第九章材料的强化与表面处理
材料的表面强化技术ppt课件
为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
二、表面淬火 surface quenching
1、感应加热表面淬火
1）基本原理，见图4-36 铜制感应器—电流，工件表层 同步感应电流—涡流，具有集 肤效应，表层迅速加热到淬火 温度，喷水淬硬。
2、渗碳(carburizing)
钢在渗碳介质中，加热、保温，碳原 子渗入工件表层，淬火后，提高表层 硬度、耐磨性。 1）渗碳方法 包括固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳、 液体渗碳等。
为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
2）渗碳用钢、渗碳层的组织及热处理 ①渗碳用钢 低碳、低合金钢（WC=0.1％~0.25％） 渗碳后表层WC=0.8~1.1%
②组织： 工件渗碳后的组织由表面到心部依次为过 共析（P+Fe3CⅡ）、共析（P）、亚共析 （P+F）和原始组织（F+P）。
为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
包括机械的、物理的、化学的等一 系列表面强化处理方法。
为深入学习习近平新时代中国特色社 会主义 思想和 党的十 九大精 神,贯彻 全国教 育大会 精神,充 分发挥 中小学 图书室 育人功 能
表面强化技术的分类 Types of surface reinforcing technology
表面冶金强化（堆焊、热喷涂等）； 表面形变强化（喷丸、滚压、挤压等）； 表面热处理强化（表面淬火、化学热处理等）； 表面薄膜强化（电镀、气相沉积等）； 表面非金属化处理（喷塑、粘涂等）； 高能束表面强化（电子、离子束等）。
金属材料表面强化处理技术的研究与应用
金属材料表面强化处理技术的研究与应用随着科技的不断发展，金属材料的强化处理已经变得越来越重要。
表面强化处理技术在这一领域中发挥了不可或缺的作用。
本文将深入探讨金属材料表面强化处理技术的研究与应用。
一、表面强化处理的定义表面强化处理是指对金属材料表面进行物理、化学、机械等处理，以增强其机械性能、抗腐蚀性能和耐磨性能的过程。
表面强化处理的方法主要有热处理、化学处理、机械加工和物理处理等。
其中，热处理包括淬火、回火、退火等；化学处理包括电镀、热浸镀、阳极氧化等；机械加工包括磨削、喷丸等；物理处理包括激光熔覆、电子束熔覆等。
二、表面强化处理技术的研究进展随着科技的快速发展，表面强化处理技术也在逐步升级。
研究人员针对不同金属材料的特性，不断探索新的表面强化处理方法。
下面将介绍一些新兴的表面强化处理技术。
1. 微弧氧化技术微弧氧化技术能够形成铝、钛、锆、铜等金属材料表面的氧化层，从而增强其抗腐蚀性、耐磨性和摩擦性能。
同时，氧化层上的孔洞结构也能够起到降噪的作用。
该技术广泛应用于铝合金、钛合金、锆合金、铜合金等领域。
2. 离子注入技术离子注入技术是将高能离子注入到金属材料表面，从而改变其结构和性能的技术。
该技术可以通过控制离子注入的能量和剂量，实现金属材料表面的硬化、增强和耐磨等特性的改善。
该技术广泛应用于钢铁、铜合金、镍合金等领域。
3. 微弧等离子喷涂技术微弧等离子喷涂技术是将金属粉末和氧化物粉末等材料喷涂在金属材料表面，从而增强其耐磨性和抗腐蚀性的技术。
该技术具有成本低、生产效率高等优点，且能够定制化生产，应用范围广泛。
三、表面强化处理技术的应用表面强化处理技术的应用已经涉及到多个领域。
下面将介绍一些典型的应用案例。
1. 轴承轴承是现代工业中不可缺少的零部件。
为了提高其使用寿命和性能，轴承表面经常采用表面强化处理技术，如电化学抛光、化学镀铬、离子注入等方法，从而增强其表面硬度、耐磨性和抗腐蚀性能。
2. 汽车发动机汽车发动机在长期使用过程中，其表面会出现磨损、生锈等问题。
材料的表面强化
2.感应加热表面淬火
（1）定义 感应加热表面淬火是采用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将工件表面迅速加热然后快速冷却的一种热处理工艺操作。 （2）基本原理： δ= 。 式中:δ——感应电流透 入深度，mm; f——电流频率，HZ 。 “电磁感应”: 把工件放入由空心铜管绕成的感应器线圈中，感应器中通入一定频率的交流电以产生交变磁场，于是工件内就会产生频率相同、方向相反的感生电流。 “集肤效应”:这种感生电流在工件中的分布是不均匀的，主要集中在表面层。愈靠近表面、电流密度愈大;频率愈高，电流集中的表面层愈薄，这种现象称为集肤效应。
5.渗碳经热处理及相应组织
图4.45 渗碳后常用的热处理工艺曲线
渗碳淬火组织
渗碳淬火后的表层组织 基体组织M回火+F 经渗碳的机车从动齿轮
01
表层：
02
回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体
03
心部：
04
铁素体+回火马氏体（或铁素体+珠光体）
渗碳+淬火+低温回火后组织
渗碳件的加工工艺路线：
下料 → 锻造 → 正火 → 机械加工 → 渗碳 → 淬火+低温回火 →精加工 → 成品。
4.4.1 表面强化概述 ( Introduction of surface reinforcing )
可见，表面强化是表面工程的核心内容，是决定强化表层的成分、组织、结构与性能的关键技术。 按表面强化的工艺特点可分为如下6类： ①表面冶金强化（它包括堆焊、热喷涂、激光重熔等）； ②表面形变（机械）强化（它包括喷丸、滚压、挤压等）； ③表面热处理强化（它包括表面淬火、化学热处理等）； ④表面薄膜强化（它包括电镀、电刷镀、气相沉积、化学镀等）； ⑤表面非金属化处理（它包括喷塑、粘涂、涂装等）； ⑥高能束（密度）表面强化（它包括电子束、离子束、激光束等）。 其中以表面淬火和化学热处理等应用最为普遍。 表面强化的性能要求 ---- “表硬内韧”。
金属材料表面强化处理技术的研究
金属材料表面强化处理技术的研究随着科学技术的不断进步，越来越多的材料正在被应用于各个领域。
其中，金属材料是最常见的一类材料，而金属材料表面强化处理技术则是近年来广泛研究的热点之一。
本文将介绍金属材料表面强化处理技术的研究现状和未来发展趋势。
1. 金属材料表面强化处理技术的概述金属材料表面强化处理技术是指通过各种方法对金属表面进行改性，以提高金属材料的性能。
常见的处理方法包括电化学处理、化学处理、机械加工、喷涂等。
这些处理方法通过改变金属表面的物理、化学性质，从而改变金属表面的表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性等性能，提高金属材料的使用寿命和性能。
因此，金属材料表面强化处理技术在航空、汽车、机械、核工业等领域中得到了广泛应用。
2. 电化学处理电化学处理是利用电化学法使金属表面发生化学反应，从而改变表面的性质。
常见的电化学处理方法包括电化学沉积、阳极氧化、阳极阳极氧化等。
电化学沉积是通过浸泡金属材料于电解液中，施加电势使金属离子在电极面上得到还原而得到金属沉积物，增强金属表面的耐磨性、耐腐蚀性等性能。
阳极氧化是指将金属材料放置于强酸或强碱中的阳极，并通入恒定电压，使得材料表面发生电化学反应，得到硬质氧化膜，从而制备出高硬度、耐磨性的金属材料表面。
3. 化学处理化学处理是指利用化学物质的反应作用改变金属材料表面性质的一种处理方法。
常用的化学处理方式包括化学沉积、沉淀法、电化学氧化等。
化学沉积是将金属材料置于化学液中，用化学方法沉积出在金属表面形成一层新的物质，使其表面性能发生改变。
沉淀法是通过将金属表面浸渍在某些化学液体中，在介质中形成一层基体物质与沉淀物质的复合层，从而增强材料的硬度、韧性、抗腐蚀性等性能。
电化学氧化是一种在电解质溶液中利用电流将金属材料表面氧化而形成氧化膜的方法，可增强金属材料的耐腐蚀性和机械性能。
4. 机械加工机械加工是指通过磨削、轧制、喷砂等方式对金属材料表面进行加工，改变金属表面原有的形态和结构，从而提高材料表面的性能。
材料的强化与表面处理
钢的特种热处理
第二节 非金属材料强化与韧化的途径
学习目标： 掌握高分子材料和陶瓷材料的强化原理和强化途径； 了解高分子材料和陶瓷材料的韧化原理。
1
2
1
2
3
4
高分子材料的强化原理
01
02
低碳马氏体钢的强韧化
马氏体时效钢的强韧化
两类典型钢种的强处理
（四）钢的特种热处理 1. 真空热处理 真空是指压强远低于一个大气压（101325Pa）的气态空间。在真空中进行的热处理称为真空热处理，包括真空退火、真空淬火、真空回火及真空化学热处理等 。 真空热处理的作用 1）表面保护作用 2）表面净化作用 3）脱脂作用 4）脱气作用 真空热处理的应用 1）真空退火 2）真空淬火 3）真空渗碳
钢的普通热处理—淬火和回火
2. 钢的淬火和回火 淬火就是将钢件加热至Ac3（对亚共析钢）或Ac1（对共析和过共析钢）以上30～50℃，保温一定时间后快速冷却（一般为油冷或水冷）以获得马氏体（或下贝氏体）组织 回火是将淬火钢重新加热至A1点以下的某一温度，保温一定时间后冷却至室温的一种工艺操作。 根据回火温度及组织的不同，钢的回火可分为： 1）低温回火 150～250℃ 2）中温回火350～500℃ 3）高温回火 500～650℃
第一节 金属材料强化与韧化的途径
学习目标： 了解金属材料强化和韧化的原理； 掌握金属材料强化和韧化的主要方法。
金属材料的强化原理
一、金属材料的强化原理 提高金属强度的途径有两条： 一是完全消除内部的位错和其他缺陷，使其强度接近于理论强度，目前实验室条件可以实现，但实际大量应用还存在技术困难。 二是在金属中引入大量缺陷，以阻碍位错的运动，例如加工硬化、合金强化、细晶强化、马氏体强化、沉淀强化等。
金属材料的强化与表面处理
16
化工学院高分子
淬 火
1、定义：淬火是将钢加热到AC1或 AC3以上温度并保温，出 炉快速冷却，使获得马氏体的热处理工艺。 2、淬火的必要性
经过退火或正火的工件只能获得一般的强度和硬度，
对于许多需要高强度、高耐磨条件下工作的零件则必须 淬火与回火处理。
马氏体形成过程示意图
17
化工学院高分子
回 火
1、定义：回火是把淬火后的钢件，重新加热到A1以下某一
温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。
2、目的：淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定 组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑 性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。
因素。常用的介质是煤气和氨气的混合物。
28
化工学院高分子
铝合金的时效强化
29
化工学院高分子
性关系，可用下式表示：
σs＝ σ0+Kd－1/2 …… Hall－Petch公式
细晶强化理论的提出： （1）针对不同常规材料，探索抑制其晶粒长大的办法。
（2）在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。
可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性 和韧性，获得最佳的强韧性配合。
5
化工学院高分子
固溶强化：
15
合金钢铸锭 及大型铸钢 件或铸件
冷变形加工 的制品 铸、锻、焊、 冷压件及机 加工件
变形晶粒变成 细小的等轴晶 无变化
化工学院高分子
正 火
正火将钢加热到AC3以上温度并保温，出炉空冷至室温
材料的强化
材料的强化材料的强化是指通过不同的方法和技术，提高材料的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能、耐磨损性能等特性，以满足不同工程领域对材料性能的要求。
一种常见的材料强化方法是热处理。
热处理能够使材料的晶粒细化、晶界清晰，从而提高材料的强度和韧性。
通过加热材料至一定温度，保温一段时间后再进行冷却，可以使材料内部发生相变，使晶粒尺寸减小，从而提高材料的强度。
此外，热处理还可以改变材料的组织结构，增加材料晶界的清晰度，从而提高材料的韧性和抗疲劳性能。
另一种常见的材料强化方法是加工变形。
通过塑性变形可以使材料的晶粒产生形变和畸变，从而增加材料的位错密度，使晶界产生位错和畸变，从而提高材料的强度。
加工变形包括冷加工和热加工两种方式。
冷加工是指在室温下进行塑性变形，可以产生较高的强度和硬度；热加工是指在高温下进行塑性变形，可以使材料的晶粒再结晶，从而提高材料的韧性和可塑性。
此外，还有其他的材料强化方法，如表面强化、合金强化、纳米材料强化等。
表面强化是指通过表面处理技术，使材料表面形成一层高硬度、高耐磨的薄膜，从而提高材料的耐磨损性能和抗腐蚀能力。
合金强化是指将不同成分的材料进行混合，通过固溶、沉淀等相变方式，改变材料的力学性能和物理性能。
纳米材料强化是指通过制备纳米级的材料，使材料的晶粒尺寸缩小到纳米级别，从而提高材料的硬度和强度。
综上所述，通过热处理、加工变形、表面强化、合金强化、纳米材料等各种方法和技术，可以对材料进行强化处理，提高材料的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能和耐磨损性能，满足不同工程应用领域对材料性能的要求。
材料的强化在工程实践中具有重要意义，可以提高材料的使用寿命、降低成本、提高安全性，推动材料科学的发展进步。
金属材料表面强化处理的研究与应用
金属材料表面强化处理的研究与应用金属材料在工业生产中具有广泛的应用，但是其表面硬度、耐磨性、抗氧化性等性能常常不够满足特定的工程要求。
因此，针对金属材料表面的强化处理成为了研究热点。
本文将从表面强化处理方法、表面强化处理效果以及应用领域三方面探讨金属材料表面强化处理的研究与应用。
一、表面强化处理方法表面强化处理方法包括机械加工、物理方法和化学方法三类。
1. 机械加工机械加工是一种常用的表面强化方法，包括打磨、抛光、切削、车削等操作。
这些机械热加工可以使金属表面粗糙度减小，界面结晶数增加，晶粒细化，从而提高材料的强度、硬度和抗疲劳性能。
但是机械加工过程具有较高的成本，而且由于金属材料表面形变的产生，界面性质发生变化，从而可能影响金属材料的机械性能。
2. 物理方法物理方法包括电弧冶金、电子束加工、激光加工、等离子弧喷涂等方法，这些方法可以通过加热和冷却的方式改变金属材料表面组织结构和化学成分，进而提高材料的强度、硬度、耐磨性和抗氧化性能。
但是物理方法对设备条件和环境条件有较高的要求，也存在一定的安全隐患。
3. 化学方法化学方法包括化学沉积、化学蚀刻、离子注入等方法，这些方法对金属材料表面的化学成分进行调控，包括合金元素的添加、表面沉积膜的形成等，从而提高了金属材料的强度、硬度和耐磨性能。
但是化学方法的操作需要一定的专业技能，而且对环境有一定的污染。
二、表面强化处理效果金属材料表面的强化处理可以显著提高材料的强度、硬度、耐磨性和抗氧化性能。
例如，自行车刹车铝合金经过表面处理后，其耐磨性能提高了6倍以上。
再比如，汽车发动机气缸极经过表面强化处理后，其磨损量可减少85%以上，寿命可提高5倍以上。
三、应用领域金属材料表面强化处理的应用领域非常广泛，例如航空航天、电子信息、汽车制造、工程机械等行业。
在航空航天行业中，飞机的各种结构件、发动机叶片等都需要表面强化处理，以保证飞机的安全和性能。
在汽车制造业中，汽车发动机零部件、刹车系统、转向系统等也需要表面强化处理，以保证汽车的行驶安全性和寿命。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
τ ＝ τ0+αGbρ1/2
式中：ρ为位错密度；G为切变模量；b为柏 氏矢量；α为系数，多晶体铁素体α＝0.4；参 量τ0表示位错交互作用以外的因素对位错运动 所造成的阻力。
形，例如宏观塑性变形不小于5％； 脆性断裂则包括解理断裂、沿晶断裂。韧性
断裂是微孔形成、聚集长大的过程，在这种断 裂机制中，塑性变形起着主要作用。
金属材料的韧化原理
改善金属材料韧性断裂的途径是： ①减少诱发微孔的组成相，如减少沉淀相数量： ②提高基体塑性，从而可增大在基体上裂纹扩展
的能量消耗； ③增加组织的塑性形变均匀性，这主要为了减少
8/20/2019
概述
好材料之所以好，是因为它具有好的性能 。 人们在利用材料的力学性能时，总是希望所用 材料既有足够的强度，又有较好的韧性。但通 常的材料往往两者只能居其一，要么是强度高 韧性差；要么是韧性好，但强度却达不到要求。 寻找办法来弥补材料各自的缺点，这就是材料 的强化和增韧所要解决的问题。
钢的热处理主要有普通热处理（退火、正 火、淬火、回火）和表面热处理（表面淬火 和表面化学热处理）。
钢的普通热处理—退火和正火
1. 钢的退火和正火
退火是将工件加热到临界点（A1、A3、 Acm）以上或者在临界点以下某一温度保温一 定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑 冷、灰冷）进行冷却的一种操作工艺。最常用 的退火工艺有完全退火、球化退火和去应力退 火。
回火是将淬火钢重新加热至A1点以下的某一温度， 保温一定时间后冷却至室温的一种工艺操作。 根据回火温度及组织的不同，钢的回火可分为：
1）低温回火 150～250℃ 2）中温回火350～500℃ 3）高温回火 500～650℃
铝合金的时效强化
（二）铝合金的时效强化 淬火后，铝合金的强度和硬度随时间而
发生显著提高的现象称为时效强化或沉淀硬 化。室温下进行的时效称为自然时效，加热 条件下进行的时效称为人工时效。
铝合金的时效强化与两个因素有关：时间 和加热温度。
若人工时效的时间过长（或温度过高）， 反而使合金软化，这种现象称为过时效。
两类典型钢种的强韧化
金属材料的强化原理—位错强化
由上式可见，当增高时，τ也增大。在金属 晶体受到外力作用时，内部增殖大量位错。位 错的增殖是塑性变形造成的，所以流变应力的 增大率与塑性应变的增大率有关，即流变应力 的增大率取决于塑性形变引起的位错密度的增 大率。
金属材料的强化原理—沉淀强化
（四） 沉淀强化 沉淀强化，即材料强度在时效温度下随时
金属材料的强化原理—细晶强化
（一）细晶强化
细晶强化是指通过晶粒粒度的细化来提高 金属的强度 。金属材料在外力作用下会产生塞 积位错，塞积位错应力场强度与塞积位错数目 和外加切应力值有关，而塞积位错数目正比于 晶粒尺寸，因此当金属材料的晶粒变细时，必 须加大外加作用力以激活相邻晶粒内位错源， 从而达到了强化的作用。
应力集中； ④避免晶界的弱化，防止裂纹沿晶界的形核与扩
展； ⑤金属材料的各种强化方法都会对其韧性产生影
响
金属材料的韧化原理
（一）位错强化与塑性和韧性 一般地，位错密度提高，其金属材料的拉伸塑性和
韧性都降低。 （二）固溶强化与塑性
1.强度若保持不变而提高塑性，则可以提高材料的韧 性。 2.低碳位错型马氏体的强韧配合 （三）细化晶粒与塑性
间而变化的现象，是铝合金和高温合金的主要 强化手段，其基本条件是固溶度随温度下降而 降低。
实际的材料往往会综合有多种强化机制在 起作用，钢中马氏体相变强化就是这样一种强 化机制，它实际上是固溶强化、弥散强化、形 变强化、细晶强化的综合效应。
金属材料的韧化原理
二、金属材料的韧化原理 金属材料的断裂类型：韧性断裂和脆性断裂 韧性断裂系指在断裂之前发生一定的塑性变
正火是将工件加热至Ac3、Accm以上30 ～80℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。
正火和退火都是使钢件非正常的组织常态化， 细化组织，适当提高硬度和强度。
钢的普通热处理—淬火和回火
2. 钢的淬火和回火 淬火就是将钢件加热至Ac3（对亚共析钢）或Ac1
（对共析和过共析钢）以上30～50℃，保温一定时间 后快速冷却（一般为油冷或水冷）以获得马氏体（或 下贝氏体）组织
细化晶粒既能提高强度，又能明显优化塑性和韧性 （四）沉淀相颗粒与塑性
总的来说，析出相沉淀强化危害塑性。
金属材料强韧化常用方法
三、金属材料强韧化常用方法 （一）钢的普通热处理
热处理是改善金属材料性能的一种重要加 工工艺。它是在固态下通过加热、保温和冷 却的方法，改变合金的内部组织，从而获得 所需性能的一种工艺操作。
材料科学与工程导论
8/20/2019
材
第九章
料
导
材料的强化与表面处理 论
基
Hale Waihona Puke 础8/20/2019
材料的强化与表面处理
内容简介：
本章对工程材料强化及表面处理方面的有 关知识做了较为全面的介绍，使我们对工程 材料的性能特点及应用有了更好的了解。
本章重点：
9.2 非金属材料的强化与韧化的途径； 9.3 金属材料的表面强化与表面改性技术。
8/20/2019
第一节 金属材料强化与韧化的途径
学习目标：
1.了解金属材料强化和韧化的原理； 2.掌握金属材料强化和韧化的主要方法。
金属材料的强化原理
一、金属材料的强化原理 提高金属强度的途径有两条： 一是完全消除内部的位错和其他缺陷，使 其强度接近于理论强度，目前实验室条件可 以实现，但实际大量应用还存在技术困难。 二是在金属中引入大量缺陷，以阻碍位错 的运动，例如加工硬化、合金强化、细晶强 化、马氏体强化、沉淀强化等。
金属材料的强化原理—固溶强化
（二）固溶强化 纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高
的现象，称为固溶强化。
固溶强化的原因可归结于溶质原子和位错 的交互作用，这些作用起源于溶质引发的局部 点阵畸变。固溶体可分为无序固溶体和有序固 溶体，其强化机理各不相同。
金属材料的强化原理—位错强化
（三） 位错强化