材料强度学_表面强化技术.
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1、材 料 强 度 学 表面强化技术按表层强化技术的物理化学过程进行分类，按表层强化技术的物理化学过程进行分类，大致可分为五大类：大致可分为五大类：1.1. 表面变形强化、表面变形强化、2.2. 表面热处理强化、表面热处理强化、3.3. 化学热处理强化、化学热处理强化、4.4. 表面冶金强化、表面冶金强化、5.5. 表面薄膜强化。表面薄膜强化。表面强化技术的分类表面强化技术的分类1.1.表面变形强化表面变形强化通过机械的方法使金属表面层发生塑性变形，从而形成高硬度和高强度的通过机械的方法使金属表面层发生塑性变形，从而形成高硬度和高强度的硬化层，这种表面强化方法称为表面变形强化，也称为加工硬化。硬化
2、层，这种表面强化方法称为表面变形强化，也称为加工硬化。包括包括l喷丸、喷砂，喷丸、喷砂，l冷挤冷挤 压、滚压、冷碾，压、滚压、冷碾，l冲击、爆炸冲击强化等。冲击、爆炸冲击强化等。这些方法的这些方法的特点特点是：是：强化层位错密度增高，亚晶结构细化，从而使其硬度和强度提高，强化层位错密度增高，亚晶结构细化，从而使其硬度和强度提高，表面粗糙度值减小，能显著提高零表面粗糙度值减小，能显著提高零 件的表面疲劳强度和降低疲劳缺口件的表面疲劳强度和降低疲劳缺口的敏感性。的敏感性。这种强化方法工艺简单、效果显著，硬化层和基体之间不存在明显这种强化方法工艺简单、效果显著，硬化层和基体之间不存在明显的界限，结构
3、连贯，不易在使用中脱落。的界限，结构连贯，不易在使用中脱落。AAn-B(a) dptAAn-A(b) auto nanocristallisation de surfaceAn-XAn-AC(c) nanocristallisation de surface hybride表面纳米化的三种方法表面纳米化的三种方法K. Lu, J. Lu/ Maerials Science and Engineering A (2003)2.2.表面热处理强化表面热处理强化利用固态相变，通过快速加热的方法对零件的表面层进行淬火处理利用固态相变，通过快速加热的方法对零件的表面层进行淬火处理称为表面热处理，俗称表面
4、淬火。称为表面热处理，俗称表面淬火。包括包括l火焰加热淬火、火焰加热淬火、l高高( (中中) )频感应加热淬火、频感应加热淬火、l激光加热或电子束加热淬火等。激光加热或电子束加热淬火等。这些方法的特点是：这些方法的特点是：表面局部加热淬火，工件变形小；表面局部加热淬火，工件变形小；加热速度快，生产效率高；加热速度快，生产效率高；加热时间短，表面氧化脱碳很轻微。加热时间短，表面氧化脱碳很轻微。该方法特别是对提高承受一定冲击载荷的大型和特大型轴承零件的该方法特别是对提高承受一定冲击载荷的大型和特大型轴承零件的耐磨性和疲劳强度效果显著。耐磨性和疲劳强度效果显著。3.3.化学热处理强化化学热处理强化利
5、用某种元素的固态扩散渗入，来改变金属表面层的化学成分，以利用某种元素的固态扩散渗入，来改变金属表面层的化学成分，以实现表面强化的方法称为化学热处理强化，也称之为扩散热处理。实现表面强化的方法称为化学热处理强化，也称之为扩散热处理。包括包括l渗硼、渗金属、渗硼、渗金属、l渗碳及碳氮共渗、渗氮及氮碳共渗、渗碳及碳氮共渗、渗氮及氮碳共渗、l渗硫及硫氮碳共渗、渗硫及硫氮碳共渗、l渗铬、渗铝及铬铝硅共渗等等。渗铬、渗铝及铬铝硅共渗等等。这些方法的这些方法的特点特点是：是：渗入元素或溶入基体金属形成渗入元素或溶入基体金属形成固溶体固溶体，或与其他金属元素结合形成，或与其他金属元素结合形成化合物化合物。总之
6、渗入元素即能改变表面层的化学成分，又可以得到不。总之渗入元素即能改变表面层的化学成分，又可以得到不同的相结构。同的相结构。渗碳轴承钢零件的处理工艺和滚针轴承套的表面渗氮强化处理均属渗碳轴承钢零件的处理工艺和滚针轴承套的表面渗氮强化处理均属这一类强化方法。这一类强化方法。3.13.1 渗碳渗碳 3.1.1 3.1.1 基础知识背景基础知识背景a)a) 从从19301930年以来，应用最广泛的表面强化年以来，应用最广泛的表面强化技术；技术；b)b) 应用在滚珠、齿轮、转头等应用在滚珠、齿轮、转头等c)c) 温度温度900930C (austenite)900930C (austenite)d)d)
7、 加热时间加热时间 1120 hours 1120 hourse)e) 渗碳层厚度渗碳层厚度 0.22.0 mm 0.22.0 mm 3.13.1.2 .2 气体渗碳工艺气体渗碳工艺 分解：渗碳介质在基体表面分解产生活性碳原子分解：渗碳介质在基体表面分解产生活性碳原子CO+HCO+H2 2 C+HC+H2 2O OCHCH4 4 C+ 2H C+ 2H2 22CO 2CO C+COC+CO2 2 扩散：表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差扩散：表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差表表面的碳遂向内部扩散面的碳遂向内部扩散J=-D(J=-D(dCdC/ /dxdx)=k(Cp-Cs) g/cm
8、)=k(Cp-Cs) g/cm2 2sec Fick-1 lawsec Fick-1 law dCdC/ /dtdt = D(d = D(d2 2C/dxC/dx2 2 ) Fick-2 law ) Fick-2 law 反应反应: : 形成碳化物形成碳化物 FeFe3 3C, (C, (Fe.MeFe.Me) )3 3C, C, MeMex xC Cy y 气体渗碳设备气体渗碳设备固体渗碳设备固体渗碳设备3.1.3渗碳工艺的关键因素：温度、时间、成分；扩散距离：x = k (Dt)1/2 , D=D0 exp(-Q/RT)碳势取决于渗碳介质的化学反应过程：例如：CO+HCO+H2 2 C+H
9、C+H2 2O,O,平衡常数K=acPH2O/PCOPH2thenCp=ac=PCOPH2/PH2O3.1.4表面表征DistancefromcarburizedsurfacemmHardness(HRC)CarboncontentC%C%HRCSurfacecarboncontent:1.01.2%(Carbides+highcarbonmartensite+residualaustenite)3.2渗氮3.2.1 3.2.1 基础知识背景基础知识背景a)a) 渗氮层厚度为渗氮层厚度为0.050.5 mm0.050.5 mmb)b) 应用于要求一定耐磨、耐蚀性的轻载荷器件：如某些应用于要求一
