第3章 改变材料性能的主要途径

一、内容提要

材料的性能是由其化学成分和内部组织结构决定的，通过改变材料的成分或采用不同的加工处理工艺来改变其组织结构以改变材料性能，后者是工程上采用的主要手段。

1．金属的热处理

热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温、冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺。热处理是改善金属材料（尤其是钢）的使用性能和加工性能的一种非常重要的工艺方法。在机械工业中，绝大部分重要零件都要经过适当的热处理才能满足使用要求。

本部分内容理论联系实际，具有重要的应用价值，也是本课程的重点内容之一。

本部分的主要内容可分为热处理原理和热处理工艺两部分。

1）热处理原理

以过冷奥氏体的等温转变曲线（C曲线或 TTT曲线）为中心，以钢的化学成分、组织结构与性能之间的关系为主线，分析钢中的各种组织转变规律。其主要内容是：钢在加热时的奥氏体化过程；钢在冷却时由过冷奥氏体在不同条件下转变为各种产物（珠光体型、贝氏体型和马氏体型）的转变过程；钢的回火转变过程。学习中要注意弄清各种不同成分的钢在不同冷却条件下所形成各种组织的特征及其与性能的关系，见表1-3-1。

从共析钢过冷奥氏体等温转变曲线可以确定在 A1以下不同温度等温时的转变产物。根据它也可以定性地估计连续冷却转变时过冷奥氏体的转变产物。凡是影响C曲线和冷却曲线间相对位置的一切因素，均影响所得产物的组织和性能。这些因素主要是：①钢加热时奥氏体化的条件，主要是奥氏体的成分、均匀性及晶粒度；②冷却介质和冷却方式；③零件的尺寸，由于零件表面和心部冷却速度不同，导致其组织不同；④合金化，即改变钢的成分，从而改变C曲线的位置和形状及 Ms点、Mf点的高低。这些因素是制定热处理工艺时要考虑的基本问题。

亚共析钢和过共析钢与共析钢都不同，在奥氏体转变为珠光体之前，有先共析铁素体或渗碳体析出。因此在亚共析钢C曲线上多一条铁素体析出线，过共析钢则多一条渗碳体析出线。

2）热处理工艺

由于热处理后要求的性能不同，热处理工艺的类型是多种多样的。改变金属整体组织的热处理有退火、正火、淬火和回火以及稳定化处理、固溶处理、固溶处理+时效等；改变金属表面或局部组织的热处理有表面淬火和化学热处理两大类。

退火和正火常作为预备热处理，淬火+回火常作为最终热处理，淬火+回火工艺小结见表1-3-2。

钢的强化原理是获得马氏体随后经过回火来实现的：马氏体内部含有很高密度的位错，有很强的位错强化效应；马氏体形成时，奥氏体被分割成许多较小的区域（马氏体束），产生细晶强化效果；溶质原子特别是碳原子溶入马氏体中造成了很强的固溶强化效应；马氏体回火后碳化物析出，造成了强烈的第二相析出强化效应。因此，马氏体相变加上回火转变是钢中最经济最有效的综合强化手段，只有得到马氏体，钢的综合强化才能得到保证。

金属材料除了相变强化外，提高金属强度的主要方法就是在合金固溶体上分布一定数量的细小弥散第二相颗粒（主要是金属间化合物），因其硬而脆，能够有效地阻碍位错的运动，阻碍塑性变形，使合金得到强化。由于这些硬粒子是在室温或室温以上不太高的温度下长时间停置时沉淀析出的，故称为沉淀强化或时效强化。合金进行沉淀析出的必要条件是固溶体具有一定的溶解度，并且溶解度随温度的降低而明显减少，故合金须进行固溶处理，固溶处理后再进行时效（人工或自然）。固溶处理+时效工艺在有色金属、沉淀硬化不锈钢等材料中应用广泛。

各种常用热处理工艺小结见表1-3-3。

改变金属组织的重要环节是加热和冷却。由 Fe-Fe3C相图选择合适的加热温度；由C曲线确定合适的冷却条件和方法。

3）钢的表面淬火与化学热处理

很多机器零件（如齿轮、转轴等）是在弯曲、冲击、疲劳等动载荷和摩擦条件下工作的，要求其表面应具有高的硬度和耐磨性以抵抗磨损或裂纹的产生，而心部要有足够的韧性以抵抗冲击破坏，即要求“表硬心韧”。显然，选择单一性能的材料及整体热处理不能满足要求，此时，可采用表面淬火、化学热处理等表面强化技术与整体热处理工艺相组合的方式来满足零件的性能要求。

钢的表面淬火采用最多的是高频感应加热表面淬火，钢的常用化学热处理工艺小结见表1-3-4。

2．金属的合金化改性

为提高金属材料的力学和理化性能，在冶炼时特意加入一些合金元素（合金化），就形成了合金（如合金钢、铝合金、铜合金、钛合金等）。合金化也是改善和提高钢铁材料和其他材料（有色金属合金、陶瓷材料甚至发展聚合物“合金”）性能的主要途径之一。

合金元素主要通过对材料的组织的影响而影响其性能，实际上通过其对材料（比如钢）的相平衡及相变的影响来理解它们对力学及其他性能的影响。

合金化改性或强化金属材料的原理：（1）在金属材料中能有效地阻止位错运动：①细晶强化：晶粒细化，强度增加，塑性也改善；②固溶强化：异类原子溶入晶体使强度硬度增加；③位错强化：增加位错密度使强度增加；④第二相强化：恰当尺寸的第二相硬粒子可以有效地阻碍位错运动，使强度、硬度、耐热增加。（2）溶入基体：①溶入奥氏体，阻碍铁、碳的扩散，提高钢的淬透性；②溶入马氏体的合金元素大多阻碍马氏体分解，使合金碳化物也不易聚集长大，从而可提高钢的抗回火软化能力，使钢在高温下仍能保持较高的强度、硬度和耐磨性。（3）改变相变温度，得到单相组织（如奥氏体钢、铁素体钢等）。（4）形成钝化保护膜，提高耐蚀性和耐热性。

3．金属的形变强化

1）塑变强化原理

塑性变形造成晶格歪扭，晶粒变形和破碎，位错密度增加，出现亚结构，甚至形成纤维组织，当变形量很大时，还会产生变形织构现象等，从而使金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，即产生加工硬化。当外力去除后，金属内部还存在残余内应力。

2）变形金属在加热时组织和性能的变化

变形金属被加热时，随加热温度的升高，将发生回复、再结晶与晶粒长大等变化。再结晶后，金属形成新的无畸变的并与变形前相同晶格的等轴晶粒，同时位错密度降低，加工硬化现象消失，金属性能全面恢复到或略高于变形前的水平。

再结晶的开始温度主要取决于变形度。变形度越大，再结晶开始温度越低。大变形度（70%～80%）的再结晶温度与熔点的关系为T再≈0.4T熔（单位：K）。

再结晶后的晶粒大小与加热温度和预先变形度有关。加热温度越低或预先变形度越大，其再结晶后晶粒越细。但要注意临界变形度的情况，对于一般金属，当变形度为2%～10%时，由于变形很不均匀，会出现晶粒的异常长大，导致性能急剧下降。

3）金属材料的冷加工（冷塑变）和热加工（热塑变）

在金属学上，冷塑变和热塑变不是根据变形时金属是否加热，而是根据金属的再结晶温度来区分的。在再结晶温度以下的塑性变形为冷塑变；在再结晶温度以上的塑性变形为热塑变。

金属冷变形后具有加工硬化现象即金属变形处的强度、硬度升高，塑性和韧性下降，对于那些不能或不易用热处理方法提高强硬度的金属构件（尤其是薄壁细长件），利用金属在冷塑变成形过程中产生的加工硬化来提高构件的强硬度的做法不但有效，而且经济。冷变形制成的产品精度高、表面质量好，大多数无需进行切削加工，但加工硬化也给金属进一步塑性变形带来困难，故冷变形需重型和大功率设备，对加工坯料表面质量要求较高。加工硬化使金属变形处电阻升高、耐蚀性降低、产生残余应力、形变织构等。

金属热塑变时，同时存在着加工硬化和再结晶，只是加工硬化现象出现马上被再结晶消除，金属在热变形中始终保持着良好的塑性，可使工件进行大量的塑变，且高温下金属的变形抗力低，易于成形；热变形使金属材料内部的微小孔洞或空隙被压实，粗大晶粒组织结构被再结晶细化，从而使材料内部组织结构致密细小，力学性能尤其是韧性明显改善或提高；热变形使金属材料内形成纤维组织，力学性能具有方向性；但热变形中金属表面氧化较严重，工件精度和表面品质较冷变形的低得多；另外，设备维修工作量大，劳动强度也较大。

4．液态金属结晶时的细晶强化方法

在常温下，金属的晶粒越细，单位体积的晶界数量就越多，晶界对塑性变形的抗力越大，同时晶粒的变形也越均匀，致使强度、硬度越高，塑性、韧性越好。

工程上，利用细化晶粒的方式来提高材料室温强韧性的方法称为细晶强化（面缺陷的增加，是细晶强化的主要原因）。对固态金属，可用热处理及塑性变形来细化晶粒，而对液态金属的结晶，则主要采用增大过冷度、加入形核剂、机械法（如搅拌、振动）的方法来细化晶粒。

5．有机高分子材料和陶瓷材料的改性简介

利用物理或化学的方法来改进现有高聚物的性能，称为聚合物的改性，这是当前高分子材料研究中的重要方向。

化学改性是指用化学反应的方法，使不同的高聚物分子链或链段之间存在化学键，改变高聚物的化学组成与结构，改善与提高高分子材料的性能的方法。

物理改性中，不同高聚物之间不存在化学键，完全是一种机械混合的方法，从而形成复合材料。物理改性又分为填充增强改性、共混改性。物理改性方法简单，适应性强，应用最广。

陶瓷材料具有许多固有的优点，如高硬度、高耐磨性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等。但其高脆性的特征，使得陶瓷在应用上受到很大的限制。如能使陶瓷的韧性显著地提高，就有可能使陶瓷成为重要的高温结构材料。工业上陶瓷材料的增韧增强途径有多种。

6．材料的表面改性技术简介

表面改性技术（或称表面改性处理）的主要目的是对材料的表面进行特殊的强化或作某些功能处理，以提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性，或提高零件的装饰性，改变表面的电、磁性能等。表面改性技术一般不改变基体材料的成分或组织，前述表面淬火和化学热处理根据其工艺特点也可归入此类。

工业上实施的表面改性技术有很多如高能束表面改性、气相沉积技术、热喷涂技术等。

二、本章重点

（1）熟悉钢在加热时的奥氏体化过程，过冷奥氏体转变曲线（TTT和CCT曲线）的物理意义（即TTT和CCT曲线中各条特性线的含义，各个区域相应组织类别），会应用TTT和CCT曲线分析不同冷速（不同热处理条件）下的转变产物、组织特征及性能特点；

（2）弄清临界冷却速度，马氏体转变，钢的淬透性和淬硬性等概念；

（3）掌握普通热处理（退火、正火、淬火、回火）工艺、目的、组织、性能及应用；

（4）熟悉表面热处理（表面淬火和化学热处理）的特点、目的、组织、性能及应用；

（5）掌握合金化改性或强化金属材料的原理；

（6）熟悉金属材料形变强化的原理，冷、热塑性变形对金属材料的性能影响及特点；

（7）了解细晶强化、有机高分子材料和陶瓷材料的改性、材料表面改性的概念和特点。