以下某一温度(约500650)保温后缓冷再结晶退火加热到约650750后空冷消除加工硬化,完全A化,未发生相变,第三章热处理与表面工程技术,将钢锭、铸件加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象。,未发生相变,第一节钢的热处理,（2）正火目的：提高硬度、改善切削加工性对重要件：为淬火作准备与退火的区别：组织不同（SP）硬度略高，切削性能好消除内应力不如退火彻底不占用设备,HeatTreatmentofSteels,完全A化,亚共析：Ac3共析：Ac1过共析：Accm,3050,第三章热处理与表面工程技术,第一节钢的热处理,HeatTreatmentofSteels,第三章热处理与表面工程技术,第一节钢的热处理,（3）淬火（AM）目的：提高硬度、耐磨性应用：工具、模具、量具、滚动轴承马氏体（M）：碳在-Fe中的过饱和固溶体。,HeatTreatmentofSteels,亚共析：Ac3共析：Ac1过共析：Ac1,3050,第三章热处理与表面工程技术,第一节钢的热处理,（4）回火（与淬火并用，重新加热至Ac1以下）工艺：将淬火后的钢重新加热到A1以下温度，保温，然后置于空气或水等介质中冷却。目的消除淬火产生的内应力降低脆性、提高韧性调整硬度、防止开裂变形分类低温回火：150250，保持高硬度、耐磨性，高碳钢中温回火：250500，降低脆性、提高弹性，一般碳钢高温回火：500650，获得较好的强、硬、塑、韧综合性能，中碳钢、结构件。调质处理：淬火高温回火,HeatTreatmentofSteels,回火马氏体M,回火托氏体T,回火索氏体S,第三章热处理与表面工程技术,第一节钢的热处理,三、其他热处理方法1.表面淬火将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织的热处理方法。(1)感应加热表面淬火法(2)火焰加热表面淬火2.化学热处理将金属工件放入一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺叫做化学热处理。分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等。3.形变热处理形变热处理是将塑性变形和热处理工艺有机结合，以提高材料力学性能的复合工艺。,HeatTreatmentofSteels,第三章热处理与表面工程技术,第二节金属间化合物热处理,略并不是所有材料都与钢材一样,有些材料如Fe3Al金属间化合物,其原始硬度和强度较高，（可加工性差），但采用急冷处理后强度、硬度下降，加工性能得到改善。,HeatTreatmentofintermetallics,第三章热处理与表面工程技术,第三节非金属材料热处理,一、玻璃的热处理退火：包括加热、均热、慢冷和快冷四个阶段目的：降低或消除热应力晶化退火：将非晶态的原始玻璃经过适当的退火后产生部分结晶态组织的热处理工艺微晶玻璃玻璃陶瓷目的：提高断裂韧性，由于晶界阻碍裂纹扩展淬火：又称物理钢化，是指将玻璃制品加热至转变温度Tg以上50-60，然后在冷却介质中急速均匀冷却的过程表层有压应力层，内部有相互平衡的应力分布；弯曲强度提高抗冲击强度提高承受冷热突变能力提高,第三章热处理与表面工程技术,第三节非金属材料热处理,第三章热处理与表面工程技术,第三节非金属材料热处理,二、陶瓷的热处理陶瓷的抗热震性能较枯，一般采用缓慢冷却的退火方式，目的：去除热应力、消除加工缺陷、改变晶界相、减少玻璃相，改善性能。化学热处理（如表面渗氮增韧）,第三章热处理与表面工程技术,氧化锆增韧莫来石（ZTM）复相陶瓷,第四节表面工程技术,表面工程技术分类表面涂镀：有机涂装、热喷涂、电镀、化学镀、气相沉积表面扩渗：化学热处理、表面合金化等表面处理：表面淬火、喷丸处理等（一）热喷涂热喷涂技术是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它们的复合材料等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。,第三章热处理与表面工程技术,第四节表面工程技术,几种不同热源的热喷涂方法火焰喷涂电弧喷涂等离子喷涂,第三章热处理与表面工程技术,第四节表面工程技术,（二）电镀、化学镀、电刷镀电镀：是一种用电化学方法在镀件表面上沉积所需形态的金属覆层工艺。化学镀：是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金属并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面加工方法。电刷镀,第三章热处理与表面工程技术,第四节表面工程技术,（三）热浸镀将工件浸在熔融的液态金属中，在工件表面发生一系列物理和化学反应，取出冷却后表面形成所需的金属镀层。热浸镀工艺熔剂法工艺流程为：预镀件碱洗水洗酸洗水洗熔剂处理热浸镀镀后处理成品保护气体还原法2热浸镀层的种类常用的镀层金属是低熔点金属及其合金，如锡、锌、铝、铅、A1Sn、Al-Si、PbSn,第三章热处理与表面工程技术,第四节表面工程技术,（四）涂料与涂装用有机涂料通过一定方法涂覆于材料或制件表面