机械制造基础第四章金属材料的改性剖析
工程材料第四章( 材料的改性)
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等温淬火法 钢件加热保温后，迅速放入温度稍高于Ms点的 盐浴或碱浴中，保温足够时间，使奥氏体转变 成下贝氏体后取出空冷。 等温淬火可大大降低钢件的内应力，下贝氏体 又具有较高的强度、硬度和塑、韧性，综合性 能优于马氏体。 适用于尺寸较小、形状复杂，要求变形小，且 强、韧性都较高的工件，如弹簧、工模具等。 等温淬火后一般不必回火。
钢坯加热
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应用：强化钢材的重要工艺 – 机床业中，有60%~70% 的零件要进行热处理； – 汽车、拖拉机业中，有 70%~80%的零件要进行 热处理； – 滚动轴承和各种工模具 几乎是100%地要进行热 处理。
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热处理分类： – 预备热处理 安排在加工（冷拔、冲压、切削）前，改善材 料的加工工艺性能，为后续工序作组织和性 能准备。 – 最终热处理 提高金属材料的使用性能，发挥金属材料的 性能潜力。
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2）正火
定义： 将钢件加热至Ac3（亚共析钢）或Accm（共析或过共 析钢）以上30~50℃，保温适当时间后在静止的空 气中均匀冷却的热处理工艺。 目的： ① 细化晶粒，提高力学性能 对普通结构零件(最终热处理) 。 ② 调整合适硬度 对低碳钢避免切削加工中“粘 刀”现象，改善切削加工性。 ③ 消除网状二次渗碳体 对共析、过共析钢用来为球 化退火作好组织上的准备。
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过共析钢 加热温度：Ac1+(30~50)℃ 淬火组织：均匀细小的马氏 体和粒状二次渗碳体。 – 加热温度过高：则获得粗 片状马氏体组织，同时引 起较严重变形，淬火开裂 倾向增大；还由于渗碳体 溶解过多，淬火后钢中残 余奥氏体量增多，降低钢 的硬度和耐磨性。 – 如果淬火温度过低：则可 能得到非马氏体组织，钢 的硬度达不到要求。
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淬火冷却介质 水 – 冷却能力很强，在650~500℃时冷 却能力强。易严重变形和开裂， 主要应用于淬透性较小的碳素钢。 盐(碱)水（含盐5%~10%） – 冷却能力比水强，工件硬度高而 均匀，表面光洁。易产生变形和 开裂。常用于形状简单、淬硬层 较深、变形要求不严、截面尺寸 较大的碳钢零件。 油 – 冷却能力低，减少变形和开裂， 容易造成淬不硬，不宜用于碳 钢，主要应用于合金钢的淬火。
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》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
金属材料表面改性技术与应用研究
金属材料表面改性技术与应用研究金属材料是人类社会重要的建材和机械材料，为了提高材料的使用寿命、耐久性和特殊功能，科学家和工程师们不断探索金属材料的物理结构与表面改性技术。
本文就金属材料表面改性技术与应用研究展开讨论。
一、金属表面改性技术概述表面改性技术是指通过一定的方式改善金属材料表面的物理化学特性，从而提高金属的耐久性、抗磨性、耐腐蚀性、防粘附性、导电性、導熱性和光学等性能。
金属表面改性技术分类众多，常见的技术有机械法、化学法、物理法、热处理法和电化学法等。
机械法主要包括打磨、抛光、喷砂等方法；化学法包括离子注入、化学镀膜、电镀、电沉积等方法；物理法主要包括等离子喷涂、激光熔覆、电子束熔覆等方法；热处理法主要包括淬火、退火、固溶等方法；而电化学法则是指陶瓷方法、溶液界面法及阳极氧化法等。
二、表面改性技术应用1. 提高金属材料表面硬度硬度是金属材料中最重要的性能之一，可通过表面改性技术有效提高金属表面的硬度。
利用包括激光熔覆、等离子熔覆、高能离子束注入等方法都可以实现金属表面硬度的提高。
2. 改善材料表面摩擦磨损特性对于高负荷、高速摩擦运动的部件，表面改性技术可应用于提高其摩擦磨损性能。
如钢件的表面利用电化学阳极氧化法制备氧化铝膜、利用气相沉积法制备TiN等沉积物的方法，可以显著改善材料表面的摩擦性能。
3. 提高材料表面抗腐蚀性金属材料可在空气、水、氧化物、酸等多种条件下发生腐蚀，从而导致金属材料的损坏。
表面改性技术可应用于提高材料表面抗腐蚀能力，如电化学阳极氧化法、淬火退火热处理等方法都可以实现材料表面抗腐蚀性的提高。
4. 改善电导和热导对于金属导电材料，表面改性技术可起到提高电导特性的作用，如利用等离子体喷涂、磁控溅射、电冶金等方法均可使金属材料表面具有良好的导电性。
同样地，如利用热处理和物理镀膜等方法，也可以显著提高金属材料的热导率。
三、表面改性技术研究的热点当前，金属表面改性技术研究的热点主要是：1. 高性能、高强度金属材料的表面改性技术；2. 纳米金属、复合材料及新型材料的表面改性方法；3. 超硬材料、超耐磨材料的表面改性研究。
工程材料及热加工基础 第四章 金属热处理与表面改性
§4.1 钢的热处理原理
§4.1 钢的热处理原理
时间(s)
300
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温度 (℃)
0
400
A1
共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图
共析碳钢 TTT 曲线的分析
稳定的奥氏体区
过冷奥氏体区
2
目的：去应力，防止变形和开裂
3
应用：消除铸、锻、焊件的应力，稳定组织； 消除切削加工应力。 无组织变化。
去应力退火（低温退火）
4.2 钢的常规热处理工艺
目的：使塑性变形金属恢复原性能。
工艺：加热到再结晶温度以上，保温后缓冷。
应用：用于进一步冷变形钢件中间退火或最终热处理。
再结晶退火
4.2 钢的常规热处理工艺
4.1.3.1 钢在热处理时的冷却方式
保温
时间
临界温度
连续冷却
等温冷却
§4.1 钢的热处理原理
（1） 共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线 ---- TTT曲线 ( C 曲线 )
T --- time T --- temperature T --- transformation
球化退火（不完全退火）
4.2 钢的常规热处理工艺
§4.2 钢的常规热处理工艺
共析钢球化退火组织 ( 化染 ) 700
§4.2 钢的常规热处理工艺
T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500
1
工艺：加热到Ar1以下某温度（500~600℃），保温后缓冷。
针、片状 --- 高碳马氏体(＞1%C); （孪晶马氏体）
机械工程中的材料改性与材料优化
机械工程中的材料改性与材料优化在机械工程领域，材料的选择和设计是至关重要的。
不同材料具有不同的力学性能、化学性质和热学特性，这些特性直接影响着机械设备的性能和寿命。
因此，对材料进行改性和优化是提高机械工程性能的关键。
一、材料改性的意义与方法材料改性是指通过改变材料的结构和性质，来提高其性能和适应特定的工程需求。
这包括物理改性、化学改性和组织改性等多种方法。
材料改性的意义在于增强材料的强度、硬度、耐磨性等特性，提高材料的耐腐蚀性能，以及改善材料的加工性能和稳定性。
在机械工程中，材料改性可以扩大机械设备的使用范围，提高其生产效率和可靠性。
物理改性是通过在材料中引入微粒、纳米材料或其他外部组分来增强材料的性能。
例如，添加纤维素纤维或碳纤维增强材料的强度和刚度，添加陶瓷纳米颗粒提高材料的耐磨性和耐高温性能。
化学改性是通过改变材料的分子结构和成分来改善其性能。
例如，通过聚合反应引入交联结构来提高塑料材料的强度和稳定性，或通过添加抗氧化剂来防止材料老化。
组织改性是通过改变材料的内部组织结构来调整其性能。
例如，通过热处理来改变金属材料的晶格结构和硬度。
二、材料改性的应用材料改性广泛应用于各个领域的机械工程中，以下是其中的几个例子。
1. 金属材料改性金属材料是机械工程中最常用的材料之一，其改性方法主要包括热处理、合金化和表面处理。
通过热处理可以改善金属材料的强度和硬度，提高其耐腐蚀性能。
合金化可以通过添加其他金属或非金属元素来改变金属材料的性能，以满足特定的工程需求。
表面处理包括电镀、喷涂等方法，可以提高金属材料的耐磨性和耐蚀性。
2. 高分子材料改性高分子材料是机械工程中常用的材料之一，其改性方法包括添加剂改性、特殊工艺改性和复合改性。
添加剂改性是通过添加阻燃剂、增塑剂、增强剂等物质来改善高分子材料的性能。
特殊工艺改性包括注塑、挤出等方法，可以调整高分子材料的结构和性能。
复合改性是将高分子材料与其他材料进行复合，以期获得更优异的性能。
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。
金属材料的表面改性及其机理分析
金属材料的表面改性及其机理分析金属材料在实际工程中经常会遭受各种环境和使用条件的影响，如高温、高压、腐蚀、磨损等。
此时，金属材料的表面往往会出现各种问题，如表面粗糙、氧化、腐蚀、疲劳等。
为解决这些问题，科学家们开始研究金属材料的表面改性技术。
表面改性技术是指通过一系列化学和物理手段改变材料表面的化学、结构和物理性质，进而改善其表面性质，以满足特定工程需求。
一、金属材料表面改性的方法1.化学方法化学方法是改性金属材料表面的最常见方法之一。
它可以通过在金属材料表面进行氧化、硫化、氮化等处理，从而形成一层稳定的表面结构。
化学方法可分为光化学方法、电化学方法、溶液法等。
其中光化学方法是利用光子能量使化学反应产生变化，电化学方法是利用电子来调节反应，而溶液法则是用溶液来改良表面结构。
在改性表面上，化学方法大大降低了金属材料表面的纹理，使之更加均匀，并提高了材料的表面硬度、结构稳定性。
2.物理方法物理方法是在改性金属材料表面时加入物理因素—如激光、磁场、光学等。
物理方法可以增强材料的表面硬度和耐磨性，改善其表面粗糙度。
物理方法可分为激光照射、离子注入、磁控溅射、等离子体涂层、喷涂、画线等。
其中激光照射是将激光束直接照射表面，并通过产生热能来切割、熔融或焊接材料。
离子注入是从离子源中排出气体，使其与金属材料表面发生反应，从而改变其表面属性。
磁控溅射则是将固体材料熔化，然后用离子束从材料表面喷涂，从而形成一层致密的金属涂层，对金属材料表面进行改性。
3.生物方法生物方法是一种新兴的金属表面改性方法，该方法将生物科技与材料科学相结合，利用细胞、细菌等生物机制来改性金属材料表面。
生物方法能够精确地控制材料的表面形状和结构，同时也具有良好的生物相容性。
生物方法包括生物铺膜、生物酶反应法、细胞操作法、生物晶体生长法等。
其中生物铺膜将生物大分子镀到金属表面上，从而形成一层具有生物响应性的涂层。
生物酶反应法则是利用生物酶来改变材料的表面结构，进而改性金属表面。
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一、钢的整体热处理
钢的热处理(heat treatment)，是将钢在固态下 进行加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而 获得所需要性能的一种金属加工工艺
通过热处理，能有效地改善钢的组织，提高其力 学性能并延长使用寿命，是钢铁材料重要的强化 手段
机械工业中的钢铁制品，几乎都要进行不同的热 处理才能保证其性能和使用要求。所有的量具、 模具、刃具和轴承，70%～80%的汽车零件和 拖拉机零件，60%～70%的机床零件，都必须 进行各种专门的热处理，才能合理的加工和使用
钢的热处理可分为整体热处理和表面热处 理两大类
整体热处理包括退火、正火、淬火、回火
表面热处理包括表面淬火和化学热处理
热处理的基本原理
热处理的过程就是钢的奥氏体化过程，即通 过铁、碳原子扩散而实现相变的过程，相变过程 是通过形核核长大两个过程完成的，由于珠光体 中的铁素体和渗碳体相界面很多，可以形成许多 奥氏体晶核，因此，钢的奥氏体化过程是个晶粒 细化的过程，也是一个消除内应力和不均匀组织 的过程。
③对于大型零件或形状复杂的零件，当淬 火有开裂的危险时，可用正火代替淬火、 回火处理。
退火与正火的区别：
对于低碳钢和低碳合金钢，一定要选用正 火。
对于中碳钢，退火与正火均可，优先选用 正火。
（二） 淬火
淬火是将钢件加热至某一温度，保温后以 适当速度（大于临界冷却速度，即奥氏体 转变为马氏体的最小冷却速度）冷却，获 得马氏体（碳在α-Fe中形成的过饱和间隙 固溶体）和（或）下贝氏体（马氏体＋极 细碳化物）组织的热处理工艺
热处理的基本原理
奥氏体晶粒的控制方法： 1）控制加热温度：相变点以上30－50摄氏
度，不超过100摄氏度。 2）合理的保温时间：为了相变的需要和穿透
加热的需要。 3）快速加热、短时间保温。
总之，钢在加热时通过合理控制工艺 参数，可以得到细小的奥氏体组织。
（一） 退火和正火
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
热处理的基本原理
热处理的基本原理
奥氏体化的晶粒大小与加热温度和保 温时间有很大关系，在相变温度以上，加 热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒 就会长得越大。
热处理的基本原理
钢的奥氏体化晶粒大小对冷却后组织晶粒的 大小有直接影响关系，如图所示。钢奥氏体化晶 粒细小，冷却后的组织晶粒就小，反之，奥氏体 化晶粒粗大，冷却后组织的晶粒也粗大。当然， 晶粒越细小钢材淬硬层深度和硬 度分布的特性称为淬透性
一般规定，钢的表面至内部马氏体组织占 50％处的距离称为淬硬层深度
淬硬层越深，淬透性就越好。如果淬硬层 深度达到心部，则表明该工件全部淬透。
钢的淬透性主要取决于钢的临界冷却速度。临界 冷却速度越小，钢的淬透性也就越好
目的是提高钢的硬度和耐磨性 淬火是强化钢件最重要的热处理方法
1.钢的淬火工艺
（1）淬火温度的选择 碳钢的淬火温度可利用Fe-Fe3C相图来选择(见图
5-20所示)。 为了防止奥氏体晶粒粗化，一般淬 火温度不宜太高，只允许超出临界点30～50℃ 如果淬火温度过高，则将获得粗大马氏体组织， 同时引起钢件较严重的变形。如果淬火温度过低， 则在淬火组织中将出现铁素体，造成钢的硬度不 足，强度不高
2）淬火冷却介质
水的冷却能力很强，而加入5％～10％ NaCl的盐水，其冷却能力更强。因而主要 用于淬透性较小的碳钢零件。
淬火油几乎都是矿物油。所以不宜用于碳钢， 通常只用作合金钢的淬火介质
盐的冷却能力最强，为减少工模具淬火时的 变形，工业上常用熔融盐浴或碱浴作为冷却 介质来进行分级淬火或等温淬火
2.正火
正火是将工件加热至一定温度，保温后出 炉空冷的热处理工艺
正火与退火的主要区别是正火的冷却速度 稍快，所得组织比退火细，硬度和强度有 所提高
正火主要应用于以下几方面：
①对于力学性能要求不高的零件，正火可 作为最终热处理
②低碳钢退火后硬度偏低，切削加工后表 面粗糙度高。正火后可获得合适的硬度， 改善切削性能
合金元素是影响淬透性的主要因素。除Co和大于 2.5％的Al以外，大多数合金元素可降低临界冷却 速度，因而使钢的淬透性显著提高
在实际生产中，工件淬火后的淬硬层深度除取决 于淬透性外，还与零件尺寸及冷却介质有关。冷 却速度快的，淬透性就提高，冷却速度慢的，淬 透性就降低。例如45钢在水中冷却和在油中冷却， 其淬透性就不同，在水中冷却时，可淬透11一20 毫米，在油中冷却时，可淬透3.5—9.5毫米。
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
1.退火
退火是将钢加热至适当温度，保温一定时 间，然后缓慢冷却的热处理工艺
根据目的和要求的不同，工业上常用的退 火工艺有：
➢完全退火 ➢等温退火 ➢球化退火 ➢去应力退火 ➢均匀化退火
机械制造基础 第四章金属材料的改性
主讲：仝勖峰 西安电子科技大学
本章内容
热处理的基本概念和基本原理； 钢热处理的分类和应用范围； 钢表面热处理的原理及应用。
金属材料的改性处理
改善金属材料的性能，主要可以通过如下几种途径： 合金化 即加入合金元素，调整材料的化学成分。可显著
提高钢的强度、硬度和韧性，并使其具有耐蚀、耐热等特 殊性能 热处理 即金属材料通过不同的加热、保温和冷却的方式， 使其内部的组织结构发生变化，以达到改善加工工艺性能 和强化力学性能的目的 细晶强化 即通过增加过冷度和变质处理细化晶粒，使金 属材料的强度、硬度和塑、韧性都得到提高。 冷变形强化 即对金属材料进行冷塑性变形，改变其组织、 结构，使强度、硬度提高，而塑性、韧性下降 本节主要介绍钢的热处理、钢的表面强化处理等有关内容