第三章热处理及表面工程技术

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1、主讲人：于美杰主讲人：于美杰 副教授副教授 Tel：88396181 Email：第三章 热处理与表面工程技术n本章基本要求本章基本要求n了解热处理的原理，了解热处理后的组织变化；n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）（重点：钢的热处理）n了解常用表面工程技术及其应用（扩展知识面扩展知识面）。第一节 钢的热处理v 什么是钢的热处理？什么是钢的热处理？n 在固态下将钢在固态下将钢加热加热到一定温度，进行必要的到一定温度，进行必要的保温保温，以适当的，以适当的冷冷却却速度冷至室温，速度冷至室温，改变钢的组织结构和性能改变钢的组织结构和性能的工艺方法。的工艺方法。n

2、热处理目的：热处理目的：l提高金属材料的力学性能，延长零件使用寿命。提高金属材料的力学性能，延长零件使用寿命。l消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为其他工艺处理（如锻消除毛坯中的缺陷，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。造、焊接、切削等）做组织准备。n 热处理方法热处理方法l普通热处理普通热处理l表面热处理表面热处理第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术Heat Treatmentof Steels提高强度、提高强度、硬度硬度增加塑性、降低硬度正火正火淬火淬火回火回火退火退火第一节 钢的热处理v 一、一、钢在加热和冷却时的组织结构转变钢在加热和冷却时的

3、组织结构转变n 组织转变的组织转变的 临界温度临界温度Heat Treatmentof Steels（1）平衡条件下）平衡条件下 A3、Acm、A1（2）实际生产中）实际生产中加热：加热：Ac3、Accm、Ac1冷却：冷却：Ar3、Arcm、Ar1加热和冷却速度越大，加热和冷却速度越大，相相变温度变温度偏离平衡临界点的偏离平衡临界点的程度也越大，即过热度和程度也越大，即过热度和过冷度越大。过冷度越大。钢的固态相变第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第一节 钢的热处理v 1.1.钢在加热时的组织结构转变钢在加热时的组织结构转变n 大多数热处理工艺都是将钢加热至临界温度以上，奥氏

4、体区域，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，即使其室温组织（全部或部分）转变为均匀奥氏体，即“奥氏体奥氏体化化”。n 以共析钢为例以共析钢为例n 当加热至当加热至A Ac1c1时，时，l奥氏体形核奥氏体形核l奥氏体长大奥氏体长大lA A成分均匀化成分均匀化Heat Treatmentof SteelsP（FFe3C）A体心立方复杂结构面心立方奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第一节 钢的热处理v Heat Treatmentof Steels A A形核形核：晶核易于在：晶核易于

5、在F F和和FeFe3 3C C相相界面界面形成，由于原子排列形成，由于原子排列 呈过渡态，晶格畸变。呈过渡态，晶格畸变。(b)Ab)A长大长大：FA（先完成）；（先完成）；FeFe3 3C C溶解。溶解。原理：原子扩散原理：原子扩散(c)(c)残余残余FeFe3 3C C溶解溶解：残余：残余FeFe3 3C C溶入溶入A A(d)Ad)A均匀化均匀化：保温，：保温，碳扩散使碳扩散使A A的的含含C C量趋于均匀。量趋于均匀。第三章第三章 热处理与表面工程技术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v2.2.钢在冷却时的组织结构转变钢在冷却时的组织结构转变 （冷却曲线冷

6、却曲线）n 连续冷却连续冷却:使奥氏体化后的钢，在使奥氏体化后的钢，在温度连续下降温度连续下降的过程中发生组的过程中发生组织转变。如水冷、油冷、炉冷、空冷。织转变。如水冷、油冷、炉冷、空冷。n 等温冷却等温冷却：将奥氏体化后的钢：将奥氏体化后的钢迅速冷却迅速冷却到到A A1 1以下某一温度（以下某一温度（A A1 1以以下存在的不稳定奥氏体称下存在的不稳定奥氏体称过冷奥氏体过冷奥氏体 ），），保温保温，使，使A A在等温状态在等温状态下发生组织转变，然后下发生组织转变，然后再冷却再冷却下来。下来。（盐浴）（盐浴）l产物：产物：珠光体类珠光体类 （A1A1550 550 ）贝氏体贝氏体 （550

7、550230 230 ）马氏体马氏体 （230230-50-50）Heat Treatmentof Steels第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第一节 钢的热处理v 冷却曲线冷却曲线Heat Treatmentof Steels第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第一节 钢的热处理v共析钢等温冷却共析钢等温冷却TTTTTT曲线曲线（Time Temperature TransformationTime Temperature Transformation）Heat Treatmentof Steels第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术

8、第一节 钢的热处理v 共析钢等温冷却产物共析钢等温冷却产物第一章第一章 工程材料导论工程材料导论Heat Treatmentof Steels转变类型 转变温度 转变产物 符号 显微组织特征 硬度HRC 高温转变Ac1650珠光体P铁素体与粗片状渗碳体混合物25650600索氏体S600倍光学金相显微镜下才能分辨的细片状珠光体2535600550托氏体/屈氏体T在光学金相显微镜下已无法分辨的极细片状珠光体3540中温转变550350上贝氏体B上F与微小Fe3C的混合物织羽毛状组织4045350Ms下贝氏体B下黑色针状或称竹叶状组4555低温转变23050马氏体残余奥氏体MA碳在-Fe中的过饱和

9、固溶体针状6265第五节 钢的热处理v P P、S S、T T的的 显微组织显微组织Heat Treatmentof SteelsPTS第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第一节 钢的热处理v连续冷却产物连续冷却产物v由于生产中连续冷却曲线不易获得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所以通常将冷却速度线叠加到等温转变C C曲线曲线,来大致估计冷却后获得什么组织来大致估计冷却后获得什么组织第一章第一章 工程材料导论工程材料导论Heat Treatmentof Steels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

10、的热处理v 二、二、钢的基本热处理工艺钢的基本热处理工艺n 退火：将钢加热到一定温度，保温一定时间，随后在退火：将钢加热到一定温度，保温一定时间，随后在炉中缓慢炉中缓慢冷却冷却，以获得近于平衡组织的一种热处理方法。，以获得近于平衡组织的一种热处理方法。n 正火：将钢加热到正火：将钢加热到A Ac3c3线（亚共析钢）、线（亚共析钢）、A Ac1c1线（共析钢）、线（共析钢）、A Accmccm线线(过共析钢）以上过共析钢）以上30305050，保温一定时间后，出炉，保温一定时间后，出炉在空在空气中冷却气中冷却的热处理方法。的热处理方法。n 淬火：将钢加热到淬火：将钢加热到A Ac3c3线（亚共析

11、钢）、线（亚共析钢）、A Ac1c1线（共析钢和过共线（共析钢和过共析钢）以上析钢）以上3030 5050，保温后，保温后在水或油中迅速冷却在水或油中迅速冷却的热处理方的热处理方法。法。n 回火：回火：将淬火后的钢重新加热将淬火后的钢重新加热至至A Ac1c1线线以下以下的某一温度，保温后的某一温度，保温后在空气中冷却在空气中冷却的一种热处理方法。的一种热处理方法。n 注意：注意：淬火淬火与与回火回火成对使用。成对使用。Heat Treatmentof Steels第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第一节 钢的热处理v （1 1）退火）退火 （A A均匀化）均匀化）n 目的

12、：降低硬度，以利于切削加工；细化晶粒，均匀组织、改善目的：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。性能；增加塑性和韧性，消除内应力；为淬火作好组织准备。p 完全退火完全退火n用于亚共析钢用于亚共析钢n加热到加热到Ac3线以上线以上3050 p 球化退火球化退火（不完全退火）（不完全退火）n用于共析、过共析钢和用于共析、过共析钢和铸铁件铸铁件n加热到加热到Ac1线以上线以上1020，碳化物球化，碳化物球化p 均匀化退火均匀化退火（扩散退火）（扩散退火）Heat Treatmentof Steelsp 去应力退火去应力退火n加热到加热

13、到Ac1以下以下某一温某一温度度(约约500650)保温保温后缓冷后缓冷p 再结晶退火再结晶退火n加热到约加热到约650750后后空冷空冷n消除加工硬化消除加工硬化完全完全A化化未发生相变未发生相变第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术n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，然后缓慢冷却以缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象。消除化学成分不均匀现象。未发生相变未发生相变第一节 钢的热处理v （2 2）正火）正火n 目的：目的：提高硬度、改善切削加工性提高硬度、改善切削加工性对重要件：为淬火作准备对重要件：为淬火作准备

14、n 与退火的区别与退火的区别 ：n 组织不同组织不同（S SP P）n 硬度略高，切削性能好硬度略高，切削性能好n 消除内应力不如退火彻底消除内应力不如退火彻底n 不占用设备不占用设备Heat Treatmentof Steels完全完全A化化亚共析：亚共析：Ac3共共 析：析：Ac1过共析：过共析：Accm3050第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第一节 钢的热处理Heat Treatmentof Steels第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第一节 钢的热处理v （3 3）淬火）淬火 （A AM M）n 目的：目的：提高硬度提高硬度、耐磨性耐磨性n

15、应用：工具、模具、量具、滚动轴承应用：工具、模具、量具、滚动轴承n 马氏体马氏体（M M）：碳在）：碳在-Fe-Fe中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。n Heat Treatmentof Steels亚共析：亚共析：Ac3共共 析：析：Ac1过共析：过共析：Ac13050第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第一节 钢的热处理v （4 4）回火）回火（与淬火并用，重新加热至（与淬火并用，重新加热至Ac1Ac1以下）以下）n 工艺：将淬火后的钢重新加热到工艺：将淬火后的钢重新加热到A1A1以下温度，保温，然后置于以下温度，保温，然后置于空气或水等介质中冷却。空气或水等介质中冷却

16、。n 目的目的l消除淬火产生的内应力消除淬火产生的内应力l降低脆性、提高韧性降低脆性、提高韧性l调整硬度、防止开裂变形调整硬度、防止开裂变形n 分类分类l低温回火：低温回火：150150250250，保持高硬度、耐磨性，高碳钢，保持高硬度、耐磨性，高碳钢l中温回火：中温回火：250250500500，降低脆性、提高弹性，一般碳钢，降低脆性、提高弹性，一般碳钢l高温回火：高温回火：500500650650，获得较好的强、硬、塑、韧综合性，获得较好的强、硬、塑、韧综合性能，中碳钢、结构件。能，中碳钢、结构件。Heat Treatmentof Steels回火马氏体M回火托氏体T回火索氏体S第三章第

17、三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第一节 钢的热处理v 三、其他热处理方法三、其他热处理方法1.1.表面淬火表面淬火 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。层获得淬火组织的热处理方法。(1)(1)感应加热表面淬火法感应加热表面淬火法 (2)(2)火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 2.2.化学热处理化学热处理 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元素渗入它的表层，以改变其

18、化学成分、组织和性能的热处理工艺叫做化学热处理。工艺叫做化学热处理。分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等。分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等。3.3.形变热处理形变热处理 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。料力学性能的复合工艺。Heat Treatmentof Steels第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第二节 金属间化合物热处理v略略n 并不是所有材料都与钢材一样并不是所有材料都与钢材一样,有些材料如有些材料如Fe3AlFe3Al金属间化合物金属间化合物,其原始硬度和强度较高，（可加工性差），但采

19、用急冷处理后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。强度、硬度下降，加工性能得到改善。Heat Treatmentof intermetallics第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第三节 非金属材料热处理v 一、玻璃的热处理一、玻璃的热处理n 退火退火：l包括加热、均热、慢冷和快冷四个阶段包括加热、均热、慢冷和快冷四个阶段l目的：降低或消除热应力目的：降低或消除热应力n 晶化退火晶化退火：将非晶态的原始玻璃经过适当的退火后产生将非晶态的原始玻璃经过适当的退火后产生部分结部分结晶晶态组织的热处理工艺态组织的热处理工艺l微晶玻璃

20、玻璃陶瓷微晶玻璃玻璃陶瓷l目的：提高断裂韧性，由于晶界阻碍裂纹扩展目的：提高断裂韧性，由于晶界阻碍裂纹扩展n 淬火淬火：又称又称物理钢化物理钢化，是指将玻璃制品加热至转变温度，是指将玻璃制品加热至转变温度TgTg以上以上50-6050-60，然后在冷却介质中，然后在冷却介质中急速均匀冷却急速均匀冷却的过程的过程l表层有压应力层，内部有相互平衡的应力分布；表层有压应力层，内部有相互平衡的应力分布；l弯曲强度提高弯曲强度提高l抗冲击强度提高抗冲击强度提高l承受冷热突变能力提高承受冷热突变能力提高第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第三节 非金属材料热处理第三章第三章 热处理与表面

21、工程技术热处理与表面工程技术第三节 非金属材料热处理v二、陶瓷的热处理二、陶瓷的热处理n 陶瓷的抗热震性能较枯，一般采用缓慢冷却的陶瓷的抗热震性能较枯，一般采用缓慢冷却的退火退火方式，方式，n 目的：去除热应力、消除加工缺陷、改变晶界相、减少玻璃相，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。改善性能。n 化学热处理化学热处理（如表面渗氮增韧）第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术氧化锆增韧氧化锆增韧莫来石（莫来石（ZTMZTM）复相陶瓷复相陶瓷第四节 表面工程技术v 表面工程技术分类表面工程技术分类n 表面涂镀：有机涂装、热喷涂、电镀、化学镀、气相沉积表

22、面涂镀：有机涂装、热喷涂、电镀、化学镀、气相沉积n 表面扩渗：化学热处理、表面合金化等表面扩渗：化学热处理、表面合金化等n 表面处理：表面淬火、喷丸处理等表面处理：表面淬火、喷丸处理等v （一）热喷涂（一）热喷涂n 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。第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第四节 表面工程技术n 几种不同热源的热喷涂方法几种不同热源的热喷涂方法n

23、火焰喷涂火焰喷涂n 电弧喷涂电弧喷涂n 等离子喷涂等离子喷涂第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第四节 表面工程技术v（二）电镀、化学镀、电刷镀（二）电镀、化学镀、电刷镀n 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。覆层工艺。n 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。种表面加工方法。n 电刷镀电刷镀第三章第三章

24、 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第四节 表面工程技术v（三）热浸镀（三）热浸镀n 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。化学反应，取出冷却后表面形成所需的金属镀层。n 热浸镀工艺热浸镀工艺l熔剂法工艺流程为：预镀件熔剂法工艺流程为：预镀件碱洗碱洗水洗水洗酸洗酸洗水洗水洗熔熔剂处理剂处理热浸镀热浸镀镀后处理镀后处理成品成品l保护气体还原法保护气体还原法 n 2 2热浸镀层的种类热浸镀层的种类 n 常用的镀层金属是低熔点金属及其合金，如锡、锌、铝、铅、常用的镀层金属是低熔点金

25、属及其合金，如锡、锌、铝、铅、A1SnA1Sn、Al-SiAl-Si、PbSnPbSn第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第四节 表面工程技术v（四）涂料与涂装（四）涂料与涂装n 用有机涂料通过一定方法涂覆于材料或制件表面，形成涂膜的用有机涂料通过一定方法涂覆于材料或制件表面，形成涂膜的全部工艺过程，称为涂装。全部工艺过程，称为涂装。n 涂料的性能评价涂料的性能评价l包括涂料的作业性，涂膜的形成性、附着性、防蚀性、耐久包括涂料的作业性，涂膜的形成性、附着性、防蚀性、耐久性、可修补性、经济性、环境保护性等。性、可修补性、经济性、环境保护性等。n 涂料的主要组成及分类涂料的主要组成及分类l涂料主要由成膜物质、颜料、溶剂和助剂四部分组成。涂料主要由成膜物质、颜料、溶剂和助剂四部分组成。n 涂装工艺方法涂装工艺方法l涂装工艺的一般工序是：涂前表面预处理涂装工艺的一般工序是：涂前表面预处理-涂布涂布-干干燥固化。燥固化。第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术第四节 表面工程技术v（五）高能束技术（五）高能束技术n 采用激光束、离子束、电子束对材料表面进行改性或合金化的采用激光束、离子束、电子束对材料表面进行改性或合金化的技术。技术。第三章第三章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术