第4章 热处理与表面工程技术
钢的热处理及表面处理技术
• M体转变特点：
• ①无扩散型转变 • ②降温形成:连续冷却完成 • ③瞬时性 • ④转变的不完全性
Fe-1.8CF，e-1冷.8至C，-10冷0℃至-60℃
M形成时体积↑，造成很大 内应力。
• 冷处理：P42
1)无扩散 Fe 和 C 原子都不进展扩散，M是C过饱 和的体心立方的F体，固溶强化显著。
↓ • 总结：A体晶粒越粗大，那么晶界越少，
形核几率越小，那么A体越稳定，C曲线 右移。淬透性越好
• 三、钢的淬透性
• 〔三〕淬透性的测 定
四、钢的回火〔P127〕
1．概念(Conception)
将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度， 保温后冷却下来的一种热处理工艺。
2.目的(purpose) 〔1〕稳定工件组织、性能和尺寸 〔2〕减小或消除剩余应力，防止工件的 变形和开裂 〔3〕降低工件的强度、硬度，提高其塑 性和韧性，以满足不同工件的性能要求
C %↑→ M 硬度↑， 片状M 硬度高，塑韧性差。板条M 强度高，塑韧性较好
二、共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变
共
析
碳
钢
连
续
冷
却
水淬
无
M+AR
B
体
转变终止线
P 退火
T
S 正火
T+ 油淬 M
亚共析钢连续冷却转变 过共析钢连续冷却转变
炉冷→ F + P 空冷→ F(少量) + S 油冷→ T + M+AR 水冷→ M +AR
(三〕淬透性的测定
〔一〕钢的淬透性与淬硬性的概念
• 淬透性：钢在淬火时能够获得M体的能力，它是 钢材本身固有的属性，主要取决于M体的临界冷 却速度
表面工程技术
电子束产生及工作示意图
1-工作台 2-加工室 3-电磁透镜 4-阳极 5-栅极 6-灯丝 7-电源 8-电子束 9 偏转线圈 10-工件 4
3、离子注入表面改性 •可注入任何元素，不受固溶 度和扩散系数影响； •离子注入温度易控制； •不氧化、不变形、不软化， 可作最终处理工艺。 •可控性、重复性好。 •可获得两层以上复合材料， 复合层不易脱落。 离子注入装置示意图
表面工程技术
机械0821 机械0821
1
表面工程技术
1.表面改性技术 1.表面改性技术 2.表面覆层技术 2.表面覆层技术 3.复合表面处理技术 3.复合表面处理技术
2
一. 表面改性技术
1、激光表面改性 是以高能量的激光 束快速扫描工件表面 ， 升 温 速 度 可 达 105106ºC/s ， 冷 却 速 度 104ºC/s,快速自冷淬火, 比常规淬火硬度高1520%，淬火变形非常小 ，表面无须保护。
7
三.
复合表面处理技术
1. 复合热处理技术 •渗钛与离子渗氮复合热处理； •渗碳、渗氮、碳氮共渗； •液体碳氮共渗与高频感应加热表面淬火的复合强化； •激光与离子渗氮复合处理； 2. 表面覆层技术与其他表面处理技术的复合； 3. 离子辅助涂覆； 4. 离子注入与气相沉积复合表面改性。
8
谢谢
9
1-离子源 2-质量分析器 3-高压电极 4-加速管 5-聚焦电极 6-X扫描电极 7-Y扫描电极 8-中性束 9-式样室
5
二. 表面覆层技术
1. 热ห้องสมุดไป่ตู้涂技术
粉末火焰喷涂
大气等离子喷涂
爆炸喷涂
6
2. 气相沉积技术 物理气相沉积PVD 将镀料气化成原子、分子或离子， 直接沉积到基体表面。 •真空蒸镀 将工件放入真空室内加热，使镀膜材料 蒸发或升华，飞至工件表面凝聚成膜； •溅射镀膜 用荷能粒子轰击材料表面，使其获得足 够能量，飞溅变为气相，在基体表面上沉积； •离子镀膜 利用气体放电使物质离子化，在气体离 子轰击下把蒸发物沉积在基体上成膜。 •化学气相沉积CVD 借助气相作用和在基体表面上的 化学反应生成所要求的薄膜。
表面工程学-第四章
表面淬火和表面形变强化技术
在表面工程技术中，不需要外加其它材料，主要依靠材料自身组 织与结构转变来进行表面改性的工艺主要有两类： 一、表面淬火与退火技术 二、表面形变强化技术 特点：工艺简单、效果显著、应用广泛
一
（一）原理：
表面淬火技术
定义： 采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3（对亚共析钢）或者Ac1（对 过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的 工艺过程。 注意：凡是能通过整体淬火强化的金属材料，原则上都可以进行表面淬火。
注：P/(Dv)称为比能量，物理意义为单位面积激光作用区注入的激光能量
(3)表面预处理状态 • 表面组织准备：
通过调制处理等手段，获得较 细的材料表面组织(细片状珠光体、 回火马氏体或奥氏体)
•
表面“黑化”处理：
磷化法、氧化法、喷刷涂料法、 镀膜法
二、激光表面熔凝技术原理
定义：
采用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，当激光束移开后由于基材 内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的表面处理工艺。(液相淬
2．受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响 (1)对材料表面硬度的影响：
表面硬度可大幅度提高，且硬化层深度最高 可达0.8mm
(2)对表面粗糙度的影响：
表面粗糙度对其疲劳寿命影响很大， 降低表面粗糙度可以增加零件的疲劳强度。 受控喷丸以后的表面痕迹没有方向性， 有利于增加零件的疲劳强度。
(3)对疲劳寿命与抗应力腐蚀能力的影响：
三、适用范围：
主要用于单件、小批量生产及大型齿轮、轴、轧辊、导轨等
四、组织特征：过渡区较宽
第三节
激光淬火与电子束淬火技术
一、激光淬火技术的原理及应用：
表面工程技术
表面改性技术。实际上“表面改性”是一个具有较为广泛涵义的技术名词，
第 5 讲 表面工程技术
·341·
它可泛指“经过特殊表面处理以得到某种特殊性能的技术”。因此，有许多表 面涂镀层技术或薄膜技术也可看作表面改性技术。为了使各类技术归类完整， 这里所说的表面改性技术是指“表面覆盖”以外的，通过用机械、物理、化 学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态 或应力状态，来获得某种特殊性能的表面处理技术。
涂层材料品种的发展也很快，已有单一金属、多种合金、高分子聚合物、 工程塑料、合成橡胶、陶瓷、金属陶瓷、无机硅酸盐及具有特殊光、磁、电 性能等等材料。同时制造涂层和薄膜的工艺技术和工艺方法亦愈来愈多，有 电沉积、化学沉积、真空沉积、浸镀、刷镀、静电喷涂、电泳、电弧喷涂、 等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、热熔敷、激光熔覆等。各类制造涂层 与薄膜的工艺技术促进了相应工程装备的发展，工程技术界不断推陈出新， 各类加工制造用设备愈来愈先进。
3. 常见表面技术的原理与应用
在上述三大类表面技术中，每一类又可分为多种技术，下面仅就几种常 见的利用化学或物理化学原理的表面技术及应用作一简单介绍。
3.1 涂料
涂料(coating)是一种用于涂装物体表面形成涂膜，从而起到保护、装饰、 标志和其他特殊功能（如绝缘、防污、减阻、隔热、耐辐射、导电、导磁等） 的材料。
我国于 1987 年由中国机械工程学会建立了学会性质的表面工程研究所， 1988 年《中国表面工程》杂志在中国创刊，1997 年经国家科委正式批准更名 为《中国表面工程》，面向国内外公开发行，2000 年，全国焊接学会将原来 的“堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。 从 1989 年召开了第一届全国表面工程学术交流会起，以后每两年召开一次， 并先后于 1997 年 11 月和 1999 年 10 月在上海召开了第一届及第二届表面工 程国际会议。与此同时，我国的大专院校、科研院所、工矿企业也相继建立 了数以百计的以“表面工程”或“表面技术”冠名的研究机构，从而使表面 工程的发展达到了一个新的高度。图 1 列出了表面工程产业的概览。
金属工艺学各章节习题、测试题(含答案)
第一部分章节习题第一章金属的力学性能一、填空题1、金属工艺学是研究工程上常用材料性能和___________的一门综合性的技术基础课。
2、金属材料的性能可分为两大类:一类叫_____________,反映材料在使用过程中表现出来的特性,另一类叫__________,反映材料在加工过程中表现出来的特性。
3、金属在力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及力—应变关系的性能,叫做金属________。
4、金属抵抗永久变形和断裂的能力称为强度,常用的强度判断依据是__________、___________等。
5、断裂前金属发生不可逆永久变形的能力成为塑性,常用的塑性判断依据是________和_________。
6、常用的硬度表示方法有__________、___________和维氏硬度。
二、单项选择题7、下列不是金属力学性能的是()A、强度B、硬度C、韧性D、压力加工性能8、根据拉伸实验过程中拉伸实验力和伸长量关系,画出的力——伸长曲线(拉伸图)可以确定出金属的()A、强度和硬度B、强度和塑性C、强度和韧性D、塑性和韧性9、试样拉断前所承受的最大标称拉应力为()A、抗压强度B、屈服强度C、疲劳强度D、抗拉强度10、拉伸实验中,试样所受的力为()A、冲击B、多次冲击C、交变载荷D、静态力11、属于材料物理性能的是()A、强度B、硬度C、热膨胀性D、耐腐蚀性12、常用的塑性判断依据是()A、断后伸长率和断面收缩率B、塑性和韧性C、断面收缩率和塑性D、断后伸长率和塑性13、工程上所用的材料,一般要求其屈强比()A、越大越好B、越小越好C、大些,但不可过大D、小些,但不可过小14、工程上一般规定,塑性材料的δ为()A、≥1%B、≥5%C、≥10%D、≥15%15、适于测试硬质合金、表面淬火刚及薄片金属的硬度的测试方法是()A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上方法都可以16、不宜用于成品与表面薄层硬度测试方法()A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上方法都不宜17、用金刚石圆锥体作为压头可以用来测试()A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上都可以18、金属的韧性通常随加载速度提高、温度降低、应力集中程度加剧而()A、变好B、变差C、无影响D、难以判断19、判断韧性的依据是()A、强度和塑性B、冲击韧度和塑性C、冲击韧度和多冲抗力D、冲击韧度和强度20、金属疲劳的判断依据是()A、强度B、塑性C、抗拉强度D、疲劳强度21、材料的冲击韧度越大,其韧性就()A、越好B、越差C、无影响D、难以确定三、简答题22、什么叫金属的力学性能?常用的金属力学性能有哪些?23、什么是疲劳断裂?如何提高零件的疲劳强度?四、计算题24、测定某种钢的力学性能时,已知试棒的直径是10mm,其标距长度是直径的五倍,Fb=33.81KN,Fs=20.68KN,拉断后的标距长度是65mm。
机械设计手册(第五版)目录
目录机械设计手册（最新第五版）（第1卷）第1篇一般设计资料第1章常用基础资料和公式第2章铸件设计的工艺性和铸件结构要素第3章锻造和冲压设计的工艺性及结构要素第4章焊接和铆接设计工艺性第5章零部件加工设计工艺性与结构要素第6章热处理第7章表面技术第8章装配工艺性第9章工程用塑料和粉末冶金零件设计要素第10章人机工程学有关功能参数第11章符合造型、载荷、材料等因素要求的零部件结构设计准则第12章装运要求及设备基础参考文献第2篇机械制图、极限与配合、形状和位置公差及表面结构第1章机械制图第2章极限与配合第3章形状和位置公差第4章表面结构第5章孔间距偏差参考文献第3篇常用机械工程村料第1章黑色金属材料第2章有色金属材料第3章非金属材料第4章其他材料及制品第4篇机构第1章机构分析的常用方法第2章基本机构的设计第3章组合机构的分析与设计第4章机构参考图例参考文献机械设计手册（最新第五版）（第2卷）第5篇连接与紧固第6篇轴及其连接第7篇轴承第8篇起重运输机械零部件第9篇操作件、小五金及管件机械设计手册（最新第五版）（第3卷）第10篇润滑与密封第1章润滑方法及润滑装置第2章润滑剂第3章密封第4章密封件参考文献第11篇弹簧第1章弹簧的类型、性能与应用第2章圆柱螺旋弹簧第3章截锥螺旋弹簧第4章蜗卷螺旋弹簧第5章多股螺旋弹簧第6章碟形弹簧第7章开槽碟形弹簧第8章膜片碟簧第9章环形弹簧第10章片弹簧第11章板弹簧第12章发条弹簧第13章游丝第14章扭杆弹簧第15章弹簧的特殊处理及热处理第16章橡胶弹簧第17章橡胶-金属螺旋复合弹簧（简称复合弹簧）第18章空气弹簧第19章膜片第20章波纹管第21章压力弹簧管参考文献第12篇螺旋传动、摩擦轮传动第1章螺旋传动第2章磨擦轮传动参考文献第13篇带、链传动第1章带传动p747~6带传动的张紧及安装p838第2章链传动p843~参考文献第14篇齿轮传动第1章渐开线圆柱齿轮传动第2章圆弧圆柱齿轮传动第3章锥齿轮传动第4章蜗杆传动第5章渐开线圆柱齿轮行星传动第6章渐开线少齿差行星齿轮传动第7章销齿传动第8章活齿传动第9章点线啮合圆柱齿轮传动第10章塑料齿轮参考文献机械设计手册（最新第五版）（第4卷）目录第15篇多点啮合柔性传动第16篇减速器、变速器第17篇常用电机、电器及电动（液）推杆与升降机第18篇机械振动的控制及利用第19篇机架设计第20篇塑料制品与塑料注射成型模具设计机械设计手册（最新第五版）（第5卷）目录第21篇液压传动第1章基础标准及液压流体力学常用公式第2章液压系统设计第3章液压基本回路第4章液压工作介质第5章液压泵和液压马达第6章液压缸第7章液压控制阀第8章液压辅助件及液压泵站第9章液压传动系统的安装、使用和维护参考文献第22篇液压控制第1章控制理论基础第2章液压控制概述第3章液压控制元件、液压动力元件、伺服阀第4章液压伺服系统的设计计算第5章电液比例系统的设计计算第6章伺服阀、比例阀及伺服缸主要产品简介参考文献第23篇气压传动第1章基础理论第2章压缩空气站、管道网络及产品第3章压缩空气净化处理装置第4章揟动执行元件及产品第5章方向控制阀、流体阀、湻控制阀及阀岛第6章电-气比例/伺服系统及产品第7章真空元件第8章传感器第9章气动辅件第10章新产品、新技术第11章气动系统第12章气动相关技术标准及资料第13章气动系统的维护及故障处理。
机械基础复习资料金属材料和热处理含习题答案
第二部分 机械基础第四章 金属材料和热处理本章重点1．掌握：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度的含义。
2．了解：工艺性能的含义。
3．了解：热处理的概念及目的。
4．熟悉：退火、正火、淬火、回火，表面热处理的方法。
5．掌握：碳素钢的概念、分类、牌号的表示方法及性能。
6．掌握：合金钢的牌号及表示方法。
7．熟悉：铸铁分类牌号及用途。
本章内容提要一．金属材料的性能1．物理、化学性能物理性能是指金属材料的密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等具有物理特征的一些性能。
化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。
如：耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。
2．金属材料的机械性能金属材料在外力作用下所表现出来的性能就是力学性能。
主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
（1）强度强度是材料在静载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。
可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度。
常用的强度是抗拉强度。
工程上常用的强度指标是屈服点和抗拉强度。
（2）塑性塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形的能力。
常用塑性指标是伸长率和断面收缩率。
伸长率：是指试样拉断后的伸长与原始标距的百分比。
式中，L 0表示试样原长度（mm ），L 1表示试样拉断时的长度（mm ）。
断面收缩率：是指试样拉断后，缩颈处横截面积（A 1）的最大缩减量与原始横截面积（A 0）的百分比。
（3）硬度硬度是金属材料表面抵抗比它更硬的物体压入时所引起的塑性变形能力；是金属表面局部体积内抵抗塑性变形和破裂的能力。
目前最常用的硬度是布氏硬度（HB ）、洛氏硬度（HRC 、HRB 、HRA ）和维氏硬度（HV ）。
（4）韧性1o o 100%L L L -=⨯δ010A A 100%A -=⨯ψ韧性是脆性的反意，指金属材料抵抗冲击载荷的能力。
工程技术上常用一次冲击弯曲试验来测定金属抵抗冲击载荷的能力。
（5）疲劳强度疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下不发生断裂的最大应力。
一般规定，钢铁材料的应力循环次数取108，有色金属取107。
表面技术
电刷镀应用 T68镗床主轴 例1：T68镗床主轴 材料为铸钢, 长约一米, 材料为铸钢, 长约一米, 轴颈表面大面积划 采用电刷镀进行修复。 伤。采用电刷镀进行修复。 表面清理后，进行电净、活化。 表面清理后，进行电净、活化。 用特殊镍打底层， 用特殊镍打底层，用快速镍增加镍层厚度至 要求尺寸，抛光后装机使用。 要求尺寸，抛光后装机使用。 工艺简单、成本低廉，镀层和基体结合良好， 工艺简单、成本低廉，镀层和基体结合良好， 耐磨性好。 耐磨性好。 主轴修复后，满足使用要求。 主轴修复后，满足使用要求。
等离子喷涂原理图
四、工程应用 ●热喷涂材料 金属材料 锌、铝、铜、铁、镍以及自熔合 金等。自熔合金含有硼、 降低合金熔点， 金等。自熔合金含有硼、硅，降低合金熔点，获 得较宽的液相和固相温度区间，脱氧。 得较宽的液相和固相温度区间，脱氧。 金属氧化物、碳化物、硼化物等。 陶瓷材料 金属氧化物、碳化物、硼化物等。 具有熔点高、硬度高、性能脆等特点。 具有熔点高、硬度高、性能脆等特点。 用于材料表面的强化、提高耐磨、 ●应用 用于材料表面的强化、提高耐磨、 耐蚀性，也可用于磨损件的表面修复。 耐蚀性，也可用于磨损件的表面修复。 如油田抽油机主轴轴颈磨损， 如油田抽油机主轴轴颈磨损，采用电弧喷涂 技术进行修复，取得显著经济效益。 技术进行修复，取得显著经济效益。
电镀示意图
普通电镀的过程： 普通电镀的过程： （1）金属的水合离子或络合离子从溶液内部 迁移到阴极界面； 迁移到阴极界面； 水合离子脱水或络合离子解离， （2）水合离子脱水或络合离子解离，金属离 子在阴极上得到电子发生还原反应生成金属原子； 子在阴极上得到电子发生还原反应生成金属原子； 还原的原子进入晶格结点。 （3）还原的原子进入晶格结点。 应用： 应用：提高零件耐磨耐 蚀性，如自行车钢圈、 蚀性，如自行车钢圈、活塞 环。 在球墨铸铁活塞环、 在球墨铸铁活塞环、弹 簧钢活塞环表面镀铬， 簧钢活塞环表面镀铬，硬度 球墨铸铁活塞环 800～900HV，耐磨性好。 ～ ，耐磨性好。 表面镀铬
工程材料与热处理 第4章 金属的塑性变形与再结晶
一、滑移
滑移只能在切应力 作用下才会发生, 不同金属产生滑移 的最小切应力(称 滑移临界切应力) 大小不同。钨、钼、 铁的滑移临界切应 力比铜、铝的要大。
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一、滑移
由于位错每移出 晶体一次即造成 一个原子间距的 变形量, 因此晶 体发生的总变形 量一定是这个方 向上的原子间距 的整数倍。
滑移带
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二、位错滑移机制
通过位错的移动实现滑移时： 1、只有位错线附近的少数原子移动； 2、原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较小；
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二、位错滑移机制
金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的， 而滑移又是通过位错的移动实现的。所以， 只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进 行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度 提高。金属材料常用的五种强化手段（固 溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、 淬火强化）都是通过这种机理实现的。
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链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 1200 钢 的自行车链条经 1000 过五次轧制，厚度由 3.5mm压缩到1.2mm， 800 总变形量为65%，硬 600 度从150HBS提高到 400 275HBS；抗拉强度从 200 510MPa提高到980MPa； 0 使承载能力提高了将近 一倍。
滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大， 所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金 属的塑性更好。 金、银、铜、铝等金属的塑性高于铁、铬 等金属；而铁的塑性又高于锌、镁等金 属。
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二、位错滑移机制
滑移非刚性滑动，而是由位错的移动实现 的（1934年提出 ）。
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二、位错滑移机制
滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移 并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通 过位错的运动来实现的。 在切应力作用下,一个多余半 原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动 时, 晶体产生滑移。
表面工程技术
表面工程技术表面工程技术是现代科学技术的重要组成部分，是对材料表面进行改性的一项高科技技术。
它通过改变材料表面的结构和性能，以提高材料的耐磨、耐腐蚀、抗疲劳和耐高温等综合性能。
表面工程技术在工业生产、材料科学、机械制造和航空航天等领域有着广泛的应用。
表面工程技术的发展始于上世纪60年代末，当时主要应用于航空航天领域的防腐蚀和抗疲劳技术。
随着科学技术的不断进步，表面工程技术逐渐扩展到了汽车制造、冶金工业、化工、电子、医疗器械等多个领域。
在这些领域中，表面工程技术不仅可以改善材料的性能，还可以改善其外观质量，提高产品的附加值。
目前，表面工程技术主要包括物理表面处理技术、化学表面处理技术和热处理技术等多个方面。
其中，物理表面处理技术主要包括喷砂、喷丸、抛光和电沉积等方法，通过改变材料表面的形貌和粗糙度，以提高材料的耐磨、耐腐蚀和抗疲劳性能。
化学表面处理技术主要包括镀金、镀银、镀铜、电镀和化学转化膜等方法，通过在材料表面形成一层保护膜，来提高材料的耐腐蚀性能。
热处理技术主要包括淬火、回火、火焰喷射和等离子渗氮等方法，通过调控材料的组织结构和相变行为，来提高材料的硬度、强度和耐磨性能。
表面工程技术的应用范围非常广泛。
在汽车制造领域，表面工程技术可以应用于汽车发动机的涂层、轮毂的喷涂和车身的喷漆等方面，以提高汽车的耐腐蚀性能和外观质量。
在航空航天领域，表面工程技术可以应用于飞机发动机的抗氧化涂层、飞机外壳的防腐蚀涂层和航天器航天衣的防辐射涂层等方面，以提高飞机的使用寿命和安全性能。
在电子领域，表面工程技术可以应用于半导体芯片的制造、电路板的焊接和电池的电极制备等方面，以提高电子产品的性能和可靠性。
表面工程技术的未来发展将更加注重绿色、环保和可持续发展。
随着全球环境问题的日益突出，人们对环境友好型表面工程技术的需求也越来越迫切。
绿色表面工程技术将采用无污染、无废物和高效节能的工艺，通过绿色材料和绿色化学品的应用，来实现资源的高效利用和环境的可持续发展。
表面工程技术 pdf
表面工程技术
表面工程技术是一种涉及改善材料表面性能的工程领域。
这种技术旨在通过不同的方法和工艺，改变材料表面的化学、物理、机械或其他特性，以满足特定的工程需求。
表面工程技术的应用范围非常广泛，涉及到许多不同的行业和领域，包括制造业、航空航天、汽车工业、电子、医疗器械等。
以下是一些常见的表面工程技术和方法：
涂覆技术：包括喷涂、电镀、热喷涂等方法，通过在材料表面涂覆一层特定的材料，以改变表面性能，如耐腐蚀性、硬度、润滑性等。
热处理：包括淬火、回火、正火等方法，通过控制材料的加热和冷却过程，改变其组织结构和性能，如提高硬度、强度、耐磨性等。
表面改性：包括离子注入、渗碳、氮化等方法，通过向材料表面引入特定的元素或化合物，改变其表面层的化学成分和性质。
激光加工：包括激光熔覆、激光刻蚀等方法，利用激光束对材料表面进行加工，以实现表面硬化、纹理处理等效果。
表面涂层：包括功能性涂层、防腐涂层、耐磨涂层等，通过在材料表面形成一层薄膜，以改善其表面性能。
表面纳米加工： 利用纳米技术对材料表面进行加工和处理，以改变其微观结构和性能，如提高表面光滑度、降低摩擦系数等。
这些表面工程技术的选择取决于具体的应用要求、材料特性和预期的效果，通常需要在工程设计和生产过程中进行综合考虑和评估。
机械工程中的热处理与表面处理技术
机械工程中的热处理与表面处理技术热处理和表面处理是机械工程中常用的两种技术，它们在提高材料性能、延长零件使用寿命、改善零件表面质量等方面发挥着重要的作用。
本文将从热处理和表面处理的定义、原理、应用以及未来发展等方面进行探讨。
热处理是指通过加热和冷却的方式改变材料的组织结构和性能。
常见的热处理方法包括退火、正火、淬火、回火等。
退火可以消除材料内部应力，改善塑性和韧性；正火可以提高材料的硬度和强度；淬火可以使材料迅速冷却，产生高硬度和高强度的组织；回火可以降低淬火后的脆性，提高材料的韧性。
通过选择不同的热处理方法和工艺参数，可以获得适合不同工程要求的材料性能。
表面处理是指对材料表面进行改性的工艺，常见的表面处理方法包括电镀、喷涂、氮化等。
电镀是将金属离子沉积在被处理材料的表面，形成一层金属保护层，提高材料的耐腐蚀性和外观质量；喷涂是将涂料喷涂在材料表面，形成一层保护膜，提高材料的耐磨性和耐蚀性；氮化是将材料表面暴露在氮气环境中，通过化学反应形成一层氮化层，提高材料的硬度和耐磨性。
表面处理可以改善材料的表面质量，增加材料的使用寿命。
热处理和表面处理技术在机械工程中有着广泛的应用。
在制造过程中，通过合理的热处理工艺可以改善材料的加工性能，降低加工难度；通过表面处理可以提高零件的耐磨性、耐蚀性和外观质量。
在使用过程中，通过热处理可以提高零件的强度和韧性，延长零件的使用寿命；通过表面处理可以改善零件的摩擦性能，减少能量损失。
热处理和表面处理技术在航空航天、汽车制造、机械制造等领域都有着重要的应用。
未来，随着科技的不断进步，热处理和表面处理技术也将不断发展。
一方面，热处理技术将更加精细化、智能化，通过模拟和仿真技术，优化热处理工艺参数，实现材料性能的精确控制。
另一方面，表面处理技术将更加环保、高效，开发出更多新型的表面处理方法和材料，提高表面处理的效果和工艺的可持续性。
同时，热处理和表面处理技术也将与其他领域的技术相结合，如材料科学、计算机科学等，共同推动机械工程的发展。
热处理手册
热处理：热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。
在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。
热处理手册：工艺基础：《热处理手册(第1卷):工艺基础》是一产热恋处理专业的综合工具书，共4卷。
《热处理手册(第1卷):工艺基础》共11章，内容包括基础资料、金属热处理的加热、金属热处理的冷却、钢铁件的整体热处理、表面加热热处理、化学热处理、形变热处理、非铁金属的热处理、铁基粉末冶金件及硬质合金的热处理、功能合金的热处理、其他热处理技术。
内容简介：《热处理手册(第1卷):工艺基础》可供热处理工程技术人员、质量检验和生产管理人员使用，也可供热处理人员、质量检验和生产管理人员使用，也可供科研人员、设计人员、相关专业的在校师生参考。
图书目录：前言第1章基础资料1.1 金属热处理分类及代号1.2 合金相图1.3 现行热处理标准题录参考文献第2章金属热处理的加热2.1 金属和合金相变过程中的元素扩散2.2 钢的加热转变2.3 加热介质和金属与介质的作用2.4 加热计算公式及常用图表2.5 加热节能措施2.6 可控气氛2.7 加热熔盐和液态床2.8 真空中的加热参考文献第3章金属热处理的冷却3.1 钢的过冷奥氏体转变3.2 钢件热处理冷却过程3.3 淬火冷却介质3.4 淬火冷却介质参考文献第4章钢铁件的整体热处理4.1 钢的热处理4.2 铸铁的热处理参考文献第5章表面加热热处理5.1 感应加热热处理5.2 火焰淬火5.3 激光、电子束热处理5.4 其他表面热处理方式参考文献第6章化学热处理6.1 钢的渗碳6.2 钢的碳氮共渗6.3 渗氮及以氮为主的共渗6.4 渗金属及碳氮之外的非金属6.5 离子化学热处理6.6 气相沉积与离子注入技术参考文献第7章形变热处理7.1 概述7.2 低温形变热处理7.3 高温形变热处理7.4 表面形热处理7.5 形变化学热处理参考文献第8章非铁金属的热处理8.1 铜及铜合金的热处理8.2 铝及铝合金的热处理8.3 镁合金的热处理8.4 钛及钛合金的热处理8.5 高温合金的热处理8.6 贵金属及其合金的热处理参考文献第9章铁基粉末冶金件及硬质合金的热处理9.1 概论9.2 铁基粉末冶金件及其热处理9.3 钢结硬质合金及其热处理9.4 粉末高速钢及其热处理9.5 硬质合金及其热处理参考文献第10章功能合金的热处理10.1 电性合金及其热处理10.2 磁性合金的热处理10.3 膨胀合金的热处理10.4 弹性合金的热处理10.5 形状记忆合金及其定形热处理参考文献第11章其他热处理技术11.1 磁场热处理11.2 强烈淬火11.3 微弧氧化参考文献。
表面科学和工程技术介绍
考试
表面科学与工程学科的重要性
1. 表面科学的进步是国家繁荣的象征 2. 表面工程的发展促进了产品质量的提高 3. 表面技术是高附加值的技术，能够产生巨大的经济效益 4. 表面技术的发展能够带动相关行业的技术进步
3
第一章 表面科学与工程概论
§1.1 表面科学与工程的涵义 §1.2 表面科学与工程的发展历程 §1.3 表面工程迅速发展的原因 §1.4 表面工程技术的分类与简介 §1.5 表面工程的应用领域 §1.6 表面科学与工程的发展动向
15
16
表面工程的技术特点
▪ 表面工程技术既可对材料表面改性，制备多功能的涂、镀、渗、覆 层，成倍延长机件的寿命：
▪ 又可对产品进行装饰； ▪ 还可对废旧机件进行修复， ▪ 归纳起来，表面工程技术具有如下的技术特点：
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特点一：
▪ 在廉价的基体材料上，对表面施以各种处理，使其获得多功能性(防腐、 耐磨、耐热、耐高温、耐疲劳、耐辐射、抗氧化以及光、热、磁、电等特 殊功能）、装饰性表面。
▪ 作为机件、构件的预保护，使之能承受腐蚀与磨损；并使高温机件、 构件的耐热性大大提高，延长了使用寿命；
▪ 作为废旧机件的修复，可使机件的寿命成倍延长。例如电站的空气 预热钢管不经处理，寿命仅有数月，经渗铝处理后寿命至少达10年， 产生很大的经济效益。
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总之，表面工程技术是一种内涵深、外延广、渗 透力强、影响面宽的综合而通用性的工程技术，
▪ 现代表面工程技术的基础理论是表面科学， ▪ 它包括：
表面分析技术、 表面物理、 表面化学三个分支。
6
表面分析
▪ 基础方面有： 1. 表面的原子排列结构、 2. 原子类型、 3. 电子能态结构等，
表面分析是揭示表面现象的微观实质 和
表面工程技术(PPT 90张)
腐 蚀
美国：国家标准局1978年调查： 1975年腐蚀损失达820亿美元，占 国民生产总值的4.9%； 1995年腐蚀损失达3000亿美元； 中国：1983年调查：腐蚀损失400亿元/年
腐蚀和磨损均是 发生于机件表面 的材料流失过程， 其他形式的失效 过程有许多也是 从表面开始
世界三大名刃之一
日本刀的覆土烧刃
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1.1 表面工程
www.theபைடு நூலகம்
1.1.1 表面技术及其发展背景
19世纪工业革命以来，为适应高强度、高硬度 和耐磨、耐蚀、耐高温等特殊要求，需不断开发 各种特殊的合金材料，但这些材料往往价格昂贵。 因此，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表 面进行加工，改变其表面性能，以适应复杂的工 作环境。 另外，磨损、腐蚀等失效都是首先发生在材料 表面，通过对材料表面进行有效处理，可极大地 提高材料寿命。基于这样的背景，逐步形成了一 门新兴学科——表面工程学。
材料表面工程
概论
第一章
6 Company Logo
第一章 材料表面工程概论
主要内容： 1.1 表面工程的概述 1.2 表面工程技术的功能与分类 1.3表面工程的科学体系 1.4表面工程技术的应用 1.5表面工程技术的发展趋势
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延缓和 控制表 面破坏 的方法
促进 了表 面工 程学 的发 展与 形成
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表面工程技术的背景
表面工程概念的提出始于20世纪80年代。 1983年英国T· Bel教授首先提出了表面工程的概 念。 表面工程学科发展的重要标志是1983年英国伯 明翰大学沃福森表面工程研究所的建立和1985 年国际刊物《表面工程》的发行。 1986年10月国际热处理联合会决定接受表面工 程的概念，并把自己的会名改为国际热处理及 表面工程联合会。
表面工程技术 课程
表面工程技术课程
表面工程技术是一门研究如何改善材料表面性能的学科。
其主要任务是利用化学、物理、机械等手段对材料表面进行改性，以提高材料的耐磨、耐腐蚀、耐高温、防粘附等性能，从而提高材料的使用寿命和应用价值。
表面工程技术课程主要包括以下内容：
1. 表面工程基础知识：包括表面膜的分类、表面处理的基本原理、表面工程的分类等。
2. 表面处理技术：包括机械加工、化学处理、电化学处理、热处理、等离子体处理、光学处理等。
3. 表面涂层技术：包括化学镀、电镀、喷涂、溅射、化学气相沉积等。
4. 表面分析与测试技术：包括金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射、表面粗糙度测试等。
5. 应用案例分析：包括汽车、飞机、医疗器械、电子器件等领域的应用案例分析，以及表面工程技术在工业生产中的实际应用。
表面工程技术课程的学习，将有助于学生深入了解材料表面工程技术的基本原理与应用，提高他们的表面工程设计与应用能力，为其日后从事有关领域的科研、工程设计和生产管理提供坚实的基础。
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冷 却 方 式 不 同 、 冷 却 速 度不同，组织转变的产物 不同、钢的性能也不同。
a.过冷奥氏体等温转变曲线
Ar1以下，在各不同温 度下的保温过程中，过冷奥 氏体转变量与转变时间的关 系曲线，称TTT曲线，因为 其形状像字母C，所以又称C 曲线。C曲线是利用热分析 等方法获得的。此外，C曲 线还明确表示了奥氏体在不 同温度下的转变产物。
孕育期最短
(℃ )
B上
Ms
B下
马氏体转变 非扩散相变
M
-100
105
时间(s)
过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能
(2)贝氏体转变（中温转变）
贝氏体组成：F 和针状的Fe3C的机械混合物 转变温度与转变产物形态： 550~350℃：上贝氏体（B上） 羽毛状组织 塑性差，40-45HRc 350~230℃：下贝氏体（B下） 针片状组织 （Ms） 综合性能好，45-50HRc
硬度：主要取决于马氏体的含碳量（即母相奥氏体的含碳量） 低碳M（板条M）——强而韧 高碳M（片状M）——硬而脆 塑性和韧性： 低碳M ——塑性、韧性好 高碳M ——塑性、韧性差。
低碳板条状马氏体组织金相图
高碳针片状马氏体组织金相图
第二节
钢的整体热处理
退火和正火 是生产上应用很广泛的预备热
1. 钢的热处理的概念
• 热处理
钢在固态下，通
过适当的方式进行加 热、保温和冷却，以 改变材料内部组织结 构，从而改善材料性 能（工艺性能和使用 性能）的一种工艺方 法。 热处理工艺曲线 温 度
保温
临界温度
加热
冷却
时间
热处理的目的： 通过改变组织结构达到改善材料性 能的目的。 热处理的过程及工艺要素： 热处理的过程包括加热，保温，冷却 三个阶段。因此，加热温度、保温时间、 冷却速度就成为热处理工艺的三大要素。
Accm
G
Acm
Ac3 A3 Ar3
Arcm Ac1 A1
S
Ar1
O
wc / % →
钢在实际加热、冷却时的临界点
钢在加热和冷却时的相变临界点
平衡状态相变线：
A1、A3、Acm
加热实际相变线： Ac1、Ac3、Accm 冷却实际相变线： Ar1、Ar3、Arcm
实际相变温度与理论转变温度之间 的关系
奥氏体的形成速度。因为合金元素能改变钢的临界点，
布的过程，所以合金钢的奥氏体形成速度一般比碳钢
慢，尤其高合金钢，奥氏体化温度比碳钢要高，保温 时间也较长。
3. 钢在冷却时的组织转变
保温
什么是过冷奥氏体—— 高温时所形成的奥氏体 冷却到A1点以下尚未发 生转变的奥氏体 。
A1
温度
等温 冷却
连续 冷却
珠光体组织特征图
(a)珠光体
(b) 索氏体
(c)屈氏体
过冷奥氏体区 温 700 度 600
500 400 300 200 100 0 Mf 0.5 1 10 102 103 104
Ar1
＞0.4μm 0.4~0.2μm ＜0.2μm P S T 珠光体转变 P Fe、C扩散
贝氏体转变 B 只有C扩散
1
2
时间 过冷奥氏体冷却方 式
冷却方式： a.等温冷却
使加热到奥氏体的钢， 先以较快的冷却速度冷至A1 线以下某个温度（奥氏体尚 未转变）；然后进行保温， 使过冷奥氏体在等温状态下 发生组织转变；转变完成后 再冷却至室温。
A1
保温
温度
等温冷却 连续冷却
1
时间 过冷奥氏体冷却方式
2
b.连续冷却
使加热到奥氏体的钢， 在温度连续下降的过程中发 生组织转变。
其目的是消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以 及机加工件的残余应力，防止产生变形。
（4）扩散退火（又称为均匀退火）
将工件加热到Ac3以上150-200℃（1050-1150℃ ），长 时间保温（10-15h)后随炉缓冷。 适用于合金钢大型铸、锻件，目的是消除其化学成分的偏析 和组织的不均匀性。 但扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，因此一般 扩散退火仍需进行完全退火和正火。
第五章
主要内容：
钢的热处理
1.热处理的基本概念及分类。 2.热处理加热与冷却的组织转变。 3.热处理的工艺特点及用途。 4.表面工程技术，包括表面涂覆、表面改性处理等。
本章重点：
钢的热处理工艺特点、性能变化、用途
第一节 钢的热处理原理
内容：
1. 钢的热处理的概念、目的
2. 钢在加热、冷却时的转变
3. 钢的热处理工艺
2. 原始组织的影响
钢中原始珠光体越细，其片间距越小，相界面越多， 越有利于形核，同时由于片间距小，碳原子的扩散距离 小，扩散速度加快导致奥氏体形成速度加快。同样片状 P比粒状P的奥氏体形成速度快。
影响奥氏体形成的因素
3. 化学成分的影响 钢中含碳量增加，碳化物数量相应增多，F和Fe3C的 相界面增多，奥氏体晶核数增多，其转变速度加快。 钢中的合金元素不改变奥氏体的形成过程，但能影响 并影响碳的扩散速度，且它自身也存在扩散和重新分
T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500
过共析钢热处理前的显微组织
（3）去应力退火（低温退火）
去应力退火又称低温退火， 其工艺是将工件缓慢加热至 500～650℃（＜A1），保 温一定时间后，随炉缓慢冷 却至200℃，再出炉空冷。
温 度 500～650℃（＜A1） ℃
200℃出炉空冷
时间t
珠光体组织
球化组织
无组织变化
再结晶退火：再结晶温度以上150~250 ℃ ，冷加工硬化钢材， 恢复塑性。
二、正火
将钢加热到Ac3或Accm 以上 30 ～ 50 ℃，保温后 在 空 气 中 冷 却 得到珠光 体基体组织的热处理工 艺，称正火。
料的组织和性能不同。
常用的热处理工艺方法
2. 钢在加热时的组织转变 钢在室温下的组织（即奥氏体化前的组织为平
衡组织的情况） ：
亚共析钢 → F+P 共析钢 → P 过共析钢 → P+ Fe3CⅡ
加热目的：使钢发生同素异晶转变（得到奥氏
体A，消除铁素体F）
过热度与过冷度
温度/℃
对于加热：非平衡条件下的 相变温度高于平衡条件下的 相变温度，两个相变温度差 叫过热度。 对于冷却：非平衡条件下的 相变温度低于平衡条件下的 相变温度，两个相变温度差 叫过冷度。 加热与冷却速度越大，导致 过热度与过冷度越大。 过热度与过冷度的增大会导 致相变驱动力的增大，从而 使相变容易发生。
上贝氏组织特征图
由于CCT曲线获得困难，而TTT曲线 容易测得，因而在手册中TTT曲线较多。 可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组 织转变情况。 当冷却缓慢时（V1炉冷），过冷奥 氏体转变为珠光体，
冷却较快时（V2空冷），过冷奥氏 体转变为索氏体。
采用油冷时（V4），过冷奥氏体先 有一部分转变为托氏体，剩余的奥氏 体在冷却到Ms以下后转变为马氏体， 其室温组织为T + M + A’。 当冷却速度（V5水冷）大于Vk时， 过冷奥氏体将在Ms以下直接转变为马 氏体，其室温组织为M + A’。
三个要素改变，则热处理工艺变化，材料性能变化：
1. 加热温度不同，得到不同的
温 度 ℃ 850 炉冷 空冷 油冷
热处理工艺。 2. 保温的时间不同，材料合金 元素（在奥氏体中）的扩散和 均匀化程度不同。与工件的尺 寸和结构复杂性有关。
时间(d,h，min)
热处理工艺曲线的示意图
3. 冷却速度不同，所得到的材
C曲线
TTT曲线
T_Temperature T_Time T_Transformation
共析钢过冷奥氏体等温冷却转变
等温冷却：
(1)珠光体型转变 （高温转变） (2)贝氏体转变 （中温转变）
高温转变
中温转变
(1)珠光体型转变（高温转变）
珠光体型组成：F 和 Fe3C 片层的机械混合物 转变温度范围与转变产物形态： A1~650℃ ：珠光体 P 20HRc 650~600℃ ：索氏体 S（细P） 600~550℃ ：托氏体 T 40HRc （极细P又称屈氏体） 珠光体性能： 珠光体片越细→ HB↑，σb↑且δ↑，αk↑
下贝氏体组织金相图
共析钢过冷奥氏体连续冷却转变
在实际生产当中，热处理的冷却多采 用连续冷却。过冷奥氏体连续冷却转变 图又称CCT曲线，它是通过测定不同冷 却速度下过冷奥氏体的转变量获得的。 以共析钢为例，其CCT曲线如右图， 它没有贝氏体转变区，在珠光体转变区 之下多了一条转变中止线K，当连续冷 却曲线碰到转变中止线时，过冷奥氏体 中止向珠光体转变，余下的奥氏体一直 保持到Ms以下转变为马氏体。 与CCT曲线相切的冷却速度线，是保 证过冷A在连续冷却过程中不发生分解 而全部过冷到M区的最小冷却速度，称 为M临界冷却速度，用vk表示。
处理工艺，大部分钢制构建经退火和正火后，
其力学性能和工艺性能都得到改善和调整。
一、退火
将钢加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢 冷却（随炉冷却）以获得接近平衡状态组织的热 处理工艺，称为退火。 退火工艺：完全退火、球化退火、扩散退火、去 应力退火等。 主要目的：调整和改善钢材的力学性能和工艺性 能（降低硬度，改善切削加工性；细化晶粒，提 高塑性和韧性；消除内应力，稳定尺寸、减少变 形、开裂倾向 ），减少钢材化学成分和组织的不 均匀性（扩散退火）。
共析钢过冷奥氏体连续冷却转变 马氏体转变： 过冷A → 单相 M（无渗碳体） γ - Fe → α - Fe 马氏体组成：碳在α - Fe中的过饱和固溶体 形态： 低碳 M（C<0.2%） —— 板条 M 高碳 M (C>1.0%) —— 片状 M 碳含量（0.2—1.0%）——混合 M