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1、4.5金属材料的强化与表面处理金属材料的强化与表面处理强化的原理 大部分金属材料属于塑性材料，其塑性变形是靠位错的运动而发生任何阻止位错运动的因素都可以成为提高金属材料强度的途径。消除内部位错和其他缺陷引入大量缺陷主要方式细晶强化固溶强化加工硬化(位错强化)沉淀强化(时效强化) 细晶强化： 合金的晶粒越细小，内部的晶粒和晶界的数目就越多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能量高这一特点，对材料进行强化。 在上图中，低碳钢的s 与晶粒直径平方根的倒数呈线性关系，可用下式表示： s 0+Kd1/2 HallPetch公式细晶强化理论的提出： （1）针对不同常规材料，探索抑制其晶粒长大的办法
2、。 （2）在世界范围掀起了研究纳米材料的狂潮。 可以实现在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性和韧性，获得最佳的强韧性配合。 固溶强化： 当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的增加，其塑性变形抗力大大提高，表现为强度和硬度上升，塑性和韧性值下降。 固溶强化的实质：晶体结构中的弹性交互作用、 电 交互作用和化学交互作用。其中最主要的是：溶质 原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。不同溶质原子在位错周围的分布状态溶质原子与位错弹性交互作用的结果，使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变，降低体系的能量。（它对位错有“钉扎”作用） 加工硬化(位错强化)： 加工硬化是指金属材料随着塑性变
3、形程度的增加，强度、硬度升高；塑性、韧性下降的现象。加工硬化（冷变形）是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。加工硬化的实质： 是金属塑性变形时内部产生滑移，使晶粒变形和细化亚组织，因而产生大量的位错，晶格严重畸变，内部应力增加，其宏观效应就是加工硬化。 沉淀强化（时效强化）： 时效强化是指获得过饱和固溶体后，在一定温度下保温析出过渡相、第二相等而实现对材料强化的方法。条件：固溶度随温度的下降而降低第二相的强化机制：绕过机制切割机制弥散强化机制加入粉末相的烧结、内氧化金属强韧化的常用方法钢的热处理普通热处理表面热处理铝合金的时效强化 钢的普通热处理 退火 将钢加热到一定温度进行保温，缓冷至6
4、00以下，再空冷至室温的热处理工艺。各种退火和正火的一般加热范围常用退火工艺制度小结 正 火 正火将钢加热到AC3以上温度并保温，出炉空冷至室温的热处理工艺。由于正火比退火加热温度略高，冷却速度大，故珠光体的分散度大，先共析铁素体的数量少，因而正火后强度、硬度较高。正火的应用： 用正火作为性能要求的一般结构件的最终热处理。 亚共析钢采用正火来调整硬度，改切削加工性能。 过共析钢的正火可消除网状碳化物。 淬 火1、定义：淬火是将钢加热到AC1或 AC3以上温度并保温，出炉快速冷却，使获得马氏体的热处理工艺。马氏体形成过程示意图 回 火1、定义：回火是把淬火后的钢件，重新加热到A1以下某一温度，经
5、保温后空冷至室温的热处理工艺。2、目的：淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。 回火的目的是降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。低温回火一般用来处理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。（HRC60）3、回火的种类：1）低温回火（150250）3）高温回火（500650） 回火的目的是具备良好的综合机械性能（较高的强度、塑性、韧性），得到回火索氏体组织。一般把淬火加高温回火的热处理称为“调质处理”。适用于中碳结构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺
6、栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件。（25HRC35） 钢的表面热处理钢的表面淬火 表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。2、感应表面淬火：感应加热表面淬火的特点： 淬火温度高于一般淬火温度。 淬火后马氏体晶粒细化，表层硬度比普通淬火高23HRC。 表层存在很大的残余压应力。 不易产生变形和氧化脱碳。 易于实现机械化与自动化。感应加热淬火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行170200低温回火。 感应加热是利用电磁感应原理，表层感应电流密度大，温度高；心部几乎不受热。 钢的化学热处理是指将工件放在一定温
7、度的活性介质中保温，使介质中分解出的一种或几种元素的活性原子被钢件表面吸附并向表层扩散，从而改变其表层化学成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。 钢的化学热处理基本过程： 钢件加热时，化学介质分解出渗入元素的活性原子； 活性原子被钢件表面吸附和溶解； 原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。 种类： 渗碳 渗氮 碳氮共渗 将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子1、钢的渗碳：渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面获得高碳回火马氏体，具有高硬度、耐磨性和抗疲劳性能；而心部为低碳回火马氏体或索氏体，具有一定的强度和良好的韧性配合。气体渗碳示意图渗碳方法：气体渗碳固体渗碳液体渗碳目前广泛应用2、钢的渗氮： 渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面，在钢件表面获得一定深度的富氮硬化层的热处理工艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。 碳氮共渗新介质的研制是金属热处理研究的一个重要领域。 早期使用的NaCN等氰盐均有剧毒，现已禁用。新一代碳氮共渗介质往往同时考虑工艺性能和环保两方面的因素。常用的介质是煤气和氨气的混合物。3、钢的碳氮共渗（氰化）： 碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，也俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。
