材料第四章精品课件

1、材料第四章第1页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1.1 热处理基础1.2 普通热处理1.3 表面热处理1.4 热处理工艺的应用第1节 钢的热处理第2页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四钢的热处理将钢在固态下进行适当的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的工艺。改善钢的性能的途径：合金化、热处理，压力加工。热处理的应用：机械制造业机床、汽车零件60-80%经过热处理。模具、滚动轴承100%需热处理。热处理特点只改变工件的组织和性能，不改变其形状。压力加工等工艺则改变形状。第3页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四热处理的分类热处理

2、普 通热处理表 面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火 化 学 热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳; 渗氮;碳氮共渗;第4页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1.1 钢的热处理基础本节介绍：热处理时钢中组织转变的规律。（一)、钢在加热时的转变热处理工艺过程第5页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四临界转变温度平衡时（平衡相变点）：A1、 A3、Acm第6页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四实际临界转变温度实际加热或冷却时存在过热或过冷现象，临界温度分为：加热时：Ac1、 Ac3、Accm 冷却时：Ar1、Ar3、Arcm第7页，

3、共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1共析钢的奥氏体化加热到Ac1以上时， P（F+ Fe3C)A 由Fe、C原子扩散，晶格改变而进行。A化过程 形核、长大、Fe3C溶解、A的均匀化。第8页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四亚、过共析钢的奥氏体化PA后，先共析F、Fe3C溶解：亚共析钢：Ac1以上，F+PF+AAc1Ac3，F+AA过共析钢：Ac1以上，Fe3C+PFe3C+AAc1Accm，Fe3C+AA第9页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四A 晶粒度细而均匀的奥氏体晶粒，冷却后组织也细，则力学性能好。影响因素加热温度、保温时间

4、 晶粒粗加热速度 过热度大，形核率高，晶粒细。Ti、V、W、Cr等元素阻碍A晶粒长大 晶粒细。第10页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四(二)、钢在冷却时的转变过冷A :T S T第13页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 珠 光 体 形 貌 像光镜下形貌电镜下形貌第14页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四光镜形貌电镜形貌 索 氏 体 形 貌 像第15页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 屈 氏 体 形 貌 像电镜形貌光镜形貌第16页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四高温转变过程 晶格

5、改变，Fe、C原子扩散。第17页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四中温转变 C原子扩散， Fe原子不扩散过冷A 贝氏体 B（碳化物 + 含过饱和C的F ）上B， 550 350产物 羽毛状，小片状Fe3C分布在F间。上B 强度和韧性差光学显微照片 1300电子显微照片 500045钢，上B+下B，400 第18页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四下B， 350 MS 产物下B 韧性高，综合机械性能好。 F 针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒电子显微照片 12000T8钢，下B，黑色针状光学显微照片 400 第19页，共70页，2022年，5月20日，

6、22点31分，星期四马氏体（M）转变条件：冷速足够快；温度足够低。M的晶体结构：体心正方的C过饱和的FM 的形态wC 1.0% 时，为片状M 。wC = 0.21.0 % 时，为混合M 。第20页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四M 的性能固溶强化显著：wC M 硬度片状M 硬度高，塑韧性差。板条M 强度高，塑韧性较好。第21页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1.2 钢的普通热处理热处理工艺：加热、冷却速度，及温度、时间等参数。毛坯生产 预备热处理 机械加工 最终热处理 机械精加工预备热处理 : 退火 ; 正火；调质 最终热处理 : 淬火 ; 回火

7、；化学热处理一般零件生产的工艺路线:第22页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四一、钢的退火1.完全退火（亚共析钢） 又称重结晶退火，是把钢加热至以上2030，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却）。以获得接近平衡组织的热处理工艺。目的：细化晶粒，均匀化组织降低硬度 切削性 将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓冷却（一般为随炉冷却），以获得所需组织的热处理工艺叫做退火。 据处理的目的和要求不同，刚的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火和去应力退火等。第23页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四2.等温退火A化后快冷

8、至Ar1以下等温转变为 P，再空冷。等温退火与普通退火的比较目的：与完全退火相同但转变较易控制，能获得均匀的预期组织；对于奥氏体较稳定的合金钢，长可大大缩短退火时间。应用：奥氏体较稳定的合金钢，尤其高合金钢。第24页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四3.球化退火（过共析钢）使钢中碳化物球状化的热处理工艺在Ac1+ 2030等温， 使Fe3C球化，再缓冷 球状P（F +球状Fe3C ）目的: 是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化(退火前正火将网状渗碳体破碎),以降低硬度,改善切削加工性能;并为以后的淬火作组织准备.应用：硬度,切削性,韧性用于过共析钢,如工具钢,滚珠轴承钢

9、等,第25页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四4.去应力退火 为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，去应力退火是将钢件加热至低于的某一温度（一般为500650），保温，然后随炉冷却，这种处理可以消除约50%80%的内应力，不引起组织变化。第26页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四二、钢的正火应用： 1) 最终热处理（力学性能要求不高的结构件） 细化晶粒，P量 力学性能 2) 淬火、球化退火前改善组织。 3) 降低C钢的切削性能。加热温度 Ac3 ( Accm ) + 3050，空冷 S第27页，共7

10、0页，2022年，5月20日，22点31分，星期四第28页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四钢的退火和正火的选择切削加工性能正火：低碳钢、低碳合金钢、中碳钢。退火：c大于0.5的碳钢中碳以上的合金钢零件的形状退火：形状复杂的零件，大型铸件。正火：操作简便，生产周期短，成本低。在能满足要求的情况下，应尽量选用正火。第29页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四三、钢的淬火淬火加热温度:1) 亚共析钢 Ac3 + 30502) 共析钢和过共析钢 Ac1 + 3050 ， 细M + 粒状Fe3CII ，硬度大。 一)定义: 把零件加温到临界温度以上30 50,

11、保温一段时间,然后快速冷却 ( 水冷 )获得马氏体或贝氏体的工艺方法。 第30页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四加热时间的确定: 加热时间包括升温和保温两个阶段。通常以装炉后炉温达到淬火温度所需时间为升温阶段，并以此为保温时间的开始。保温阶段指钢件温度均匀并完成奥氏体化所需的时间。第31页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四冷却介质冷却速度： 盐水 水 盐浴 油淬火方法单介质淬火：水、油冷双介质淬火：水冷 + 油冷分级淬火： Ms盐（碱）浴中保温空冷等温淬火（ 在盐、碱浴中） 下B 第32页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四钢的

12、淬透性淬火时得到M深度的能力，取决于临界冷却速度VK 。淬硬性：淬火后获得的最高硬度，wC淬硬性影响淬透性的因素除Co外，合金使Vk , 淬透性(a)完全淬透 (b)淬透较大厚度 (c)淬透较小厚度 淬透性不同的钢调质后机械性能的比较第33页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四淬透性的应用按负载，选择不同淬透性的材料。螺栓、连杆、模具等，截面承载均匀，要全部淬透。高强螺栓柴油机连杆齿轮轴类、齿轮等，承受弯曲、扭转载荷，不必淬透。焊件不淬透。第34页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四四、钢的回火淬火后，加热到Ac1以下，保温，冷却。目的：消除淬火应力，稳

13、定组织，调整性能。低温回火（150250） 回火M ( 过饱和F +薄片状Fe2.4C ) 淬火应力 ，韧性 ，保持淬火后的高硬度。用于高C工具钢、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件等。回火M 400 M低倍 第35页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四中温回火（350500） 回火T (F +细粒状Fe3C ) 弹性极限和屈服强度，韧性和硬度中等。用于弹簧、模具等。回火T 7500T 1000 第36页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四高温回火（500650） 回火S (等轴状F +粒状Fe3C ) 综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都较好。用于重要零

14、件。调质处理 淬火 + 高温回火回火S 7500S 1000 第37页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四回火产物的组织形态比较 回火M 400 回火T 7500回火S 7500第38页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四回火时性能的变化 回火温度 硬度、强度 ， 塑性 第39页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四化学热处理表面淬火1.3 钢的表面热处理对轴、齿轮、凸轮的机械性能要求表面：硬，耐磨，耐疲劳M心部：塑，韧，耐冲击F，P解决思路：选材低淬透性材料工艺只改变表层组织同时改变表层组织、成分表面热处理第40页，共70页，2022

15、年，5月20日，22点31分，星期四一、钢的表面淬火 仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理，也叫表面淬火。目的 ： 提高表面强、硬度，保持心部良好的塑、韧性。感应加热表面淬火材料：中C钢、中C低合金钢。预备热处理：正火或调质最终热处理：表面淬火+低温回火火焰加热表面淬火（乙炔氧等火焰）第41页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四感应加热淬火方法种类a. 高频淬火（1050KHz）:适用于淬硬层0.5mm2mm 的小工件，如：机床齿轮，小销等。b. 中频淬火（100010000Hz）：适用于淬硬层2mm 15mm 的中大型工件，如轴类件。c. 工频淬

16、火（50Hz）：适用于淬硬层15mm以上的大型工件，如轧辊等。第42页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四感应加热适用的钢种 中碳钢和中碳低合金钢，如45、40Cr、40MnB钢等。这类钢经正火或调质后表面淬火，心部保持较高的综合机械性能，而表面具有较高的硬度（50HRC）和耐磨性。第43页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四火焰加热表面热处理 火焰加热表面淬火，是用乙炔-氧或煤气-氧等火焰加热工件表面，进行淬火。 火焰加热表面淬火设备简单，操作灵活，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量不稳定。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零

17、件（如大型齿轮、轴、轧锟等）的表面淬火。 第44页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四二、化学热处理钢在一定介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入钢的表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。分类 渗 C、N，C N共渗等。第45页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四.钢的渗 C低C钢在高C介质中加热到900950、保温 高C表层（约1.0%）渗C后的热处理:淬火+低温回火第46页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四钢的渗N（N化）目的：提高表面硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。工艺特点： N化温度低(500600)，时间长（2050h

18、），渗层薄。热处理： N化前调质处理、N化后无须淬火。第47页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。 长55.7厘米， 剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。 吳王夫差矛 第48页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四热处理新技术简介1.可控气氛热处理2.真空热处理3.形变热处理4.激光热处理和电子束热处理第49页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四小结重点要求1四种普通热处理的目的、工艺特点及应用。一般要求1. A晶粒长大的影响因素及控制方法。2. 淬透性的概念。3. 钢的表面淬火；化学热处理。

19、第50页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1. 1) 在过冷A等温转变产物中，P和T的主要相同点是：都是共析体（F + 层片状 Fe3C）不相同点是：T的层片间距较小2) 用光学显微镜观察，上B的组织特征呈（）状，而下B则呈（）状。 羽毛黑色针3) M的显微组织形态主要有（）、（）两种。其中（）的韧性较好。板条状针状板条 M2. 1) M是C在- Fe中的过饱和固溶体。当A向M转变时，体积要收缩。（ ）No2) 当把亚共析钢加热到 Ac1 和 Ac3 之间的温度时，将获得由F和A构成的两相组织。 （ ）Yes3) 当共析成分的A在冷却发生P转变时，温度越低，其转变产物组织

20、越粗。（ ）No习 题第51页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四3. 1) 共析钢的过冷A在550 350的温度区间等温转变时，所形成的 组织是：a. Sb. 下Bc. 上Bd. P2) M的硬度取决于：a. 冷却速度b. 转变温度c. 碳含量4. M的本质是什么？它的硬度为什么很高？是什么因素决定了它的脆性？答：M的本质是C在- Fe中的过饱和固溶体。因为M中C的过饱和度大，固溶强化效果显著，所以其硬度很高。高碳M的脆性大，是由于其C的过饱和度大，则内应力大。另外，孪晶结构增加了其脆性。第52页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四1.4 热处理工艺的

21、应用一.热处理的技术条件 设计者根据零件的工作条件、所选用的材料及性能要求提出热处理技术条件，标注在零件图上。包括：热处理方法和热处理后应能达到的力学性能。热处理工艺代号：5 X X X 加热方法工艺名称工艺类型热处理基础分类工艺代号附加分类工艺代号第53页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四二.热处理工序位置的确定1 轴类零件（机床主轴）（1）分析工作条件：承受中等交变扭矩载荷、交变弯曲载荷或者是拉压载荷；局部（轴颈、花键）承受摩擦和磨损。（2）失效形式：疲劳断裂，轴颈处磨损（主要方式）；冲击过载断裂等（偶尔发生）（3）性能要求：高的疲劳强度；良好的综合性能；局部高硬度；

22、（4）中碳钢或者中碳合金钢： 45 （40Cr） 第54页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四（5）工艺路线： 下料 锻造 正火 粗加工 调质(淬火+ 高温回火) 局部表面淬火+ 低温回火 精磨 成品； （6）组织：表面：回火马氏体 心部：回火索氏体第55页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四2、齿轮（低碳钢、表面渗碳）(1)工作条件: 齿轮根部承受交变弯曲应力；（传递扭矩时）;齿啮合时齿面承受较大的接触压应力并受强烈的摩擦和磨损； 换挡、气动、制动时齿轮承受一定的冲击。 (2) 失效形式：齿的折断（疲劳断裂和冲击过载断裂）；齿表面磨损。 （3）性能要求

23、：高的疲劳强度和表面硬度，心部具有足够的塑性韧性。（4）选材：低碳钢（20，25）（5）工艺路线：下料 锻造 正火 机加工渗碳+淬火+ 低温回火 喷丸精磨 成品；第56页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四（6）微观组织：表面：M回（高碳） + A（少量） “表硬” 心部：F（多） + P “心韧” 三.常见热处理缺陷及其预防（1）钢在加热时出现的缺陷：欠热；过热；过烧；氧化；脱碳（2）钢在淬火是出现的缺陷：淬火变形；淬火裂纹四.热处理零件结构的工艺性第57页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四热处理零件设计要求避免尖角 减少台阶 外形简单 对称 均匀第

24、58页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四第二节 聚合物材料的改性强化改性强化 通过改变高分子聚合物的结构进而改变原聚合物的力学性能，或形成具有崭新性能的聚合物的工艺过程。同种聚合物改性强化不同聚合物共混改性强化塑料与塑料塑料中掺混橡胶 塑料的共混物也称为聚合物合金，是一种开发新型高分子材料最有效的办法，也是对现有塑料品种实现高性能化、精细化的主要途径。 第59页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四作用： 所有塑料需要的性能都可通过共混改性而取得，具体可见如下几方面。（1）综合各共混组分性能 几种共混组分的复合体系，可消除单一树脂品种的缺点，互相取长补短

25、，从而达到十全十美的程度。 例如，pp具有密度小、透明性好、拉伸强度高、硬度高、耐热性好等优点；但其冲击性能差， 耐应力开裂性不好。如与HDPE共混，即可保持PP原有的优点，又可使共混物具有耐冲击、耐应力开裂及耐低温好等优点。（2）改善冲击性能 共混是塑料冲击改性最有效的办法。在树脂中混入橡胶类弹性体及耐冲击性树脂，如CPE、ABS及MBS等，可成倍地提高冲击强度，具体实例如PVC/CPE、PS/ABS或PS/MBS等。（3）改善加工性能 例如，在LLDPE中混入LDPE和在PPO中混入PS，都可改善共混体系的加工流动性能和流变特性。第60页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星

26、期四（4）降低成本 在高价树脂中混入性能详尽的低价树脂，而降低复合体系的成本。例如，在PC及PSF中混入ABS,在ABS中混入PP等。（5）改善一些特殊性能 在一般阻燃树脂中混入高阻燃树脂如CPE、PVC,PPO及PPS等， 可提高阻燃性；在一般阻隔树脂中忽如高阻隔树脂如PA,PET,EVOH,PVDC及PAN等，可提高其阻隔性； 在一般树脂中混入高吸水性树脂或导电聚合物，可改善其抗静电性能；其他如硬度、柔性、耐磨、光泽、增韧、耐热等改性，都可用共混方法实现。 与添加改性方法相比，共混改性方法的改性效果往往不如添加改性效果明显。当然，有些改性，如共混冲击改性例外。塑料共混物的结构： 塑料共混物

27、的结构形态是决定共混物性能的最基本因素之一。共混物是由两种或两种以上聚合物组成，且复合体系为热力学不相容体系，因而其具体组成可分为两个或两个以上相。第61页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四第三节 工程材料的表面处理方法表面处理利用各种表面涂镀层及表面改性技术，赋予基体材料本身所不具备的特殊力学、物理和化学性能，从而满足特定的要求。表面技术通过一些物理、化学工艺方法使材料表面具有与基体材料不同的组织结构、化学成分和物理状态，从而使表面具有与基体材料不同的性能的技术。 经过表面处理后的材料，其基体材料的化学成分和力学性能并未发生变化(或未发生大的变化)，但其表面却具有一些特

28、殊性能，如高的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性、耐热性、导电性、电磁特性、光学性能等。 第62页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 表面工程技术的种类繁多，可以按表面技术的工艺特点分为以下几类： 表面强化处理表面防腐和表面处理表面装饰加工 表面覆盖层强化法表面形变强化法表面热处理强化法表面复合处理强化法第63页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四 把工件置于装有电镀液的镀槽中，工件接直流电源的负极，作为阴极。阳极板接直流电源的正极，镀液中金属离子在阴极上得到电子还原成金属原子，工件表面得到电镀层。电镀示意图电镀和化学镀第64页，共70页，2022年，5月20日，22点31分，星期四普通电镀的过程： （1）金属的水合离子或络离子从溶液内部迁移到阴极界面； （2）金属水合离子脱水或络离子解离，金属离子在阴极上得到电子发生还原反应生成金属原子； （3）还原的原子进入晶格结点。电镀层的功用：防护性镀层；修复性镀层；装饰性镀层；特殊性镀层 电刷镀 电刷镀是电镀的一种特殊方式，不用镀槽，只需在不断