小學教育金屬熱處理及表面處理PPT課件

1、 金屬是晶體。 在晶體中，原子按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列，稱為有序排列。 晶體有固定的熔點和凝固點， 晶體的性能呈各向異性。 金屬材料絕大多數(shù)是晶體。 一、金屬的結構第1頁/共75頁常見金屬的晶體結構 體心立方：-Fe,Cr,W,V等。 面心立方：-Fe、 Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等 密排六方：Mg、Zn、Be、Ti、Cd等第2頁/共75頁合金的結構 金屬中加入合金后可形成固溶體或金屬化合物。第3頁/共75頁固溶體 合金各組元在液態(tài)下互相溶解，結晶為固態(tài)后仍然保持溶解狀態(tài)的合金相，稱為固溶體。 固溶體的特征是：溶劑為含量較多的基體金屬，晶格類型保持不變。溶質為含量較少的合金元素，

2、晶格類型消失。 例如碳原子溶解到-Fe的晶格中，形成的固溶體(稱鐵素體)具有-Fe原來的體心立方晶格，而碳失去原來的密排六方結構，以單個原子溶入-Fe的晶格，-Fe是溶劑，碳是溶質。第4頁/共75頁固溶體 溶質原子置換了溶劑晶格中溶劑原子的部分位置而形成的固溶體稱為置換固溶體， 溶質原子位于溶劑晶格間隙中所形成的固溶體稱間隙固溶體，如圖所示。溶劑 溶質 (b) 溶質 (a) 溶劑 第5頁/共75頁固溶強化 因溶質原子的溶入而導致固溶體原子間作用力發(fā)生變化，使晶格發(fā)生畸變，增加了位錯移動的阻力，提高了合金的強度和硬度。這種通過溶入溶質元素而使溶劑金屬強度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。 原子尺寸相

3、差越大，畸變就越嚴重。第6頁/共75頁金屬化合物 合金中各組元按一定方式形成的一種新晶體稱為金屬化合物。金屬化合物的晶格類型不同于任一組元，一般具有復雜晶格，如碳鋼中的滲碳體(Fe3 C)是鐵與碳形成的金屬化合物，其晶格類型既不同于鐵，也不同于碳的復雜結構 。鐵原子碳原子鐵原子碳原子第7頁/共75頁彌散強化 復雜的結構使金屬化合物具有較高的熔點，很高的硬度與脆性。合金中出現(xiàn)金屬化合物時，合金的強度、硬度和耐磨性提高，但塑性、韌性降低。由于金屬化合物硬而脆，通常不能作為合金的基體材料，而是以彌散狀態(tài)(細粒狀、細點狀)分布于合金基體上作為強化相。彌散度越高，金屬強度、硬度越高。這種以彌散粒子作為第

4、二強化相使金屬強度、硬度提高的現(xiàn)象稱為彌散強化。 第8頁/共75頁金屬的同素異構轉變 多數(shù)金屬結晶后，晶格類型不再發(fā)生變化。但有少數(shù)金屬如鐵、鈷、鈦、錫等，在結晶完成后繼續(xù)冷卻的過程中還會發(fā)生晶體結構的轉變。這種金屬在固態(tài)下由一種晶格向另一種晶格的轉變稱為同素異構轉變。 400 600 800 磁性轉變 (770 ) - Fe - Fe - Fe 912 1538 1394 時間 200 1000 1200 1400 1600 溫度 400 600 800 磁性轉變 (770 ) - Fe - Fe - Fe 912 1538 1394 時間 400 600 800 磁性轉變 (770 ) -

5、 Fe - Fe - Fe 912 1538 1394 時間 200 1000 1200 1400 1600 溫度 200 1000 1200 1400 1600 溫度 第9頁/共75頁金屬變形和強化 金屬的塑性變形及其對金屬組織性能的影響 金屬在外力作用下產生變形，當外力去除后不能恢復的永久性變形稱為塑性變形。塑性變形不僅使金屬獲得所需的形狀和尺寸，而且能改變金屬的組織和性能。 第10頁/共75頁金屬的結合鍵是金屬鍵 金屬鍵決定金屬的特性：導電、導熱、 良好的塑性+第11頁/共75頁相鄰金屬原子間的相互作用力處于平衡位置的金屬原子引力斥力距離第12頁/共75頁1.單晶體的塑性變形第13頁/共

6、75頁1.單晶體的塑性變形 當受力較小時，晶體內原子間距發(fā)生微小變化，原子稍偏離平衡位置處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當外力去除后原子則返回平衡位置，晶體變形隨之消失，這就是彈性變形階段； 當外力進一步增加達到一定程度，原子就沿著某些晶面滑移，達到新的平衡位置，這時外力去除后，原子不再恢復到原來的位置，晶體產生了永久性的塑性變形。 在切應力作用下,晶體的一部分相對于另一部分產生滑動,稱為滑移。發(fā)生滑移的晶面稱為滑移面。 第14頁/共75頁經過計算，滑移面上的原子同時滑移時所需的剪切力是很大的，約為E/10。對于鋼鐵：E=214000MPa。屈服強度應為21400MPa，而實際鋼鐵的強度為3001700MPa

7、。第15頁/共75頁 塑性變形的產生并不是沿著整個滑移面同時進行的簡單的剛性滑移造成的，而是由位錯在滑移面上的運動來實現(xiàn)的。 第16頁/共75頁134566543212566544321123123456654321123456123456第17頁/共75頁金屬的強化一般金屬產生塑性變形后在變形較大的地方產生裂紋，隨著裂紋的擴大最終產生斷裂。因此，要想避免金屬斷裂就要防止金屬產生塑性變形。提高金屬強度，防止塑性變形和斷裂的方法叫作金屬的強化。第18頁/共75頁金屬的強化方法金屬的強化主要是通過各種方法阻止位錯移動，從而提高金屬的強度。怎樣阻止位錯移動呢？使滑移面崎嶇不平：使晶格變形、扭曲，增加

8、晶界。纏住位錯：增加位錯密度、形成大量雜質顆粒或第二相。第19頁/共75頁二、金屬熱處理 在固態(tài)下加熱金屬,并在一定的溫度下保溫一定的時間,再以一定的方式冷卻,通過金屬內部的組織轉變改變金屬性能的工藝。第20頁/共75頁金屬熱處理工藝一般地說，熱處理工藝的基本過程包括加熱、保溫和冷卻三個階段。由于熱處理時起作用的主要因素是溫度和時間，所以各種熱處理都可以用溫度時間曲線來表示，叫做熱處理工藝曲線，臨界溫度保溫淬火回火加熱冷卻溫度時間圖3-14 熱處理工藝曲線示意圖第21頁/共75頁1.82.5MJ/m2ak5080HBSHB3050%100170MN/m20.27080%180280MN/m2b

9、1 1、鐵碳合金中的相(1) (1) 鐵素體碳在-Fe中的固溶體，用“F”表示。 特點： 在727有最大溶解度，為0.0218%C； 強度和硬度低，韌性塑性好。其力學性能大致為；第22頁/共75頁(2) Fe(2) Fe3 3CC滲碳體 由鐵和碳組成的一種具有復雜結構的間隙化合物，含碳量為6.69%，用“Fe3C” 表示。 滲碳體的性能特點硬度高，脆性大。 硬度 HB=800kgf/mm2; 抗拉強度 b30MPa; 塑性、韌性幾乎為零。第23頁/共75頁(3) (3) 奧氏體碳在-Fe中的固溶體，用“A”表示。 特點： 在1148時有最大溶解度2.11%C，727時可固溶 0.77%C； 其

10、力學性能與含碳量及晶粒大小有關，一般170220HBS、=4050%； 形變能力好，形變抗力小。第24頁/共75頁（4）珠光體 珠光體：（P）由鐵素體和滲碳體組成 成分：0.77%C 綜合性能好。第25頁/共75頁2、碳含量與鋼組織之間的關系FFe3CFe3CPLd00.772.114.36.69C%0.0218第26頁/共75頁3. 碳鋼的機械性能與碳含量的關系400MPa800MPa1200MPaHB(100HB)(200HB)(300HB)00.40.81.2akysbsbHB60%14J/cm2,y40%12J/cm220%8J/cm2akC%第27頁/共75頁4 4、常用熱處理工藝常

11、用熱處理工藝可分為普通熱處理和表面熱處理兩大類:a.普通熱處理包括退火、正火、淬火和回火。b.表面熱處理包括表面淬火、滲碳、滲氮和碳氮共滲等。滲碳、滲氮和碳氮共滲又叫化學熱處理。第28頁/共75頁1）退火退火是將鋼件加熱，保溫后以極緩慢的速度冷卻的一種熱處理工藝。退火可以達到的目的：降低硬度，以利于切削加工。細化晶粒，改善組織，提高力學性能。消除內應力，為下一道淬火工序作好準備。提高鋼的塑性和韌性，便于進行冷沖壓或冷拉拔加工。第29頁/共75頁常用退火工藝完全退火、球化退火、等溫退火、去應力退火等。第30頁/共75頁2）正火正火是將鋼件加熱，保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的作用與完全退火

12、相似，兩者的主要差別是冷卻速度。退火冷卻速度慢，獲得珠光體組織；正火冷卻速度較快，得到的是索氏體組織。因此，同樣鋼件在正火后強度和硬度比退火高，而且鋼的含碳量愈高，用這兩種方法處理后的強度和硬度的差別愈大。第31頁/共75頁碳鋼退火.正火加熱溫度1000110040060080000.40.81. 2擴散退火完全退火正火再結晶退火去應力退火TC%圖3-15 碳鋼退火.正火加熱溫度第32頁/共75頁3）淬火與回火（1）淬火將鋼加熱至Ac3線或Ac1線以上的某一溫度，保溫一定時間使之奧氏體化后，迅速冷卻，從而獲得馬氏體組織的工藝叫淬火。第33頁/共75頁碳在鐵中的過飽和固溶體叫馬氏體。馬氏休的硬度

13、很高，而塑性韌性差。第34頁/共75頁4）回火將淬火后的鋼加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后取出空冷或油冷的熱處理工藝過程稱為回火。根據(jù)加熱溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。第35頁/共75頁a.低溫回火 加熱溫度在150250之間，回火組織為回火馬氏體。這種回火主要是為了降低鋼中的殘余應力和脆性，而保持淬火后得到的高硬度和耐磨性。主要用于各種工具，滾珠軸承及滲碳件等。硬度一般為HRC5864。第36頁/共75頁b.中溫回火加熱溫度在350500之間, 回火組織為回火屈氏體。中溫回火后鋼的內應力大大降低，同時具有較高的彈性極限的屈服極限，硬度為HRC3545。主要

14、用于彈簧元件、鍛模等。第37頁/共75頁c.高溫回火加熱溫度在500600之間，回火組織為回火索氏體。淬火加高溫回火又稱為“調質處理”。它可以消除鋼的內應力，獲得較高的韌性，使鋼具有良好的綜合性能。因此，調質被廣泛用于要求具有一定強度和較高塑性、韌性的各類機械零件。調質處理后的硬度一般為HRC2535。在硬度相同的情況下調質鋼的各項力學性能明顯高于正火。第38頁/共75頁5）表面淬火 表面淬火是將鋼件表面進行快速加熱，使其表面組織轉變?yōu)閵W氏體，然后快速冷卻，表面層轉變?yōu)轳R氏體的一種局部淬火的方法。工件冷卻水冷卻水感應線圈淬火噴水套進水圖3-17 感應加熱淬火示意圖第39頁/共75頁a. 滲碳

15、滲碳是向鋼的表面滲入碳原子，使其表面達到高碳鋼的含碳量滲碳主要有固體滲碳和氣體滲碳兩種方法，應用廣泛的是氣體滲碳法。液體滲碳劑廢氣沙封加熱元件耐熱罐工件風扇圖3-18 氣體滲碳示意圖第40頁/共75頁b. 滲氮(氮化) 滲氮是將氮原子滲入鋼件表面，形成以氮化物為主的滲氮層，以提高滲層的硬度、耐磨性、抗蝕性、疲勞強度等多種性能。滲氮種類很多，有氣體滲氮法、鹽浴氮化法、軟氮化、離子氮化等。第41頁/共75頁3.2 金屬的表面處理金屬的表面處理 3.2.13.2.1表面防護 為防止金屬腐蝕而采用各種方法叫金屬表面防護。常用的金屬表面防護方法有表面涂層和表面轉化膜工藝。 3.2.2 3.2.2 金屬的

16、表面改性 金屬的表面改性也稱表面優(yōu)化，就是借助于離子束、激光、等離子體等新技術手段，改變材料表面及近表面的組分、結構與性質，第42頁/共75頁（1）電鍍Electroplate 金屬涂層是與被保護金屬不同的材料，其作用是把介質與金屬隔開，達到防腐的目的。形成金屬涂層的工藝主要有電鍍、化學鍍、噴鍍、熱鍍等。其中電鍍是目前我國應用最廣的一種價廉而有效的防護方法。第43頁/共75頁第44頁/共75頁陰極：主反應 Zn2+2e-Zn 副反應 2H+2e-H2陽極：主反應 Zn-Zn2+2e 副反應 4OH-2H2O+O2+4e 圖3-20鍍鋅過程示意圖HZnFeH+Zn2+ZnSO4陽極(Zn)陰極

17、(Fe)第45頁/共75頁第46頁/共75頁（2）電泳涂裝電泳涂裝是一種水溶性漆液施工方法。其原理是在外加電場的影響下，漆液中的帶電膠體粒子在水溶性分散介質中作定向移動，沉積到作為陽極工件的表面上，形成涂層。水溶性漆用樹脂，有環(huán)氧酯、丙烯酸、聚氨酯、酚醛和醇酸等水溶性漆品種。第47頁/共75頁第48頁/共75頁第49頁/共75頁（3）靜電噴漆electrostatic spray paining此法是使已霧化的油漆微粒在直流高壓電場中帶電，而在靜電場的作用下，帶電油漆微粒迅速地向異極性的工件表面結集成膜。第50頁/共75頁第51頁/共75頁第52頁/共75頁2、轉化膜conversion co

18、ating 轉化膜是用化學和電化學的方法使金屬表面層發(fā)生反應，形成有自身參與的氧化物或金屬鹽類防護膜層也可起到防護作用。最常見的工藝有黑色金屬的氧化、磷化和鋁合金的陽極化。第53頁/共75頁（1）鋼的氧化處理Black oxide 鋼在加熱的硝酸鈉、氫氧化鈉水溶液中氧化處理。 鋼氧化處理后零件表面上能生成保護性磁性氧化鐵（Fe3O4）和氧化亞鐵 膜。膜的顏色一般呈黑色和藍黑色。又稱發(fā)蘭或發(fā)黑。膜層的厚度約為0.61.5 微米，因此氧化處理不影響零件的精度。發(fā)蘭后的零件再進行浸油和其他填充處理，能進一步提高膜層的耐蝕性和潤滑能力。 第54頁/共75頁第55頁/共75頁（2）鋼的磷化處理Phosp

19、hating 鋼鐵零件在含有錳、鐵、鋅的磷酸鹽溶液中，進行化學處理，使其表面生成一層難溶于水的磷酸鹽保護膜的方法，叫做磷化處理。 磷化膜的外觀由于基體材料及磷化工藝的不同可由暗灰到黑灰色。磷化膜的主要成分由磷酸鹽Me3(PO4)2或磷酸氫鹽（MeHPO4)的晶體組成。用于涂漆前打底，提高漆膜層的附著力與防腐蝕能力。第56頁/共75頁（3） 陽極化anodizing 所謂陽極化是指用電化學的方法在鋁及鋁合金表面獲得一層氧化膜的方法，由于在處理時零件為陽極，所以稱為陽極氧化處理（陽極化）。 氧化膜的性質： a多孔：b硬度高 c化學穩(wěn)定性好d絕緣性好：e結合能力好：f耐高溫： 第57頁/共75頁第5

20、8頁/共75頁3.2.2 3.2.2 金屬的表面改性金屬的表面改性也稱表面優(yōu)化，就是借助于離子束、激光、等離子體等新技術手段，改變材料表面及近表面的組分、結構與性質，從而獲得傳統(tǒng)的冶金和表面處理技術無法得到的新薄層材料，或者使傳統(tǒng)材料具有更好的性能。第59頁/共75頁1. 物理氣相沉積（PVD) （1）蒸發(fā)鍍膜 （2）濺射 （3）離子鍍2. 化學氣相沉積（CVD)第60頁/共75頁（1）蒸發(fā)鍍膜 蒸發(fā)鍍膜通常是在真空中進行，例如圖3-21所示的真空蒸鍍。將零件和涂層材料同時放在鐘罩形的真空室內，涂層材料受熱蒸發(fā)，蒸發(fā)出的分子或原子在自由行程內與受鍍零件表面相遇，不斷凝結成膜。 圖3-21 電阻

21、加熱真空蒸鍍真空泵蒸發(fā)源基體蒸發(fā)料加熱燈絲第61頁/共75頁（2）濺射沉射 在真空度不太高的環(huán)境中，在強電場的作用下，充入的氬氣產生輝光放電，并部分電離，在陰極負高壓的吸引下，Ar+離子被加速，以極高的速度轟擊材料靶，濺射出來的原子或分子以足夠高的速度飛向周圍的基體（被鍍零件）上，形成鍍覆層。 Ar靶基體濺射原子圖3-22 陰極濺射鍍示意圖 第62頁/共75頁 1) 具有嚴格的晶格生長方向，可制造單晶結構層；(2) 膜層致密，均勻，結合力更高；第63頁/共75頁 金屬，合金，陶瓷，硼化物陶瓷，碳化物陶瓷，氟化物陶瓷 ，氮化物陶瓷 ，氧化物陶瓷靶材，硒化物陶瓷 ，硅化物陶瓷 ，硫化物陶瓷 ，碲化物陶瓷 第64頁/共75頁（3）離子鍍 離子鍍的原理見圖3-23。陽極為鍍覆材料，陰極為被鍍基體零件。15kv基體金屬離子Ar電子蒸發(fā)源真空泵Ar+陰極暗區(qū)圖3-23 離子鍍原理示意圖+第65頁/共75頁 在合適的電壓下（一般為35千伏），基體和蒸發(fā)源之間產生輝光放電，一部分電離生成的氬正離子受負高壓基體的吸引轟擊基體。當清洗完畢后再使蒸發(fā)源中的涂覆料蒸發(fā)，蒸發(fā)出的粒