金属热处理与表面处理方法
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金属热处理和表面处理方法
一、金属的结构
金属是晶体。 在晶体中，原子按一定的几何规律作周期
性地排列，称为有序排列。 晶体有固定的熔点和凝固点， 晶体的性能呈各向异性。 金属材料绝大多数是晶体。
常见金属的晶体结构
体心立方： -Fe,Cr,W,V等。 面心立方： γ-Fe、 Al、Cu、Ni、Au、
由铁和碳组成的一种具有复杂结构的间隙
化合物，含碳量为6.69%，用“Fe3C” 表示。
渗碳体的性能特点——硬度高，脆性大。
硬度 HB=800kgf/mm2;
抗拉强度 бb＝30MPa;
塑性、韧性几乎为零。
(3) 奥氏体
碳在γ-Fe中的固溶体，用“A”表示。 特点： ① 在1148℃时有最大溶解度2.11%C，
同素异构转变。
600
-F e
400
200
时间
金属变形和强化
金属的塑性变形及其对金属组织性能的影 响
金属在外力作用下产生变形，当外力去除 后不能恢复的永久性变形称为塑性变形。 塑性变形不仅使金属获得所需的形状和尺 寸，而且能改变金属的组织和性能。
金属的结合键是金属键
金属键决定金属的特性：导电、 导热、 良好的塑性
对于钢铁：E=214000MPa。 屈服强度应为21400MPa， 而实际钢铁的强度为300~1700MPa。
塑性变形的产生并不 是沿着整个滑移面同 时进行的简单的刚性 滑移造成的，而是由 位错在滑移面上的运 动来实现的。
1 111
2 22 2
3 33 3 4 4 4 4 5 5 5
56 6 6
当外力进一步增加达到一定程度，原子就沿着某 些晶面滑移，达到新的平衡位置，这时外力去除 后，原子不再恢复到原来的位置，晶体产生了永 久性的塑性变形。
在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分产 生滑动,称为滑移。发生滑移的晶面称为滑移面。
经过计算，滑移面上的原子同时滑移时所需 的剪切力是很大的，约为E/10。
溶质 溶剂
溶剂 溶质
(a) (b)
固溶强化
因溶质原子的溶入而导致固溶体原子间作 用力发生变化，使晶格发生畸变，增加了 位错移动的阻力，提高了合金的强度和硬 度。这种通过溶入溶质元素而使溶剂金属 强度、硬度提高的现象称为固溶强化。
原子尺寸相差越大，畸变就越严重。
金属化合物
合金中各组元按一定方式形
例如碳原子溶解到-Fe的晶格中，形成的固溶体 (称铁素体)具有-Fe原来的体心立方晶格，而碳 失去原来的密排六方结构，以单个原子溶入-Fe 的晶格，-Fe是溶剂，碳是溶质。
固溶体
• 溶质原子置换了溶剂晶格中溶剂原子的部 分位置而形成的固溶体称为置换固溶体，
• 溶质原子位于溶剂晶格间隙中所形成的固 溶体称间隙固溶体，如图所示。
金属热处理工艺
一般地说，热处理工艺的 基本过程包括加热、保温度 保温 临界温度 温和冷却三个阶段。由 于热处理时起作用的主
要因素是温度和时间，
所以各种热处理都可以
用温度—时间曲线来表
示，叫做热处理工艺曲
淬火
回火
线，
时间
图3-14 热处理工艺曲线示意图
1、铁碳合金中的相
(1) 铁素体——碳在α-Fe中的
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++
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相邻金属原子间的相互作用力
引 力
距离
处于平衡位置 的金属原子 斥 力
1.单晶体的塑性变形
1.单晶体的塑性变形
当受力较小时，晶体内原子间距发生微小变化， 原子稍偏离平衡位置处于不稳定状态，当外力去 除后原子则返回平衡位置，晶体变形随之消失， 这就是弹性变形阶段；
金属的强化方法
金属的强化主要是通过各种方法阻止位 错移动，从而提高金属的强度。
怎样阻止位错移动呢？
使滑移面崎岖不平：使晶格变形、扭 曲，增加晶界。 缠住位错：增加位错密度、形成大量 杂质颗粒或第二相。
二、金属热处理
在固态下加热金属,并在一定的温度下保温 一定的时间,再以一定的方式冷却,通过金 属内部的组织转变改变金属性能的工艺。
固溶体，用“F”表示。
特点：
① 在727℃有最大溶解度，为 0.0218%C；
② 强度和硬度低，韧性塑性好。其力学性
能大致为；
σb 180~280MN/ ψ
70~80%
σ0.2 100~1m720MN/
δ
30~50%
HB
50~m 802HBS
ak 1.8~2.5MJ/m2
(2) Fe3C—渗碳体
Ag、Pb等 密排六方： Mg、Zn、Be、Ti、Cd等
合金的结构
金属中加入合金后可形成固溶体或金属化 合物。
固溶体
合金各组元在液态下互相溶解，结晶为固态后仍 然保持溶解状态的合金相，称为固溶体。
固溶体的特征是：溶剂为含量较多的基体金属， 晶格类型保持不变。溶质为含量较少的合金元素， 晶格类型消失。
6
111’’’
22’2’’2’
3’3’3’ 3’
4’ 4’ 4’4’
5’ 5’ 5’ 5’
6Biblioteka Baidu’’ 66’’
金属的强化
一般金属产生塑性变形后在变形较大 的地方产生裂纹，随着裂纹的扩大最 终产生断裂。因此，要想避免金属断 裂就要防止金属产生塑性变形。提高 金属强度，防止塑性变形和断裂的方 法叫作金属的强化。
成的一种新晶体称为金属化
合物。金属化合物的晶格类
型不同于任一组元，一般具
有复杂晶格，如碳钢中的渗
碳体(Fe3 C)是铁与碳形成的 金属化合物，其晶格类型既
不同于铁，也不同于碳的复 碳 原 子
铁原子
杂结构 。
弥散强化
复杂的结构使金属化合物具有较高的熔点，很高 的硬度与脆性。合金中出现金属化合物时，合金 的强度、硬度和耐磨性提高，但塑性、韧性降低。 由于金属化合物硬而脆，通常不能作为合金的基 体材料，而是以弥散状态(细粒状、细点状)分布 于合金基体上作为强化相。弥散度越高，金属强 度、硬度越高。这种以弥散粒子作为第二强化相 使金属强度、硬度提高的现象称为弥散强化。
金属的同素异构转变
温度℃
多数金属结晶后，晶格类型 1 6 0 0
1538 ℃
不再发生变化。但有少数金
1394 ℃
-F e
1400
属如铁、钴、钛、锡等，在
结晶完成后继续冷却的过程 1 2 0 0
中还会发生晶体结构的转变。1 0 0 0
-F e 912 ℃
这种金属在固态下由一种晶 8 0 0 磁 性 转 变 ( 7 7 0 ℃ ) 格向另一种晶格的转变称为
一、金属的结构
金属是晶体。 在晶体中，原子按一定的几何规律作周期
性地排列，称为有序排列。 晶体有固定的熔点和凝固点， 晶体的性能呈各向异性。 金属材料绝大多数是晶体。
常见金属的晶体结构
体心立方： -Fe,Cr,W,V等。 面心立方： γ-Fe、 Al、Cu、Ni、Au、
由铁和碳组成的一种具有复杂结构的间隙
化合物，含碳量为6.69%，用“Fe3C” 表示。
渗碳体的性能特点——硬度高，脆性大。
硬度 HB=800kgf/mm2;
抗拉强度 бb＝30MPa;
塑性、韧性几乎为零。
(3) 奥氏体
碳在γ-Fe中的固溶体，用“A”表示。 特点： ① 在1148℃时有最大溶解度2.11%C，
同素异构转变。
600
-F e
400
200
时间
金属变形和强化
金属的塑性变形及其对金属组织性能的影 响
金属在外力作用下产生变形，当外力去除 后不能恢复的永久性变形称为塑性变形。 塑性变形不仅使金属获得所需的形状和尺 寸，而且能改变金属的组织和性能。
金属的结合键是金属键
金属键决定金属的特性：导电、 导热、 良好的塑性
对于钢铁：E=214000MPa。 屈服强度应为21400MPa， 而实际钢铁的强度为300~1700MPa。
塑性变形的产生并不 是沿着整个滑移面同 时进行的简单的刚性 滑移造成的，而是由 位错在滑移面上的运 动来实现的。
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56 6 6
当外力进一步增加达到一定程度，原子就沿着某 些晶面滑移，达到新的平衡位置，这时外力去除 后，原子不再恢复到原来的位置，晶体产生了永 久性的塑性变形。
在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分产 生滑动,称为滑移。发生滑移的晶面称为滑移面。
经过计算，滑移面上的原子同时滑移时所需 的剪切力是很大的，约为E/10。
溶质 溶剂
溶剂 溶质
(a) (b)
固溶强化
因溶质原子的溶入而导致固溶体原子间作 用力发生变化，使晶格发生畸变，增加了 位错移动的阻力，提高了合金的强度和硬 度。这种通过溶入溶质元素而使溶剂金属 强度、硬度提高的现象称为固溶强化。
原子尺寸相差越大，畸变就越严重。
金属化合物
合金中各组元按一定方式形
例如碳原子溶解到-Fe的晶格中，形成的固溶体 (称铁素体)具有-Fe原来的体心立方晶格，而碳 失去原来的密排六方结构，以单个原子溶入-Fe 的晶格，-Fe是溶剂，碳是溶质。
固溶体
• 溶质原子置换了溶剂晶格中溶剂原子的部 分位置而形成的固溶体称为置换固溶体，
• 溶质原子位于溶剂晶格间隙中所形成的固 溶体称间隙固溶体，如图所示。
金属热处理工艺
一般地说，热处理工艺的 基本过程包括加热、保温度 保温 临界温度 温和冷却三个阶段。由 于热处理时起作用的主
要因素是温度和时间，
所以各种热处理都可以
用温度—时间曲线来表
示，叫做热处理工艺曲
淬火
回火
线，
时间
图3-14 热处理工艺曲线示意图
1、铁碳合金中的相
(1) 铁素体——碳在α-Fe中的
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相邻金属原子间的相互作用力
引 力
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处于平衡位置 的金属原子 斥 力
1.单晶体的塑性变形
1.单晶体的塑性变形
当受力较小时，晶体内原子间距发生微小变化， 原子稍偏离平衡位置处于不稳定状态，当外力去 除后原子则返回平衡位置，晶体变形随之消失， 这就是弹性变形阶段；
金属的强化方法
金属的强化主要是通过各种方法阻止位 错移动，从而提高金属的强度。
怎样阻止位错移动呢？
使滑移面崎岖不平：使晶格变形、扭 曲，增加晶界。 缠住位错：增加位错密度、形成大量 杂质颗粒或第二相。
二、金属热处理
在固态下加热金属,并在一定的温度下保温 一定的时间,再以一定的方式冷却,通过金 属内部的组织转变改变金属性能的工艺。
固溶体，用“F”表示。
特点：
① 在727℃有最大溶解度，为 0.0218%C；
② 强度和硬度低，韧性塑性好。其力学性
能大致为；
σb 180~280MN/ ψ
70~80%
σ0.2 100~1m720MN/
δ
30~50%
HB
50~m 802HBS
ak 1.8~2.5MJ/m2
(2) Fe3C—渗碳体
Ag、Pb等 密排六方： Mg、Zn、Be、Ti、Cd等
合金的结构
金属中加入合金后可形成固溶体或金属化 合物。
固溶体
合金各组元在液态下互相溶解，结晶为固态后仍 然保持溶解状态的合金相，称为固溶体。
固溶体的特征是：溶剂为含量较多的基体金属， 晶格类型保持不变。溶质为含量较少的合金元素， 晶格类型消失。
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3’3’3’ 3’
4’ 4’ 4’4’
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金属的强化
一般金属产生塑性变形后在变形较大 的地方产生裂纹，随着裂纹的扩大最 终产生断裂。因此，要想避免金属断 裂就要防止金属产生塑性变形。提高 金属强度，防止塑性变形和断裂的方 法叫作金属的强化。
成的一种新晶体称为金属化
合物。金属化合物的晶格类
型不同于任一组元，一般具
有复杂晶格，如碳钢中的渗
碳体(Fe3 C)是铁与碳形成的 金属化合物，其晶格类型既
不同于铁，也不同于碳的复 碳 原 子
铁原子
杂结构 。
弥散强化
复杂的结构使金属化合物具有较高的熔点，很高 的硬度与脆性。合金中出现金属化合物时，合金 的强度、硬度和耐磨性提高，但塑性、韧性降低。 由于金属化合物硬而脆，通常不能作为合金的基 体材料，而是以弥散状态(细粒状、细点状)分布 于合金基体上作为强化相。弥散度越高，金属强 度、硬度越高。这种以弥散粒子作为第二强化相 使金属强度、硬度提高的现象称为弥散强化。
金属的同素异构转变
温度℃
多数金属结晶后，晶格类型 1 6 0 0
1538 ℃
不再发生变化。但有少数金
1394 ℃
-F e
1400
属如铁、钴、钛、锡等，在
结晶完成后继续冷却的过程 1 2 0 0
中还会发生晶体结构的转变。1 0 0 0
-F e 912 ℃
这种金属在固态下由一种晶 8 0 0 磁 性 转 变 ( 7 7 0 ℃ ) 格向另一种晶格的转变称为