汽车应用材料 第二章 金属材料.

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1 汽车应用材料 第二章 金属材料

2 第二节 金属材料的组织和性能控制 　　　一. 钢的热处理 　　　　二. 钢的合金化 　　　　　三. 表面技术 汽车应用材料 第二章

3 一. 钢的热处理 (一)　热处理的概念与原理 　 1.　钢在加热时的转变 　　2.　钢在冷却时的转变 (二)　钢的普通热处理 汽车应用材料 第二章

4 图2-23 热处理与成分、组织、性能间关系示意图
热处理的概念 把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。 图2-23 热处理与成分、组织、性能间关系示意图 图2-24 热处理基本工艺曲线 汽车应用材料 第二章

5 1. 钢在加热时的转变 临界温度 平衡时： A1、 A3 、Acm 加热时： Ac1、Ac3、Accm 冷却时： Ar1、Ar3、Arcm
1.　钢在加热时的转变 临界温度 平衡时： A1、 A3 、Acm 加热时： Ac1、Ac3、Accm 冷却时： Ar1、Ar3、Arcm 汽车应用材料 第二章

6 奥氏体的形成 —— Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。
共析钢加热到Ac1 以上时， P → A 共析钢A化过程 —— 形核 、长大、 Fe3 C 完全溶解、C 的均匀化。 亚（过）析钢的A化 —— P → A 后，先共析 F 或 Fe3CⅡ 溶解。 汽车应用材料 第二章

7 C%↑或 Fe3 C片间距↓ → 界面多，形核多 → 转变快
影响A转变速度的因素 加热温度和速度↑→ 转变快 C%↑或 Fe3 C片间距↓ → 界面多，形核多 → 转变快 合金元素 → A化速度↑(P,Mn)或↓(Al,Cr) A 晶粒度 　　加热温度，保温时间↑ → 晶粒尺寸↑ 　　合金碳化物↑，C% ↓ → 晶粒尺寸↓ 汽车应用材料 第二章

8 a、采用Al作最终脫氧，加入Ti、V、Nb b、加热速度、保温时间控制。
影响晶粒大小的因素 加热温度、保温时间、化学成分 细晶化控制： a、采用Al作最终脫氧，加入Ti、V、Nb b、加热速度、保温时间控制。 汽车应用材料 第二章

9 2　钢在冷却时的转变 1．过冷A的等温转变 2．过冷A的连续冷却转变 汽车应用材料 第二章

10 共析钢的C 曲线 过冷A的等温转变 过冷A : T < A1时，A不稳定。 A等温转变曲线 (TTT 或 C 曲线) 高温转变，
A1 ~ 550℃　过冷A → P 型组织 中温转变， 550℃ ~ MS 过冷A →贝氏体( B ) 低温转变， MS ~ Mf 过冷A →马氏体 ( M ) 汽车应用材料 第二章

11 珠光体 P 索氏体 S 屈氏体 T 层片间距：P > S > T
P 型组织 —— F + 层片状 Fe3C 索氏体 S 8000× 珠光体 P 索氏体 S 屈氏体 T 层片间距：P > S > T 珠光体 P ，3800× 屈氏体 T 8000× 汽车应用材料 第二章

12 中温转变（550℃ ~ MS） —— C原子扩散， Fe原子不扩散
过冷A → 贝氏体 B（碳化物 + 含过饱和C的F ） 上B， 550 ~ 350℃产物 —— 羽毛状，小片状Fe3C分布在F间。 上B 强度和韧性差 光学显微照片 1300× 电子显微照片 5000× 45钢，上B+下B，×400 汽车应用材料 第二章

13 下B， 350℃ ~ MS 产物 下B 韧性高，综合机械性能好。 F 针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒 T8钢，下B，黑色针状
电子显微照片 12000× T8钢，下B，黑色针状 光学显微照片 ×400 汽车应用材料 第二章

14 亚（过）共析钢过冷A的等温转变 与共析钢相比，C曲线左移， 多一条过冷AF （Fe3CⅡ）的转变开始线，且Ms、Mf 线上（下）移。
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15 2. 过冷A的连续冷却转变 连续冷却 转变(CCT)曲线 Ps —— A→P 开始线 Pf —— A→P 终止线 KK'—— P型转变终止线
Vk —— 上临界冷却速度 Vk'—— 下临界冷却速度 MS —— A→ M 开始温度 Mf —— A→ M 终止温度 汽车应用材料 第二章

16 连续冷却 转变产物 炉冷→ P (V ≈０) 空冷→ S (V ≤Vk') 油冷→ T+M+A'(Vk' ～Vk)
水冷→ M+A' (V≥Vk) CCT 和 TTT曲线的比较: CCT 位于 TTT曲线右下方 CCT中没有 A→B 转变 汽车应用材料 第二章

17 马氏体（M）转变特点 汽车应用材料 第二章 1) 无扩散 Fe 和 C 原子都不进行扩散， M是体心正方的C过饱和的F， 固溶强化显著。
1) 无扩散 Fe 和 C 原子都不进行扩散， M是体心正方的C过饱和的F， 固溶强化显著。 2) 瞬时性 M 的形成速度很快， 温度↓则 转变量↑ 3) 不彻底 M 转变总要残留少量 A， A中的C%↑ 则 MS、Mf ↓ ，残余A含量↑ 4) M形成时体积↑， 造成很大内应力。 汽车应用材料 第二章

18 M 的形态 汽车应用材料 第二章 板条M, 平行的细板条束组成 C% < 0.25 % 时，为板条M（低碳M）。
Fe-1.8C，冷至-100℃ Fe-1.8C，冷至-60℃ 针状M（凸透镜状） 汽车应用材料 第二章

19 M 的性能 C %↑→ M 硬度↑ 针状M 硬度高，塑韧性差。 板条M 强度高，塑韧性较好。 汽车应用材料 第二章

20 (二)　钢的普通热处理 1．退火 　2．正火 　　3．淬火 　　　4．回火 汽车应用材料 第二章

21 目的：1）降低硬度以利于切削加工； 2）提高塑性以利于塑性加工成型； 3）细化晶粒以提高力学性能； 4）消除应力以防工件变形或开裂。
1、退火 　　加热、保温后，缓冷(炉冷)→ 近平衡组织 P（ + F 或 Fe3CII ） 目的：1）降低硬度以利于切削加工； 2）提高塑性以利于塑性加工成型； 3）细化晶粒以提高力学性能； 4）消除应力以防工件变形或开裂。 退火一般作为改善工艺性能的预备热处理。 汽车应用材料 第二章

22 1．退火 汽车应用材料 第二章 完全退火（亚共析钢） 扩散退火 再结晶退火： 加热温度 TR + 30～50℃ 等温退火：
　加热温度 Ac3 + 20～30℃ 　缓冷→ F + P 目的： 　　细化晶粒，均匀化组织 　　降低硬度 → 切削性↑ 等温退火： 　等温转变→F + P，再缓冷 球化退火（过共析钢） 　　在Ac１+ 20～30℃等温， 　使Fe3CⅡ球化，再缓冷 →　球状P（F +球状Cm） 目的： 　硬度↓,切削性↑,韧性↑ 扩散退火 　　加热至略低于固相线 目的：使成分、组织均匀 再结晶退火： 　　加热温度 TR + 30～50℃ 目的：消除加工硬化 去应力退火 　　加热温度＜ Ac1 ， 　　一般为 500～650℃ 目的： 　消除冷热加工后的内应力 汽车应用材料 第二章

23 汽车应用材料 第二章

24 ２．正火 加热温度 Ac3 ( Accm ) + 30～50℃， 空冷 → S （ + F 或 Fe3CII ） 常作最终热处理。
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25 细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P(S)% → 强度、韧性、硬度↑
应用： 1) 钢的最终热处理 　　 细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P(S)% → 强度、韧性、硬度↑ 2) 预先热处理 —— 淬火、球化退火前改善组织。 　 3) 增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。 汽车应用材料 第二章

26 正火 汽车应用材料 第二章

27 3．淬火（蘸火） 目的：获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。淬火是强化钢材的重要方法。 汽车应用材料 第二章
加热到Ac3、Ac1以上，保温， 快速冷却 → M 。 目的：获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。淬火是强化钢材的重要方法。 淬火温度 1) 亚共析钢 Ac3 + 30～50 ℃ 2) 过共析钢 Ac1 + 30～50 ℃， → M + Fe3CII + A' ，硬度大。 A中C%↓→ M 脆性↓ ，残余A%↓ 淬火温度低 → M细小，淬火应力小。 汽车应用材料 第二章

28 冷却介质 淬火方法 单介质淬火：水、油冷 双介质淬火：水冷 + 油冷 分级淬火： ＞Ms盐浴中均温＋空冷
　冷却速度： 盐水 ＞ 水 ＞ 盐浴 ＞ 油 淬火方法 单介质淬火：水、油冷 双介质淬火：水冷 + 油冷 分级淬火： ＞Ms盐浴中均温＋空冷 等温淬火（ 在盐、碱浴中） → 下B 汽车应用材料 第二章

29 淬火 汽车应用材料 第二章

30 (a)完全淬透 (b)淬透较大厚度 (c)淬透较小厚度
钢的淬透性 　　淬火时得到M的能力， 取决于临界冷却速度VK 。 淬硬性：淬火后获得的最高度， C%↑→淬硬性↑ 影响淬透性的因素 除Co外，合金使VK↓ , 淬透性↑ 淬透性的应用 按负载，选择不同淬透性的材料。 (a)完全淬透 (b)淬透较大厚度 (c)淬透较小厚度  淬透性不同的钢调质后机械性能的比较 汽车应用材料 第二章

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32 4．回火 回火工艺是将淬火后的钢加热到A1线以下某一温度，保温一定时间后出炉空冷到室温的一种热处理工艺。回火是淬火的后续工序 目的:是为了减少或消除淬火应力，防止工件变形与开裂，稳定工件尺寸及获得必需的力学性能。 汽车应用材料 第二章

33 （1）常见回火工艺 汽车应用材料 第二章 低温回火（150～250℃） → 回火M ( 过饱和F +薄片状Fe2.4C ) + A'
　　淬火应力↓ ，韧性↑ ，保持淬火后的高硬度。 　　用于高C工具钢等。 中温回火（350～500℃）→ 回火T (F +细粒状Cm ) 　　弹性极限和屈服强度↑，韧性和硬度中等。 　　用于弹簧等。 高温回火（500～650℃）→ 回火S (等轴状F +粒状Cm ) 　　综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都较好。 　　用于重要零件。 调质处理 —— 淬火 + 高温回火 汽车应用材料 第二章

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35 （2）回火脆性 钢在回火时会产生回火脆性现象。淬火钢在250～350℃和450～600℃两个温度范围内回火时，其冲击韧度明显下降。
（2）回火脆性 钢在回火时会产生回火脆性现象。淬火钢在250～350℃和450～600℃两个温度范围内回火时，其冲击韧度明显下降。 汽车应用材料 第二章

36 汽车应用材料 第二章

37 前者称为低温回火脆性或第一类回火脆性，是由于马氏体中析出薄片状的ε碳化物引起的，属于不可逆脆性；
后者为高温回火脆性或第二类回火脆性，多见于合金钢，主要是由于某些杂质元素及合金元素在晶界上严重偏聚引起的，为可逆脆性，可以通过重新加热或在钢中将加入适量的W、Mo来有效的防止这种脆性。 汽车应用材料 第二章

38 回火产物的组织形态比较 汽车应用材料 第二章 回火M × 400 回火T × 7500 回火S × 7500 S × 1000 M 低倍
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39 二、金属材料的表面技术 (一)　钢的表面热处理（表面淬火） （二） 热喷涂技术 （三） 电刷镀 （四） 气相沉积技术 汽车应用材料 第二章

40 (一) 钢的表面热处理（表面淬火） 1.感应加热表面淬火 汽车应用材料 第二章 不改变心部组织，利用快速加热将表层A化后进行淬火。
(一)　钢的表面热处理（表面淬火） 　　不改变心部组织，利用快速加热将表层A化后进行淬火。 　　目的 ： 提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。 1.感应加热表面淬火 　　交变磁场 → 感应表面电流 → 表面加热 特点 1) 加热速度快，晶粒度小，硬度↑，脆性↓ 2) 表层残余压应力 → 提高疲劳强度 3) 不易氧化、脱碳、变形小。 4) 加热温度和淬硬层厚度容易控制。 汽车应用材料 第二章

41 感应加热表面淬火 汽车应用材料 第二章

42 感应加热表面淬火2 感应加热表面淬火3 汽车应用材料 第二章

43 2.火焰加热表面淬火 （乙炔－氧等火焰） 特点: 设备简单，但生产率低。 原理： 应用：大型工件 汽车应用材料 第二章

44 2. 钢的化学热处理 分类 —— 渗 C、N化、C N共渗、渗硼、渗铬、渗Al等。 汽车应用材料 第二章
2.　钢的化学热处理 　　将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。 　　分类 —— 渗 C、N化、C N共渗、渗硼、渗铬、渗Al等。 汽车应用材料 第二章

45 1.钢的渗 C —— 气体、固体渗 C 目的：表面硬度，耐磨性↑ ，心部保持一定的强度和塑韧性。 汽车应用材料 第二章
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46 渗 C 汽车应用材料 第二章

47 渗碳后的的热处理 淬火 低温回火, 150～200℃， 汽车应用材料 第二章 直接淬火 —— 晶粒粗大，残余A多，耐磨性低，变形大。
　一次淬火 —— 加热温度Ac3以上（心部性能↑ ）或 Ac1以上（表面性能↑ ） 　二次淬火 —— Ac3以上（心部性能↑ ）+ Ac1以上（表面性能↑ ） 低温回火, 150～200℃， 消除淬火应力，提高韧性。 汽车应用材料 第二章

48 2.钢的氮化 氮化温度低(500～600℃)，时间长（20～50h），渗层薄。 氮化前调质处理、氮化后无须淬火。 汽车应用材料 第二章
　　工件表面渗入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。 　　氮化温度低(500～600℃)，时间长（20～50h），渗层薄。 　　氮化前调质处理、氮化后无须淬火。 汽车应用材料 第二章

49 汽车应用材料 第二章

50 汽车应用材料 第二章

51 (二) 热喷涂技术 1.原理： 指以某种热源，将粉末或线状材料加热到熔化或熔融状态后，用高压高速气流将其雾化成细小的颗粒喷射到零件表面上，形成一层覆盖层的过程。 汽车应用材料 第二章

52 常用的热喷涂的主要方法如下： 2、热喷涂技术 1)火焰喷涂 2)电弧喷涂
3)等离子喷涂(气体导电（或放电）所产生的等离子电弧作为高温热源 ) 汽车应用材料 第二章

53 图2-46氧乙炔火焰喷涂原理（原书图3-21）1-进料口 2-气体通道 3-喷嘴 4-火焰 5-喷涂层 6-工件 7-氧乙炔入口 8-气体出口
汽车应用材料 第二章

54 图2-47电弧喷涂示意图（原书图3-22）1-送丝轮 2-金属丝 3-喷嘴 4-涂层 5-工件
图2-47电弧喷涂示意图（原书图3-22）1-送丝轮 2-金属丝 3-喷嘴 4-涂层 5-工件 汽车应用材料 第二章

55 汽车应用材料 第二章

56 特点：镀层均匀、致密，力学、化学性能好。
(三) 电刷镀 电刷镀又称涂镀、刷镀。是近十几年发展起来的零件修复工艺。它是利用电化学原理，在金属工件表面局部有选择地快速沉积金属镀层，达到恢复零件尺寸和改变零件表面性能的目的。 特点：镀层均匀、致密，力学、化学性能好。 电刷镀液按其作用可分为预热溶液、金属刷镀溶液、退镀溶液和钝化溶液四类。汽车维修中常用的是前两种镀液。 汽车应用材料 第二章

57 图2-49 电刷镀原理示意图（原书图3-24）1-工件 2-刷镀层 3-刷镀 4-阳极包套 5-刷镀笔
图2-49 电刷镀原理示意图（原书图3-24）1-工件 2-刷镀层 3-刷镀 4-阳极包套 5-刷镀笔 汽车应用材料 第二章

58 (四)气相沉积技术 气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分，在表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层。可将气相沉积技术分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两个大类。 汽车应用材料 第二章

59 化学气相沉积技术是指利用气态物质，在一定温度下在固体表面上进行化学反应，并生成固态沉积膜的工艺过程。
1.化学气相沉积（CVD） 化学气相沉积技术是指利用气态物质，在一定温度下在固体表面上进行化学反应，并生成固态沉积膜的工艺过程。 常用化学气相沉积涂层材料为碳化物、氮化物、氧化物，如TiC、TiN、Al2O3等。涂层具有很高的硬度2000～4000HV，较低的摩擦系数、优异的耐磨性、良好的抗粘着能力和优越的耐蚀性。应用对象一般是硬质合金刀具、高碳高铬冷作钢、热作模具钢等。 汽车应用材料 第二章

60 2．物理气相沉积(PVD) 物理气相沉积是通过真空蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子，并与反应气体形成化合物涂层沉积在工件表面，从而强化工件表面。物理气相沉积方法有真空镀、真空溅射和离子镀等。目前应用较广的是离子镀。 汽车应用材料 第二章

61 物理气相沉积可应用于材料的表面装饰和硬化工件表面等。用于表面装饰方面的物理气相沉积可以获得表面光泽度极好的镀层。
物理气相沉积主要特点是涂覆材料选择余地大，钢铁材料、非铁金属材料、陶瓷等均可；沉积温度低于600℃ ，沉积速度较快，涂层纯度高、密合性好，可以得到与加工表面同等精度的表面，可不必再加工涂层；无公害。 物理气相沉积可应用于材料的表面装饰和硬化工件表面等。用于表面装饰方面的物理气相沉积可以获得表面光泽度极好的镀层。 汽车应用材料 第二章

62 对汽车玻璃采用适当的物理气相沉积处理，便可得到不同颜色的表面。例如：Al--仿银色 ， Al2O3 --无色透明 ，VC--灰色，NbC--亮褐色，TaC--金褐色，TiN--金黄色，WN--褐色，Al2O3 + Cr)--红色； 汽车应用材料 第二章

63 用于硬化工件表面的TiC 、TiN涂层，对刃具、模具使用寿命的提高收到良好的效果。例如，TiC可在硬质合金的基体上沉积，涂层硬度高达3200—3400HV，耐磨性好，摩擦系数为0.08—0.10；TiN涂层的硬度可达2500HV，但抗氧化性、抗耐磨性、抗热咬合性都好于TiC，适用于钢质和硬质合金基体。 汽车应用材料 第二章

64 汽车应用材料 第二章

65 (四) 金属表面装饰处理 涂装工艺 大多数汽车工业产品所获得的五彩缤纷的色彩主要是采用涂装工艺来实现的，经过涂饰的表面效果好，涂膜有一定的光泽、组织细密、覆盖力强，视觉质感和触觉质感好，能给人以体现工艺美的人为质感效果。 汽车应用材料 第二章

66 可减轻产品表面受摩擦种冲击的程度，起一定的机械防护作用，这对延长使用时间寿命具有很重要的意义。
涂料主要起保护、装饰和特殊作用。 1).保护作用 可减轻产品表面受摩擦种冲击的程度，起一定的机械防护作用，这对延长使用时间寿命具有很重要的意义。 2).装饰作用 很多色彩鲜艳美观的轻工产品，若涂上锤纹漆成皱纹漆，可使表面粗糙的设备既具有漂亮的花纹，又便于檫洗、保持清洁卫生，工业使用的各种不同设备也常利用涂料的颜色作为标志。 汽车应用材料 第二章

67 3).特殊作用 有防毒气材料，吸收雷达波涂料，导电涂料、夜光涂料、伪装涂料、阻尼涂料、等能提供多种不同的特殊功能来改善材料表面的力学物理、化学和微生物等方面的性能。 汽车应用材料 第二章

68 三、其它热处理工艺及表面技术简介[1] （一）钢的其他热处理技术 （二）表面处理技术 1. 离子化学热处理 2. 电子束淬火
1．真空热处理 2．形变热处理 （二）表面处理技术 1. 离子化学热处理 2. 电子束淬火 3. 激光表面处理 汽车应用材料 第二章

69 汽车应用材料 第二章

70 课堂讨论 1.钢冷却过程如何控制材料的性能？ 2.铁碳合金相图在热处理工艺中有什么应用？ 3.论钢的强化、硬化方法。 汽车应用材料 第二章

71 小结 重点要求: 1. A等温冷却曲线，转变温度与转变产物的组织形态 、性能间的关系。
3. 四种常规热处理的目的、工艺特点及应用。一般要求 1. A晶粒长大的影响因素及控制方法。 2. 非共析钢C曲线的特点；淬透性的概念。 3. 钢的表面技术；化学热处理. 汽车应用材料 第二章

72 The End 汽车应用材料 第二章

73 谢谢大家！ 汽车应用材料 第二章