材料第四章精品課件

1、材料第四章第1頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.1 熱處理基礎1.2 普通熱處理1.3 表面熱處理1.4 熱處理工藝的應用第1節(jié) 鋼的熱處理第2頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四鋼的熱處理將鋼在固態(tài)下進行適當?shù)募訜?、保溫和冷卻，以改變其組織和性能的工藝。改善鋼的性能的途徑：合金化、熱處理，壓力加工。熱處理的應用：機械制造業(yè)機床、汽車零件60-80%經(jīng)過熱處理。模具、滾動軸承100%需熱處理。熱處理特點只改變工件的組織和性能，不改變其形狀。壓力加工等工藝則改變形狀。第3頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四熱處理的分類熱處理

2、普 通熱處理表 面熱處理退火;正火;淬火;回火;表面淬火 化 學 熱處理感應加熱淬火火焰加熱淬火滲碳; 滲氮;碳氮共滲;第4頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.1 鋼的熱處理基礎本節(jié)介紹：熱處理時鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律。（一)、鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變熱處理工藝過程第5頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四臨界轉(zhuǎn)變溫度平衡時（平衡相變點）：A1、 A3、Acm第6頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四實際臨界轉(zhuǎn)變溫度實際加熱或冷卻時存在過熱或過冷現(xiàn)象，臨界溫度分為：加熱時：Ac1、 Ac3、Accm 冷卻時：Ar1、Ar3、Arcm第7頁，

3、共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1共析鋼的奧氏體化加熱到Ac1以上時， P（F+ Fe3C)A 由Fe、C原子擴散，晶格改變而進行。A化過程 形核、長大、Fe3C溶解、A的均勻化。第8頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四亞、過共析鋼的奧氏體化PA后，先共析F、Fe3C溶解：亞共析鋼：Ac1以上，F(xiàn)+PF+AAc1Ac3，F(xiàn)+AA過共析鋼：Ac1以上，F(xiàn)e3C+PFe3C+AAc1Accm，F(xiàn)e3C+AA第9頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四A 晶粒度細而均勻的奧氏體晶粒，冷卻后組織也細，則力學性能好。影響因素加熱溫度、保溫時間

4、 晶粒粗加熱速度 過熱度大，形核率高，晶粒細。Ti、V、W、Cr等元素阻礙A晶粒長大 晶粒細。第10頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四(二)、鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變過冷A :T S T第13頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 珠 光 體 形 貌 像光鏡下形貌電鏡下形貌第14頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四光鏡形貌電鏡形貌 索 氏 體 形 貌 像第15頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 屈 氏 體 形 貌 像電鏡形貌光鏡形貌第16頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四高溫轉(zhuǎn)變過程 晶格

5、改變，F(xiàn)e、C原子擴散。第17頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四中溫轉(zhuǎn)變 C原子擴散， Fe原子不擴散過冷A 貝氏體 B（碳化物 + 含過飽和C的F ）上B， 550 350產(chǎn)物 羽毛狀，小片狀Fe3C分布在F間。上B 強度和韌性差光學顯微照片 1300電子顯微照片 500045鋼，上B+下B，400 第18頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四下B， 350 MS 產(chǎn)物下B 韌性高，綜合機械性能好。 F 針內(nèi)定向分布著細小Fe2.4C顆粒電子顯微照片 12000T8鋼，下B，黑色針狀光學顯微照片 400 第19頁，共70頁，2022年，5月20日，

6、22點31分，星期四馬氏體（M）轉(zhuǎn)變條件：冷速足夠快；溫度足夠低。M的晶體結構：體心正方的C過飽和的FM 的形態(tài)wC 1.0% 時，為片狀M 。wC = 0.21.0 % 時，為混合M 。第20頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四M 的性能固溶強化顯著：wC M 硬度片狀M 硬度高，塑韌性差。板條M 強度高，塑韌性較好。第21頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.2 鋼的普通熱處理熱處理工藝：加熱、冷卻速度，及溫度、時間等參數(shù)。毛坯生產(chǎn) 預備熱處理 機械加工 最終熱處理 機械精加工預備熱處理 : 退火 ; 正火；調(diào)質(zhì) 最終熱處理 : 淬火 ; 回火

7、；化學熱處理一般零件生產(chǎn)的工藝路線:第22頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四一、鋼的退火1.完全退火（亞共析鋼） 又稱重結晶退火，是把鋼加熱至以上2030，保溫一定時間后緩慢冷卻（隨爐冷卻或埋入石灰和砂中冷卻）。以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。目的：細化晶粒，均勻化組織降低硬度 切削性 將組織偏離平衡狀態(tài)的鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩冷卻（一般為隨爐冷卻），以獲得所需組織的熱處理工藝叫做退火。 據(jù)處理的目的和要求不同，剛的退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火和去應力退火等。第23頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四2.等溫退火A化后快冷

8、至Ar1以下等溫轉(zhuǎn)變?yōu)?P，再空冷。等溫退火與普通退火的比較目的：與完全退火相同但轉(zhuǎn)變較易控制，能獲得均勻的預期組織；對于奧氏體較穩(wěn)定的合金鋼，長可大大縮短退火時間。應用：奧氏體較穩(wěn)定的合金鋼，尤其高合金鋼。第24頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四3.球化退火（過共析鋼）使鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝在Ac1+ 2030等溫， 使Fe3C球化，再緩冷 球狀P（F +球狀Fe3C ）目的: 是使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球狀化(退火前正火將網(wǎng)狀滲碳體破碎),以降低硬度,改善切削加工性能;并為以后的淬火作組織準備.應用：硬度,切削性,韌性用于過共析鋼,如工具鋼,滾珠軸承鋼

9、等,第25頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四4.去應力退火 為消除鑄造、鍛造、焊接和機加工、冷變形等冷熱加工在工件中造成的殘留內(nèi)應力而進行的低溫退火，去應力退火是將鋼件加熱至低于的某一溫度（一般為500650），保溫，然后隨爐冷卻，這種處理可以消除約50%80%的內(nèi)應力，不引起組織變化。第26頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四二、鋼的正火應用： 1) 最終熱處理（力學性能要求不高的結構件） 細化晶粒，P量 力學性能 2) 淬火、球化退火前改善組織。 3) 降低C鋼的切削性能。加熱溫度 Ac3 ( Accm ) + 3050，空冷 S第27頁，共7

10、0頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四第28頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四鋼的退火和正火的選擇切削加工性能正火：低碳鋼、低碳合金鋼、中碳鋼。退火：c大于0.5的碳鋼中碳以上的合金鋼零件的形狀退火：形狀復雜的零件，大型鑄件。正火：操作簡便，生產(chǎn)周期短，成本低。在能滿足要求的情況下，應盡量選用正火。第29頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四三、鋼的淬火淬火加熱溫度:1) 亞共析鋼 Ac3 + 30502) 共析鋼和過共析鋼 Ac1 + 3050 ， 細M + 粒狀Fe3CII ，硬度大。 一)定義: 把零件加溫到臨界溫度以上30 50,

11、保溫一段時間,然后快速冷卻 ( 水冷 )獲得馬氏體或貝氏體的工藝方法。 第30頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四加熱時間的確定: 加熱時間包括升溫和保溫兩個階段。通常以裝爐后爐溫達到淬火溫度所需時間為升溫階段，并以此為保溫時間的開始。保溫階段指鋼件溫度均勻并完成奧氏體化所需的時間。第31頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四冷卻介質(zhì)冷卻速度： 鹽水 水 鹽浴 油淬火方法單介質(zhì)淬火：水、油冷雙介質(zhì)淬火：水冷 + 油冷分級淬火： Ms鹽（堿）浴中保溫空冷等溫淬火（ 在鹽、堿浴中） 下B 第32頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四鋼的

12、淬透性淬火時得到M深度的能力，取決于臨界冷卻速度VK 。淬硬性：淬火后獲得的最高硬度，wC淬硬性影響淬透性的因素除Co外，合金使Vk , 淬透性(a)完全淬透 (b)淬透較大厚度 (c)淬透較小厚度 淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機械性能的比較第33頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四淬透性的應用按負載，選擇不同淬透性的材料。螺栓、連桿、模具等，截面承載均勻，要全部淬透。高強螺栓柴油機連桿齒輪軸類、齒輪等，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷，不必淬透。焊件不淬透。第34頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四四、鋼的回火淬火后，加熱到Ac1以下，保溫，冷卻。目的：消除淬火應力，穩(wěn)

13、定組織，調(diào)整性能。低溫回火（150250） 回火M ( 過飽和F +薄片狀Fe2.4C ) 淬火應力 ，韌性 ，保持淬火后的高硬度。用于高C工具鋼、滾動軸承、滲碳件和表面淬火件等?；鼗餗 400 M低倍 第35頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四中溫回火（350500） 回火T (F +細粒狀Fe3C ) 彈性極限和屈服強度，韌性和硬度中等。用于彈簧、模具等?；鼗餞 7500T 1000 第36頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四高溫回火（500650） 回火S (等軸狀F +粒狀Fe3C ) 綜合機械性能最好, 即強度、塑性和韌性都較好。用于重要零

14、件。調(diào)質(zhì)處理 淬火 + 高溫回火回火S 7500S 1000 第37頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四回火產(chǎn)物的組織形態(tài)比較 回火M 400 回火T 7500回火S 7500第38頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四回火時性能的變化 回火溫度 硬度、強度 ， 塑性 第39頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四化學熱處理表面淬火1.3 鋼的表面熱處理對軸、齒輪、凸輪的機械性能要求表面：硬，耐磨，耐疲勞M心部：塑，韌，耐沖擊F，P解決思路：選材低淬透性材料工藝只改變表層組織同時改變表層組織、成分表面熱處理第40頁，共70頁，2022

15、年，5月20日，22點31分，星期四一、鋼的表面淬火 僅對鋼的表面加熱、冷卻而不改變其成分的熱處理工藝稱為表面熱處理，也叫表面淬火。目的 ： 提高表面強、硬度，保持心部良好的塑、韌性。感應加熱表面淬火材料：中C鋼、中C低合金鋼。預備熱處理：正火或調(diào)質(zhì)最終熱處理：表面淬火+低溫回火火焰加熱表面淬火（乙炔氧等火焰）第41頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四感應加熱淬火方法種類a. 高頻淬火（1050KHz）:適用于淬硬層0.5mm2mm 的小工件，如：機床齒輪，小銷等。b. 中頻淬火（100010000Hz）：適用于淬硬層2mm 15mm 的中大型工件，如軸類件。c. 工頻淬

16、火（50Hz）：適用于淬硬層15mm以上的大型工件，如軋輥等。第42頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四感應加熱適用的鋼種 中碳鋼和中碳低合金鋼，如45、40Cr、40MnB鋼等。這類鋼經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)后表面淬火，心部保持較高的綜合機械性能，而表面具有較高的硬度（50HRC）和耐磨性。第43頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四火焰加熱表面熱處理 火焰加熱表面淬火，是用乙炔-氧或煤氣-氧等火焰加熱工件表面，進行淬火。 火焰加熱表面淬火設備簡單，操作靈活，成本低等優(yōu)點。但生產(chǎn)率低，零件表面存在不同程度的過熱，質(zhì)量不穩(wěn)定。因此主要適用于單件、小批量生產(chǎn)及大型零

17、件（如大型齒輪、軸、軋錕等）的表面淬火。 第44頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四二、化學熱處理鋼在一定介質(zhì)中加熱、保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入鋼的表層，以改變表層的化學成分、組織和性能。分類 滲 C、N，C N共滲等。第45頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四.鋼的滲 C低C鋼在高C介質(zhì)中加熱到900950、保溫 高C表層（約1.0%）滲C后的熱處理:淬火+低溫回火第46頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四鋼的滲N（N化）目的：提高表面硬度、耐磨性，疲勞強度和耐蝕性。工藝特點： N化溫度低(500600)，時間長（2050h

18、），滲層薄。熱處理： N化前調(diào)質(zhì)處理、N化后無須淬火。第47頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四越王勾踐劍春秋晚期越國青銅兵器,出土于湖北江陵楚墓。 長55.7厘米， 劍鍔鋒芒犀利，鋒能割斷頭發(fā)。 吳王夫差矛 第48頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四熱處理新技術簡介1.可控氣氛熱處理2.真空熱處理3.形變熱處理4.激光熱處理和電子束熱處理第49頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四小結重點要求1四種普通熱處理的目的、工藝特點及應用。一般要求1. A晶粒長大的影響因素及控制方法。2. 淬透性的概念。3. 鋼的表面淬火；化學熱處理。

19、第50頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1. 1) 在過冷A等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中，P和T的主要相同點是：都是共析體（F + 層片狀 Fe3C）不相同點是：T的層片間距較小2) 用光學顯微鏡觀察，上B的組織特征呈（）狀，而下B則呈（）狀。 羽毛黑色針3) M的顯微組織形態(tài)主要有（）、（）兩種。其中（）的韌性較好。板條狀針狀板條 M2. 1) M是C在- Fe中的過飽和固溶體。當A向M轉(zhuǎn)變時，體積要收縮。（ ）No2) 當把亞共析鋼加熱到 Ac1 和 Ac3 之間的溫度時，將獲得由F和A構成的兩相組織。 （ ）Yes3) 當共析成分的A在冷卻發(fā)生P轉(zhuǎn)變時，溫度越低，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織

20、越粗。（ ）No習 題第51頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四3. 1) 共析鋼的過冷A在550 350的溫度區(qū)間等溫轉(zhuǎn)變時，所形成的 組織是：a. Sb. 下Bc. 上Bd. P2) M的硬度取決于：a. 冷卻速度b. 轉(zhuǎn)變溫度c. 碳含量4. M的本質(zhì)是什么？它的硬度為什么很高？是什么因素決定了它的脆性？答：M的本質(zhì)是C在- Fe中的過飽和固溶體。因為M中C的過飽和度大，固溶強化效果顯著，所以其硬度很高。高碳M的脆性大，是由于其C的過飽和度大，則內(nèi)應力大。另外，孿晶結構增加了其脆性。第52頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四1.4 熱處理工藝的

21、應用一.熱處理的技術條件 設計者根據(jù)零件的工作條件、所選用的材料及性能要求提出熱處理技術條件，標注在零件圖上。包括：熱處理方法和熱處理后應能達到的力學性能。熱處理工藝代號：5 X X X 加熱方法工藝名稱工藝類型熱處理基礎分類工藝代號附加分類工藝代號第53頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四二.熱處理工序位置的確定1 軸類零件（機床主軸）（1）分析工作條件：承受中等交變扭矩載荷、交變彎曲載荷或者是拉壓載荷；局部（軸頸、花鍵）承受摩擦和磨損。（2）失效形式：疲勞斷裂，軸頸處磨損（主要方式）；沖擊過載斷裂等（偶爾發(fā)生）（3）性能要求：高的疲勞強度；良好的綜合性能；局部高硬度；

22、（4）中碳鋼或者中碳合金鋼： 45 （40Cr） 第54頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四（5）工藝路線： 下料 鍛造 正火 粗加工 調(diào)質(zhì)(淬火+ 高溫回火) 局部表面淬火+ 低溫回火 精磨 成品； （6）組織：表面：回火馬氏體 心部：回火索氏體第55頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四2、齒輪（低碳鋼、表面滲碳）(1)工作條件: 齒輪根部承受交變彎曲應力；（傳遞扭矩時）;齒嚙合時齒面承受較大的接觸壓應力并受強烈的摩擦和磨損； 換擋、氣動、制動時齒輪承受一定的沖擊。 (2) 失效形式：齒的折斷（疲勞斷裂和沖擊過載斷裂）；齒表面磨損。 （3）性能要求

23、：高的疲勞強度和表面硬度，心部具有足夠的塑性韌性。（4）選材：低碳鋼（20，25）（5）工藝路線：下料 鍛造 正火 機加工滲碳+淬火+ 低溫回火 噴丸精磨 成品；第56頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四（6）微觀組織：表面：M回（高碳） + A（少量） “表硬” 心部：F（多） + P “心韌” 三.常見熱處理缺陷及其預防（1）鋼在加熱時出現(xiàn)的缺陷：欠熱；過熱；過燒；氧化；脫碳（2）鋼在淬火是出現(xiàn)的缺陷：淬火變形；淬火裂紋四.熱處理零件結構的工藝性第57頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四熱處理零件設計要求避免尖角 減少臺階 外形簡單 對稱 均勻第

24、58頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四第二節(jié) 聚合物材料的改性強化改性強化 通過改變高分子聚合物的結構進而改變原聚合物的力學性能，或形成具有嶄新性能的聚合物的工藝過程。同種聚合物改性強化不同聚合物共混改性強化塑料與塑料塑料中摻混橡膠 塑料的共混物也稱為聚合物合金，是一種開發(fā)新型高分子材料最有效的辦法，也是對現(xiàn)有塑料品種實現(xiàn)高性能化、精細化的主要途徑。 第59頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四作用： 所有塑料需要的性能都可通過共混改性而取得，具體可見如下幾方面。（1）綜合各共混組分性能 幾種共混組分的復合體系，可消除單一樹脂品種的缺點，互相取長補短

25、，從而達到十全十美的程度。 例如，pp具有密度小、透明性好、拉伸強度高、硬度高、耐熱性好等優(yōu)點；但其沖擊性能差， 耐應力開裂性不好。如與HDPE共混，即可保持PP原有的優(yōu)點，又可使共混物具有耐沖擊、耐應力開裂及耐低溫好等優(yōu)點。（2）改善沖擊性能 共混是塑料沖擊改性最有效的辦法。在樹脂中混入橡膠類彈性體及耐沖擊性樹脂，如CPE、ABS及MBS等，可成倍地提高沖擊強度，具體實例如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，都可改善共混體系的加工流動性能和流變特性。第60頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星

26、期四（4）降低成本 在高價樹脂中混入性能詳盡的低價樹脂，而降低復合體系的成本。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 在一般阻燃樹脂中混入高阻燃樹脂如CPE、PVC,PPO及PPS等， 可提高阻燃性；在一般阻隔樹脂中忽如高阻隔樹脂如PA,PET,EVOH,PVDC及PAN等，可提高其阻隔性； 在一般樹脂中混入高吸水性樹脂或?qū)щ娋酆衔?，可改善其抗靜電性能；其他如硬度、柔性、耐磨、光澤、增韌、耐熱等改性，都可用共混方法實現(xiàn)。 與添加改性方法相比，共混改性方法的改性效果往往不如添加改性效果明顯。當然，有些改性，如共混沖擊改性例外。塑料共混物的結構： 塑料共混物

27、的結構形態(tài)是決定共混物性能的最基本因素之一。共混物是由兩種或兩種以上聚合物組成，且復合體系為熱力學不相容體系，因而其具體組成可分為兩個或兩個以上相。第61頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四第三節(jié) 工程材料的表面處理方法表面處理利用各種表面涂鍍層及表面改性技術，賦予基體材料本身所不具備的特殊力學、物理和化學性能，從而滿足特定的要求。表面技術通過一些物理、化學工藝方法使材料表面具有與基體材料不同的組織結構、化學成分和物理狀態(tài)，從而使表面具有與基體材料不同的性能的技術。 經(jīng)過表面處理后的材料，其基體材料的化學成分和力學性能并未發(fā)生變化(或未發(fā)生大的變化)，但其表面卻具有一些特

28、殊性能，如高的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性、耐熱性、導電性、電磁特性、光學性能等。 第62頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 表面工程技術的種類繁多，可以按表面技術的工藝特點分為以下幾類： 表面強化處理表面防腐和表面處理表面裝飾加工 表面覆蓋層強化法表面形變強化法表面熱處理強化法表面復合處理強化法第63頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四 把工件置于裝有電鍍液的鍍槽中，工件接直流電源的負極，作為陰極。陽極板接直流電源的正極，鍍液中金屬離子在陰極上得到電子還原成金屬原子，工件表面得到電鍍層。電鍍示意圖電鍍和化學鍍第64頁，共70頁，2022年，5月20日，22點31分，星期四普通電鍍的過程： （1）金屬的水合離子或絡離子從溶液內(nèi)部遷移到陰極界面； （2）金屬水合離子脫水或絡離子解離，金屬離子在陰極上得到電子發(fā)生還原反應生成金屬原子； （3）還原的原子進入晶格結點。電鍍層的功用：防護性鍍層；修復性鍍層；裝飾性鍍層；特殊性鍍層 電刷鍍 電刷鍍是電鍍的一種特殊方式，不用鍍槽，只需在不斷