表面淬火和变形强化
表面淬火定义
表面淬火定义表面淬火是一种金属热处理技术，通过控制金属材料的加热和冷却过程，使其表面形成一层具有较高硬度和耐磨性的淬火层。
这种技术广泛应用于各种机械零件和工具的制造中，能够提高其使用寿命和性能。
表面淬火的过程可以分为加热、保温和冷却三个阶段。
首先，将金属材料加热到适当的温度，以激活材料内部的晶体结构。
然后，通过保温使材料中的晶体结构重新排列，形成一种具有高硬度的相态结构。
最后，通过迅速冷却来固定这种相态结构，使其在表面形成一层淬火层。
表面淬火的关键是控制加热和冷却的速度。
加热温度和时间的选择需要根据金属材料的性质和要求进行调整。
过高的温度和时间可能导致材料内部的晶体结构发生变化，影响淬火效果；过低的温度和时间则无法激活和重组晶体结构。
冷却过程一般采用水、油或盐浴等介质，通过迅速吸热来实现快速冷却。
冷却介质的选择取决于材料的类型和形状。
表面淬火的优点是能够在保持材料的韧性和强度的同时，提高其硬度和耐磨性。
淬火层的硬度一般远高于材料的基体，能够有效抵抗磨损和变形。
因此，表面淬火广泛应用于汽车发动机零件、工具刀具、轴承等高负荷和高磨损的零件制造中。
然而，表面淬火也存在一些局限性和注意事项。
首先，淬火层的深度一般较浅，只有几个毫米左右，对于需要较深淬火层的零件不适用。
其次，淬火过程中会产生应力，可能导致材料的变形和开裂。
因此，在淬火后需要进行适当的回火处理，以减缓应力并提高材料的韧性。
最后，表面淬火的工艺要求较高，需要严格控制加热和冷却的参数，以保证淬火效果的稳定性和一致性。
表面淬火是一种能够提高金属材料硬度和耐磨性的热处理技术。
通过控制加热和冷却的过程，能够在材料表面形成一层具有高硬度的淬火层。
这种技术在机械制造和工具制造中得到广泛应用，能够提高零件的使用寿命和性能。
然而，表面淬火也存在一些局限性和注意事项，需要在实际应用中进行合理选择和控制。
第七章 表面形变强化技术
渗碳钢经喷丸后的残余压应力
• 常用的渗碳钢经喷丸后，表层的残留奥 氏体有相当大的一部分将转变成马氏体， 因相变时体积膨胀而产生压应力，从而 使得表层残余应力场向着更大的压应力 方向变化。
• 在相同喷丸压力下： • 大直径弹丸喷丸后的压应力较低，压应 力层较深； • 小直径弹丸喷丸后表面压应力较高，压 应力层较浅，且压应力值随深度下降很 快。 • 对于表面有凹坑、凸台。划痕等缺陷或 表面脱碳的工件，通常选用较大的弹丸， 以获得较深的压应力层，使表面缺陷造 成的应力集中减小到最低程度。
喷丸产生的残余压应力
• 经喷丸和滚压 后，金属表面产生 的残余压应力的大 小，不但与强化方 法、工艺参数有关， 还与材料的晶体类 型、强度水平以及 材料在单调拉伸时 的硬化率有关。
残余压应力
• 具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁 基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高， 可达材料自身屈服点的2－4倍。
喷丸强度
• 当弧高度f达到饱和值，试片表面达到全覆 盖率时，以此弧高度f定义为喷九强度。 • 喷丸强度的表示方法是0.25C或fc=0.25， 字母或脚码代表试片种类，数字表示弧高 度值（单位为mm）。
（2）表面覆盖率试验
• 喷丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总面 积的比值称为表面覆盖率。 • 一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖率 达到表面积的100％即全面覆盖时，才能有 效地改善疲劳性能和抗应力腐蚀性能。
（4）玻璃弹丸
• 近十几年发展起来的新型喷丸材料， 已在国防工业和飞机制造业中获得广泛应 用。 • 脆性较大 。
（5）陶瓷弹丸
• 弹丸硬度很高，但脆性较大。喷丸后表层 可获得较高的残余应力。
（6）聚合塑料弹丸
• 是一种新型的喷丸介质，以聚合碳酸酯为 原料，颗粒硬而耐磨，无粉尘，不污染环 境，可连续使用，成本低，而且即使有棱 边的新丸也不会损伤工件表面。
材料表面改性技术
离子渗氮法是由德国人B. Berghaus于1932年发明的。 原理：在0.1~10Torr的含氮气氛中，以炉体为阳极，被处理工件为阴极， 在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于辉光放电现象便会产生象霓虹 灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离化了的气体成分被 电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。同时依靠溅射及离子化作 用等进行氮化处理。
3、喷丸表面质量及影响因素
（1）喷丸表层的塑性变形和组织变化
金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性变形，表层 位错密度大大增加，而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。喷 丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将 产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变。
如：渗碳钢表层存在大量残余奥氏体。喷丸后，这些残余奥 氏体转变成马氏体而提高零件的疲劳强度。
感应加热表面淬火
（一）感应加热基本原理
利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并 使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的 淬火方法。
• 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。
化学热处理渗层的基本组织类型：单相固溶体；化合物；同时存在 固溶体、化合物的多相深层
形成扩渗层的3个基本条件：
（1）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。 要满足这一要求，溶质原子与基体金属原子相对直径的大小、 晶体结构的差异、电负性的强弱等因素必须符合一定的条件
（2）欲使渗入元素与金属之间直接接触，必须创造相应的工艺条 件来实现
表面强化工艺
表面强化工艺
是一种通过某种工艺手段使零件表面获得与基体材料不同的组织结构和性能的技术。
这种技术可以提高零件的硬度、强度、耐磨性、疲劳强度以及抗冲击性能等，从而延长零件的使用寿命，节约稀有、昂贵材料，并促进高新技术的发展。
常见的表面强化方法有以下几种：
1. 喷丸强化：通过高速喷射具有一定硬度的丸粒（如钢丸、玻璃丸等）对零件表面进行冲击，使其产生冷态塑性变形，从而提高硬度和抗磨性。
2. 滚压加工：利用滚压工具在零件表面形成一定的压缩层，提高其硬度和抗磨性。
滚压加工包括滚压、滚磨、滚光等方法。
3. 液体磨料强化：采用一种特殊的液体介质（如珩磨油、乳化液等），其中含有具有一定硬度的磨料颗粒。
通过液体介质对零件表面进行磨擦，使表面产生冷态塑性变形，从而提高硬度和抗磨性。
4. 表面热处理：通过改变零件表面层的组织结构，使其获得一定的硬度和强度。
常见的表面热处理方法有淬火、回火、渗碳、渗氮等。
5. 化学表面处理：通过化学方法改变零件表面的组织结构和性能，如化学镀、化学转化膜等。
表面强化工艺是一种通过各种方法提高零件表面性能的技术，可以延长零件的使用寿命，节约材料，并提高零件的性能。
在汽车制造、航空航天、机械制造等领域有广泛的应用。
工程材料——名词解释
1.工艺性能：材料对各种工艺性的适应能力。
2.晶格：用于描述原子在晶体中排列规律的三维空间几何点阵成为晶格。
3.组织：在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和分布（基本组织）。
4.相：合金中，化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其他部分分隔开来的一个均匀区域。
5.固溶强化：融入液质元素形成固溶而使金属的强度、硬度升高的现象成为固溶强化。
6.固溶件：合金结晶成固态时，含量少的组元（溶质）原子分布在含量多的组元（溶剂）晶格中形成一种与溶剂油相同晶格的相，称为固溶件。
7.细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。
8.同素异构转变：金属在结晶成固态以后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发生变化的现象。
9.共晶转变：合金系中某一定化学成份的合金在一定的温度下（恒温），同时由液相中结晶出两种不同成份和不同晶体结构的固相。
10.共析转变：在某一恒定温度时，一定成分的固相又重新结晶成两个不同的固相的机械混合物。
11.过冷度：理论结晶温度与实际结晶之差称为过冷度。
12.加工硬化：随着金属材料变形量的增加，材料的强度和硬度增加而塑性下降的现象。
13.再结晶：P50.14.铁素体：铁素体是碳原子固溶到α—Fe中形成的间隙固溶体，代号为F或α。
15.奥氏体：碳原子固溶到γFe中形成的间隙固溶体，代号为A或γ。
16.珠光体：铁素体与渗碳体的两相机械混合物的共析体，代号为P，有固定化学成分Wc=0.77%17.相图：是表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。
18.退火：将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
19.正火：将钢材或钢件加热到Ac3（或Accm）以上30C~50C，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。
20.淬火：是将钢件加热到Ac3或Ac1相变点以上某一温度，保持一定时间，然后以大于Vk的速度冷却获得马氏体和（或）下贝氏体组织的热处理工艺。
金工试题库(1)
金工试题库一.填空题：1．工程材料的力学性能指标包括（强度）、（硬度）、（塑性）、（韧性）和疲劳强度。
s2．淬火钢和工具钢常用（洛氏硬度）、退火钢常用（布氏硬度）来测试其硬度。
3．金属材料承受无限次重复交变载荷而不断裂的最大应力称为（疲劳强度）。
4．承受冲击载荷的零件要求（冲击韧性）一定要高。
5．金属材料在拉断前所能承受的最大应力叫（抗拉强度），而产生塑性变形而不被破坏的能力叫（塑性）。
6、金属的结晶包括（晶核的形成）和（晶核的长大）两个过程。
7．常见金属的晶格有（体心立方晶格）、（面心立方晶格）和（密排六方晶格）。
8．普通热处理工艺包括（退火）、（正火）、（淬火）、（回火），淬火后高温回火的热处理合称为（调质处理）。
9．钢在加热时，影响奥氏体转变的因素有（加热温度）、（加热速度）、（含碳量）、（原始组织）和（合金元素）。
10．影响奥氏体晶粒长大的因素有（加热温度）、（保温时间）和（化学成分）。
11. 亚共析钢一般进行(完全)退火,过共析钢一般进行(球化)退火,铸钢件一般进行(扩散)退火,为消除毛坯件的残余应力,一般需进行(去应力)退火。
12．钢的回火分为（低温回火）、（中温回火）、（高温回火）。
13．钢的表面淬火分为（火焰加热）表面淬火和（感应加热）表面淬火。
14．钢的淬火分为（单液淬火）、（双液淬火）、（分级淬火）、（等温淬火）。
15. 丝锥要求又硬又韧,应进行(等温淬火)热处理,45钢轴要求综合机械性能好,应进行(调质)热处理,60钢弹簧要求弹性好,应进行(淬火＋中温回火)热处理,T12钢锉刀要求高硬度,应进行(淬火＋低温回火)热处理。
16．铜合金按加入元素分为（黄铜）、（青铜）和（白铜）三类。
17．变形铝合金按性能特点及用途分为（防锈铝）、（硬铝）、（超硬铝）和（锻铝）四种。
18．铸造铝合金分为（铝硅系合金）、（铝铜系合金）、（铝镁系合金）和（铝锌系合金）。
19．塑料按热性能分为（热塑性塑料）和（热固性塑料）两种。
影响淬火热处理变形的原因
影响淬火热处理变形的原因淬火是将钢件加热到临界温度以上,保温适当的时间,然后以大于临界冷却速度冷却,获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺,它是强化钢材的最重要的热处理方法。
大量重要的机器零件及各类刀具、刃具、量具等都离不开淬火处理。
需要淬火的工件,经过加热后,便放到一定的淬火介质中快速冷却。
但冷却过快，工件的体积收缩及组织转变都很剧烈，从而不可避免地引起很大的内应力，容易造成工件变形及开裂。
由于淬火变形影响因素非常复杂，导致变形控制十分棘手。
而采用校直办法纠正变形或通过加大磨削加工余量，都会增加成本，因此研究钢件淬火热处理变形的影响因素，提出防止变形的措施是提高产品质量、延长零部件使用寿命、提高经济效益的重要课题。
零件热处理变形原因分析1 热应力引起的变形钢件在加热和冷却过程中,将发生热胀冷缩的体积变化以及因组织转变时新旧相比容差而产生的体积改变。
零件加热到淬火温度时,屈服强度明显降低,塑性则大大提高。
当应力超过屈服强度时,就会产生塑性变形,如果造成应力集中，并超过了材料的强度极限,就会使零件淬裂。
导热性很差的高碳合金钢,如合金模具钢Cr12MoV、高速钢W18Cr4V之类的工具钢，淬火加热温度很高，如不采用多次预热和缓慢加热,不但会造成零件变形,而且会导致零件开裂而报废。
此外,铸钢件和锻件毛坯,如果表层存在着一层脱碳层,由于表层和心部导热性能不同,在淬火加热较快时,也会产生热应力而引起变形。
冷却时由于温差大,热应力是造成零件变形的主要原因。
2 组织应力引起的变形体积的变化往往与加热和冷却有关,因为它和钢的膨胀系数相关。
比容的变化导致零件尺寸和形状的变化。
组织应力的产生起源于体积的收缩和膨胀，没有体积的膨胀,就没有组织转变的不等时性,也就没有组织应力引起的变形，导致热处理变形的内应力是热应力和组织应力共同作用形成的复合应力，热应力和组织应力综合作用的结果是不定的,可能因冷却条件及淬火温度的不同而产生不同情况，淬火应力是由急冷急热应力及由组织转变不同时所引起的应力综合构成的。
钢的四种强化机制
钢的四种强化机制引言钢是一种非常重要的材料，在许多领域都得到广泛应用。
为了提高钢的性能和使用寿命，人们经过长期的研究和探索，发现了一些可以强化钢的方法。
这些方法包括合金化、冷变形、热处理和表面处理等。
本文将会全面、详细、完整地探讨钢的四种强化机制，以帮助读者更好地理解这些方法的原理和应用。
合金化合金化是一种常用的钢强化方法，通过向钢中添加合金元素来改变其组织和性能。
其中比较常见的合金元素包括铬、镍、钼、锰等。
这些合金元素可以通过固溶强化、析出强化、碳化物强化等方式来增强钢的硬度、强度、韧性等性能。
固溶强化固溶强化是通过使合金元素溶解在钢基体中来提高钢的性能。
当合金元素加入到钢中时，它们会在钢的晶格中溶解，形成固溶体。
这些合金元素可以扩散到钢的晶界和位错中，从而阻碍位错的移动和晶界的运动，提高钢的强度和硬度。
析出强化析出强化是指合金元素从固溶体中析出形成细小的沉淀物，通过阻碍位错和晶界的移动来提高钢的性能。
当钢经过热处理后，合金元素会从固溶体中分离出来，在晶粒内部形成细小的沉淀物。
这些沉淀物可以阻碍位错的运动，增加晶界的能量，从而提高钢的强度、硬度和韧性。
碳化物强化碳化物强化是指合金元素形成碳化物的过程，通过增加碳化物的数量和尺寸来增强钢的硬度和强度。
当钢中的合金元素与碳结合时，它们会形成稳定的碳化物。
这些碳化物可以阻碍位错的移动，增加晶界的能量，从而提高钢的硬度和强度。
冷变形是通过机械力的作用来强化钢材。
当钢材在常温下受到外力的作用时，其晶粒会发生塑性变形，并产生位错和晶界等缺陷。
这些缺陷可以阻碍位错和晶界的移动，从而增强钢的硬度、强度和韧性。
冷轧冷轧是一种常用的冷变形方法，适用于制备薄板、带材等钢材。
在冷轧过程中，钢材首先经过加热，然后通过辊压机进行轧制。
这种轧制过程会使钢材的晶粒发生塑性变形，并产生大量的位错和晶界。
这些位错和晶界可以阻碍晶粒的滑移和晶界的运动，从而提高钢的强度和硬度。
冷拉拔冷拉拔是一种常用的冷变形方法，适用于制备线材、型材等钢材。
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第四章 表面淬火
4.2 感应加热表面淬火技术
1. 感应加热淬火原理
将工件紧靠在有足够功率输出的感应圈附 近,感应圈通电，在高频(中频)交流磁场 的作用下（如果工件与线圈的间隙非常小） 由于集肤效应,在工件表面产生很大的涡 流，大小与线圈电流相等，方向相反。
涡流产生热量，将工件表面加热迅速加热 到淬火温度，并用冷却介质快速冷却，达 到对工件表面淬火的目的。
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第四章 表面淬火
感应加热淬火技术特点 效率高 变形小 深度可控 需要制作特定的线圈 电源功率大 “尖角”效应
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第四章 表面淬火
感应加热淬火技术应用
高频淬火：轴类零件，磨损量小，但精 度要求高的零件
中频淬火：齿轮、活塞环槽，有明显磨 损量，精度要求较高的零件
工频或双频：轧辊，磨损量大
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第四章 表面淬火
➢ 工艺流程 预先调质处理—确定加热温度与加热方 式—选择比功率—设计感应加热器—确 定冷却方式——制定回火参数
➢ 加热方式：同时加热、连续加热 （图4-5）
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第四章 表面淬火
分类
高频200~300KHz，淬火深度0.5~2mm 中频2500~8000Hz，淬火深度2~5mm 工频50Hz，淬火深度10~15mm 双频加热，提高淬火深度（30~50mm）。
（5）激光熔覆：用镀敷或喷涂技术，将陶瓷 涂敷在金属表面，用激光照射，使陶瓷和 金属基体表层熔化，并形成冶金结合。
表面淬火在粗加工或半精加工后进行， 最后只留磨量。
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第四章 表面淬火
轴 柱塞杆
齿轮
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活塞
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第四章 表面淬火
4.3 火焰加热表面淬火技术
火焰淬火（flame quenching）原理： 用火焰快速将工件表面加热到淬火温度， 并快速冷却，使工件表面得到淬火组织。 控制参数：火焰大小、火焰与工件的相 对距离和相对移动速度 淬火深度：钢淬透性、加热深度和冷却 条件等
第四章 表面淬火和变形强化
1. 表面淬火技术的原理和特点 2. 感应加热表面淬火 3. 火焰加热表面淬火 4. 激光加热表面淬火
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第四章 表面淬火
1. 表面淬火技术的原理
将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或 Ac1 （过共析钢）以上，然后使之迅速冷 却并转变为马氏体。
将 钢 整 体 加 热 到 Ac3 （ 亚 共 析 钢 ） 或 Ac1 （过共析钢）以上，然后使其表面迅速冷 却并转变为马氏体。
b. 合金元素不均匀
预先热处理（调质、正火、球化退火）——表面 淬火
➢ V加热↑，奥氏体晶粒细化显著 a.过热度大,相变趋动力增大,晶粒形成位置增多,A在
F 和K相界上形成，A在F 亚晶界上形成。
b.加热时间短,如果加热速度10 7 度/S,形成时间105S,在如此短时间内奥氏体晶粒来不及长大。
➢ V冷却↑，表面硬度高 精选PPT
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第四章 表面淬火
5. 表面淬火层组织 全马氏体区
图
(全淬硬层)
马氏体+铁素体区
(过渡层)
硬化层深度由硬
度法和金相法评 定(半马氏体区硬 度:国家标准)
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第四章 表面淬火
6. 表面淬火技术的特点 生产效率高，能耗小。 加热快，冷却快：组织细，硬度高；组织 均匀性差（渗碳体来不及溶解和扩散）。 表面组织细，硬度高，中部硬度低，韧性 好。
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第四章 表面淬火
4.3 火焰加热表面淬火技术
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第四章 表面淬火
4.3 火焰加热表面淬火技术
优点：
缺点：
设备简单
• 生产效率低
操作灵活
• 难以控制，需要丰
操作简单
富的经验。
适用于各种形状的 • 淬火层的均匀性差
小批量零件或大型 • 变形大
零件的局部淬火
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4.3 火焰加热表面淬火技术
功率P迅速下降
表面不容易过热。
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第四章 表面淬火
加热线圈
冷水圈
中频淬火
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第四章 表面淬火
电流导入深度：
δ=5.03×104（ρ/μf）1/2（mm） 式中：ρ为工件材料电阻（Ω.m），μ 为导磁率（H/m），f为电流频率（Hz）。
电流导入深度与电流频率成反比，也就 是淬火深度与电流频率成反比。
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第四章 表面淬火
1. 感应加热原理
对于圆柱型工件，表面吸收的功率P为：
P=1.25×10-3R0I2(ρμf)1/2 式中：R0为工件半径（mm），I为感应器 通入电流（A）， ρ为工件材料电阻 （Ω.m），μ为导磁率（H/m），f为电流 频率（Hz）。
功率P的大小决定了加热速度。
加热到奥氏体时， μ迅速下降，即吸收
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第四章 表面淬火
2. 表面淬火技术的加热方式 感应加热：中频感应加热、高频感应加热 火焰加热 激光加热 离子束加热 电子束加热
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第四章 表面淬火
3. 表面淬火对材料的要求
凡是能进行整体淬火强化的材料都可以进 行表面淬火。
低碳钢或低合金钢需进行表面渗碳或合金 化（齿轮渗碳）。
（2）激光重熔：加热材料表面使之熔化，表 层快速冷却，形成白口组织或高硬度相。
（3）激光非晶态处理：用激光束熔化材料表 面，然后快速冷却，形成非晶态组织。
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第四章 表面淬火
（4）激光合金化：用镀敷或喷涂技术，将需 要的合金元素涂敷在金属表面，用激光照 射，使表层熔化，合金元素和基体混合， 形成所需要的成分和组织。
表面硬度要求越高，要求钢碳含量和合金 含量越高；表面硬化层越深，要求钢淬透 性越好。
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第四章 表面淬火
4.与常规淬火技术的区别
➢ 在一定加热速度范围内，V加热↑，T临界↑ ➢ V加热↑，奥氏体成分的不均匀性↑
a. C 成分不均匀,从相图上看与F,K 相邻的浓度相 差很大,C 来不及扩散。
适用于各种形状的小批量零件或大型零 件的局部淬火 导槽、模具、凸轮轴（凸台）
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第四章 表面淬火
4.4 激光加热淬火技术
激光加热原理: 用激光束加热材料表面，使之迅速生高到 相变温度以上。
PRC-2000型CO2工业激光器
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第四章 表面淬火
激光加热的特点：能量密度高，加热速度 快、温度高，且容易控制。激光加热可有 多种用途: （1）激光淬火：加热材料表面到相变点以上 温度，自行快速冷却转变为马氏体。