第3章-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。
表面改性方法
目前 的热处 理技 术 一表 面 改性 技 术 被 归纳 成 可
谓“ 高性 能 化 ・ 复合 化 ” 概念 。也 就 是说 ， 的 过去 通 过
对零件进行渗碳淬火、 渗氮 、 高频淬火等硬化处理来 提高其强度和耐摩擦 、 耐磨损性能。可是 ， 根据零件 的高 性 能 要 求 ， 后 将 采 用 各 种 硬 化处 理 来 提 高 它 今
１ ２ 喷镀 法 ．
具等机械零件 （ 滑动零件 ） 中很少采用。虽然纯粹的 Ｄ Ｃ具有硬度高达 Ｈ ０ ５００ 摩擦系数 低 Ｌ ｖ３ ０ ， ０ ０ 至 ０ １以下 等优 良的 特 性 ， 遗 憾 的是 它 同 时还 存 ． 但 在着 用刻 痕法 试验 测得 的附着 力低 于 ２ —３ ０ ＯＮ的缺
点 。与它相反 ， 于 Ｍ —Ｃ Ｈ硬 度较 低 ， Ｈ 对 ｅ ： 为 Ｖ１ ５０ １ ０ ， 擦 系数 在 ０ １ ０ ０摩 ７ ．５以下 ， Ｄ Ｃ要 高 一 比 Ｌ 些 ， 是 附着力 与其 它硬 膜相 同 ， 刻 痕 法 硬 度试 验 可 用
测得 的数值 ， 达 ７ 高 Ｏ一８ ＯＮ。
粉末 ・ 材 ・ 线
件
（ 如喷镀 材料 粉末 本身 制 造方 法 的 不 同 ， 采 用 的喷 所 镀方 法 的不 同 以及 喷 镀过 程 中 因分 解［ 爆 而 造 成 或氧 化 火
＼岁 乏
金属
陶瓷 金 属陶瓷 玻璃 塑料
的变质或相变 等等） 的影响而变化。高速火焰 喷镀 喷 喷 镑 与 其它 喷镀 法相 比。因其 喷镀 粒 子 冲撞 到镀 时 的 基材
溶融 的 微 粒 经 高 速 飞 行 冲撞 在 工 件 表 面 而 形 成 覆
燃 体 料幸 气． ． ‘
燃 料气体
《金属材料表面改性》课件
智能化：利用 人工智能技术， 实现表面改性 过程的自动化
控制和优化
自动化：通过 自动化设备， 提高表面改性 过程的效率和
精度
智能化和自动化 的结合：实现表 面改性过程的智 能化和自动化， 提高生产效率和
产品质量
发展趋势：智能 化和自动化将成 为表面改性技术 的发展趋势，推 动金属材料表面 改性技术的发展。
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汇报人：PPT
优点：操作简单、 成本低、环保
缺点：氧化膜厚度 不均匀，影响表面 性能
激光表面改性技术
原理：利用激光的高能量密度，对金属表面进行快速加热和冷却，实现表面改性 特点：速度快、效率高、可控性好、无污染 应用：广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域 效果：提高金属材料的耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性等性能
离子注入技术
金属材料表面改性
汇报人：PPT
目录
添加目录标题
01
金属材料表面改性的重要 性
02
金属材料表面改性的方法
03
金属材料表面改性的应用
04
金属材料表面改性的发展 前景
05
添加章节标题
金属材料表面改 性的重要性
提高金属材料的耐腐蚀性
防止金属材料在恶劣环境下的腐蚀 延长金属材料的使用寿命 提高金属材料的安全性能 降低金属材料的维护成本
渗氮渗碳技术的应用范围广泛，包括汽车、航空航天、机械制造、石油化工等领域。
渗氮渗碳技术的优点包括提高金属的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性，降低金属的摩擦系数，提高金 属的疲劳强度等。
金属材料表面改 性的应用
在汽车工业中的应用
提高汽车零部件的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性 降低汽车零部件的摩擦系数，提高汽车的燃油经济性 提高汽车零部件的抗疲劳性能，延长汽车的使用寿命 提高汽车零部件的表面美观性，提升汽车的整体形象
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。
工程材料与机械制造基础课后习题答案
《工程材料及机械制造基础》习题答案齐乐华主编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。
３、一根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛氏硬度的测试原理。
以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。
5、什么是蠕变和应力松弛？蠕变：金属在长时间恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象。
应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。
6、金属腐蚀的方式主要有哪几种？金属防腐的方法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。
防腐方法：1）改变金属的化学成分；2）通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。
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。
表面改性技术
5
（二）喷丸表面形变强化工艺及应用
1、喷丸材料
铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸、聚合塑料丸、液 体喷丸介质 黑色金属制件可以用铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸和陶瓷 丸 有色金属和不锈钢件需采用不锈钢丸、玻璃丸和陶瓷丸。 模具表面处理常用二氧化硅液态喷丸
2、喷丸强化用的设备
按驱动弹丸的方式可分为机械离心式弹丸机和气动式弹丸机两大类。 （1）机械离心式喷丸机 功率小，生产效率高，喷丸质量稳定，但设备制造成本高。 适用于要求喷丸强度高、品种少批量大、形状简单尺寸较大的零部件。
此涡流能将电能变成热能，使工件加热。涡流在被加热工件中的分布 由表面至心部呈指数规律衰减。因此涡流主要分布在工件表面，工件 内部几乎没有电流通过。这种现象叫做表面效应或集肤效应。
感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到 淬火温度的。当工件表面在感应圈内加热到相变温度时，立即喷水或 浸水冷却，实现表面淬火工艺。
⑥ 生产率高，便于实现机械化和自动化；淬火层深度易于控制，适 于批量生产形状简单的机器零件，因此得到广泛的应用。 缺点：设备费用昂贵，不适用于单件生产。
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2. 感应加热表面淬火原理
图 感应加热表面淬火原理图
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当感应圈中通过一定频率交流电时，在其内外将产生与电流变化频率 相同的交变磁场。将工件放入感应圈内，在交变磁场作用下，工件内 就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。感应电流沿工件 表面形成封闭回路，通常称之为涡流。
得微细的马氏体组织，提高零件的表面硬度和耐磨性，
零件心部未发生相变。
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表面淬火工艺主要有：
感应加热表面淬火、脉冲表面淬火、火焰加热表面 淬火、接触电阻加热表面淬火、浴炉加热表面淬火、 电解液加热表面淬火及表面保护加热处理等。
金属热处理及表面改性
钢加热(冷却)时各临界点的位置
由于过冷和过热现象的存在
3.1.1 钢在加热时的组织转变
1.奥氏体的形成(共析钢)
四个阶段：
奥氏体形核
晶核的长大 残留渗碳体的溶解
P(F+Fe3C)→A
两相→单相的过程 晶格改组和铁原子扩散的 过程
奥氏体的均匀化
2. 奥氏体晶粒大小及影响因素
3.1 钢的热处理原理
钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的 组织，从而获得所需性能的工艺方法。
45钢 退火 正火 淬火 σb（MPa） 650～700 700～800 1500～1700 δ（％） 15～20 15～20 1～ 2 αk（J/cm2） 40～60 50～80 15～20
钢的热处理分类
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。 1、完全退火 定义：将钢加热Ac3以上30~50º C，完全奥氏体后，保温 一定时间随之缓慢冷却到500º C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。
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“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 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
临界冷却速度
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。
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③残余Fe3C溶解：铁素体的成分、结构更接近于奥氏体， 因而先消失。残余Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。 ④奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍 很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。
共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）
温 度 ，
10℃ຫໍສະໝຸດ 共析钢奥氏体化过程11
(2) 亚共析钢奥氏体化：原始组织为F+P，加热至Ac1以上 时，P先奥氏体化，组织部分奥氏体化；加热至Ac3以上时， F奥氏体化，组织全部奥氏体化。
3
常用热处理方法
热处理工艺曲线
4
预备热处理与最终热处理 预备热处理指为随后的加工(冷拔、冲压、切削)或进一 步热处理作准备的热处理。最终热处理指赋予工件所要 求的使用性能的热处理。
W18Cr4V钢热处理工艺曲线
预备热处理
最终热处理
时间
5
钢的固态临界点：钢在固态下进行加热、保温和冷却 时将发生组织转变，转变临界点根据Fe-Fe3C相图确定。 平衡状态下：当钢在缓慢加热或冷却时，其固态下的 临界点分别用Fe-Fe3C相图中的平衡线A1(PSK线)、 A3(GS线)、Acm(ES线)表示。 实际加热和冷却时：发生组织转变的临界点都要偏离 平衡临界点，并且加热和冷却速度越快，其偏离的程度 越大。
热 加
连续冷却
等温冷却
时间
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奥氏体冷却降至A1以下时(A1以下温度存在的不稳定奥 氏体称过冷奥氏体)将发生组织转变。随过冷度不同，过 冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变 三种类型转变。 热处理中采用不同的冷却方式，过冷奥氏体将转变为 不同组织，性能具有很大的差异。如下表为45钢奥氏体 化后经不同方式的冷却，其性能的差异。
2
适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生 固态相变的材料不能用热处理强化。 应用：热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广 泛应用，在机床制造中约60~70%的零件要经过热处理。 在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70~80%。 模具、滚动轴承100%需经过热处理。 总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。 原理与工艺：描述热处理时钢中组织转变的规律称热 处理原理。根据热处理原理制定的温度、时间、介质等 参数称热处理工艺。 分类：根据加热、保温和冷却工艺方法的不同，热处 理工艺分为整体热处理、表面热处理、化学热处理。
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通常将钢加热到940±10℃奥氏体化后，设法把奥氏体 晶粒保留到室温来判断。A晶粒度为1~4 级的是本质粗 晶粒钢，5~8 级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾 向大，后者晶粒长大倾向小。
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3、影响奥氏体晶粒大小的主要因素 (1) 加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长， 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。
实际加热时——临界点分别用Ac1、Ac3、Accm表示。 实际冷却时——临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。 由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册中 的数据是以30~50℃/h 的速度加热或冷却时测得的。
6
加热和冷却对监界转变温度的影响示意图
7
一、钢在加热时的组织转变 加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以 下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的 是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。
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(4) 原始组织：钢的原始晶粒越细，热处理加热后的奥氏 体的晶粒越细。 奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，将降低钢的常 温力学性能，尤其是塑性。
本质粗晶粒钢
本质细晶粒钢
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二、钢在冷却时的组织转变 冷却方式是决定热处理组织和性能的主要因素。热处理 冷却方式分为等温冷却和连续冷却。
温
度
保温
临界温度
①加热至Ac1以上时：首先由珠光体转变成奥氏体。 ②加热至Ac3以上时：亚共析钢中的铁素体转变为奥氏体。 ③加热至Accm以上时：过共析钢中的二次渗碳体转变成 奥氏体(Fe3CⅡ→A)。
钢坯加热
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1、奥氏体的形成过程 奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。 (1) 共析钢奥氏体化：原始组织为P，加热至Ac1以上时， 将发生形核、长大、溶解、均匀化过程，如下图所示。 ①奥氏体晶核形成：首先在F与Fe3C相界形核。 ②奥氏体晶核长大：A晶核通过碳原子的扩散向F和Fe3C 方向长大。
第3章 金属热处理及表面改性
主要内容： 钢的热处理原理及其冷却转变规律；钢的普通 热处理工艺、钢的表面热处理、金属材料的表 面改性方法及其应用。 重点和难点： 普通热处理工艺、钢的表面热处理、金属材料 的表面改性的实际生产应用范围。
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3.1 钢的热处理原理
目前改善钢的性能，主要有以下两条途径： 一是合金化，二是热处理。 热处理定义：将钢在固态下以一定的方式进行加热、 保温，然后采取合适的方式冷却，让其获得所需要的组 织结构和性能的工艺。 作用：改善钢材使用性能和工艺性能，通过恰当的热 处理可以充分挖掘材料的潜力，从而减少零件的重量， 提高产品质量，延长产品使用寿命。 特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工 等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改 变其形状。
(3) 过共析钢奥氏体化：原始组织为P+Fe3C，加热至Ac1以 上时，P先奥氏体化，组织部分奥氏体化；加热至Accm以 上时，Fe3C奥氏体化，组织全部奥氏体化。
亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。
45钢
T12钢
12
2、奥氏体的晶粒大小 (1) 奥氏体晶粒长大 奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细 小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒 将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长 大过程与再结晶晶粒长大过程相同。 (2) 奥氏体的晶粒度 晶粒度指多晶体内晶粒的大小，可以用晶粒号、晶粒平 均直径、单位面积或单位体积内晶粒的数目来表示。 在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。加热时奥 氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。