03金属热处理及表面改性
金属材料的表面改性与热处理实现材料表面性能的提升
金属材料的表面改性与热处理实现材料表面性能的提升金属材料在工业和制造领域中广泛应用，其表面性能对材料整体性能和使用寿命起着至关重要的作用。
为了提高金属材料的表面性能，表面改性和热处理技术被广泛采用。
本文将介绍金属材料表面改性的常用方法和热处理对材料表面性能提升的作用。
一、金属材料的表面改性1.化学表面改性化学表面改性是通过在金属材料表面形成一层化学活性的物质或化合物，从而改变其表面性能。
常用的化学表面改性方法包括电化学处理、溶液浸渍和化学沉积等。
通过这些方法，可以实现金属材料表面的腐蚀耐久性、摩擦性能、润滑性能等的提高。
2.物理表面改性物理表面改性是通过物理手段对金属材料表面进行改良，包括机械处理、喷涂涂层和磁场处理等。
其中，机械处理如切削、打磨和抛光可以提高金属材料的光洁度和平滑度，从而降低表面粗糙度并增加强度。
喷涂涂层技术可以在金属表面形成一层保护性膜，提高耐磨性和耐腐蚀性。
磁场处理可以通过调控磁场对金属表面进行改性，改善其力学性能和磁性能。
二、金属材料的热处理热处理是一种通过对金属材料进行加热和冷却的工艺，以改变材料的组织结构和性能。
常用的热处理方法包括退火、淬火、回火和固溶处理等。
1.退火退火是将金属材料加热至一定温度，然后缓慢冷却的过程。
退火可以消除金属材料中的应力和缺陷，提高其塑性和可加工性。
此外，退火还可以改变材料的晶粒结构，从而调节材料的硬度和强度。
2.淬火淬火是将金属材料加热至临界温度，然后迅速冷却至常温的过程。
淬火可以使金属材料形成超饱和固溶体或马氏体组织，从而提高材料的硬度、强度和耐磨性。
淬火还可以产生残余应力，使材料表面形成压应力层，提高抗拉应力的能力。
3.回火回火是将淬火后的金属材料加热至较低温度，然后适当冷却的过程。
回火可以降低金属材料的脆性和残余应力，提高其韧性和可靠性。
回火还可以调节材料的硬度，使其适应不同的工作条件。
4.固溶处理固溶处理是将合金的固溶元素加热至高温区，然后迅速冷却的过程。
金属材料表面改性的制备及应用
金属材料表面改性的制备及应用金属材料作为工程材料的重要组成部分，在现代工业中发挥着不可替代的作用。
然而，在实际应用中，由于外界环境的影响，金属材料表面容易出现氧化、腐蚀等现象，从而导致材料性能的下降。
为此，表面改性技术应运而生，通过改变金属材料表面的化学、物理性质，从而可以提高金属材料的性能，并延长其使用寿命。
本文将探讨金属材料表面改性的制备及应用。
一、金属表面改性的常见方法1.化学氧化：金属材料表面化学氧化是通过利用金属表面吸附氧气并在氧气中形成金属氧化物的化学反应来实现的。
该方法操作简单、成本低廉，但易受外界环境的影响，导致氧化层密度不均匀。
2.物理氧化：物理氧化可以通过高温氧化、阳极氧化等方式来实现。
其制备的氧化层密度、颜色和成分均可调控，具有较好的稳定性。
3.化学镀层：化学镀层是将金属置于含有金属离子的溶液中，利用还原-氧化反应在表面形成金属薄层。
该方法制备的材料表面平整度好、质量均匀、附着力强，但环境要求较高，难以应用于大规模生产。
4.物理镀层：物理镀层包括真空镀层、喷涂镀层等方法。
该方法制备的可降解性“纳米壳”具有高度可控性和良好的稳定性，可被广泛应用于涂料、塑料、高分子材料和生物医学等多个领域。
二、金属表面改性的应用1.防腐材料：金属腐蚀是生命与财产安全的大敌。
利用表面改性技术，可以制备出具有很强防腐和耐酸碱性能的金属材料。
在国防、化工、航空、航天等多个工业领域已经得到广泛应用。
2.材料复合：表面改性技术可以将不同性质的材料表面改性，制备出具有多种性质的复合材料。
例如，在化工、航空、汽车等行业中，利用表面改性技术可以将金属材料和非金属材料进行复合，制备出具有优异性能的复合材料。
3.制造新型材料：表面改性技术可以将磁性、光电性、催化性等性能引入到金属材料中，制备出一系列具有特殊性质的新型材料。
在电子材料、化学材料、医学材料等领域有着广泛的应用前景。
4.金属材料加工：利用表面改性技术可以制备出具有优异性能的钢铁、铝材等金属材料，用于汽车、火车、高速公路等交通运输领域，能够大大提高机械设备的安全性和寿命。
第3章 金属热处理及表面改性
TEM
②针状马氏体 立体形态为双凸透镜形的片 状。显微组织为针状。 在电镜下，亚结构主要是孪 晶，又称孪晶马氏体。
电镜形貌
光镜形貌
电镜形貌
37
(3) 马氏体的形态主
马氏体形态与含碳量的关系
要取决于其含碳量
C%小于0.2%C时，
组织几乎全部是板条 马氏体。
C%大于1.0%C时几
乎全部是针状马氏体。
高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的硬度主要取 决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。当含碳量大 于0.6%C时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度 的影响不大。
C%
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系
40
马氏体的碳含量与性能的关系
41
马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。
此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。
晶粒粗大。
(2) 加热速度：加热速度越快，过热度越大，形核率越高, 晶粒越细。
(3) 合金元素：
阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、 Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素，会形成难熔的
碳化物和氮化物颗粒，弥散分布于奥氏体晶界上，阻碍 奥氏体晶粒的长大。
促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。
光镜形貌
电镜形貌
珠光体显微组织图
20
②索氏体 形成温度为650~600℃，是片层的铁素体与渗碳体的双 相混合组织，其层片间距较小(80~150nm)，800~1000 倍光镜下可辨，用符号S表示。
光镜形貌
电镜形貌
索氏体显微组织图
21
③托氏体 形成温度为600~550℃，是铁素体与片状渗碳体的机械 混合物，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。
过控工程材料课件3
• • • • • • •
（1）淬火时的组织转变 亚共析钢：马氏体 共析钢和亚过共析钢：马氏体+渗碳体 （2）淬火工艺 淬火温度 亚共析钢： Ac3以上30 ℃～50 ℃ 共析钢和亚过共析钢： Ac1以上30 ℃～50 ℃
第三章 钢的热处理和表面改性
• 保温时间 • 根据钢的成分、工件大小和形状、加热 类型和加热介质确定。 • 生产中可通过实验或者根据相关手册的 经验公式估算。 • 淬火冷却介质 • 常用的冷却介质是水和油。为了减少零 件淬火时的变形，可用盐浴作介质。
第三章 钢的热处理和表面改性
• 完全退火
•
又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上30 ℃ 左右, 保温一定时间后缓慢冷却(随炉冷却或埋入 石灰、砂中冷却), 以获得接近平衡组织的热处理 工艺。 完全退火一般用于亚共析钢。 完全退火的目的： ●通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不 均匀的组织均匀化和细化，以提高性能； ●使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状 态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能； ●由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。
第三章 钢的热处理和表面改性
• 3.2.2 钢的淬火
• 将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为Ac3以上 30 ℃～50 ℃；共析钢和过共析钢为Ac1以上30 ℃～50 ℃），保温一定时间后快速冷却以获得马氏 体组织的热处理工艺称为淬火。
钢的淬火温度范围
第三章 钢的热处理和表面改性
钢的淬火温度范围
第三章 钢的热处理和表面改性
1. 加热温度
2. 加热速度
3. 钢中碳含量 4. 合金元素 5. 原始组织
第三章 钢的热处理和表面改性
三、钢的奥氏体晶粒度
一般根据标准晶粒度等级图确定钢的奥 氏体晶粒大小。 标准晶粒度等级分为8级，1～4级为粗 晶粒度，5～8级为细晶粒度。
金属材料改性
金属材料改性
金属材料改性是指通过一系列的工艺和手段，对金属材料的性能、结构和形态
进行改变，以满足特定的使用要求。
金属材料改性的方法有很多种，包括热处理、表面处理、合金化等。
在工程领域中，金属材料改性是非常重要的，可以大大提高金属材料的使用性能和寿命。
首先，热处理是金属材料改性中常用的一种方法。
热处理是通过加热和冷却的
方式，改变金属材料的晶体结构和性能。
常见的热处理方法包括退火、正火、淬火和回火等。
通过热处理，可以提高金属材料的硬度、强度、韧性和耐磨性，同时也可以改善金属材料的加工性能和耐腐蚀性能。
其次，表面处理也是金属材料改性的重要手段之一。
金属材料在使用过程中，
常常需要具有特定的表面性能，比如耐磨、耐蚀、导热等。
表面处理可以通过镀层、喷涂、氮化、氧化等方法，对金属材料的表面进行改性，以满足特定的使用要求。
另外，合金化也是金属材料改性中的重要手段。
合金是由两种或两种以上的金
属元素或非金属元素组成的固溶体，通过合金化可以改变金属材料的组织结构和性能。
合金化可以提高金属材料的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性，同时也可以改善金属材料的导电性、导热性和磁性。
总的来说，金属材料改性是通过一系列的工艺和手段，对金属材料的性能、结
构和形态进行改变，以满足特定的使用要求。
热处理、表面处理和合金化是金属材料改性中常用的方法，它们可以提高金属材料的使用性能和寿命，广泛应用于航空航天、汽车制造、机械加工等领域。
随着科技的不断进步，金属材料改性的方法也在不断创新和发展，为各行各业提供了更加优质的材料选择。
工程材料与机械制造基础习题答案
《工程材料及机械制造基础》习题参考答案第一章材料的种类与性能（P7）１、金属材料的使用性能包括哪些？力学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
第二章材料的组织结构（P26）1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。
每个体心立方晶格的原子数为：2个。
塑性较好。
面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。
每个面心立方晶格的原子数为：4个。
塑性优于体心立方晶格的金属。
密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。
每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。
使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和金属化合物两种。
合金固溶在金属中引起固溶强化，使合金强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
金属化合物提高合金的强度和硬度。
4、什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？固溶强化：因溶质原子的溶入引起合金强度、硬度升高的现象。
原因：固溶体中溶质原子的溶入引起晶格畸变，使晶体处于高能状态。
３、金属结晶的基本规律是什么？金属结晶由形核和长大两部分组成，并存在过冷度。
４、如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小。
（1）金属型浇注与砂型浇注。
金属型浇注晶粒小。
（2）铸成薄件与铸成厚件。
铸成薄件晶粒小。
（3）浇注时采用振动与不采用振动。
采用振动晶粒小。
10、过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？冷却速度越快过冷度越大，使晶核生长速度大于晶粒长大速度，铸件晶粒得到细化。
金属热处理和金属表面处理的区别和联系【详解】
金属热处理和金属表面处理的区别和联系内容来源网络，由深圳机械展收集整理！金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。
金属材料表面处理技术与金属热处理和表面热处理不是一个类型的慨念。
一般把金属表面防护和改性称之为金属材料表面处理，改变金属材料表面组织结构和力学性能指标称为金属表面热处理。
表面防护的内容：电镀、涂装、化学处理层；电镀包括（镀锌、铜、铬、铅、银、镍、锡、镉等）；涂装包括（油漆涂装、静电喷粉、喷塑工艺）；化学处理包括（发黑处理、磷化处理）。
另一方面是金属的表面改性,也称表面优化,就是借助离子束、激光、等离子体等新技术手段，改变材料表面及近表面的组分、结构与性质，从而获得用传统的冶金和表面处理技术无法得到的新薄层材料，或者使传统材料具有更好的性能。
现代先进的表面改性技术主要有物理气相沉积（简称PVD）、化学气相沉积（简称CVD）、等离子体化学气相沉积（简称PCVD）、离子注入和离子束沉积。
至于工艺步骤的确是太多了，电镀有挂镀和滚镀、油漆涂层分类更多，有刷涂、浸漆、烤漆、电泳、静电喷涂等，不同的要求，工艺方法区别也大。
热处理主要包括：淬火、回火、退火、调质等等；目的是改变金属材料的机械性能；都与加热有关；表面处理包括的内容太多：涂覆（涂漆，喷塑）、热浸镀、电镀、氧化、发蓝、着色、磷化、钝化、酸洗、化学抛光、电解抛光、电铸、抛丸、磨沙、拉丝、振光、火焰喷涂、渗碳、渗氮....表面处理的目的最多的是防腐蚀，其次是改善外观质量；但渗碳、渗氮是为了改变金属材料的机械性能；表面处理大多与加热无关。
热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。
这些过程互相衔接，不可间断。
加热是热处理的重要工序之一。
金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。
金属热处理与表面处理方法
6
111’’’
22’2’’2’
3’3’3’ 3’
4’ 4’ 4’4’
5’ 5’ 5’ 5’
66’’ 66’’
金属的强化
一般金属产生塑性变形后在变形较大 的地方产生裂纹，随着裂纹的扩大最 终产生断裂。因此，要想避免金属断 裂就要防止金属产生塑性变形。提高 金属强度，防止塑性变形和断裂的方 法叫作金属的强化。
例如碳原子溶解到-Fe的晶格中，形成的固溶体 (称铁素体)具有-Fe原来的体心立方晶格，而碳 失去原来的密排六方结构，以单个原子溶入-Fe 的晶格，-Fe是溶剂，碳是溶质。
固溶体
• 溶质原子置换了溶剂晶格中溶剂原子的部 分位置而形成的固溶体称为置换固溶体，
• 溶质原子位于溶剂晶格间隙中所形成的固 溶体称间隙固溶体，如图所示。
Ag、Pb等 密排六方： Mg、Zn、Be、Ti、Cd等
合金的结构
金属中加入合金后可形成固溶体或金属化 合物。
固溶体
合金各组元在液态下互相溶解，结晶为固态后仍 然保持溶解状态的合金相，称为固溶体。
固溶体的特征是：溶剂为含量较多的基体金属， 晶格类型保持不变。溶质为含量较少的合金元素， 晶格类型消失。
对于钢铁：E=214000MPa。 屈服强度应为21400MPa， 而实际钢铁的强度为300~1700MPa。
塑性变形的产生并不 是沿着整个滑移面同 时进行的简单的刚性 滑移造成的，而是由 位错在滑移面上的运 动来实现的。
1 111
2 22 2
3 33 3 4 4 4 4 5 5 5
56 6 6
当外力进一步增加达到一定程度，原子就沿着某 些晶面滑移，达到新的平衡位置，这时外力去除 后，原子不再恢复到原来的位置，晶体产生了永 久性的塑性变形。
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叶状
3.连续冷却转变曲线
这两种转变的不同处在于：
①在连续冷却转变曲线中， 珠光体转变所需的孕育 期要比相应过冷度下的 等温转变略长，而且是 在一定温度范围中发生 的
②共析碳钢和过共析碳钢 连续冷却时一般不会得 到贝氏体组织
过冷A等温转变图
过冷A在不同过冷温度下 的等温过程中，转变 温度、转变时间与转 变产物量的关系曲线 图，也称TTT ( TimeTemperatureTransformation)曲线， 或C曲线。
1. 共析钢A等温转变曲线的建立
共析碳钢的等温转变曲线通常采用金相法配合测量硬度的方 法建立，有时需用磁性法和膨胀法给予补充和校核。
临界冷却速度
与CCT曲线相切的冷却曲线Vk叫做淬火临界冷却 速度，它表示钢在淬火时过冷奥氏体全部发生马 氏体转变所需的最小冷却速度。
Vk值愈小，钢在淬火时愈容易获得马氏体组织， 即钢接受淬火能力愈大。
按不同冷却速度连续冷却时，过冷奥氏体转变成 不同ห้องสมุดไป่ตู้产物：
5.5℃/秒——珠光体； 33℃/秒——珠光体和少量马氏体； 138℃/秒——马氏体和残余奥氏体。
2. 奥氏体晶粒大小及影响因素
起始晶粒
是指珠光体刚刚全部转变成奥氏体时的晶粒。一般很细小。
实际晶粒
是指钢在某个具体热处理或热加工条件下所获得的奥氏体晶粒。直接 影响热处理后钢的晶粒大小。
A晶粒大小的控制
“小晶粒→大晶粒”将使合金总的晶界面积减少， 从而减少了界面能，使合金的总能量下降，因此
退火与正火的目的有以下几点： ①消除残余内应力，防止工件变形、开裂 ②改善组织，细化晶粒 ③调整硬度，改善切削性能 ④为最终热处理（淬火、回火）作好组织上的准备
3.2.1 钢的退火与正火
一、钢的退火
将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中缓慢地冷 却的热处理工艺。
根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退 火和去应力退火。
高温下A晶粒的长大是一个自发的过程。
钢的成分和冶炼条件：C和难溶第二相微粒 加热温度和保温时间
3.1.2 钢在冷却时的组织转变
冷却过程是热处理的关键工序，决定着钢在热处理后的组织和 性能。
热处理的冷却方式可分为两种： 等温冷却：将奥氏体迅速冷至Ar1以下某个温度，等温停 留一段时间，再继续冷却。 连续冷却：将奥氏体以一定的速度冷却，如水冷、油冷、 空冷、炉冷等。
目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。 适用范围：主要用于过共析钢及合金工具钢。
过共析钢组织
球化退火后
3、去应力退火
定义：将钢加热到500--600 ºC,保温后随炉缓冷至200-300 ºC出炉空冷。又称低温退火。
目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力 。（没有发生 组织变化）
适用范围：用于所有的钢。
粗片状珠光体（727～650℃） 索氏体（650～600℃）：细片P 托氏体（600～550℃）：极细片P
组织名称及符号 形成温度范围 片层间距(μm)
HBS σb/MPa
珠光体(P) A1~650℃
> 0.4 70~230
550
索氏体(S) 650~600℃
0.4~0.2 230~320 870
将一系列共析碳钢薄片试样加热到奥氏体化后，分别迅速 投入Ac1以下不同温度的等温槽中，使之在等温条件下进 行转变；
每隔一定时间取出一块，立即在水中冷却，对各试样进行 金相观察，并测定硬度；
由此得出在不同温度、不同恒温时间下奥氏体的转变量；
并分别测定出过冷奥氏体的转变开始和转变终了时间，将 所得结果标注在温度与时间的坐标系中，再将意义相同的 点连接起来，即可得TTT图。
2.A等温转变曲线的分析
五条线： A1线 转变开始线 转变终了线 M转变开始线：Ms M转变终了线：Mf 四个区域： 稳定A区 过冷A区 转变过渡区 转变产物区
高温转变产物区 中温转变产物区 低温转变产物区
高温转变产物——珠光体型（727～550℃）
铁素体＋渗碳体的层片
二、钢的正火
1、概念： 将钢件加热到Ac3或Accm线以上30~50 ºC ，保
温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。 2、目的：
对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能； 对中碳钢，可提高硬度和强度，可作为最终热处理； 对高碳钢，可为球化退火作准备 。
退火与正火的选择
从切削加工性考虑
3.2 钢的普通热处理工艺
3.2.1 钢的退火与正火 3.2.2 钢的淬火与回火
3.2.1 钢的退火与正火
主要用于各种铸件、锻件、热轧型材及焊接构件， 由于处理时冷却速度较慢，故对钢的强化作用较 小，在许多情况下不能满足使用要求。除少数性 能要求不高的零件外，一般不作为获得最终使用 性能的热处理，而主要用于改善其工艺性能，故 称为预备热处理
1、完全退火 定义：将钢加热Ac3以上30~50ºC，完全奥氏体后，保温
一定时间随之缓慢冷却到500ºC以下，出炉空冷。 目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加
工。 适用范围：亚共析钢型材。
2、不完全退火（球化退火）
定义：将钢加热到Ac1以上20~30 ºC,保温后随炉缓冷至600 ºC，出炉 空冷。
作为预备热处理，低碳钢正火优于退火，高碳 钢必须采用退火；
从使用性能考虑
对亚共析钢正火比退火具有较好的力学性能。 如果零件的性能要求不高，则可用正火做最终 热处理。当零件形状复杂时，采用退火。
从经济上考虑
正火生产周期短、耗能少、成本低，优先选用。
3.2.2 钢的淬火与回火
一、钢的淬火
将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一 定时间后，快速冷却的热处理工艺。
托氏体(T) 600~550℃
< 0.2 300~400
1100
中温转变产物——贝氏体型（550～230℃）
过饱和铁素体＋微小渗碳体 上贝氏体（550～350℃）：羽毛状 下贝氏体（350～230℃）：黑色针状
低温转变产物——马氏体型（<230℃）
马氏体M＋残余奥氏体Ar
属非扩散型转变
马氏体M：过饱和的α-Fe固溶体