表面工程-第4章表面热处理
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
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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
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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。
表面工程技术及其应用
2) 德国大众从1941年开始再制造，到2004年已再制造发动机 748万台，变速器240万台。
3) 以色列将一台价值200万美元废旧波音747客机再制造成货机 后，售价达到8000万美元。
表面工程技术的发展
1. 传统的表面工程技术：表面热处理、表面渗碳及油漆技术。
1) 秦兵马俑宝剑表面是采用铬盐氧化工艺处理；“唐三彩”及 “景泰蓝”的处理工艺。
2) 高分子涂装技术：50年代油性涂料、天然树脂涂料→合成树 脂→水系涂料。
3) 传统的表面淬火：火焰加热→高频加热→激光束、电子束淬 火。
广州电视塔
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表面工程技术的应用—铁路交通
和谐号高速列车
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表面工程技术的应用—钻井平台
深水半潜式钻井平台COSLINNOVATOR(2011.10)
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表面工程技术的应用—舰船
辽宁舰航母
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表面工程技术的应用—舰船
辽宁舰航母
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表面工程技术在船舶机械零件中的应用
表面工程技术在柴油机气阀中的应用。 表面工程技术在曲轴等轴类零件中的应用。 表面工程技术在柴油机气缸盖阀座中的应用。 表面工程技术在尾轴耐磨衬套中的应用。 表面工程技术在柴油机燃烧室中的应用。 表面工程技术在船舶钢构件防腐中的应用。 表面工程技术在巴氏合金薄壁轴瓦中的应用。 表面工程技术在船舶其它机械零件中的应用。
2. 表面工程的学科体内容： 表面工程基础理论； 表面工程技术及复合表面技术； 表面加工技术； 表面质量检测与控制； 表面工程技术设计等。 3. 表面工程基础理论：表面失效分析、表面摩擦与磨损、表面腐蚀与
2015-2016现代表面工程复习参考题及答案
1、简述热喷涂原理及其工艺特点。
原理：采用各种热源将粉状或丝状固体材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后高速喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层。
特点：①涂层材料取材范围广②可用于各种基体③可使基体保持较低温度、基材变形小④工艺灵活⑤工效高、操作程序少、速度快⑥涂层厚度可调范围大⑦可得到特殊的表面性能⑧成本低、经济效益显著缺点：①结合强度低；②材料利用率低；③热效率低；④均匀性差；⑤孔隙率高。
2、什么是腐蚀电池？简述腐蚀电池的工作原理。
概念：金属材料在电解质溶液中发生的腐蚀属于电化学腐蚀，这种腐蚀是通过在金属暴露表面上形成的原电池进行的，这种原电池叫做腐蚀电池。
工作原理：蚀电池的阳极上是金属的氧化反应，导致金属的破坏；腐蚀电池的阴极上发生某些物质的还原反应。
3、简述析氢腐蚀和吸氧腐蚀的原理。
析氢腐蚀是指还原氢原子成氢气的腐蚀，常见的是牺牲锌阳极腐蚀Zn+H2O=ZnO+H2↑吸氧腐蚀就是和氧原子结合产生的氧化腐蚀，常见的是铁的电化腐蚀4Fe+3O2=2Fe2O34、简述微观腐蚀电池的概念。
列举四种微观腐蚀电池。
金属表面的电化学不均匀性，在金属表面出现许多微小的电极，从而构成各种微观电池，简称为微电池。
四种：1．表面化学成分的不均匀性引起的微电池2．金属组织不均匀性构成的微电池3．金属物理状态的不均匀性引起的微电池 4．金属表面膜不完整引起的微电池5、简述全面腐蚀的特点。
全面腐蚀特点：腐蚀作用发生在整个金属表面，以同一腐蚀速率向金属内部蔓延，均匀或不均匀都有可能，危险相对较小，可以事先预测，设计时可以根据机器、设备要求的使用寿命估算腐蚀速度。
在材料表面进行金属溶解反应和去极剂物质还原反应的地区，即阳极区和阴极区尺寸非常微小，甚至是超显微级的，并且彼此紧密接近。
腐蚀过程通常在整个金属表面上以均匀的速度进行，最终使金属变薄至某一极限值而破坏。
从工程技术上说，这类腐蚀形态并不危险，因为只要根据试件浸入所处介质的试验，就能准确地估计设备的寿命，还可以用增加壁厚的办法延长设备的使用年限。
表面处理知识
耐蚀钢
防锈铝
镜面材料
2．表面处理在金属防护方面的作用
防止金属腐蚀的方法主要包括三个方面：
2）改善腐蚀环境和介质
避免腐蚀发生
物
干燥剂
体
产品
2．表面处理在金属防护方面的作用
防止金属腐蚀的方法主要包括三个方面：
3）应用表面涂覆层和电化学保护方法
隔离金属与腐蚀介质的直接接触 抑制腐蚀过程
非金属覆盖
电镀 热喷涂 热浸镀 耐蚀金属包复
涂料涂装（喷漆、喷粉） 塑料衬里或包复 转化膜
2．表面处理在金属防护方面的作用
金属表面保护层的要求 即金属上涂覆层的基本性能
1）结合强度－－要求结合牢固、附着力强 2）孔隙率及密度－－膜层致密、完整无孔、不透介质 3）耐蚀性－－在大气、水、等介质中良好的稳定性、
7.1 镀锌层
由于锌相对于铁基体为阳极性镀层，在有电解液存在时，锌层为 阳极，先发生腐蚀，从而钢基体受到了保护
镀层中存在微孔 钝化膜是致密的
钝化膜 镀锌层
钢基材
7、膜层结构特点及其防护机理与防护能力
7.1 镀锌层
在遭遇腐蚀介质时： 首先是钝化膜产生腐蚀变化（即变黑）； 当钝化膜被腐蚀穿底后，发生锌层的腐蚀、氧化，即出现白色粉状物。
e A
E
e
+
R
阴
+ 阳离子 阳
极 电解液
极
阴离子 -
5.2 表面转化
5.2.1 阳极氧化机理
氧化膜的生长过程包含两 个方面
膜的电化学生成过程 膜的化学溶解过程
只有膜层的生成速度恒大于溶解速度时，才 能获得较厚的氧化膜
5.2 表面转化
5.2.1 阳极氧化机理
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：
工程材料-普通热处理与表面热处理)
螺杆表面的 淬火裂纹
一、回火的目的
1、减少或消除淬火内 应力, 防止变形或开裂。
2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆 性大，回火可调整硬度、韧性。
3、稳定尺寸。淬火M和A’都是非平衡组织，有自发 向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A’转变为平 衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。
熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间, 用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。
聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.
三、淬火方法
1、单液淬火法 加热工件在一种介质
中连续冷却到室温的 淬火方法。 操作简单，易实现自 动化。 采用不同的淬火方法 可弥补介质的不足。
1—单液淬火法 2—双液淬火法 3—分级淬火法 4—等温淬火法
淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。 D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。 只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比
较，如45钢D0油=8mm，40Cr D0油=20mm。
马氏体
马氏体 索氏体
五、淬透性的应用
1、利用淬透性曲线及圆棒冷速与端淬距离的关系 曲线可以预测零件淬火后的硬度分布。下图为预 测50mm直径40MnB钢轴淬火后断面的硬度分布.
2、利用淬透性曲线进行选材。如要求厚60mm汽 车转向节淬火后表面硬度超过HRC50，3/4半径处 为HRC45。可按下图箭头所示程序进行选材分析.
3、利用淬透性可控制淬硬 层深度。
– 对于截面承载均匀的重要件, 要全部淬透。如螺栓、连杆、 模具等。对于承受弯曲、扭转 的零件可不必淬透(淬硬层深 度一般为半径的1/2~1/3)，如 轴类、齿轮等。
火焰加热 感
应 加 热
表面淬火目的： ① 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; ② 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有
《表面工程》教学大纲
00107752《表面工程》教学大纲课程名称：表面工程英文名称：Surface Engineering课程编号：00107752课程学时：32课程学分：2课程性质：选修课适用专业：材料科学与工程预修课程：物理、化学、材料科学基础、热处理原理与工艺、材料力学性能大纲执笔人：赵秀娟一、课程目的与要求向学生全面阐述表面技术的一些基本概念和理论，围绕金属材料表面强化，集中论述一些主要表面处理技术，给学生一个向导作用，以此让学生遨游几乎整个材料表面工程的世界，为学生将来从事这方面的工作或研究奠定一个较为扎实的基础。
通过本课程学习，学生应达到以下基本要求：1、掌握电镀、化学镀、热喷涂、表面纳米化、物理气相沉积和化学气相沉积表面处理技术的基本原理、基本工艺；2、理解材料成分、处理工艺、组织结构和性能的关系；3、了解不同工艺技术的优缺点、选用原则以及最新进展；4、能够运用所学表面处理技术解决实际问题。
二、教学内容及学时安排第一章表面技术概论 2 学时一、表面工程的涵义二、表面技术的分类、主要内容及目的意义三、表面技术的应用和发展动态概述第二章表面科学中某些基本概念和理论 2 学时一、固体材料及其表面二、表面晶体学三、表面热力学与动力学第三章电镀与化学镀 4 学时一、电镀二、电刷镀三、化学镀第四章表面涂覆技术 4 学时一、堆焊二、热喷涂三、陶瓷涂层熔结第五章表面改性技术 10 学时一、表面形变强化二、表面纳米化三、表面化学热处理四、等离子体表面处理五、激光表面处理六、电子束表面处理七、离子注入表面改性第六章气相沉积技术 6 学时一、薄膜及其制备方法二、真空蒸镀三、溅射镀膜四、离子镀五、化学气相沉积第七章复合表面处理技术简介 2 学时课堂讨论 2 学时三、教材及主要参考书1、钱苗根、姚寿山编著，《现代表面技术》,机械工业出版社，1999年，第1版2、郦振声等主编，《现代表面工程技术》，机械工业出版社，2007年，第1版3、赵文轸主编，《材料表面工程导论》, 西安交通大学出版社，1998年，第1版4、胡赓详等主编，《金属学》，上海科学技术出版社，1980年，第1版5、吴承建等主编，《金属材料学》，冶金工业出版社，2000年，第1版6、付献彩主编, 《物理化学》，高等教育出版社，2006第，1版7、束德林主编，《金属力学性能》，机械工业出版社，1987年，第1版。
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
表面工程
1.表面工程：经表面与处理后，通过表面涂覆，表面改性，表面加工或几种表面工程技术复合处理，改变固体材料表面的形态，化学成分，组织结构，应力状态等，以获得所需要各类表面性能的系统工程。
2.表面技术主要途径：1）表面覆盖：电镀，电镀刷，化学镀，涂装，粘贴，堆焊和熔结，热喷涂，塑料粉末涂敷，电火花涂敷，热浸镀，搪瓷和陶瓷涂敷，真空蒸镀，溅射镀，离子镀，化学气相沉积，分子束外延，离子束合成薄膜技术，化学转化度，热烫印，暂时性覆盖处理；2）表面改性：喷丸强化，表面热处理，化学热处理，等离子扩散处理，高能束表面处理，粒子注入表面改性；3）表面加工技术：电铸，包覆，抛光，蚀刻等。
3.表面防护：材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀等能力。
4.耐磨：指材料在一定摩擦条件下抗磨损（磨料磨损，粘着磨损，疲劳腐蚀，冲蚀，气蚀等）的能力。
5.强化：通过各种表面强化处理来提高材料表面抵御除腐蚀和磨损之外的环境作用的能力。
6.表面装饰：主要包括光亮，色泽，花纹，仿照等多方面特性。
7.表面技术在环境方面的应用：1）净化大气；2）净化水质；3）抗菌灭菌；4）吸附杂质；5）去除藻类污垢；6）活化功能；7）生物医学；8）治疗疾病；9)绿色能源；10）优化环境。
8.表面技术的分类：1）原子沉积；2）颗粒沉积；3）整体覆盖；4）表面改性。
9.现代表面技术：表面清洗；预处理，表面功能化后处理。
包括表面分析技术，表面物理，表面化学。
10.电刷度：在阳极表面裹上棉花和面絮等吸水材料，使其吸饱镀液，然后在作为阴极的零件上往复运动，使镀层牢固沉积在工件表面上。
工件→机械处理→化学处理→电化学精处理→预镀→电镀→镀后处理。
11.化学镀：在无外电流通过的情况下，利用还原剂将电解质溶液中的金属离子化学还原在呈活性催化的工件表面，沉积出与基件牢固结合的镀覆层。
12.涂装：用一定的方法将图料涂覆于工件表面而形成涂膜的全过程。
13.粘结：用粘结剂将各种材料或制件连接成为一个牢固整体的方法。
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。
35
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。
表面热处理的方法
表面热处理的方法
表面热处理是一种通过改变金属表面的组织和性能来改善材料性能的工艺。
以下是几种常见的表面热处理方法：
1. 淬火：将金属加热到一定温度，然后迅速冷却（通常是用水或油）。
这会使金属表面变硬，但内部仍然保持韧性。
2. 回火：在淬火后，将金属重新加热到较低温度，以减轻淬火过程中的应力并提高韧性。
回火可以调整金属的硬度和韧性，使其适应特定的应用需求。
3. 渗碳：将金属置于含碳介质中，使碳原子渗入表面。
这会提高金属表面的硬度和耐磨性。
4. 氮化：将金属暴露在氨气等含氮介质中，使氮原子渗入表面。
氮化处理可以提高金属的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
5. 表面淬火：通过感应加热或火焰加热等方法，仅对金属表面进行局部淬火。
这种方法可以在不改变整体材料性质的情况下，提高特定区域的硬度和耐磨性。
6. 激光淬火：使用激光束对金属表面进行快速加热和冷却，实现局部淬火。
激光淬火可以实现高精度的加热控制，适用于特定形状和尺寸的零件。
这些表面热处理方法可以根据不同的材料和应用需求进行选择和组合。
它们可以改善金属材料的表面性能，如硬度、耐磨性、疲劳寿命和耐腐蚀性，从而延长零件的使用寿命并提高其性能。
四、表面淬火
快速加热: 要在工件表面有限深度内达到相变点以上的温度， 必须给工件表面以极高的能量密度来加热，使工件表面的热量来 不及向心部传导，以造成极大的温差。
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2
三、表面淬火的分类: 表面淬火常以供给表面能量的形式不同而命名及分类。目前表
面淬火可以分成以下几类: 1.感应加热表面淬火 2.火焰淬火 3.电接触加热表面淬火 4.电解液加热表面淬火 5.激光加热表面淬火 6.电子束加热表面淬火
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2. 奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大 如前所述，随着加热速度的增大，转变温度提高，转变温度范
围扩大. 随着转变温度的升高，与铁素体相平衡的奥氏体碳浓度 降低，而与渗碳体相平衡的奥氏体碳浓度增大. 因此，与铁素体 相毗邻的奥氏体碳浓度将和与渗碳体相毗邻的奥氏体中碳浓度有 很大差异。由于加热速度快，加热时间短，碳及合金元素来不及 扩散，将造成奥氏体中成分的不均匀，且随着加热速度的提高， 奥氏体成分的不均匀性增大。例如0.4％C碳钢，当以130℃／s 的加热速度加热至900℃时，奥氏体中存在着1.6％C的碳浓度区. 显然，快速加热时，钢种、原始组织对奥氏体成分的均匀性有很 大影响. 对热传导系数小，碳化物粗大且溶解困难的高合金钢采 用快速加热是有困难的。
快速加热使奥氏体成分不均匀及晶粒细化，减小了过冷奥氏体 的稳定性，使c曲线左移. 由于奥氏体成分的不均匀性，特别是亚 共析钢，还会出现二种成分不均匀性现象。在珠光体区域，原渗 碳体片区与原铁素体片区之间存在着成分的不均匀性，这种区域 很傲小，即在微小体积内的不均匀性. 而在原珠光体区与原先共 析铁素体块区也存在着成分的不均匀性，这是大体积范围内的不 均匀性. 由于存在这种成分的大体积不均匀性，将使这二区域的 马氏体转变点不同，马氏体形态不同. 即相当于原铁素体区出现 低碳马氏体，原珠光体区出现高碳马氏体. 由于快速加热奥氏体 成分的不均匀性，淬火后马氏体成分也不均匀，所以，尽管淬火 后硬度较高，但回火时硬度下降较快，因此回火温度应比普通加 热淬火的略低。
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。
表面工程
表面工程：经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变材料表面的形态、化学成分和组织状态，在保证材料整体强度水平不降低的基础上，以获得所需表面性能的系统工程2表面：金属或合金与周维环境（气相、液相和真空）间的过渡区称为金属的表面。
因环境不同，过渡区的组成和深度不同。
3表面自由能：产生原因：液体（熔体金属）的表面原子受到向内的吸引力的作用。
欲使其内部原子转变为表面原子，即增大表面积，需要环境对体系作功，从而形成表面能。
定义增大(液体)表面积所需要的功(能量)就是(液体)表面自由能。
界面：固相之间分界面4纯净表面(洁净表面)：大块晶体的三维周期结构与真空间的过渡区域称为纯净表面5清洁表面：不存在有表面化合物，仅有气体和洗涤物的残留吸附层的金属表面称为清洁表面，也称为工业纯净表面。
外延生长界面：在单晶体表面沿原来的结晶轴向生长成的新的单晶层的工艺过程，就称为外延生长。
（气相外延、液相外延）。
机械结合界面：涂层和基体间的结合靠两种材料相互镶嵌在一起的机械连接形成。
热喷涂属于机械结合界面。
6. 润湿：液体在固体表面上铺展的现象7. 边界润滑摩擦: 对偶件的表面被一薄层油膜隔开，可使摩擦力减小2-10倍，并使表面磨损减少。
但是在载荷一大的情况下，油膜就会被偶件上的微凸体穿破，摩擦系数通常在0.1左右。
8.喷焊层的稀释率：稀释率η=B/(A+B) η为喷焊层的稀释率，A为喷焊的金属质量，B 为基体熔化的质量。
9.自熔合金：在普通合金成分基础上添加B，Si等元素，降低熔点，使熔点比基体低，提高流动性，有自脱氧造渣性能的合金。
10.激光熔凝：就是用激光把基材表面加热到熔化温度以上，然后靠基材本身的导热使熔化层表面快速冷却并结晶的热处理工艺。
组织变化为：熔凝层、相变硬化层、热影响区和基材。
与激光淬火相比，激光熔凝层比激光淬火的硬化层要深，硬度要高、耐磨性要好。
粗糙度加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状就构成其特征7莱宾杰尔效应：活性介质与金属接触后，使金属的表面自由能下降，导致金属材料强度和塑性发生变化的效应称为莱宾杰尔效应。
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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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
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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。
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依据表面淬火的热源不同,可分为: 4.3.1感应加热淬火 4.3.2火焰淬火 4.3.3激光淬火 4.3.4电子束淬火 4.3.5电阻加热表面淬火
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4.3.1感应加热淬火
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4.3.1.1 感应加热淬火原理
感应加热-集肤效应 感应线圈通交流
电,工件内产生感应 电流,并在工件内自 成回路,称为“涡 流”。
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为解决工件不同厚度处表面硬化层不均匀, 开发了低淬透性钢和限制淬透性钢。
低淬透性钢:提高碳含量(0.55~0.65%)以提 高强度和耐磨性,严格控制合金元素含量。
限制淬透性钢:在低淬透性钢基础上适当增 加淬透性元素,加入Ti(0.06~0.12%)。
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4.1.4 表面淬火的特点
不仅钢铁,凡是能通过整体淬火强化的金属 材料,都可以进行表面淬火。
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4.1.2表面淬火原理 将钢铁工件表面加热到临界温度Ac3(亚共
析钢)或Ac1(过共析钢)以上并保温,使表层金 属奥氏体化,然后快冷到Ms以下进行马氏体 转变的热处理工艺。
马氏体强、硬度高的原因: 相变强化:马氏体相变造成大量微观缺陷(位错、层错及 孪晶等); C原子固溶强化和时效强化:C原子溶入形成以应力场与 位错产生交互作用; 时效强化:C原子扩散偏聚钉扎位错; 形变强化:马氏体材质很容易因塑性变形产生加工硬化。
2)快速加热条件下渗碳体难以充分溶解,形 成奥氏体成分也相当不均匀。
不均匀的奥氏体实际上包含:未熔碳化物、 高碳偏聚区(原珠光体区)和贫碳区(铁素体区), 在淬火过程中形成低碳马氏体区和高碳马氏 体区,造成显微硬度不均匀。
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正由于不均匀奥氏体造成显微硬度不均匀。 表面淬火处理常需要进行预先热处理,使碳化 物或自由铁素体均匀、细小地分布。
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• §4.1表面淬火技术的原理与特点
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4.1.1表面淬火定义 采用特定热源快速加热钢铁表面到Ac3(对
亚共析钢)或者Ac1(过共析钢)之上,然后快速 冷却发生马氏体相变,形成表面强化层。
通常也将铝合金、铜合金、钛合金等材料 的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工 艺称为淬火。
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4.1.3表面淬火钢铁的碳含量(成分)
碳质量分数0.35～1.20％的中、高碳钢及基 体相当于碳钢的普通灰铸铁、球墨铸铁、可 锻铸铁、合金铸铁均可实现表面淬火。
中碳钢与球墨铸铁最适合于表面淬火的材 料。
原因是。中。碳。调。 质？ 钢经预先热处理(正火或调 质),再进行表面淬火,既可保证心部较高的综 合力学性能, 表面又具有较高硬度(>50HRC) 和耐磨性。
调质的目的主要是得到强度、塑性、韧性 都比较好的综合机械性能。
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基础知识复习 ㈣什么是钢的淬透性？
钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度 的能力,是钢的固有属性。
主要受奥氏体中的碳含量和合金元素的影 响。
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第4章 表面热处理
• §4.1 表面淬火技术的原理与特点 • §4.2 表面淬火层的组织与性能 • §4.3 表面淬火分淬火技术有较大区别,主要体现在：
1) 在相变温度、组织和性能上存在差异:
加热速 Ac3与Accm相变温度大幅度提高; 度快 使奥氏体晶粒显著细化。加热速度很
高时,甚至产生无扩散奥氏体相变。
冷却速 度快
表面淬火硬度比普通淬火后要高。
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所用热源的能量密度越高,加热速度越快, 表面淬火层的显微硬度越高。
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工艺原理与流程: ①感应圈通交变电流; ②工件涡流的集肤效应; ③工件表层被加热; ④采用水(油)冷对工件 表面淬火。
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• §4.2表面淬火层的组织与性能
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4.2.1 表面淬火层的组织 表面淬火后的金相
组织与加热温度沿试 样横截面分布有关.
一般分为: 淬硬区; 过渡区; 心部组织。
1－45钢; 2－T8钢;δ－硬化区; Ⅰ－淬硬区; Ⅱ－ 过渡区; Ⅲ－心部
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4.2.2 表面淬硬层的性能 正常情况下,表面淬火层硬度一般比普通淬
第4章 表面热处理
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表面工程
基础知识回顾与复习 ㈠铁碳合金相图
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基础知识复习
㈡钢的普通热处理包括哪些工艺? 正火,退火,淬火和回火,统称“四把火”。
正火,又称常化,是将工件加热至Ac3或Accm以上30~50℃,保温一段时间后, 从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。 退火将金属缓慢加热到一定温度,保持足够时间,然后以适宜速度冷却(通 常是缓慢冷却,有时是控制冷却) 。 淬火将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上某一温度, 保温一段时间,使之全部或部分奥氏体化,然后以大于临界冷却速度的冷 速快冷到Ms以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变。
火工艺高2～5HRC,淬火后工件耐磨性也比普 通淬火要好。这主要是因为表面淬火冷却速 度比常规淬火快得多,奥氏体晶粒的细化 。
此外,表面淬火还可在零件表面产生压应力, 抑制裂纹的萌生和扩展过程,能大幅提高轴类 零件疲劳强度,降低缺口敏感性。
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• §4.3表面淬火分类
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回火是工件淬硬后加热到Ac1以下的某一温度,保温一定时间,然后冷却到 室温的热处理工艺。回火一般紧接着淬火进行。
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基础知识复习
㈢什么是调质？调质处理后钢的组织和性能 怎样？
调质通常指淬火＋高温回火，以获得回火 索氏体的热处理工艺。
方法是①先淬火，淬火温度：亚共析钢为 Ac3+30~50℃；过共析钢为Ac1+30~50℃；合 金钢可比碳钢稍稍提高一点。②淬火后在 500~650℃进行回火即可。
涡流的分布是不 均匀的,表面电流密 度最大,心部电流密 度几乎为零。
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感应加热原理示意图
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感应加热淬火工艺原理
由于钢本身具有电阻, 集中于工件表面的涡流, 几秒种可使工件表面温 度升至800~1000℃,而 心部温度仍接近室温, 随即喷水(合金钢浸油) 快速冷却后,达到表面 淬火目的。