第3章-金属热处理及表面改性

金属材料的表面改性与热处理实现材料表面性能的提升金属材料在工业和制造领域中广泛应用，其表面性能对材料整体性能和使用寿命起着至关重要的作用。

为了提高金属材料的表面性能，表面改性和热处理技术被广泛采用。

本文将介绍金属材料表面改性的常用方法和热处理对材料表面性能提升的作用。

一、金属材料的表面改性1.化学表面改性化学表面改性是通过在金属材料表面形成一层化学活性的物质或化合物，从而改变其表面性能。

常用的化学表面改性方法包括电化学处理、溶液浸渍和化学沉积等。

通过这些方法，可以实现金属材料表面的腐蚀耐久性、摩擦性能、润滑性能等的提高。

2.物理表面改性物理表面改性是通过物理手段对金属材料表面进行改良，包括机械处理、喷涂涂层和磁场处理等。

其中，机械处理如切削、打磨和抛光可以提高金属材料的光洁度和平滑度，从而降低表面粗糙度并增加强度。

喷涂涂层技术可以在金属表面形成一层保护性膜，提高耐磨性和耐腐蚀性。

磁场处理可以通过调控磁场对金属表面进行改性，改善其力学性能和磁性能。

二、金属材料的热处理热处理是一种通过对金属材料进行加热和冷却的工艺，以改变材料的组织结构和性能。

常用的热处理方法包括退火、淬火、回火和固溶处理等。

1.退火退火是将金属材料加热至一定温度，然后缓慢冷却的过程。

退火可以消除金属材料中的应力和缺陷，提高其塑性和可加工性。

此外，退火还可以改变材料的晶粒结构，从而调节材料的硬度和强度。

2.淬火淬火是将金属材料加热至临界温度，然后迅速冷却至常温的过程。

淬火可以使金属材料形成超饱和固溶体或马氏体组织，从而提高材料的硬度、强度和耐磨性。

淬火还可以产生残余应力，使材料表面形成压应力层，提高抗拉应力的能力。

3.回火回火是将淬火后的金属材料加热至较低温度，然后适当冷却的过程。

回火可以降低金属材料的脆性和残余应力，提高其韧性和可靠性。

回火还可以调节材料的硬度，使其适应不同的工作条件。

4.固溶处理固溶处理是将合金的固溶元素加热至高温区，然后迅速冷却的过程。

《工程材料及机械制造基础》习题答案齐乐华主编第一章材料的种类与性能（P7）１、金属材料的使用性能包括哪些？力学性能、物理性能、化学性能等。

２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。

主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。

３、一根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛氏硬度的测试原理。

以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。

5、什么是蠕变和应力松弛？蠕变：金属在长时间恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象。

应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。

6、金属腐蚀的方式主要有哪几种？金属防腐的方法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。

防腐方法：1）改变金属的化学成分；2）通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。

第二章材料的组织结构（P26）1、简述金属三种典型结构的特点。

体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。

每个体心立方晶格的原子数为：2个。

塑性较好。

面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。

每个面心立方晶格的原子数为：4个。

塑性优于体心立方晶格的金属。

密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。

每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。

使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。

3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和金属化合物两种。

《工程材料及机械制造基础》习题参考答案第一章材料的种类与性能（P7）１、金属材料的使用性能包括哪些？力学性能、物理性能、化学性能等。

２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。

主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。

第二章材料的组织结构（P26）1、简述金属三种典型结构的特点。

体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。

每个体心立方晶格的原子数为：2个。

塑性较好。

面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。

每个面心立方晶格的原子数为：4个。

塑性优于体心立方晶格的金属。

密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。

每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。

使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。

3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和金属化合物两种。

合金固溶在金属中引起固溶强化，使合金强度、硬度提高，塑性、韧性下降。

金属化合物提高合金的强度和硬度。

4、什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？固溶强化：因溶质原子的溶入引起合金强度、硬度升高的现象。

原因：固溶体中溶质原子的溶入引起晶格畸变，使晶体处于高能状态。

３、金属结晶的基本规律是什么？金属结晶由形核和长大两部分组成，并存在过冷度。

４、如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小。

（1）金属型浇注与砂型浇注。

金属型浇注晶粒小。

（2）铸成薄件与铸成厚件。

铸成薄件晶粒小。

（3）浇注时采用振动与不采用振动。

采用振动晶粒小。

10、过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？冷却速度越快过冷度越大，使晶核生长速度大于晶粒长大速度，铸件晶粒得到细化。

金属材料的改性处理引言金属材料的改性处理是指通过对金属材料进行一系列的物理、化学或机械处理，以改变其性能和性质的方法。

这种改性处理可以使金属材料具有更好的强度、韧性、耐腐蚀性和耐磨性等特性，以满足特定的工业需求。

在本文中，我们将详细介绍几种常见的金属材料改性处理方法。

1. 加热处理加热处理是一种常用的金属材料改性处理方法。

通过控制金属材料的加热温度和冷却速度，在固溶体、时效、固溶强化等过程中对金属结构进行调整和优化。

加热处理可以改变金属材料的晶体结构和相组成，从而改变其硬度、强度和韧性等性能。

加热处理通常包括以下几个步骤：固溶处理是将金属材料加热至合金元素完全溶解的温度，保持一定的时间后迅速冷却。

这种处理方法可以增强合金的韧性和可加工性，同时减少内部应力和晶粒尺寸。

1.2 时效处理时效处理是指将固溶处理后的金属材料迅速冷却至室温，并在室温下放置一段时间。

这种处理方法可以使金属材料的强度和硬度得到提高，同时改善其抗热、抗腐蚀性能。

1.3 固溶强化固溶强化是通过在固溶处理过程中加入一些合金元素，使其在晶界和金属内部形成固溶物。

这种处理方法可以增加金属材料的强度、硬度和耐蚀性。

表面处理是通过对金属材料表面进行一系列的物理、化学或电化学处理，以改变其表面的化学组成和物理性质。

表面处理可以提高金属材料的耐腐蚀性、耐磨性和粘接性，同时改善其外观和润滑性。

常见的金属材料表面处理方法包括：2.1 镀层镀层是将金属材料浸泡在溶液中，利用化学反应使金属材料表面形成一层附着牢固的金属或合金层。

这种处理方法可以改善金属材料的防腐蚀性、耐磨性和抗氧化性。

2.2 化学镀化学镀是利用电化学原理在金属材料表面沉积一层金属或合金。

通过控制镀层的成分和厚度，可以改善金属材料表面的耐腐蚀性、硬度和外观。

2.3 高能表面处理高能表面处理是通过使用高能束流（如离子束、激光束等），对金属材料表面进行物理冲击和改性。

这种处理方法可以增加金属材料表面的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。

第三节金属表面化学热处理1、什么叫金属表面化学热处理？表面热处理是指仅对零部件表层加热、冷却，从而改变表层组织和性能而不改变成分的一种工艺，是最基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。

金属表面化学热处理是利用元素扩散性能，使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。

2、工艺过程首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质通过分解并释放出欲渗入元素的活性原子、活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金属表层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变表层的成分、组织和性能。

3、化学热处理的基本过程化学热处理包括三个基本过程，即①化学渗剂分解为活性原子或离子的分解过程；②活性原子或离子被钢件表面吸收和固溶的吸收过程；③被渗元素原子不断向内部扩散的扩散过程。

4、金属表面化学热处理的特点？和表面淬火不同，化学热处理后的工件表面不仅有组织的变化，而且也有化学成分的变化。

5、金属表面化学热处理的目的？一、提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。

如渗氮、渗硼等. 渗氮硬度可达950HV~~1200HV,渗硼硬度可达1400HV~~2000HV.常用的硬度单位有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等.什么叫渗氮？渗氮，就是把工件置于含有氮原子的介质中加热到一定温度，保温一段时间后，在工件表面形成一层坚硬的渗氮层。

说白了就是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层。

二、提高材料疲劳强度。

如渗氮、渗硼、渗铬。

三、使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬合的能力和降低摩擦系数。

如渗硫等。

四、提高金属表面的耐蚀性。

如渗氮、渗铝等。

5、金属表面化学热处理的性能？化学热处理后的钢件表面可以获得比表面淬火所具有的更高的硬度、耐磨性和疲劳强度；心部在具有塑性和韧性的同时，还可获得较高的强度。

6、化学热处理的种类i.固体法。

（粉末填充法、膏剂涂覆法、电热旋流法、覆盖层扩散法）ii.液体法（包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法等）iii.气体法（固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法）iv.等离子法。

金属材料的表面改性技术研究金属材料一直是重要的结构材料，在各行各业都有广泛的应用。

然而，由于金属材料在使用过程中可能面临腐蚀、磨损、疲劳等问题，因此需要对金属材料进行表面改性处理，以提高其性能和延长使用寿命。

本文将对金属材料表面改性技术的研究进行探讨。

一、金属材料表面改性技术1.1 热处理技术热处理是一种常用的金属材料改性技术，它通过加热和冷却过程改变金属材料的晶体结构和性能。

常见的热处理技术包括退火、淬火、正火等。

热处理可以使金属材料获得更好的强度、硬度和耐磨性，提高其耐腐蚀能力。

1.2 表面合金化技术表面合金化是一种通过在金属材料表面形成合金层来改善其性能的技术。

常见的表面合金化技术有化学气相沉积、电镀、扩散合金化等。

这些技术可以在金属材料表面形成均匀、致密的合金层，提高金属材料的抗磨损、耐腐蚀和耐高温性能。

1.3 表面涂层技术表面涂层技术是一种将覆盖物涂覆在金属材料表面的改性技术。

常用的表面涂层技术包括喷涂、电泳涂覆、物理气相沉积等。

涂层可以提供额外的保护层，防止金属材料与外界环境接触，延缓金属材料的腐蚀、磨损过程。

1.4 表面纳米结构化技术表面纳米结构化技术是一种通过控制金属材料表面的纳米结构来改性的技术。

这种技术可以形成纳米级的颗粒、膜层或纳米结构单元，改变金属材料的表面形貌和力学性能。

常用的表面纳米结构化技术有电化学刻蚀、溅射、离子束处理等。

二、金属材料表面改性技术的研究进展2.1 研究现状在金属材料表面改性技术的研究领域，国内外学者取得了许多重要进展。

他们通过优化改性工艺参数、开发新的改性材料和方法，不断提高金属材料的表面性能。

例如，应用化学气相沉积技术制备了高性能的硬质涂层，提高了金属材料的硬度和耐磨性能。

另外，表面纳米结构化技术也被广泛应用于金属材料的改性研究中，通过调控纳米结构单元的尺寸和形貌，进一步提高了金属材料的力学性能。

2.2 发展趋势随着科学技术的不断进步，金属材料表面改性技术也在不断发展。