第三章 熱處理與表面工程技術

主講人：于美杰副教授Tel：88396181Email：yumeijie@

工程材料與機械制造基礎第三章熱處理與表面工程技術本章基本要求了解熱處理的原理，了解熱處理后的組織變化；掌握熱處理“四把火”工藝特點、用途，區(qū)別與聯(lián)系；（重點：鋼的熱處理）了解常用表面工程技術及其應用（擴展知識面）。第一節(jié)鋼的熱處理

什么是鋼的熱處理？在固態(tài)下將鋼加熱到一定溫度，進行必要的保溫，以適當?shù)睦鋮s速度冷至室溫，改變鋼的組織結構和性能的工藝方法。熱處理目的：提高金屬材料的力學性能，延長零件使用壽命。消除毛坯中的缺陷，改善工藝性能，為其他工藝處理（如鍛造、焊接、切削等）做組織準備。熱處理方法普通熱處理表面熱處理第三章熱處理與表面工程技術HeatTreatmentofSteels提高強度、硬度增加塑性、降低硬度正火淬火回火退火第一節(jié)鋼的熱處理

一、

鋼在加熱和冷卻時的組織結構轉變組織轉變的

臨界溫度HeatTreatmentofSteels（1）平衡條件下

A3、Acm、A1（2）實際生產(chǎn)中加熱：Ac3、Accm、Ac1冷卻：Ar3、Arcm、Ar1加熱和冷卻速度越大，相變溫度偏離平衡臨界點的程度也越大，即過熱度和過冷度越大。

鋼的固態(tài)相變第三章熱處理與表面工程技術第一節(jié)鋼的熱處理1.鋼在加熱時的組織結構轉變大多數(shù)熱處理工藝都是將鋼加熱至臨界溫度以上，奧氏體區(qū)域，使其室溫組織（全部或部分）轉變?yōu)榫鶆驃W氏體，即“奧氏體化”。以共析鋼為例當加熱至Ac1時，

奧氏體形核奧氏體長大A成分均勻化HeatTreatmentofSteelsP（F＋Fe3C）A體心立方復雜結構面心立方奧氏體的形成過程第三章熱處理與表面工程技術第一節(jié)鋼的熱處理

HeatTreatmentofSteelsA形核：晶核易于在F和Fe3C相界面形成，由于原子排列呈過渡態(tài)，晶格畸變。(b)A長大：①F→A（先完成）；②

Fe3C溶解。原理：原子擴散(c)殘余Fe3C溶解：殘余Fe3C溶入A(d)A均勻化：保溫，碳擴散使A的含C量趨于均勻。

第三章熱處理與表面工程技術界面形核異構轉變?nèi)芴季鶆蚧谝还?jié)鋼的熱處理2.鋼在冷卻時的組織結構轉變（冷卻曲線）連續(xù)冷卻:使奧氏體化后的鋼，在溫度連續(xù)下降的過程中發(fā)生組織轉變。如水冷、油冷、爐冷、空冷。等溫冷卻：將奧氏體化后的鋼迅速冷卻到A1以下某一溫度（A1以下存在的不穩(wěn)定奧氏體稱過冷奧氏體），保溫，使A在等溫狀態(tài)下發(fā)生組織轉變，然后再冷卻下來。（鹽?。?/p>

產(chǎn)物：珠光體類（A1～550℃）貝氏體（550～230℃）馬氏體（230～-50℃）HeatTreatmentofSteels第三章熱處理與表面工程技術第一節(jié)鋼的熱處理

冷卻曲線HeatTreatmentofSteels第三章熱處理與表面工程技術第一節(jié)鋼的熱處理共析鋼等溫冷卻TTT曲線（TimeTemperatureTransformation）HeatTreatmentofSteels第三章熱處理與表面工程技術第一節(jié)鋼的熱處理

共析鋼等溫冷卻產(chǎn)物第一章工程材料導論HeatTreatmentofSteels轉變類型

轉變溫度

／℃轉變產(chǎn)物符號

顯微組織特征

硬度HRC高溫轉變Ac1～650珠光體P鐵素體與粗片狀滲碳體混合物<25650～600索氏體S600倍光學金相顯微鏡下才能分辨的細片狀珠光體25～35600～550托氏體/屈氏體T在光學金相顯微鏡下已無法分辨的極細片狀珠光體35～40中溫轉變550～350上貝氏體B上F與微小Fe3C的混合物織羽毛狀組織40～45350～Ms下貝氏體B下黑色針狀或稱竹葉狀組45～55低溫轉變230～－50馬氏體＋殘余奧氏體M＋A碳在α-Fe中的過飽和固溶體針狀62～65第五節(jié)鋼的熱處理P、S、T的顯微組織HeatTreatmentofSteelsPTS第三章熱處理與表面工程技術第一節(jié)鋼的熱處理連續(xù)冷卻產(chǎn)物由于生產(chǎn)中連續(xù)冷卻曲線不易獲得,所以通常將冷卻速度線疊加到等溫轉變C曲線,來大致估計冷卻后獲得什么組織第一章工程材料導論HeatTreatmentofSteels特點：無B轉變,因冷卻速度快,無孕育期；晶粒粗細不等,組織為混合組織第一節(jié)鋼的熱處理

二、

鋼的基本熱處理工藝退火：將鋼加熱到一定溫度，保溫一定時間，隨后在爐中緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的一種熱處理方法。正火：將鋼加熱到Ac3線（亞共析鋼）、Ac1線（共析鋼）、Accm線(過共析鋼）以上30～50℃，保溫一定時間后，出爐在空氣中冷卻的熱處理方法。淬火：將鋼加熱到Ac3線（亞共析鋼）、Ac1線（共析鋼和過共析鋼）以上30～50℃，保溫后在水或油中迅速冷卻的熱處理方法?；鼗穑簩⒋慊鸷蟮匿撝匦录訜嶂罙c1線以下的某一溫度，保溫后在空氣中冷卻的一種熱處理方法。注意：淬火與回火成對使用。HeatTreatmentofSteels第三章熱處理與表面工程技術第一節(jié)鋼的熱處理

（1）退火（A均勻化）目的：降低硬度，以利于切削加工；細化晶粒，均勻組織、改善性能；增加塑性和韌性，消除內(nèi)應力；為淬火作好組織準備。完全退火用于亞共析鋼加熱到Ac3線以上30～50℃球化退火（不完全退火）用于共析、過共析鋼和鑄鐵件加熱到Ac1線以上10～20℃，碳化物球化均勻化退火（擴散退火）HeatTreatmentofSteels去應力退火加熱到Ac1以下某一溫度(約500~650℃)保溫后緩冷再結晶退火加熱到約650~750℃后空冷消除加工硬化完全A化未發(fā)生相變第三章熱處理與表面工程技術將鋼錠、鑄件加熱至略低于固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學成分不均勻現(xiàn)象。未發(fā)生相變第一節(jié)鋼的熱處理

（2）正火目的：提高硬度、改善切削加工性對重要件：為淬火作準備與退火的區(qū)別：組織不同（S／P）硬度略高，切削性能好消除內(nèi)應力不如退火徹底不占用設備HeatTreatmentofSteels完全A化亞共析：Ac3共析：Ac1過共析：Accm＋30～50℃第三章熱處理與表面工程技術第一節(jié)鋼的熱處理HeatTreatmentofSteels第三章熱處理與表面工程技術第一節(jié)鋼的熱處理

（3）淬火（A→M）目的：提高硬度、耐磨性應用：工具、模具、量具、滾動軸承馬氏體（M）：碳在α-Fe中的過飽和固溶體。

HeatTreatmentofSteels亞共析：Ac3共析：Ac1過共析：Ac1＋30～50℃第三章熱處理與表面工程技術第一節(jié)鋼的熱處理

（4）回火（與淬火并用，重新加熱至Ac1以下）工藝：將淬火后的鋼重新加熱到A1以下溫度，保溫，然后置于空氣或水等介質(zhì)中冷卻。目的消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)應力降低脆性、提高韌性調(diào)整硬度、防止開裂變形分類低溫回火：150～250℃，保持高硬度、耐磨性，高碳鋼中溫回火：250～500℃，降低脆性、提高彈性，一般碳鋼高溫回火：500～650℃，獲得較好的強、硬、塑、韌綜合性能，中碳鋼、結構件。調(diào)質(zhì)處理：淬火＋高溫回火HeatTreatmentofSteels回火馬氏體M回火托氏體T回火索氏體S第三章熱處理與表面工程技術第一節(jié)鋼的熱處理

三、其他熱處理方法1.表面淬火將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，僅使表面層獲得淬火組織的熱處理方法。

(1)感應加熱表面淬火法

(2)火焰加熱表面淬火

2.化學熱處理將金屬工件放入一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝叫做化學熱處理。分為滲碳、滲氮、碳氮共滲等。

3.形變熱處理形變熱處理是將塑性變形和熱處理工藝有機結合，以提高材料力學性能的復合工藝。HeatTreatmentofSteels第三章熱處理與表面工程技術第二節(jié)金屬間化合物熱處理略

并不是所有材料都與鋼材一樣,有些材料如Fe3Al金屬間化合物,其原始硬度和強度較高，（可加工性差），但采用急冷處理后強度、硬度下降，加工性能得到改善。HeatTreatmentof

intermetallics第三章熱處理與表面工程技術第三節(jié)非金屬材料熱處理一、玻璃的熱處理退火：包括加熱、均熱、慢冷和快冷四個階段目的：降低或消除熱應力晶化退火：將非晶態(tài)的原始玻璃經(jīng)過適當?shù)耐嘶鸷螽a(chǎn)生部分結晶態(tài)組織的熱處理工藝微晶玻璃／玻璃陶瓷目的：提高斷裂韌性，由于晶界阻礙裂紋擴展淬火：又稱物理鋼化，是指將玻璃制品加熱至轉變溫度Tg以上50-60℃，然后在冷卻介質(zhì)中急速均勻冷卻的過程表層有壓應力層，內(nèi)部有相互平衡的應力分布；彎曲強度提高抗沖擊強度提高承受冷熱突變能力提高第三章熱處理與表面工程技術第三節(jié)非金屬材料熱處理第三章熱處理與表面工程技術第三節(jié)非金屬材料熱處理二、陶瓷的熱處理陶瓷的抗熱震性能較枯，一般采用緩慢冷卻的退火方式，目的：去除熱應力、消除加工缺陷、改變晶界相、減少玻璃相，改善性能?；瘜W熱處理（如表面滲氮增韌）第三章熱處理與表面工程技術氧化鋯增韌莫來石（ZTM）復相陶瓷第四節(jié)表面工程技術表面工程技術分類表面涂鍍：有機涂裝、熱噴涂、電鍍、化學鍍、氣相沉積表面擴滲：化學熱處理、表面合金化等表面處理：表面淬火、噴丸處理等（一）熱噴涂熱噴涂技術是采用氣體、液體燃料或電弧、等離子弧、激光等作熱源，使金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它們的復合材料等噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，通過高速氣流使其霧化，然后噴射、沉積到經(jīng)過預處理的工件表面，從而形成附著牢固的表面層的加工方法。第三章熱處理與表面工程技術第四節(jié)表面工程技術幾種不同熱源的熱噴涂方法火焰噴涂電弧噴涂等離子噴涂第三章熱處理與表面工程技術第四節(jié)表面工程技術（二）電鍍、化學鍍、電刷鍍電鍍：是一種用電化學方法在鍍件表面上沉積所需形態(tài)的金屬覆層工藝?；瘜W鍍：是指在沒有外電流通過的情況下，利用化學方法使溶液中的金屬離子還原為金屬并沉積在基體表面，形成鍍層的一種表面加工方法。電刷鍍第三章熱處理與表面工程技術第四節(jié)表面工程技術（三）熱浸鍍將工件浸在熔融的液態(tài)金屬中，在工件表面發(fā)生一系列物理和化學反應，取出冷卻后表面形成所需的金屬鍍層。熱浸鍍工藝熔劑法工藝流程為：預鍍件—堿洗—水洗—酸洗—水洗—熔劑處理—熱浸鍍—鍍后處理—成品保護氣體還原法2．熱浸鍍層的種類常用的鍍層金屬是低熔點金屬及其合金，如錫、鋅、鋁、鉛、A1—Sn、Al-Si、Pb—Sn第三章熱處理與表面工程技術第四