真空热处理工艺原理

1535（熔点）
1550 27.75
镍
温度℃
溶解度s
1400 16.52
1452（熔点）
1500 41.6
铜
温度℃
溶解度s
1000 1.58
1083（熔点） 1100
2.10（固态）
6.3
6.10（液态）
溶解度 s的单位为每 100g金属对标准态气体容积单位为 cm3的溶解量
1650 30.97 1600 43.1 1200 8.1
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气体原子在金属中的扩散
? 气体原子在金属中是通过晶格而主要不是晶界进 行扩散的；
? 任意时刻，扩散只在金属表面的气体吸附层处进 行；
? 不同的表面处理可引起不同的扩散效果。
材料
表面处理方式
温度 ℃
压力p mmHg
扩散速度 q（atm·cm3/(cm 2·s)） （×10-6）
镍
抛光
750
0.042
真空热处理工艺原理
真空热处理工艺原理
?金属在真空状态下的相变特点及其表面状态 ?气体与金属及其表面的作用 ?真空状态下金属表面的氧化 ?真空下金属的脱碳 ?金属的蒸发
2
金属在真空状态下的相变特点
?对金属晶格施加外压强 p，体积V产生ΔV变化有： p=-G( ΔV/V)；(G：体积弹性模量）
?p ΔV＝－ ΔU， ΔU 为金属总结合能 U的变化量；
? 利用退吸降低炉内压力并提高温度将各种气体分子 （对金属产生不利反应的气体分子，氧、二氧化碳） 从金属零件表面退吸掉或部分退吸掉。
12
金属对气体的收附作用
?多种金属及合金（液态或固态）对多种气体 均有收附作用
?液态金属对气体的收附能力远大于固态金属。
在不同温度下金属对氢的溶解度
铁
温度℃
溶解度s
1500 12.75
5
压力对相变的影响
在1atm 及30kbar 压力下，柱状组织与 马氏体转变的含碳量－温度关系曲线
6
金属在真空状态下的表面状态
?表面指固体金属最外层的 1－10个单原子层，其厚 度约为几－几十埃。
? 金属的表面结构
金属表面由于中断了晶体内原子排列的三维周期及 破坏了表面电子特性等原因，从而导致了表面原子 位置的变动以使表面原子的位能（表面能）降低。
1.39
氧化和还原
750
0.042
2.70
抛光
750
0.091
2.91
氧化和还原
750
0.091
4.23
铁
抛光
400
0.77
酸蚀
400
0.77
抛光
590
0.073
600℃氧化和还原
590
0.073
800℃氧化和还原
590
0.073
0.47×10-7
4.4
1.28
0.百度文库6
15
1.54
金属中的气体元素
? 退吸 : 吸附的逆过程； ? 金属对气体的收附：吸附与吸收同时存在的现象； ? 气体分子在金属中的扩散 ? 金属的除气：将吸收的气体原子或分子自金属内部
排走并呈气体从金属表面析出的过程。
10
气体在金属表面的吸附
? 物理吸附
? 范德华力、无选择性、速度较快、可多分子层、易解吸，可 逆。
? 化学吸附
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气体原子在金属中的扩散
? 由吸附变为收附是和金属表面原子与吸附气体分子 （原子） 之间的表面反应及气体原子（或质子） 在金属中的扩散两个基本过程有关。
? 气体原子在金属中的扩散服从费克第一定律，即在 稳定态（金属试样中的气体原子浓度不随时间而变） 时， 有下式：q＝－D（dC/dx ）
q－单位时间（s）内通过垂直于扩散方向的单位面积（ cm 2）的扩散物 质量，D－扩散系数，dC/dx －x方向上的浓度（C）梯度，扩散由浓度 高到低进行。
? 气体元素在金属中以几种形态存在：
? 分解并以原子或离子形态固溶于金属中； ? 由于位错的应力场作用，气体原子可集聚与位错处
形成柯氏气团； ? 金属与气体元素形成化合物存在于金属表面或呈夹
杂存在于金属内部。 ? 以分子形式存在于气孔、白点和显微裂纹中； ? 气体在金属表面和内部气孔表面化学及物理吸附；
? 结合力与化合物中原子间化学键的力相似、特定的固－气体 系间、速度较慢、单分子层、难吸解、不可逆。
? 吸附过程是金属对气体收附现象的基础。
11
退吸
? 退吸过程受对吸附过程有影响的各因素的影响，包 括：压力、温度、零件的形状及其表面状况等。
? 一定温度，压力降低可产生退吸；退吸是吸热过程， 提高温度可以加速退吸；
16
金属中含有气体时的性能特点
溶解气体的含量对再结晶之后的高熔点 金属的硬度和电阻的影响
（1）显微硬度（2）比电阻
溶解气体的含量对淬火状态金属的 机械性能的影响
（1）冲击韧性（2）断面收缩率
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氢脆
? 氢脆
? 柯垂耳断裂核心形 成机制
? 断裂核心的形成
是由于晶体中产生 了局部的塑性变形， a/2<111> 型位错能 在滑移面上移动是 由于屈服应力的作 用。
在αFe {100} 断裂平面上断裂核心 的形成过程
--
a/2[111]+a/2[111]
? a[001]
18
氢脆
? 断裂核心的形成是晶体中产 生局部塑性变形， a/2<111>
型位错在滑移面上移动是由 于屈服应力的作用。
?屈服应力对温度敏感 ?断裂 强度对温度敏感
? 对含氢的钢：变形速度越小、
温度越高，脆断成分高； ? 对不含氢的钢：变形速度越
室温下，应变速度对溶有氢（曲线 1） 及未溶有氢（曲线 2）钢的韧性的影响
大，温度越低，脆断成分大。
A 0：试棒原始断面积，
A：试棒断裂处的断面积
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西佛斯定律
?气体如氢气、氧气、氮气在金属中的溶解度 于其分压的平方根成正比
?S=KP ?
S气体在金属中的溶解度， P气氛中被溶解于金属中的气体分压， K西佛 斯常数，与温度有关
? 表面吸附
2.81? 2.86? 0.2?
7
表面能
表面能的产生
面心立方晶体（100）为表面
8 By J Liang
清 洁 表 面 的 结 构 和 特 点
9 By J Liang
气体与金属及其表面的作用
?吸附: 气体分子与金属表面相互作用并附着于金属 表面的现象 ;
?吸收: 气体与金属表面相互作用并进入到金属内部 的现象;
? 外压强所引起的晶体体积和结合能的变化将对伴随 有体积（比容）及原子间距离、晶格常数变化的相 变具有促进或抑制作用。
? 外压强造成的弹性应力将促进或抑制溶质原子的扩 散。
3
压力对相变的影响
铁碳合金的温度－成分－压力相图
4
压力对相变的影响
0.44%C 钢在1atm 及24kbar 压力下的等温的等温转变曲线图