金属材料的强化与表面处理

F＋ P 片状珠光体和 网状渗碳体组 织转变为球状
扩散 退火
再结晶 退火 去应力 退火
改善或消除枝晶偏析，加热到Tm-100～ 粗大组织（组 使成分均匀化 200 ℃，先缓冷， 织严重过烧） 后空冷
消除加工硬化，提高 加热到再结晶温 塑性 度，再空冷 消除残余应力，提高 加热到500～650 尺寸稳定性 ℃缓冷至200 ℃空 冷
15
合金钢铸锭 及大型铸钢 件或铸件
冷变形加工 的制品 铸、锻、焊、 冷压件及机 加工件
变形晶粒变成 细小的等轴晶 无变化
化工学院高分子

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：
对于许多需要高强度、高耐磨条件下工作的零件则必须 淬火与回火处理。
马氏体形成过程示意图
17
化工学院高分子

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。
曲线分为三阶段
1）易滑移阶段（位错少干扰） 2）线性硬化阶段（位错塞积）
3）抛物线硬化阶段（螺旋位错
启动，位错密度下降）
8
化工学院高分子
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。
9
化工学院高分子
① ② ③ 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。
16
化工学院高分子

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。 2、淬火的必要性
经过退火或正火的工件只能获得一般的强度和硬度，
18
化工学院高分子
3、回火的种类：
1）低温回火（150～250℃）
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。（HRC≥60）
2）中温回火（350～500℃） 回火的目的是获得回火屈氏体，具备高的弹性极限和 韧性，并保持一定的硬度，主要用于各种弹簧，锻模、压 铸模等模具。（35≤HRC≤45）
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。 σb δ
δ
Cu－Ni固溶体的机械
性能与成分的关系
6
Al－Mg固溶体的应力－应变曲线
化工学院高分子
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。
19
化工学院高分子
3）高温回火（500～650℃） 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、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、 机床主轴及齿轮等重要机器零件。（25≤HRC≤35）
金属材料的强化与 表面处理
化工学院高分子
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

2
化工学院高分子
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)
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）
7
化工学院高分子

加工硬化(位错强化)：
加工硬化是指金属材料随着塑性变形程度的增加，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。 加工硬化曲线：
定温度进行保温， 缓冷至600℃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
14
化工学院高分子
常用退火工艺制度小结
名称
完全 退火 球化 退火
目的
工艺制度
组织
应用
亚共析钢的 铸、锻、轧 件，焊接件 共析、过共 析钢及合金 钢的锻件、 轧件等
细化晶粒，消除铸造 加热到AC3＋20～ 偏析，降低硬度，提 50℃，炉冷至550 高塑性 ℃左右空冷 降低硬度，改善切削 加热到AC1＋20～ 性能，提高塑性韧性，40℃，然后缓冷 为淬火作组织准备
普通热处理 表面热处理

铝合金的时效强化12Biblioteka 化工学院高分子细晶韧化
晶粒越细在一定体积内的晶粒数 目多，同样塑性变形量分散在更多 的晶粒内进行，变形较均匀，且每 个晶粒中塞积德位错少，因应力集 中引起的开裂机会少，在开裂前可 承受较大的变形量。
化工学院高分子
13


钢的普通热处理
退火
将钢加热到一

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
10
化工学院高分子
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
11
化工学院高分子
金属强韧化的常用方法
细晶韧化
钢的热处理
3
化工学院高分子

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。 双晶粒的拉伸试验说明：晶界对形变有阻碍作用。
双晶粒拉伸示意图
4
低碳钢的σs 与晶粒大小的关系
化工学院高分子
在上图中，低碳钢的σs 与晶粒直径平方根的倒数呈线
性关系，可用下式表示：
σs＝ σ0+Kd－1/2 …… Hall－Petch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）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。
5
化工学院高分子

固溶强化：