《金属学与热处理》课件

《金属学与热处理》课程介绍金属学与热处理是一门涉及材料科学、冶金、机械等多个领域的综合性学科本课程将全面介绍金属材料的基本性质、相变机制和热处理工艺，帮助学生深入理解金属材料的工艺-结构-性能关系金属的结构金属的内部结构由有序排列的原子组成金属晶体这些原子通过金属键结合在一起,形成具有独特性质的金属材料金属的结构特征包括晶格类型、原子密度、原子堆积方式等了解金属的内部结构有助于我们分析和预测其性能晶体结构基本概念晶格类型面心立方晶格体心立方晶格金属物质由有序排列的原子组常见的晶格类型包括立方晶铜、铝和镍等金属具有面心立铁、钨等金属具有体心立方晶成,形成规则的晶体结构这格、六方晶格和斜方晶格等方晶格,这种结构密度高,原子格,这种结构相对松散,但具有种晶体结构决定了金属的物理不同的晶格结构影响金属的性排列有序,有利于金属的加工良好的塑性和强度性质,如密度、硬度和导电能表现和使用性金属的结构缺陷点缺陷线缺陷面缺陷点缺陷指晶体结构中原子的缺失或替换,会线缺陷是晶体结构中的错位线,会造成局部面缺陷包括晶界、相界和堆垛错误,会影响影响金属的物理和化学性能应力集中,影响材料的强度和韧性金属的结构稳定性和性能金属相图金属相图是描述金属合金在不同温度下相互转变过程的图表它能反映合金在不同温度和成分下的相结构变化规律,对研究和控制金属材料的组织结构、性能具有重要作用金属相图通常包括稳定相图、准稳定相图和非平衡相图等几种类型它们能够描述合金从熔融到固化的整个过程,是金属材料开发和热处理工艺设计的基础二元合金相图型二元合金相图型二元合金相图型二元合金相图A BCA型相图描述了两种组分完全固溶的合金系B型相图描述了存在共晶反应的合金系统C型相图描述了存在共析反应的合金系统统它们形成连续的固溶体,没有共晶反合金在某种特定组成下会形成共晶微观结这种相图在金属合金领域非常常见,如铁碳应这种相图常见于贵金属合金系统构,这对材料性能有重要影响合金和铝硅合金等相变热能注入通过加热将物质内部的热能提升,达到相变的温度条件原子结构重排热能使原子在晶格中发生位置调整,改变物质的结构和性质相界面移动新相的形核与生长过程使相界面不断前进,直至完成相变铁碳合金相图铁碳合金相图描述了不同含碳量下铁-碳系统的相平衡状态它展示了铁和碳在不同温度和压力下组成的各种金属相以及它们之间的转变关系该相图对于理解和控制金属热处理过程至关重要相图中包括铁素体、珠光体、马氏体等关键相变,为金属热处理工艺的选择提供了科学依据理解相图特点有助于优化热处理参数,提高零件性能和质量铁素体变态晶体结构铁素体是一种铁的晶体结构,具有体心立方BCC的原子排布温度影响随着温度的降低,铁素体逐渐稳定下来,成为常温下的铁的主要组织成分机械性能铁素体具有良好的强度、韧性和延展性,是构建机械零件的理想材料马氏体变态迅速冷却扭曲形态马氏体变态是在快速冷却下发生马氏体变态过程中,原有的铁素体的相变,需要将钢料冷却到临界温晶格会扭曲变形,形成独特的针状度以下晶体结构高硬度马氏体具有高硬度和强度,是热处理钢材中最重要的组织之一时间温度变态曲线--温度时间数据-1记录各种金属在不同温度下随时间变化的数据相变曲线2分析温度-时间曲线,绘制出相变的时间-温度关系变态过程3根据相变曲线,可以了解各种金属在不同热处理条件下的相变过程合金设计4利用时间-温度-变态曲线可以设计出最佳的合金成分和热处理工艺时间-温度-变态曲线描述了金属在不同温度条件下随时间变化的相变过程它记录了各种金属在不同温度下的相变数据,为分析相变机理和设计合金热处理提供了重要依据通过时间-温度-变态曲线,可以全面了解金属材料在不同热处理条件下的相变规律常见热处理工艺退火正火12通过缓慢加热和冷却,去除内部对金属快速加热并充分保温,使应力,改善金属的机械性能之获得均匀的组织结构淬火回火34快速冷却金属,获得高硬度的马对淬火后的金属进行适当加热氏体组织结构和缓慢冷却,改善其力学性能退火缓慢加热消除应力退火工艺需要将金属缓慢加热到一定温度，保温一段时间后再缓慢退火可以消除加工过程中产生的内部应力，提高金属的可塑性冷却微观结构调整降低硬度退火能够调整金属的微观结构,使其更加均匀细腻,提高力学性能退火工艺可以降低金属的硬度,使其更加容易加工和机加正火定义工艺流程优点应用正火是一种热处理工艺,目的•将工件加热到正火温•消除内部应力正火广泛应用于铸件、焊接件是消除金属制品内部应力,改度并保温一段时间以及冷加工后的零件,以消除•改善组织结构和性能善其组织和性能它通常适用内部应力,提高零件的耐久性•在炉中缓慢冷却至室温•为后续加工做好准备于铸件、焊接件和塑性加工后和使用寿命的金属零件淬火高温加热将钢料加热至奥氏体化温度范围内，使其完全转变为奥氏体结构快速冷却从高温状态迅速冷却至室温，以获得马氏体组织结构硬度提高淬火后的钢料会得到显著的硬度提升，适用于制造刀具、机械零件等回火提高金属耐热性能释放内部应力12回火可以显著提高金属的抗拉回火过程中,金属内部的残余应强度、硬度和耐热性能,使其更力会被释放,从而提高零件的抗适合承受高温下的应力裂性和抗凝聚性改善机械性能控制组织结构34回火还可以改善金属的延性和针对不同用途,可以通过调整回韧性,降低其脆性,提高零件的使火温度和时间来控制金属的显用寿命微组织和性能化学热处理概念目的主要工艺优势化学热处理是通过在零件表面目的是提高零件的耐磨性、硬主要包括渗碳、渗氮、浅层渗化学热处理可以在保持基体软进行化学反应,改变材料表层度和抗腐蚀性,以满足特殊使氮等,可以根据不同需求选择韧性的同时,大幅提高表面硬成分和组织结构的热处理方用环境的要求合适的工艺度和耐磨性法渗碳提高表面硬度提高承载能力渗碳是一种化学热处理工艺,可以渗碳层可以用于提高齿轮、轴承在金属表面形成富含碳的硬质层,等零件的负荷承载能力,增强其使大幅提高表面硬度和耐磨性用寿命改善疲劳性能渗碳能够改善金属表面的疲劳特性,降低应力集中,有效延长零件的使用寿命渗氮渗氮设备采用高温气体作为氮源进行渗氮处理的专用设备，包括渗氮炉和真空渗氮装置渗氮工艺在高温氨气或氮/氢混合气体中进行，通过扩散作用在表面形成硬质的氮化层性能特点渗氮处理可以提高零件的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度，是常见的表面改性工艺浅层渗氮渗氮深度浅提高表面硬度浅层渗氮通常只需要几十微米的深度,可以更好地保持基材的浅层渗氮可以有效提高零件表面的硬度,从而增强耐磨性和抗原有性能疲劳性适用于薄壁零件生产效率高与深层渗氮相比,浅层渗氮更适用于某些薄壁零件,避免了过度由于渗氮深度浅,浅层渗氮的处理时间通常较短,能够大幅提高渗碳而影响零件尺寸生产效率表面热处理工艺喷焰淬火感应淬火电阻炉淬火通过高温喷焰加热金属表面,然后快速冷却,利用感应电流在金属表面形成热量,再快速将工件放在电阻加热炉中进行加热淬火,可可以在表面形成硬质的马氏体组织,提高耐冷却的方法,可以在表面获得高硬度的马氏以获得较为均匀的组织结构和性能磨性体组织喷焰淬火高温热源喷焰淬火使用高温气焰作为热源,快速加热工件表面至临界温度齿轮等零件喷焰淬火适用于齿轮、轴承座等小型零件的表面硬化处理快速冷却通过喷水或油冷快速冷却工件表面,形成马氏体组织结构喷焰淬火是一种常见的热处理工艺,利用高温气焰快速加热工件表面,然后立即进行淬火冷却这种方法适用于小型零件的局部表面硬化处理,能够提高工件表面的硬度和耐磨性高频淬火快速加热精确控制高频淬火利用感应加热的原理,可借助精密的控制系统,高频淬火可以在短时间内迅速将工件加热至以精确控制加热区域和温度,确保淬火温度,实现快速加热工件表面得到均匀的淬火处理节能环保相比传统炉式淬火,高频淬火能显著减少能源消耗,同时避免了工件表面氧化的问题感应淬火电磁感应加热高效均匀加热12感应淬火利用高频电磁感应原理,快速加热金属表面感应线圈可精确控制加热区域,确保快速且均匀的加热效果无接触加热成本效益高34无需直接接触工件,可以有效避免工件变形和表面氧化设备能源效率高,操作成本较传统淬火方式更低电阻炉淬火高效均匀加热精准控温快速淬火电阻炉通过恒温加热金属工件,确保整体受电阻炉可精准控制加热温度,确保工件达到电阻炉淬火后,可立即将工件浸入油浴或水热均匀,提高淬火效果所需的淬火温度浴中迅速冷却,获得理想的组织结构淬火后的应力分析残余应力应力松弛应力退火应力分布优化淬火后金属表层会产生压缩应高温下,金属内部原子的热振应力退火是一种特殊的热处理合理控制淬火工艺参数,如淬力,内层则会形成拉伸应力动会导致残余应力逐渐释放,工艺,通过加热和冷却来消除火温度、冷却介质等,可以调这种应力状态能增强金属的抗这个过程称为应力松弛合理金属内部的残余应力,提高其整金属内部应力分布,避免出疲劳性和抗开裂性能控制温度和时间可以有效管理使用性能和寿命现过高的局部应力应力分布残余应力表面残余应力内部残余应力热处理对残余应力的影响金属表面通常存在压缩性的残余应力,可以金属内部可能存在拉伸性的残余应力,容易合理的热处理工艺可以调控金属表面和内部提高材料的耐疲劳性和抗裂纹传播能力导致应力腐蚀和应力开裂等问题的残余应力状态,提高零件的使用寿命应力松弛内部应力释放性能改善应力松弛是金属在高温和长时间通过应力松弛,可以消除因热处理作用下,内部应力逐渐释放的过过程中引入的内部应力,改善金属程的使用性能时间依赖性应力松弛过程往往需要很长的时间,需要根据具体情况选择合适的温度和时间应力退火消除残余应力提高尺寸稳定性12应力退火的主要目的是通过加消除残余应力可以提高产品的热和缓慢冷却来消除材料内部尺寸稳定性,避免在使用过程中的残余应力出现变形改善表面质量增强抗疲劳性能34应力退火可以改善零件的表面通过释放残余应力,可以提高零质量,去除加工过程中产生的表件的抗疲劳寿命,增强结构的可面缺陷靠性热处理设备热处理过程需要专业的设备来控制温度、时间和环境等关键参数主要包括炉式设备、淬火设备、表面热处理设备等炉式设备如箱式炉、管式炉、马弗炉等,可精确调控温度和气氛,实现退火、正火、淬火等热处理工艺淬火设备如马氏体淬火池、深冷设备等,可快速冷却并控制温度,确保晶体结构的改变和目标性能的达成热处理质量控制工艺参数控制性能检测表面质量检查统计过程控制确保温度、时间、气氛等工艺采用硬度、组织检查等手段,对热处理后的零件表面进行检采用SPC等方法对热处理过程参数严格控制在合理范围内,评估热处理后零件的机械性查,确保无裂纹、氧化层等缺进行统计分析,及时发现并纠确保热处理工艺的一致性和可能、微观组织等指标是否符合陷,保证表面质量正异常情况,确保质量稳定重复性要求。