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1、2023/10/2,材料科学与工程导论,2023/10/2,第九章材料的强化与表面处理,材料的强化与表面处理,2023/10/2,内容简介：本章对工程材料强化及表面处理方面的有关知识做了较为全面的介绍，使我们对工程材料的性能特点及应用有了更好的了解。本章重点：9.2 非金属材料的强化与韧化的途径；9.3 金属材料的表面强化与表面改性技术。,2023/10/2,概述,好材料之所以好，是因为它具有好的性能。人们在利用材料的力学性能时，总是希望所用材料既有足够的强度，又有较好的韧性。但通常的材料往往两者只能居其一，要么是强度高韧性差；要么是韧性好，但强度却达不到要求。寻找办法来弥补材料各自的缺点，这
2、就是材料的强化和增韧所要解决的问题。,第一节 金属材料强化与韧化的途径,学习目标：1.了解金属材料强化和韧化的原理；2.掌握金属材料强化和韧化的主要方法。,金属材料的强化原理,一、金属材料的强化原理 提高金属强度的途径有两条：一是完全消除内部的位错和其他缺陷，使其强度接近于理论强度，目前实验室条件可以实现，但实际大量应用还存在技术困难。二是在金属中引入大量缺陷，以阻碍位错的运动，例如加工硬化、合金强化、细晶强化、马氏体强化、沉淀强化等。,金属材料的强化原理细晶强化,（一）细晶强化 细晶强化是指通过晶粒粒度的细化来提高金属的强度。金属材料在外力作用下会产生塞积位错，塞积位错应力场强度与塞积位错数
3、目和外加切应力值有关，而塞积位错数目正比于晶粒尺寸，因此当金属材料的晶粒变细时，必须加大外加作用力以激活相邻晶粒内位错源，从而达到了强化的作用。,金属材料的强化原理固溶强化,（二）固溶强化 纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象，称为固溶强化。固溶强化的原因可归结于溶质原子和位错的交互作用，这些作用起源于溶质引发的局部点阵畸变。固溶体可分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理各不相同。,金属材料的强化原理位错强化,（三）位错强化 当晶体中的位错的分布比较均匀时，流变应力和位错密度间存在培莱赫许（Bailey，J.E-Hirsch，P.B）关系式，即 0+Gb1/2 式中：为位错密度；G为切
4、变模量；b为柏氏矢量；为系数，多晶体铁素体0.4；参量0表示位错交互作用以外的因素对位错运动所造成的阻力。,金属材料的强化原理位错强化,由上式可见，当增高时，也增大。在金属晶体受到外力作用时，内部增殖大量位错。位错的增殖是塑性变形造成的，所以流变应力的增大率与塑性应变的增大率有关，即流变应力的增大率取决于塑性形变引起的位错密度的增大率。,金属材料的强化原理沉淀强化,（四）沉淀强化 沉淀强化，即材料强度在时效温度下随时间而变化的现象，是铝合金和高温合金的主要强化手段，其基本条件是固溶度随温度下降而降低。实际的材料往往会综合有多种强化机制在起作用，钢中马氏体相变强化就是这样一种强化机制，它实际上是
5、固溶强化、弥散强化、形变强化、细晶强化的综合效应。,金属材料的韧化原理,二、金属材料的韧化原理 金属材料的断裂类型：韧性断裂和脆性断裂 韧性断裂系指在断裂之前发生一定的塑性变形，例如宏观塑性变形不小于5；脆性断裂则包括解理断裂、沿晶断裂。韧性断裂是微孔形成、聚集长大的过程，在这种断裂机制中，塑性变形起着主要作用。,金属材料的韧化原理,改善金属材料韧性断裂的途径是：减少诱发微孔的组成相，如减少沉淀相数量：提高基体塑性，从而可增大在基体上裂纹扩展的能量消耗；增加组织的塑性形变均匀性，这主要为了减少应力集中；避免晶界的弱化，防止裂纹沿晶界的形核与扩展；金属材料的各种强化方法都会对其韧性产生影响,金属
6、材料的韧化原理,（一）位错强化与塑性和韧性 一般地，位错密度提高，其金属材料的拉伸塑性和韧性都降低。（二）固溶强化与塑性 1.强度若保持不变而提高塑性，则可以提高材料的韧性。2.低碳位错型马氏体的强韧配合（三）细化晶粒与塑性 细化晶粒既能提高强度，又能明显优化塑性和韧性（四）沉淀相颗粒与塑性 总的来说，析出相沉淀强化危害塑性。,金属材料强韧化常用方法,三、金属材料强韧化常用方法（一）钢的普通热处理 热处理是改善金属材料性能的一种重要加工工艺。它是在固态下通过加热、保温和冷却的方法，改变合金的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺操作。钢的热处理主要有普通热处理（退火、正火、淬火、回火）和表面热处
7、理（表面淬火和表面化学热处理）。,钢的普通热处理退火和正火,1.钢的退火和正火 退火是将工件加热到临界点（A1、A3、Acm）以上或者在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的一种操作工艺。最常用的退火工艺有完全退火、球化退火和去应力退火。正火是将工件加热至Ac3、Accm以上3080，保温后从炉中取出在空气中冷却。正火和退火都是使钢件非正常的组织常态化，细化组织，适当提高硬度和强度。,钢的普通热处理淬火和回火,2.钢的淬火和回火 淬火就是将钢件加热至Ac3（对亚共析钢）或Ac1（对共析和过共析钢）以上3050，保温一定时间后快速冷却（一般为油冷或水
8、冷）以获得马氏体（或下贝氏体）组织 回火是将淬火钢重新加热至A1点以下的某一温度，保温一定时间后冷却至室温的一种工艺操作。根据回火温度及组织的不同，钢的回火可分为：1）低温回火 150250 2）中温回火350500 3）高温回火 500650,铝合金的时效强化,（二）铝合金的时效强化 淬火后，铝合金的强度和硬度随时间而发生显著提高的现象称为时效强化或沉淀硬化。室温下进行的时效称为自然时效，加热条件下进行的时效称为人工时效。铝合金的时效强化与两个因素有关：时间和加热温度。若人工时效的时间过长（或温度过高），反而使合金软化，这种现象称为过时效。,两类典型钢种的强韧化,（三）两类典型钢种的强韧化
9、1.低碳马氏体钢的强韧化 2.马氏体时效钢的强韧化,钢的特种热处理,（四）钢的特种热处理1.真空热处理 真空是指压强远低于一个大气压（101325Pa）的气态空间。在真空中进行的热处理称为真空热处理，包括真空退火、真空淬火、真空回火及真空化学热处理等。真空热处理的作用1）表面保护作用2）表面净化作用 3）脱脂作用4）脱气作用真空热处理的应用1）真空退火2）真空淬火3）真空渗碳,钢的特种热处理,2.可控气氛热处理可控气氛的组成分类：1）具有氧化和脱碳作用的气体 2）具有还原性的气体 3）具有强烈渗碳作用的气体 4）中性气体 可控气氛的类型 根据气体制备的特点，可分为放热式气氛、吸热式气氛、分解氨
10、气体以及氮气和惰性气体等,钢的特种热处理,3.形变热处理 形变热处理就是将塑性变形与热处理操作相互结合，使金属材料同时受到形变强化和相变强化的一种综合强化工艺。若按形变与相变过程的先后顺序，可将形变热处理分为三种基本类型：相变前变形的形变热处理；相变中变形的形变热处理；相变后变形的形变热处理。,第二节 非金属材料强化与韧化的途径 学习目标：1.掌握高分子材料和陶瓷材料的强化原理和强化途径；2.了解高分子材料和陶瓷材料的韧化原理。,高分子材料的强化原理,一、非金属材料的强化原理（一）高分子材料的强化原理 对高分子材料机械强度的研究表明，大分子链的主价键力、分子间力和大分子的柔顺性是决定其机械强度
11、的主要因素。在高分子材料中构成缺陷的薄弱环节就是材料中结构的不均一的部位，如裂纹、银纹、表面刻痕、气孔和杂质等。,高分子材料的强化途径,高分子材料的强化途径：(1)引入极性基（2）链段交联（3）结晶度和取向（4）定向聚合,陶瓷材料的强化原理及方法,（二）陶瓷材料的强化原理 微裂纹是材料各种缺陷的总和，陶瓷材料的强化措施就是要尽量消除陶瓷的各种缺陷和阻止已有缺陷的发展，即要减少微裂纹或缩小其尺寸。陶瓷材料的强化方法：1.制造微晶、高密度、高纯度陶瓷，提高晶体完整性。2.在表面生成一层残余压应力 将表面抛光或施以化学处理消除表面缺陷也能提高实际强度。3.复合强化是发挥陶瓷材料优势的重要途径。,高分
12、子材料的韧化原理,二、非金属材料的韧化原理（一）高分子材料的韧化原理 断裂伸长率的大小往往对材料的冲击韧性起着更大的作用，通常材料冲击韧性随着伸长率增大而增大。非晶态 高分子链越柔顺，相对分子质量越大，在外力作用下，能将较多的外加动能变为热能（由分子内摩擦产生），则其冲击韧性越高。试验温度升高，冲击韧性增加。,高分子材料的韧化原理,1.增塑剂与冲击韧性 添加增塑剂使分子间作用力减小，链段以至大分子易于运动，则使得高分子材料的冲击韧性提高。但某些增塑剂在添加量较少时，有反增塑作用，反使冲击韧性下降。2.分子结构、相对分子质量与冲击韧性 热塑性塑料的大分子结构及分子间力是决定材料性能的主要因素，这
13、两个因素若使堆砌密度小，玻璃化温度低时，则冲击韧性就高。大分子链的柔顺性好，可提高结晶性高分子材料的结晶能力，而结晶度高，常使冲击韧性下降。,高分子材料的韧化原理,3.嵌段共聚与冲击韧性 采用多元嵌段是增加高分子材料韧性的有效方法。4.共混与冲击韧性 共混增韧聚合物的发展其中最重要的是与橡胶态的高聚物掺混在一起的玻璃态或接近玻璃态的树脂，当配合适宜时能得到高度的韧性。成功的产品有抗冲聚苯乙烯、ABS和改良型抗冲聚氯乙烯等。,陶瓷材料的韧化原理,（二）陶瓷材料的韧化原理 陶瓷实际上是各种无机非金属材料的通称，同金属和高聚物一起成为现代工程材料的支柱。陶瓷受载时不发生塑性变形就在较低的应力下断裂，
14、因此韧性极低。陶瓷的增韧机制主要有两种：（1）相变增韧（2）微裂纹增韧。,非金属材料强韧化常用方法,三、非金属材料强韧化常用方法（一）高分子材料的强韧化方法 1.填料增强 2.共混与共聚 3.增塑剂和成核剂 4.淬火（二）陶瓷材料的强韧化方法 目前增韧效果最好的有2个系统：一是氧化锆增韧氧化铝；另一个是氧化锆增韧氧化锆，即相变韧化氧化锆，也称为部分稳定氧化锆（PSZ）。,复合改性,（三）复合改性 将两种或两种以上的不同性质或不同组织的物质，以微现或宏观的形式组合而成的材料称为复合材料。复合材料按分散相对复合改性材料进行分类，主要有纤维增强复合材料、颗粒改性复合材料和夹层增强复合材料等。,第三节
15、 金属表面强化与表面改性技术 学习目标：1.了解钢材的表面淬火和化学了处理技术；2.了解表面气相沉积技术。,钢的表面淬火,一、钢的表面淬火 表面淬火是将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。工业上广泛应用的有火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火和激光加热表面淬火。,钢的化学热处理,二、钢的化学热处理 化学热处理是将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中某些元素渗入工件表层以改变工件表层的化学成分和组织，从而使其表面具有与心部不同性能的一种热处理。主要特点是工件表面层不仅与心部组织不同，而且成
16、分也不同。渗入不同的元素，可赋予钢件表面不同的性能。在一般机器制造业中，最常用的是渗碳、渗氮和碳氮共渗。,表面热喷涂,三、表面热喷涂（一）热喷涂的基本原理 热喷涂是将涂层材料加热熔化，用高速气流将其雾化成极细的颗粒，并以很高的速度喷射到工件表面，形成涂层。根据所用热源，热喷涂方法分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂和高频感应喷涂等。热喷涂工艺过程通常分为喷涂前处理、喷涂、喷涂后处理三个基本步骤。,表面热喷涂,（二）涂层的结构与性质 热喷涂的涂层的显微结构是大致平行的迭层状组织，疏松多孔（孔隙率最高达25）。因与空气接触，涂层中还存在氧化物和氮化物。另外，涂层中还有残余应力，
17、外层为拉应力，内层和基体表面产生压应力。当涂层较厚或使用收缩率较高的材料时，涂层还可能产生裂纹。涂层的上述结构使涂层的性质具有以下特点：结合强度低；良好的贮油和减摩性能，但干摩擦条件下往往不耐磨；涂层的抗拉强度一般比基体材料低；涂层的硬度取决于喷涂材料、喷涂方法及工艺，一般高于基体的硬度；涂层强度低、硬而脆，且存在残余应力，因而其机械加工性能差，许多涂层不宜车削，只能磨削。,表面热喷涂,（三）热喷涂技术的特点及应用 技术特点：取材范围广。可用于各种基体。基体可保持较低温度，以保证基体不变形，不弱化；工效高。对喷涂工件的形状、尺寸一般无限制；涂层厚度较易控制。可赋予普通材料特殊的表面性能。应用：
18、“探险者”号人造卫星外壳前部，用热喷涂等间隔地制成八条纵向条状氧化铝涂层。火箭发动机燃烧室、尾喷管、喷嘴等部件均喷涂保护层。喷涂铝涂层后有效地防止了高速雨滴对塑料的水点腐蚀和静电积累，且颜色也与整体保持一致。,表面气相沉积技术,四、表面气相沉积技术 依据沉积过程反应的性质，可分为化学气相沉积和物理气相沉积。（一）化学气相沉积 化学气相沉积（Chemical Vapour Deposition）是利用气态物质在一定温度下于固体表面上进行化学反应，生成固态沉积膜的过程，通常叫CVD法。（二）物理气相沉积 物理气相沉积(PhysicalVapourDeposition)是气态物质在工件表面直接沉积成
19、固体薄膜的过程，通常称为PVD法。,激光束、离子束及电子束技术,五、激光束、离子束及电子束技术（一）激光束表面合金化 预先通过蒸发、溅射、涂敷或喷涂等方法使金属工件表面附着一层合金元素表面膜，经激光束扫描使表面膜及工件浅表层熔化并迅速凝固成具有特殊性能的合金化表层，这种处理叫激光表面合金化。,激光束、离子束及电子束技术,（二）电子束表面热处理 电子束表面处理技术是用电子枪发射的电子轰击金属工件的表面，电子可穿过被处理物的表面进入到一定的深度，给材料的原子以能量，增加晶格的振动，把电子的动能转化为热能，从而使被处理物表层温度迅速升高。电子束表面处理工艺（1）电子束表面淬火（2）电子束表面重熔处理
20、（3）电子束表面合金化处理（4）电子束表面非晶化处理,激光束、离子束及电子束技术,（三）离子注入 离子注人是把工件放在离子注入机的真空靶室中，将需要注入的元素在离子源中进行离子化，以几十至几百千伏的电压把形成的离子引入磁分析器，在磁分析器中把具有一定荷质比的离子筛选出来，并导人加速系统，高能离子在扫描电场作用下，可在材料表面纵横扫描，从而实现高能离子对材料表面的均匀注入。离子注入金属后能显著提高其表面硬度、耐磨性、耐蚀性。,思考题,思考题 1.位错在金属晶体中运动可能会受到哪些阻力？2.时效铝合金从高温淬火下来为什么强度下降而塑性、韧性提高？3.塑料中的填料和固化剂有何作用？4.塑料中的增塑剂
21、对塑料的力学性能有何影响？5.什么是淬火？淬火的目的是什么？6.什么是回火？回火的目的是什么？常用的回火方法有哪几种？7.对钢进行表面热处理的目的何在？比较表面淬火、渗碳、渗氮处理在用钢，处理工艺、表层组织、性能、应用范围等方面的差别。,思考题,8.简要说明化学气相沉积的基本原理及特点，并举例说明CVD涂层的应用。9.物理气相沉积有哪些基本方法？简述它们的基本原理并比较各自的优缺点，举例说明PVD的应用。18.简要说明热喷涂技术的原理及工艺过程。举例说明其应用。10.应用激光束可进行哪些表面热处理？其基本原理是什么?11.简述离子注入技术的基本原理及特点，举例说明它的应用。12.应用电子束可进行哪些表面热处理？其基本原理是什么？与激光表面热处理相比，它有哪些优缺点？,
