1、第二章第二章 金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶第二节第二节 合金的结晶合金的结晶第三节第三节 金属的塑性加工金属的塑性加工第四节第四节 钢的热处理钢的热处理第五节第五节 钢的合金化钢的合金化第六节第六节 表面技术表面技术22.5 钢的合金化钢的合金化合金元素：合金元素：碳钢中有意识地加入的元素。碳钢中有意识地加入的元素。Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Al、Co、B、RE 等，等，P、S、N。目的：目的：需要的组织结构、物理、化学和力学性能需要的组织结构、物理、化学和力学性能3合金元素在钢中的分布：合金元素在钢中的分
2、布：溶解于固溶体溶解于固溶体合金合金F及合金及合金A；形成形成强化相强化相碳、氮化合物或溶于渗碳体中形成碳、氮化合物或溶于渗碳体中形成合金渗碳体合金渗碳体少量少量夹杂物夹杂物氧化物、硫化物等；氧化物、硫化物等；在高合金钢中还可能形成在高合金钢中还可能形成金属间化合物金属间化合物。存在方式主要取决于它们与铁和碳存在方式主要取决于它们与铁和碳的相互作用情况的相互作用情况4一、合金元素与铁、碳的作用一、合金元素与铁、碳的作用1.溶于铁中溶于铁中部分扩大部分扩大A A相区相区的元素：的元素：C C、N N、CuCu完全扩大完全扩大A A相区相区的元素：的元素：MnMn、NiNi、CoCo按其对按其对-
3、Fe-Fe或或-Fe-Fe的作用，可将合金元素分为两大类：的作用，可将合金元素分为两大类：奥氏体稳定化元素奥氏体稳定化元素（扩大扩大相区的元素相区的元素）：5部分缩小部分缩小A：B、Nb、Zr铁素体稳定化元素（铁素体稳定化元素（缩小缩小相区元素相区元素）：）：完全封闭完全封闭A：Cr（7%）、）、Mo、W、V、Ti、A1、Si6与碳亲和力，两大类：与碳亲和力，两大类：（1）非碳化物形成元素非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、A1、N、B等。等。溶于铁素体和奥氏体中溶于铁素体和奥氏体中。（2）碳化物形成元素碳化物形成元素：V、Nb、Zr、Ti、W、Mo、Cr、Mn等等 合金铁素体，合金渗碳
4、体合金铁素体，合金渗碳体 含量较高时可形成新的合金碳化物。含量较高时可形成新的合金碳化物。2.与碳的作用与碳的作用碳化物都有较高的硬度和熔点，是重要的强化相碳化物都有较高的硬度和熔点，是重要的强化相7二、合金元素对铁碳相图的影响二、合金元素对铁碳相图的影响u扩大扩大A A 相区的元素相区的元素同样扩大同样扩大存存在区域在区域：MnMn、NiNi、CoCo、C C、N N、CuCu等等锰对奥氏体相区的影响锰对奥氏体相区的影响u当当MnMn 13%13%或或NiNi 9%9%时，时，S S点降到点降到00以下，室温下为单相奥氏体以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。组织，称奥氏体钢。1Cr18
5、Ni9、ZGMn131 1、对奥氏体和铁素体存在范围的影响、对奥氏体和铁素体存在范围的影响 8u缩小缩小A 相区的元素缩小相区的元素缩小A存存在区域：在区域：Cr、Mo、W、V、Ti、A1、Si、B、Nb、Zr等等u当当CrCr 13%13%时，奥氏体相区消时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢称铁素体钢.1Cr17Ti铬对奥氏体相区的影响铬对奥氏体相区的影响9 扩大扩大A，使，使A3和和A1线降低线降低 缩小缩小A，使，使A3和和A1 线升高线升高 所有合金元素匀使所有合金元素匀使S、E点左移，点左移，即这两点的含碳量即这两点的含碳量下降，使碳含量
6、比较低的钢出现过共析组织（如下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr134Cr13）或共晶组织（如）或共晶组织（如W18Cr4VW18Cr4V）。）。2 2、对、对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图临界点相图临界点(S S和和E E点点)的影响的影响 10三、合金元素对钢热处理的影响三、合金元素对钢热处理的影响（1 1）对奥氏体形成速度的影响）对奥氏体形成速度的影响v碳化物形成元素碳化物形成元素-A-A形成速度减缓形成速度减缓v非碳化物形成元素非碳化物形成元素vCoCo、NiNi加速加速C C的扩散的扩散-加速加速A A形成形成vAlAl、SiSi、MnMn等影响不大等影响不大1对加
7、热时组织转变的影响对加热时组织转变的影响 （2 2）对奥氏体晶粒大小的影响（多数阻碍）对奥氏体晶粒大小的影响（多数阻碍）强烈阻碍晶粒长大强烈阻碍晶粒长大的元素：的元素：Ti Ti、V V、NbNb、ZrZr等。等。中等阻碍晶粒长大的元素：中等阻碍晶粒长大的元素：W W、MoMo、CrCr。对晶粒长大影响不大的元素：对晶粒长大影响不大的元素：SiSi、NiNi、CuCu。促进晶粒长大促进晶粒长大的元素：的元素：MnMn、P P、B B 。11除除Co，所有合金元素都使，所有合金元素都使C曲线右移曲线右移，即，即提高钢的淬透性提高钢的淬透性这是钢中加入合金元素的主要目的之一。这是钢中加入合金元素的
8、主要目的之一。常用提高淬透性的元素有：常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等等2.对过冷奥氏体分解转变的影响对过冷奥氏体分解转变的影响除除Co、Al，多数合，多数合金元素都使金元素都使Ms和和Mf点点下降下降使残余奥氏体量使残余奥氏体量增多（冷处理或多增多（冷处理或多次回火）次回火）12(1)(1)提高回火稳定性：提高回火稳定性：V V、SiSi、MoMo、W W、NiNi、CoCo 推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变；推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变；回火软化抗力提高回火软化抗力提高 相同温度下回火，合金钢比同含碳量的碳钢硬度和强度更高；相同温度下回火，合金钢比同含碳量
9、的碳钢硬度和强度更高；强度相同，合金钢可在更高温度下回火，韧性更好。强度相同，合金钢可在更高温度下回火，韧性更好。3.3.对淬火钢回火转变的影响对淬火钢回火转变的影响(2)(2)产生二次硬化产生二次硬化1 1）残余奥氏体的转变（）残余奥氏体的转变（二次淬火）二次淬火）残余奥氏体在回火过程中析出碳化物，碳和合金元素贫化之后残余奥氏体在回火过程中析出碳化物，碳和合金元素贫化之后MsMs点升高，在冷却过程中转变为马氏体。通过这种回火之后，点升高，在冷却过程中转变为马氏体。通过这种回火之后，淬火钢的硬度不但没有降低，反而有所升高，这种现象称为二淬火钢的硬度不但没有降低，反而有所升高，这种现象称为二次淬
10、火次淬火132 2）沉淀硬化）沉淀硬化一些一些MoMo、W W、V V含量较高的高合金含量较高的高合金钢在钢在450450以上回火，钢中沉淀以上回火，钢中沉淀出弥散稳定的难溶碳化物出弥散稳定的难溶碳化物MoMo2 2C C、W W2 2C C、VCVC等，使硬度重新升高，称等，使硬度重新升高，称为为沉淀硬化沉淀硬化图图2-107 碳质量分数为碳质量分数为0.35%钼钢的回火钼钢的回火温度与硬度的关系曲线温度与硬度的关系曲线14（3）增大回火脆性）增大回火脆性l钢的回火脆性：钢的回火脆性：有些钢在一定的温度范围内回火时，其有些钢在一定的温度范围内回火时，其冲击韧性显著降低的脆化现象。冲击韧性显著
11、降低的脆化现象。l 250400250400：第一类回火脆性第一类回火脆性（低温回火脆性）；（低温回火脆性）；l 回火时应避开这一温度范围回火时应避开这一温度范围l 450 650 450 650 ：第二类回火脆第二类回火脆性（高温回火脆性，）性（高温回火脆性，）l 与杂质及合金元素在原奥氏体晶与杂质及合金元素在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关界上的严重偏聚有关,多发生在多发生在含含MnMn、CrCr、NiNi等元素的合金钢中等元素的合金钢中l 高温回火后快冷（高温回火后快冷（可逆）或加入可逆）或加入适当的适当的MoMo（0.50.5）或）或W W(1.0(1.0)消除消除15l固溶强化固溶强化：
12、通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象 固溶体，溶质原子的溶入固溶体，溶质原子的溶入晶格畸变晶格畸变增大位错运动阻力增大位错运动阻力滑移变形滑移变形困难困难提高强度和硬度，塑性和韧性没有明显降低。提高强度和硬度，塑性和韧性没有明显降低。四、合金元素对钢机械性能的影响四、合金元素对钢机械性能的影响提高强度是合金化的主要目的之一。提高强度是合金化的主要目的之一。强化强化增大位错运动的阻力增大位错运动的阻力强化机制：强化机制：固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相强化固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相强化16l位错强化位错强化：增加位错密度提高金属强度的方法
13、。增加位错密度提高金属强度的方法。位错密度越高位错密度越高位错交割、缠结位错交割、缠结继续变形困难继续变形困难提高金属的强提高金属的强度，塑性明显下降。变形度越大，强化越大。度，塑性明显下降。变形度越大，强化越大。l第二相强化第二相强化：第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过，或绕过，运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过，或绕过，要消耗额外的能量，提高外加应力，造成强化。要消耗额外的能量，提高外加应力，造成强化。粒子必须十分细小，粒子越弥散，间距越小，强化效果越好。粒子必须十分细小，粒子越弥散，间距越小，强化
14、效果越好。l细晶强化细晶强化：晶粒细化，强度、塑性和韧性提高。晶粒细化，强度、塑性和韧性提高。晶粒越细，晶界越多，晶格畸变越大，位错密度较大，变形困难晶粒越细，晶界越多，晶格畸变越大，位错密度较大，变形困难171 1、对退火状态下钢的机械性能的影响、对退火状态下钢的机械性能的影响合金元素溶于铁素体中，形成合金铁素体，依靠合金元素溶于铁素体中，形成合金铁素体，依靠固溶强化固溶强化作用，提作用，提高强度和硬度，但同时降低塑性和韧性。高强度和硬度，但同时降低塑性和韧性。2、对正火状态下钢的机械性能的影响、对正火状态下钢的机械性能的影响珠光体的比例增大珠光体的比例增大,使珠光体层片距离减小使珠光体层片
15、距离减小,这使钢的强度增这使钢的强度增加加,塑性下降塑性下降（Mn、Cr、Cu）18u淬火形成马氏体时，马氏体中的位错密度增高（淬火形成马氏体时，马氏体中的位错密度增高（位错强化位错强化）u马氏体形成时被分割成许多较小的、取向不同的区域（马氏体束），马氏体形成时被分割成许多较小的、取向不同的区域（马氏体束），产生相当于晶粒细化的作用（产生相当于晶粒细化的作用（细晶强化细晶强化）u马氏体中的合金元素也有马氏体中的合金元素也有固溶强化固溶强化的作用的作用u马氏体是过饱和固溶体，回火时析出碳化物（马氏体是过饱和固溶体，回火时析出碳化物（第二相强化第二相强化）3、对淬火、回火状态下钢的机械性能的影响（
16、最显著）、对淬火、回火状态下钢的机械性能的影响（最显著）u获得马氏体并对其回火获得马氏体并对其回火是钢的最经济和最有效的综合强化方法。是钢的最经济和最有效的综合强化方法。u合金元素加入钢中合金元素加入钢中,首要的目的是提高钢的淬透性首要的目的是提高钢的淬透性,保证在淬保证在淬火时容易获得马氏体。火时容易获得马氏体。其次是提高钢的回火稳定性其次是提高钢的回火稳定性,使马氏体的使马氏体的保持到较高温度，使淬火钢在回火时析出的碳化物更细小、均匀保持到较高温度，使淬火钢在回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定。这样和稳定。这样,在同样条件下在同样条件下,合金钢比碳钢具有更高的强度。合金钢比碳钢具有更高的
17、强度。19五、合金元素对钢工艺性能的影响五、合金元素对钢工艺性能的影响1 1、恶化铸造性能、恶化铸造性能CrCr、MoMo、V V、TiTi、AlAl等在钢中形成等在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点高熔点碳化物或氧化物质点,增大钢的粘度增大钢的粘度,降低流动性降低流动性,使铸造性能恶化。使铸造性能恶化。2 2、降低钢的塑性加工性能、降低钢的塑性加工性能-热变形抗力提高和热塑性明显下降热变形抗力提高和热塑性明显下降 3 3、使焊接性变坏、使焊接性变坏4 4、切削性能变差、切削性能变差5 5、热处理工艺性能：提高钢的淬透性、热处理工艺性能：提高钢的淬透性第二章第二章 金属材料组织和性能的控制金属材
18、料组织和性能的控制第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶第二节第二节 合金的结晶合金的结晶第三节第三节 金属的塑性加工金属的塑性加工第四节第四节 钢的热处理钢的热处理第五节第五节 钢的合金化钢的合金化第六节第六节 表面技术表面技术212.6 2.6 表面技术表面技术一、电刷镀一、电刷镀二、热喷涂技术二、热喷涂技术三、气相沉积技术三、气相沉积技术四、三束表面改性四、三束表面改性22表面技术表面技术 特点：特点：节约材料；节约材料；获得特殊的表面层；获得特殊的表面层；节约成本；节约成本；可以用于修复已损坏、失效的零件。可以用于修复已损坏、失效的零件。再制造过程再制造过程中由于充分利用了废旧产品中的
19、附加值，能源消耗只是新品制中由于充分利用了废旧产品中的附加值，能源消耗只是新品制造的造的50，劳动力消耗只是新品制造的，劳动力消耗只是新品制造的67，原材料消耗只是新品制造的，原材料消耗只是新品制造的15 利用各种利用各种物理物理的、的、化学化学的或的或机械机械的方法，使金属表面获得特殊的的方法，使金属表面获得特殊的化学成分、组织结构和性能，以提高使用寿命的技术。化学成分、组织结构和性能，以提高使用寿命的技术。23表面覆层表面覆层：镀层（电镀、化学镀等）、热喷涂、涂料：镀层（电镀、化学镀等）、热喷涂、涂料涂装、陶瓷涂敷、化学转化膜、堆焊、气涂装、陶瓷涂敷、化学转化膜、堆焊、气相沉积、着色染色等
20、。相沉积、着色染色等。表面处理表面处理：各种表面：各种表面淬火淬火（感应、激光、电子束加热）、（感应、激光、电子束加热）、表面表面形变强化形变强化（如喷丸、滚压）等。（如喷丸、滚压）等。分类：分类：表面合金化表面合金化：表面扩渗、激光合金化、离子注入等。：表面扩渗、激光合金化、离子注入等。24工件工件阴极阴极刷镀笔（阳极板）刷镀笔（阳极板）正极正极电镀液，金属离子在工件上还原成金属原子电镀液，金属离子在工件上还原成金属原子电镀层电镀层一、电刷镀一、电刷镀 25定义：定义：利用热源将金属或非金属材料加热到利用热源将金属或非金属材料加热到熔化熔化或半熔化状态，或半熔化状态，用高速气流将其吹成微小颗
21、粒（用高速气流将其吹成微小颗粒（雾化雾化），），喷射喷射到工件表到工件表面，形成牢固的面，形成牢固的覆盖层覆盖层的表面加工方法。的表面加工方法。二、二、热喷涂技术热喷涂技术 (1)涂层和基体材料广泛涂层和基体材料广泛 (2)热喷涂工艺灵活热喷涂工艺灵活 (3)喷涂层、焊喷层厚度可较大范围变化喷涂层、焊喷层厚度可较大范围变化 (4)热喷涂有着较高的生产效率热喷涂有着较高的生产效率 (5)热喷涂时基体受热程度低热喷涂时基体受热程度低250 (6)母材对涂层的稀释率较低母材对涂层的稀释率较低 1.特点特点等离子热喷涂26(1)火焰喷涂火焰喷涂 以气体火焰为热源以气体火焰为热源2.常用热喷涂技术常用热
22、喷涂技术火焰喷涂特点火焰喷涂特点1.中心火焰最高可达中心火焰最高可达30002.雾化颗粒速度可达雾化颗粒速度可达10-20m/s3.适用于熔点低于适用于熔点低于2500材料材料4.设备简单设备简单,投资低投资低27(2)电弧喷涂电弧喷涂 以电弧为热源以电弧为热源电弧喷涂原理示意图电弧喷涂原理示意图雾化气体送丝机构丝材基体熔滴+-涂层喷嘴电弧电弧喷涂特点电弧喷涂特点:1 1电弧温度可达电弧温度可达5000 5000 2 2雾化颗粒速度可达雾化颗粒速度可达180180335m/s335m/s3 3适用于各种金属材料适用于各种金属材料4 4设备投资低设备投资低28(3)等离子喷涂等离子喷涂 以等离子
23、体为热源，以等离子体为热源，WC等离子喷涂特点等离子喷涂特点1.1.等离子体温度可达等离子体温度可达1000010000以上以上2.2.雾化颗粒速度可达雾化颗粒速度可达600m/s600m/s以上以上3.3.适用于各种材料适用于各种材料4.4.设备投资高设备投资高29涂层与基底的结合：涂层与基底的结合：机械结合机械结合 抛锚效应抛锚效应冶金冶金-化学结合化学结合 扩散扩散 合金化合金化 微焊微焊物理结合物理结合 范德华力范德华力涂层残余应力涂层残余应力3 3、涂层的形成与结构、涂层的形成与结构30 (2)涂层外层受拉应力，内层（基体）受压应力涂层外层受拉应力，内层（基体）受压应力 (3)涂层有
24、着不均匀的化学成分涂层有着不均匀的化学成分 (4)涂层的多孔性涂层的多孔性 涂层结构的特点涂层结构的特点(1)涂层是层状结构涂层是层状结构 基体基体变形颗粒变形颗粒氧化物夹杂氧化物夹杂孔隙或空洞孔隙或空洞电弧喷涂涂层示意图电弧喷涂涂层示意图31 4.热喷涂材料热喷涂材料 (1)纯金属及其合金纯金属及其合金 (2)陶瓷材料陶瓷材料 (3)复合材料复合材料 5.应用应用(1)(1)大型钢结构的长效防护大型钢结构的长效防护(2)(2)高温环境下的磨蚀防护高温环境下的磨蚀防护(3)(3)维修和表面改性维修和表面改性3233三、气相沉积三、气相沉积从气相物质中析出固相并沉积在基材表面以获得薄膜的技术从气
25、相物质中析出固相并沉积在基材表面以获得薄膜的技术。根据气相沉积过程进行的方式不同，分为三类：根据气相沉积过程进行的方式不同，分为三类：1.物理气相沉积（物理气相沉积（PVD法）法）2.化学气相沉积（化学气相沉积（CVD法）法）3.等离子体化学气相沉积（等离子体化学气相沉积（PCVD法）法）TiN(s)+HCl341、物理气相沉积（、物理气相沉积（PVD）主要包括：主要包括：真空蒸镀真空蒸镀溅射镀溅射镀离子镀离子镀n是指在真空条件下，用物理的方法产生的原子或分子是指在真空条件下，用物理的方法产生的原子或分子沉积在基体上，形成薄膜或涂层的过程沉积在基体上，形成薄膜或涂层的过程磁控溅射镀膜设备35n
26、真空蒸镀是蒸发成膜材料使真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。面形成薄膜的方法。真空蒸镀真空蒸镀TiN活塞环活塞环真空蒸镀真空蒸镀Al膜的塑料制品膜的塑料制品36n溅射镀溅射镀是在真空下通过辉是在真空下通过辉光放电来电离氩气，氩离光放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加速子在电场作用下加速轰击轰击阴极，溅射下来的粒子阴极，溅射下来的粒子沉沉积到工件表面成膜的方法。积到工件表面成膜的方法。溅射镀示意图磁控溅射镀膜机磁控溅射镀膜机磁控溅射镀Al的塑料制品37n离子镀是在真空下利用气体放电技术，将离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子蒸发的原
27、子部分电离成离子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒子一，与同时产生的大量高能中性粒子一起沉积到工件表面成膜的方法。起沉积到工件表面成膜的方法。多弧离子镀膜机38n物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。厚度均匀、致密、针孔少等优点。离子镀产品n广泛用于机械、航广泛用于机械、航空航天、电子、光空航天、电子、光学和轻工业等领域学和轻工业等领域制备耐磨、耐蚀、制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、耐热、导电、
28、绝缘、光学、磁性、压电、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。滑润、超导等薄膜。392、化学气相沉积、化学气相沉积(CVD)CVD设备例如，气态的例如，气态的TiClTiCl4 4与与N N2 2和和H H2 2在受热钢的表面反在受热钢的表面反应生成应生成TiNTiN，并沉积在钢，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。沉积层。n利用气态化合物或化合物的混合物在基体材料表面利用气态化合物或化合物的混合物在基体材料表面(通常为热表通常为热表面面)上发生上发生气相化学反应气相化学反应，从而在基材表面上形成镀膜的技术，从而在基材表面上形成镀膜的技术 40经CVD处理的模具经CVD处理
29、的活塞环41CVDCVD金刚石镀膜金刚石镀膜n最好的热导率最好的热导率20w/cm20w/cmk(300k)k(300k)n最宽的透光范围（从紫外到远红外）最宽的透光范围（从紫外到远红外）n最大的杨氏模量最大的杨氏模量200Gpa200Gpan最低的介电常数最低的介电常数5.665.66n最快的纵波声速最快的纵波声速18000m/s18000m/sn最高的硬度最高的硬度1000kgf/cm21000kgf/cm2n最佳的化学稳定性最佳的化学稳定性 nCVDCVD金刚石镀膜基本反应式金刚石镀膜基本反应式nCH4(g)C(diamond)+2H2CH4(g)C(diamond)+2H2n金刚石镀膜
30、形成条件金刚石镀膜形成条件42四、三束表面改性技术四、三束表面改性技术 n将将激光束、电子束和离子束激光束、电子束和离子束(合称合称“三束三束”)等具有等具有高能量密高能量密度度的能源的能源(一般大于一般大于10103 3W/cmW/cm2 2)施加到材料表面，使之发生物施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。电子束加工等离子束加工43 极高的能量密度极高的能量密度，可对材料表面，可对材料表面进行进行快速加热和快速冷却快速加热和快速冷却，使表，使表层的结构和成分发生大幅度改变层的结构和成分发生大幅度改变（如形成微晶、纳米晶、非晶
31、、（如形成微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物等），亚稳成分固溶体和化合物等），从而获得所需要的特殊性能。从而获得所需要的特殊性能。n能量利用率高、工件变形小、生能量利用率高、工件变形小、生产效率高等特点产效率高等特点l 特点44n激光激光2020世纪最伟大的发明之一世纪最伟大的发明之一n 它的问世开辟了科学技术研究和应用的新领域，它在它的问世开辟了科学技术研究和应用的新领域，它在经济、技术、科学研究、社会生活和国防等方面引起了一经济、技术、科学研究、社会生活和国防等方面引起了一系列革命性的变革系列革命性的变革.激光雷达激光雷达45激光切割46眼外科手术47激光美容48n1、激光束表面改
32、性技术、激光束表面改性技术l 激光表面改性技术主要应用于以下几方面:CO2激光器 激光束能量密度高激光束能量密度高(103108W/cm2)，可在短时间内将工件表，可在短时间内将工件表面快速加热或融化面快速加热或融化,而心部温度基本不变而心部温度基本不变;当激光辐射停止当激光辐射停止后，由于散热速度快，后，由于散热速度快，又会产生又会产生“自激冷自激冷”。49 激光相变硬化（激光淬火）激光相变硬化（激光淬火）激光熔凝激光熔凝 激光熔覆激光熔覆 激光合金化激光合金化 激光非晶化激光非晶化 激光冲击硬化激光冲击硬化 激光纳米化激光纳米化50 激光表面淬火（激光相变硬化）激光表面淬火（激光相变硬化）
33、激光表面淬火件n急剧升温急剧升温A A极冷极冷自冷淬火自冷淬火n激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高1520%1520%）、耐磨、）、耐磨、耐疲劳，变形极小，表面光亮。耐疲劳，变形极小，表面光亮。n发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。激光表面淬火51（2 2）激光熔凝）激光熔凝n激光束在金属表面连续扫激光束在金属表面连续扫描描,使之迅速形成一层非常使之迅速形成一层非常薄的薄的熔化层熔化层,并在基体强烈并在基体强烈冷却作用下凝固冷却作用下凝固,形成特殊形成特殊组织结构的工艺方法组织结构的工艺方法.激光表面熔凝
34、铸铁凸轮轴激光表面熔凝铸铁凸轮轴52n预置法预置法n硬粒子喷射法硬粒子喷射法n激光气体合金化：激光气体合金化：铝、钛及其合金中加氮铝、钛及其合金中加氮 激光表面合金化激光表面合金化53n电子束表面改性技术是以电子束表面改性技术是以在电场中高速移动的电子在电场中高速移动的电子作为载能体作为载能体,电子束的能电子束的能量密度最高可达量密度最高可达109W/cm2。n除所使用的热源不同外，电子束表面改性技术与激光束表面改性技术的原理和工艺基本类似。l 凡激光束可进行的处理，电子束也都可进行。电子束表面改性装置2、电子束表面改性技术54n与激光束表面改性技术相比，电子束表面改性技术还具与激光束表面改性
35、技术相比，电子束表面改性技术还具有以下特点有以下特点:n由于电子束具有更高的能量密度，由于电子束具有更高的能量密度，所以加热的尺寸范所以加热的尺寸范围和深度更大。围和深度更大。设备投资较低，操作设备投资较低，操作较方便（无需象激光束较方便（无需象激光束处理那样在处理之前进处理那样在处理之前进行行“黑化黑化”）。）。l 因需要真空条件，故因需要真空条件，故零件的尺寸受到限制。零件的尺寸受到限制。电子束物理气相沉积55 3、离子注入表面改性技术、离子注入表面改性技术n在真空下，将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用在真空下，将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面，使材
36、料表面层的物理、化学和机械性能下高速注入材料表面，使材料表面层的物理、化学和机械性能发生变化的方法。发生变化的方法。离子注入航空液压泵配流盘离子注入设备56n可注入任何元素，不受固溶度和热平衡的限制；可注入任何元素，不受固溶度和热平衡的限制；n注入温度可控，不氧化、不变形；注入温度可控，不氧化、不变形；n注入层厚度可控，注入元素分布均匀；注入层厚度可控，注入元素分布均匀；l 注入层与基体结合牢固，注入层与基体结合牢固，无明显界面；无明显界面；l 可同时注入多种元素，可同时注入多种元素，也可获得两层或两层以也可获得两层或两层以上性能不同的复合层。上性能不同的复合层。离子注入机离子注入的特点：离子
37、注入的特点：57n通过离子注入可提高材料的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性、通过离子注入可提高材料的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性、抗氧化性及电、光等特性。抗氧化性及电、光等特性。n目前离子注入在微电子技术、生物工程、宇航及医疗等高目前离子注入在微电子技术、生物工程、宇航及医疗等高技术领域获得了比较广泛的应用，尤其在工具和模具制造技术领域获得了比较广泛的应用，尤其在工具和模具制造工业的应用效果突出。工业的应用效果突出。离子注入处理的铣刀片58钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变n 等温转变曲线及产物等温转变曲线及产物 （共析钢为例）（共析钢为例）650600550350A1MSMf时间时间PSTB上上B下下MM
38、+AAPASATAB上上AB下下AM过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷AA59 用用C曲线定性说明连续冷却转变产物曲线定性说明连续冷却转变产物 n根据与根据与C曲线交点位置判断转变产物曲线交点位置判断转变产物 P均匀均匀A细细AA1MSMf时间时间等温退火等温退火PP退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S淬火淬火(油冷油冷)T+M+A等温淬火等温淬火B下下M+A分级淬火分级淬火M+A淬火淬火(水冷水冷)M回回150-250T回回350-500S回回500-650?PT+S回回ST+B下下+M+A60热处理工艺热处理工艺工艺工艺目的目的加热温度加热温度组织组织退退火火1.调整硬
39、度调整硬度,便于切削加便于切削加工。工。2.细化晶粒细化晶粒,为最终热处为最终热处理作组织准备。理作组织准备。亚共析钢亚共析钢Ac3+3050共析钢共析钢 Ac1+3050过共析钢过共析钢Ac1+3050F+PPP球球正正火火1.低中碳钢同退火。低中碳钢同退火。2.过共析钢：消除网状过共析钢：消除网状二次渗碳体。二次渗碳体。3.普通件最终热处理普通件最终热处理亚共析钢亚共析钢Ac3+3050共析钢共析钢 Ac1+3050过共析钢过共析钢Accm+30500.5%C,M+AM+AM+A+粒状粒状Fe3C61热处理工艺（续）热处理工艺（续）工工艺艺目的目的加热温度加热温度组织组织回回火火1.消除内
40、应力，消除内应力，减少变形。减少变形。2.获得所需要获得所需要的性能。的性能。低温回火低温回火150250中温回火中温回火350500高温回火高温回火500650 (调质调质)亚共析亚共析,共析钢：共析钢：M回回过共析钢过共析钢:M回回+A(少少)+粒状粒状Fe3CT回回S回回表表面面淬淬火火表面获得马氏表面获得马氏体组织，并获体组织，并获得表硬里韧的得表硬里韧的性能。性能。预备热处理：预备热处理：调质或正火调质或正火适用于中碳钢适用于中碳钢 0.40.5%C表面：表面：M回回心部：心部：S回回(调质调质)或或F+S(正火正火)渗渗碳碳提高表面含碳提高表面含碳量，获得表硬量，获得表硬里韧的性能
41、。里韧的性能。渗碳温度渗碳温度:900950淬火温度：淬火温度：表面表面Ac1+3050心部心部Ac3+3050适用于低碳钢适用于低碳钢 0.10.25%C表面：表面：M回回+A(少少)+颗粒状颗粒状Fe3C心部心部：M回回+F M回回62n1 1、在正火热处理过程中，为什么加热后要、在正火热处理过程中，为什么加热后要有一段保温时间？有一段保温时间？n2 2、锯条、弹簧和重要的轴在淬火后一般分、锯条、弹簧和重要的轴在淬火后一般分别应进行什么回火热处理，并简述理由。别应进行什么回火热处理，并简述理由。63引引 用用 及及 版版 权权 声声 明明u本课件的内容涉及到引用国内外学者的专著、本课件的内容涉及到引用国内外学者的专著、教材、论文、课件、报告及一些网站等，没教材、论文、课件、报告及一些网站等，没有逐一注释，向相关者表示感谢！有逐一注释，向相关者表示感谢！u本课件仅用于课堂教学和学生学习，不得用本课件仅用于课堂教学和学生学习，不得用于商业活动，课件制作者保留相关权利！于商业活动，课件制作者保留相关权利！64Thanks for attention!
