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化学气相沉积的概念范文1
关键词:梯度功能材料，复合材料，研究进展
Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.
Key words :FGM；composite；the Advance
0 引言
信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料，特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力，直接体现国家的科学技术水平和经济实力，也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此，新材料的开发与研究是材料科学发展的先导，是21世纪高科技领域的基石。
近年来，材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因，一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1 FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2， 其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差，传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料，如金属基陶瓷涂层材料，由于各相的热胀系数和热应力的差别较大，很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面，消除物理性能的突变，使热应力降至最小[3]。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分类
2.1 FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2，因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料，可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
2.2 FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3 FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM 研究的不断深入，人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化，可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM，并可望应用于许多领域。
功 能
应 用 领 域 材 料 组 合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材 陶瓷 金属
陶瓷 金属
塑料 金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石 金属
碳纤维 金属 塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料 轻元素 高强度材料
耐热材料 遮避材料
耐热材料 遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学 磷灰石 氧化铝
磷灰石 金属
磷灰石 塑料
异种塑料
硅芯片 塑料
电磁功能
电磁功能 陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板 压电陶瓷 塑料
压电陶瓷 塑料
硅 化合物半导体
多层磁性薄膜
金属 铁磁体
金属 铁磁体
金属 陶瓷
金属 超导陶瓷
塑料 导电性材料
陶瓷 陶瓷
光学功能 防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素 玻璃
能源转化功能
MHD 发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池 陶瓷 高熔点金属
金属 陶瓷
金属 硅化物
陶瓷 固体电解质
金属 陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4 FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。
4. 1 FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件，然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构，以及制备和评价方法，最后基于上述结构和材料组合选择，根据假定的组成成份分布函数，计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数，就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布，此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状，热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法，包括有限元方法计算FGM的应力分布，采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合，借助于计算机辅助设计系统，得出最优的设计方案。
4. 2 FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段，实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布，从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高温合成法(SHS) ;涂层法:如等离子喷涂法，激光熔覆法，电沉积法，气相沉积包含物理气相沉积(PVD) 和化学相沉积(CVD) ;形变与马氏体相变[10、14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形，然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性，可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高，适用于制造形状比较简单的FGM部件，但工艺比较复杂，制备的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点，但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 简称SHS或Combustion Synthesis)
SHS 法是前苏联科学家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃烧反应时，发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应，此后化学反应在自身放热的支持下，自动持续地蔓延下去， 利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
SHS 法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系，金属与陶瓷的发热量差异大，烧结程度不同，较难控制，因而影响材料的致密度，孔隙率较大，机械强度较低。目前利用SHS 法己制备出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺，适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常，将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内，并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上，其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4. 2. 3. 1 等离子喷涂法(PS)
PS 法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物，形成等离子体，其温度高达1 500 K，同时处于高度压缩状态，所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流，速度可高达1. 5 km/ s。原料粉末送至等离子射流中，粉末颗粒被加热熔化，有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应，随后被雾化成细小的熔滴，喷射在基底上，快速冷却固结，形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例，调节等离子射流的温度及流速，即可调整成分与组织，获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成，沉积效率高，无需烧结，不受基体面积大小的限制，比较容易得到大面积的块材[10]，但梯度涂层与基体间的结合强度不高，并存在涂层组织不均匀，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7] 、NiCrAl/MgO -ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2 激光熔覆法
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上，然后以高功率的激光入射至A并使之熔化，便会产生用B合金化的A薄涂层，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比，在上述覆层熔覆的同时注入，在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程，就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度，以及熔区的深度来获得，熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能，但由于激光温度过高，涂层表面有时会出现裂纹或孔洞，并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。
4.2.3.3 热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化，并喷涂到基底上凝固，因此，建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中，这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固态，混入金属液滴而被涂覆在基底，形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中，通过连续地改变增强颗粒的馈送速率，热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4 电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理，将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中，通过注入另一相的悬浮液使之混合，并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度，在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃，涂层的主要材料为TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层，以改变固体材料的表面特性，提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能，该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低，精度易控制，生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5 气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度，在厚度方向上实现组分的梯度化，适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制备出大厚度的梯度膜，与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD) 和化学气相沉积(CVD) 两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合，在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度，精确地控制材料的组成、结构和形态，并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化，可得到按设计要求的FGM。另外，该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM，因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质，使其蒸发为气相，然后沉积于基材上，形成约100μm 厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD 法的特点是沉积温度低，对基体热影响小，但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]
4. 2. 4 形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化，马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此，在合适的温度范围内，可以通过施加应变(或等价应力) 梯度，在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18 -8 不锈钢(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围，但能提供一个简单的方法，可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料，这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4. 3 FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计，为成分设计数据库提供实验数据，目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前，对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前，日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5 FGM的研究发展方向
5.1 存在的问题
作为一种新型功能材料，梯度功能材料范围广泛，性能特殊，用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决，主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单，还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2 FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3 对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随 时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6 结束语
FGM 的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉，多产业结合，国际化合作的方向发展。
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化学气相沉积的概念范文2
Abstract： This paper improves the teaching system and interactive teaching methods， scientifically organizes the assorted knowledge points， makes abstract concept into materialization， and infiltrate knowledge of course frontier in the teaching of optical thin film technology， and pays attention to teaching using a variety of forms in the classroom， ultimately explores a kind of teaching methods which suits independent institute.
关键词： 光学薄膜技术；教学体系；主动式教学；教学方法
Key words： the optical thin film technology; teaching system; active teaching；teaching methods
0 引言
《光学薄膜技术》这门课程是我院光电类专业必修的一门专业课，但现有的这门课的教学方法并不适用于独立学院的学生，并且这方面发表的论文也很少。本文对本课程的内容组织方式和传授方法进行适当的改进[1-2]，以加强知识内容组织的严密性和课堂教学讲授的生动性，调动学生课堂学习的主动性。其目的就是要用合理的课程体系组织教学内容，以互动式教学方法让学生主动地参与到课堂教学中来，重视课堂上实际教学效率，最终实现教学质量的提高。
1 课程体系的构建
《光学薄膜技术》课程综合了物理光学、大学物理以及材料科学基础等诸多课程[3]。各部分内容之间层层递进、环环相扣，但是学生在上课时一些相关基础课大多数同学都未曾学过，这样许多重要的概念大家都不能很好地理解，致使教学效果大打折扣，也严重影响了授课进度。比如，在讲授薄膜的物理气相沉积工艺时，涉及到辉光放电，但是学生并没有接触过关于等离子体物理方面内容等等。
因此在教学内容编排上，从光学薄膜设计的基础出发，到真空科学与技术，然后讲述薄膜制备和工艺的基本方法，再介绍几类典型的薄膜材料，最后讲授薄膜的生长机制和表征手段[4]。整个课程的教学目标清晰，构建合理完善的课程体系，科学合理地构建就是要准确地归纳、提炼课程中包含的概念，形成一个完整的课程体系，正确的概念是科学判断和推理的基础。
2 主动式教学法
因为并不是每个人都对推理过程紧凑、公式化的表现形式都能敏感，都能接受，那么即使再严密的逻辑，再科学的表达，如果仅仅是枯燥呆板地平铺直叙，那么由于表现形式的面目可憎，也达不到理想的教学效果。运用适当的技术去刺激鼓励指导学生的思考和自动学习，亦应视学生的学习兴趣需要、能力和教材的内容，甚至教学的环境等，决定采用的教学方法。在教学实践中也总结并提炼了一些认识，并在课堂上已经取得了一些颇有意义的效果简列如下：
2.1 将抽象的概念具体化 高深的理论之所以难懂，就是因为包含众多抽象晦涩的概念。人的思维往往对于一些具体的直观的事物有着良好的亲和性，那么为什么不将一些抽象的概念具体化呢？比如定位辉光等离子体[5]，从霓虹灯说明辉光等离子体的具体应用，这样学生就能够很好地接受抽象的概念。
2.2 采用多种语言丰富表达形式 思想内容的表达可以采纳多种表现形式，利用形体语言往往可以取得意想不到的表现效果，例如形容磁控溅射靶表面电子的跑道式运动方向，可以形容成刘翔跨栏的动作，并用肢体语言表示，学生更容易理解和接受。
2.3 适当吸纳前沿科研经验充实教学内容 多数情况下，学生对课堂讲授内容缺乏理解，往往就是因为没有形成相关概念的正确认识。在每一讲中穿插一些研究实践的体会，学生在张弛有度地学到了学习内容。比如，在讲授类金刚石等先进薄膜材料时，学生对类金刚石材料这一范畴的属性概念非常模糊，对非晶金刚石的概念在行业中也没有统一的定义。那么就从这一研究领域中最权威最主流最有影响力的刊物、专著， 充分考虑多数专家学者的建议，对非晶金刚石明确界定科学的定义。非晶金刚石是薄膜中四配位杂化含量超过50%的无氢类金刚石碳[6]。上课的时候，可以通过sp2-sp3-H三元相图明确不同类金刚石范畴的划分。再比如，在讲授等离子增强化学气相沉积时，学生对等离子辅助沉积能够降低界面反应温度的物理过程不能理解。上课的时候，从辉光放电产生等离子体着手，基于等离子的物理特性，解析反应气氛中的物理过程，通过演绎推理阐明等离子激发能够降低界面反应温度的本质[7]。
2.4 实践教学 实验室镀膜过程录像的内容，使学生进一步了解薄膜镀制的过程。在薄膜设计中，增加薄膜设计软件的教学，使学生熟悉计算机完成膜系设计的过程。
2.5 课后练习 课后布置适当数量的作业，定期批改。最终使学生了解薄膜科学和技术科研具体过程，培养独立思维能力。
2.6 课堂演讲 针对重点、难点内容组织课堂讨论，拟定若干薄膜技术研究和应用中具体问题，由同学自主选择，让学生查阅相关文献，独立解决问题，课堂宣读。充分发挥学生的主观能动性。
3 结论
《光学薄膜技术》的教学实践中利用科学合理地组织教学内容，积极的调动学生参与课堂教学的主动性，探索了更适合独立学院光电类专业学生教学方法，促进教学质量的提高。
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化学气相沉积的概念范文3
关键词：薄膜太阳能电池；发展状况；特征；种类
中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1007—9599 （2012） 14—0000—02
一、太阳能电池概述
伴随着经济社会的不断快速发展，经济增长对于环境污染的问题也变得越来越严重，因此基于可持续发展理念来进行工业生产、服务提供等成为当今世界经济发展的主旋律，而这也使得经济环保技术与工业生产相结合的理念深入人心。另一方面，在资源有限的情况下，如何有效利用现有资源，并不断开发出对新资源的运用也是摆在可持续发展理念上的重要考虑对象。基本看来，目前人们普遍认为对于太阳能的有效运用是解决能源危机、环境问题的最有效的途径。太阳能资源不仅具有清洁型能源的特征，而且其存在的长期性也能够解决人们对于能源的需求问题，太阳能电池是对于太阳能运用的最有效工具之一。太阳能电池已经经历了多个阶段的发展，其基本原理在于对半导体二极管的运用，将太阳所辐射过来的光波经由光伏作用转变为电能，为人们所用。半导体二极管能够在太阳光照射到其表面时，将太阳光加以吸收，并转化为光子能量，将自身所带的电子激发到导电带部分，最终形成具有正的电极的空穴，从而演进为光生载流子。在形成光生载流子之后，其能够在二级管内发生分离，而电子也相应的发生位置变化，最终带来空穴发生变化，产生具有负极的电极。正负极电荷的不断聚集，就演变为光伏效应，产生电压。因此，太阳能用的半导体二极管秩序在已经形成的两极进行线路连接，就可以将形成的电能导出。尽管太阳能的发展种类很多，但却普遍存在光电转化效率不高的状况，而这在军事领域、航天领域发展当中难以起到自身应有的作用，而提升光电转化率也成为太阳能研究的焦点所在。光电转化效率的研究多聚焦于太阳能材质的改革、对于元器件进行创新等方面，以增加太阳能电池对于阳光的吸收力度，减少阳光在太阳能电池中的传播距离等，最终提升光转电效率。当然，关于太阳能电池的研究十分广泛，而薄膜太阳能电池也逐步发展成为当今太阳能电池研究的最重要区域。
二、薄膜太阳能电池的发展及特性
（一）薄膜太阳能电池的发展
薄膜太阳能电池，顾名思义，其是在塑胶、玻璃或是金属基板上形成可产生光电效应的薄膜，厚度仅需数μm，因此在同一受光面积之下比硅晶圆太阳能电池大幅减少硅原料的用量。薄膜太阳能电池并非是新概念的产品，实际上人造卫星就早已经普遍採用砷化镓（GaAs）所制造的高转换效率薄膜太阳能电池板（以单晶硅作为基板，转换效能在30%以上）。不过，一方面因为制造成本相当高昂，另一方面除了太空等特殊领域之外，应用市场并不多，因此直到近几年因为太阳能发电市场快速兴起后，发现硅晶圆太阳电池在材料成本上的局限性，才再度引起为产业研发的关注，目标则是发展出材料成本低廉，又有利于大量生产的薄膜型太阳能电池。自2006下半年以来，因全球太阳能市场需求成长，造成硅原料供应不足、硅晶太阳能电池及模组生产成本水涨船高。而薄膜太阳能电池因具有轻薄、低成本、可挠曲、多种外观设计等优点，成为继硅晶太阳能电池之后，被认为是当前最具发展潜力的太阳能技术。
（二）薄膜太阳能电池发电原理
薄膜太阳能电池，是以pn半导体接面作为光吸收及能量转换的主体结构。在基板上分别涂上二种具不同导电性质的p型半导体及n型半导体，当太阳光照射在pn接面，部份电子因而拥有足够的能量，离开原子而变成自由电子，失去电子的原子因而产生空穴。透过p型半导体及n型半导体分别吸引空穴与电子，把正电和负电分开，在pn接面两端因而产生电位差。在导电层接上电路，使电子得以通过，并与在 pn 接面另一端的空穴再次结合，电路中便产生电流，再经由导线传输至负极。从光产生电的过程当中可知，薄膜太阳能电池的能量转换效率，与材料的能隙大小、光吸收系数及载子传输特性相关，因此厂商就提升转换效率的研发方向出发，往往也从材料选用、镀膜方面著手。
（三）薄膜太阳能电池发展的特征
首先是较高的生产成本。除了转换效率造成薄膜太阳能电池无法普及外，昂贵的建厂成本，往往也是令厂商却步的原因。以建一座30MW的太阳电池工厂为例，硅晶太阳电池的投资成本约4000～6000万人民币，而薄膜太阳能电池则为其成本的5～10倍不等，价格差别如此之大，在没有雄厚资金注入的情况下，特别是在目前全球经济不景气的环境下，厂商更难获取充裕的资金，因此无法建立相应的厂房设备。
其次是原料供应充足。在镀膜部分，非晶硅太阳能电池所需的硅镀膜亦只需1～2μm，厚度仅为硅晶圆的1/100，当硅料短缺时，可节省较多的材料费。而CIGS所需的硒、铟及CdTe的碲虽为稀有金属，但因全球对此类原料的需求量仍低，故不存在缺料问题。
最后是与载体做造型整合。由于薄膜电池非使用结晶硅做基板，因此不会受到晶圆尺寸大小限制，故容易进行大面积及客制化生产。加上有些基板具有轻薄、可透光且可挠的特色，因而增加薄膜太阳能电池造型设计的弹性空间及应用范围，例如，可结合商业设施、大楼及住宅，融入遮阳板、玻璃帷幕及屋顶等进行相关设计。
三、薄膜太阳能电池种类
化学气相沉积的概念范文4
[关键词]激光无损检测 超声无损检测 射线无损检测
在现代生产中针对不同对象选择何种无损检测方法已成为人们关注的问题,为解决好这个问题,就必须对无损检测方法及其特征有较全面的了解。所谓无损检测,是在不损伤材料和成品的条件下研究其内部和表面有无缺陷的手段。也就是说,它利用材料内部结构的异常或缺陷的存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化,评价结构异常和缺陷存在及其危害程度。下面简要介绍三种常用方法的应用和发展。
一、激光技术在无损检测领域的应用与发展
激光技术在无损检测领域的应用始于七十年代初期,由于激光本身所具有的独特性能,使其在无损检测领域的应用不断扩大,并逐渐形成了激光全息、激光超声等无损检测新技术,这些技术由于其在现代无损检测方面具有独特能力而无可争议地成为无损检测领域的新成员。
1.激光全息无损检测技术
激光全息术是激光技术在无损检测领域应用最早、用得最多的方法。激光全息无损检测约占激光全息术总应用的25%。其检测的基本原理是通过对被测物体加外加载荷,利用有缺陷部位的形变量与其它部位不同的特点,通过加载前后所形成的全息图像的叠加来反映材料、结构内部是否存在缺陷。
激光全息无损检测技术的发展方向主要有以下几方面。
(1)将全息图记录在非线性记录材料上,以实现干涉图像的实时显现。
(2)利用计算机图像处理技术获取干涉条纹的实时定量数据。
(3)采用新的干涉技术,如相移干涉技术。在原来的基础上进一步提高全息技术的分辨率和准确性。
2.激光超声无损检测技术
激光超声技术是七十年代中期发展起来的无损检测新技术。它利用Q开关脉冲激光器发出的激光束照射被测物体,激发出超声波,采用干涉仪显示该超声波的干涉条纹。与其他超声无损检测方法相比,激光超声检测的主要优越性如下。
(1)能实现一定距离之外的非接触检测,不存在耦合与匹配问题。
(2)利用超短激光脉冲可以得到超短声脉冲和高时间分辨率,可以在宽带范围内提取信息,实现宽带检测。
(3)易于聚焦,实现快速扫描和成像。
3.激光无损检测的发展
激光超声检测成本高,安全性较差,目前仍处于发展阶段。但在无损检测领域,激光超声检测在以下几方面的应用前景引起了人们的关注:(1)可用于高温条件下的检测.如热钢材的在线检测;(2)适用于某些不宜接近的样品,如放射性样品的检测;(3)激光束可入射到任何部位,可用于检测形状奇异的样品;(4)可用于超薄超细的样品及表面或亚表面层的检测。国外近几年已有将激光超声检测用机复合材料的检测、热态钢的在线检测的报道,在化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体溅射等高温镀膜工艺过程中膜层厚度的实时检测方面也进行了研究。
二、超声检测技术在无损检测中的应用与发展
超声无损检测技术(UT)是五大常规检测技术之一,与其它常规无损检测技术相比,它具有被测对象范围广。检测深度大;缺陷定位准确,检测灵敏度高;成本低,使用方便;速度快,对人体无害以及便于现场使用等特点。
1.超声检测技术的应用
(1)目前大量应用于金属材料和构件质量在线监控和产品的在投检查。如钢板、管道、焊鞋、堆焊层、复合层、压力容器及高压管道、路轨和机车车辆零部件、棱元件及集成电路引线的检测等。
(2)各种新材料的检测。如有机基复合材料、金属基复合材料、结构陶瓷材料、陶瓷基复合材料等,超声检测技术已成为复合材料的支柱。
(3)非金属的检测。如混凝土、岩石、桩基和路面等质量检验,包括对其内部缺陷、内应力、强度的检测应用也逐渐增多。
(4)大型结构、压力容器和复杂设备的检测。由于超声成像直观易懂,检测精度较高。因此,近几年我国集超声成像技术及超声信号处理技术等多学科前沿成果于一体的超声机器人检测系统已研制成功,为复杂形状构件的自动扫描超声成像检测提供了有效手段。
(5)核电工业的超声检测。
(6)其它方面的超声检测。如医学诊断广泛应用超声检测技术;目前人们正试图将超声检测技术用于开辟其它新领域和行业,如人们正努力将超声检测技术用于血压控制系统进行系统作非接触检测、辨识。性能分析和故障诊断等。
2.超声检测技术的发展
在现代无损检测技术中,超声成像技术是一种令人瞩目的新技术。超声图像可以提供直观和大量的信息,直接反映物体的声学和力学性质,有着非常广阔的发展前景。现代超声成像技术都是计算机技术、信号采集技术和图象处理技术相结合的产物。数据采集技术、图象重建技术、自动化和智能化技术以及超声成像系统的性能价格比等发展直接影响超声检测图像化的进程。现代超声成像技术大多有自动化和智能化的特点,因而有许多优点,如检测的一致性好,可靠性、复现性高,存储的检测结果可随时调用,并可以对历次检测的结果自动比较,以对缺陷做动态检测等。
目前已经使用和正在开发的成像技术包括:超声B扫描成像,超声C扫描成像、超声D扫描成像,SAFT(合成孔径聚焦)成像,P扫描成像,超声全息成像,超声CT成像等技术。
三、射线技术在无损检测领域内的应用与发展
1.射线检测技术的应用
射线检测技术是利用射线(X射线、射线、中子射线等)穿过材料或工件时的强度衰减,检测其内部结构不连续性的技术。穿过材料或工件的射线由于强度不同在X射线胶片上的感光程度也不同,由此生成内部不连续的图像。
(1)早期使用在石油工业.分析钻井岩芯。
(2)在航空工业用于检验与评价复合材料和复合结构。评价某些复合件的制造过程。也用于一系列情况下样件的评价;这种检测与评价过程,大大简化了取样破坏分析过程。
(3)检测大型固体火箭发动机,这样的射线系统使用电子直线加速器X射线源,能量高迭25MeV,可检验直径达3m的大型同体火箭发动机。
(4)检验小型、复杂、精密的铸件和锻件,进行缺陷检验和尺寸测量。
(5)检查工程陶瓷和粉末冶金产品制造过程发生的材料或成分变化,特别是对高强度、形状复杂的产品。
(6)组件结构检查。
2.射线检测技术的发展
(1)数字射线照相技术时代。1990年,R.Halmshaw和N.A.Ridyard在《英国无损检测杂志》上发表题为“数字射线照相方法评述”的文章,在评述了各种数字射线照相方法的发展之后认为,数字射线照相时代已经到来。近年来射线检测技术发展的基本特点是数字图象处理技术广泛应用于射线检测。射线层析检测和实时成像检测技术的重要基础之一是数字图象处理技术,即使常规胶片射线照相技术,也在采用数字图象处理技术。 (2)今后重点应用的技术。1994年Harold Berger在美国《材料评价》发表的“射线无损检测的趋势”中提出,在20世纪的最后10年和21世纪的初期,下列技术将得到广泛应用:①数字X射线实时检测系统在制造、在役检验和过程控制方面。②具有数据交换、使用NDT工作站的计算机化的射线检测系统。③小型、低成本的CT系统。④微焦点放大成像的x射线成像检验系统。⑤小型高灵敏度的X射线摄像机。⑥大面积的光电导X射线摄像机。
四、无损检测的发展趋势
1.超声相控阵技术
超声检测是应用最广泛的无损检测技术,具有许多优点,但需要耦合剂和换能器接近被检材料,因此,超声换能、电磁超声、超声相控阵技术得到快速发展。其中,超声相控阵技术是近年来超声检测中的一个新的技术热点。
超声相控阵技术使用不同形状的多阵元换能器来产生和接收超声波波束,通过控制换能器阵列中各阵元发射(或接收)脉冲的时间延迟,改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系,实现聚焦点和声束方向的变化,然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像。与传统超声检测相比,由于声束角度可控和可动态聚焦,超声相控阵技术具有可检测复杂结构件和盲区位置缺陷和较高的检测频率等特点,可实现高速、全方位和多角度检测。对于一些规则的被检测对象,如管形焊缝、板材和管材等,超声相控阵技术可提高检测效率、简化设计、降低技术成本。特别是在焊缝检测中,采用合理的相控阵检测技术,只需将换能器沿焊缝方向扫描即可实现对焊缝的覆盖扫查检测。
2.微波无损检测
微波无损检测技术将在330～3300 MHz中某段频率的电磁波照射到被测物体上,通过分折反射波和透射波的振幅和相位变化以及波的模式变化,了解被测样品中的裂纹、裂缝、气孔等缺陷,确定分层媒质的脱粘、夹杂等的位置和尺寸,检测复合材料内部密度的不均匀程度。
化学气相沉积的概念范文5
第一节钢的热处理原理
热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺分类：（根据热处理的目的、要求和工艺方法的不同分类如下）
1、整体热处理：包括退火、正火、淬火、回火和调质；
2、表面热处理：包括表面淬火、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等；
3、化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。
热处理的三阶段：加热、保温、冷却
一、钢在加热时的转变
加热的目的：使钢奥氏体化
（一）奥氏体（A）的形成
奥氏体晶核的形成以共析钢为例A1点则Wc＝0.0218％（体心立方晶格F）Wc＝6.69％（复杂斜方渗碳体）当T上升到Ac1后Wc＝0.77％（面心立方的A）由此可见转变过程中必须经过C和Fe原子的扩散，必须进行铁原子的晶格改组，即发生相变，A在铁素体和渗碳体的相界面上形成。有两个有利条件①此相界面上成分介于铁素体和渗碳体之间②原子排列不规则，空位和位错密度高。
a)形核b)长大c)剩余渗碳体溶解d)奥氏体均匀化
（二）奥氏体晶粒的长大
奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示。分为00，0，1，2…10等十二个等级，其中常用的1～10级，4级以下为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。
影响A晶粒粗大因素
1、加热温度越高，保温时间愈长，奥氏体晶粒越粗大。因此，合理选择加热和保温时间。以保证获得细小均匀的奥氏体组织。（930～950℃以下加热，晶粒长大的倾向小，便于热处理）
2、A中C含量上升则晶粒长大的倾向大。
二、钢在冷却时的转变
生产中采用的冷却方式有：等温冷却和连续冷却
（一）过冷奥氏体的等温转变
A在相变点A1以上是稳定相，冷却至A1以下就成了不稳定相。
1、共析碳钢奥氏体等温转变产物的组织和性能
转变曲线的建立示意图
1）高温珠光体型转变：A1～550℃
（1）珠光体（P）A1～650℃粗层状约0.3μm<25HRC
（2）索氏体（S）650～600℃细层状0.1～0.3μm，25～35HRC
（3）屈氏体（T）600～550℃极细层状约0.1μm，35～40HRC
2）中温贝氏体型转变：550℃～Ms
（1）上贝氏体（B上）550～350℃羽毛状40～45HRC脆性大，无使用价值
（2）下贝氏体（B下）350~Ms黑色针状45～55HRC韧性好，综合力学性能好
（3）低温马氏体型转变：Ms～Mf当A被迅速过冷至Ms以下时，则发生马氏体（M）转变，主要形态是板条状和片状。（当Wc＜0.2％时，呈板条状，当Wc＞1.0％呈针片状，当Wc＝0.2％～1.0％时，呈针片状和板条状的混合物）
（二）过冷奥氏体的连续冷却转变
1．共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织和性能
（1）随炉冷P170～220HBS（700～650℃）
（2）空冷S25～35HRC（650～600℃）
2．马氏体转变
当冷速>马氏体临界冷却速度VK时，奥氏体发生M转变，即碳溶于α—Fe中的过饱和固溶体，称为M（马氏体）。
1）转变特点：M转变是在一定温度范围内进行（Ms～Mf）,M转变是在一个非扩散型转变(碳、铁原子不能扩散）,M转变速度极快（大于Vk）,M转变具有不完全性（少量的残A）,M转变只有α－Fe、γ－Fe的晶格转变.
（2）M的组织形态
Wc（％）M形态σb/Mpaσs/MPaδ(%)Ak/JHRC
0.1-0.25板条状1020－1530820－13309－1760－18030－50
0.77片状2350204011066
(3)M的力学性能
①M的强度与硬度随C的上升M的硬度、强度上升
②M的塑性与韧性：低碳板条状M良好；板条状M具有较高的强度、硬度和较好塑性和韧性相配合的综合力学性能；针片状M比板条M具有更高硬度，但脆性较大，塑、韧性较差。
图5
第二节钢的退火
1、概念：将钢件加热到适当温度(Ac1以上或以下)，保持一定时间，然后缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺称为退火。
2、目的：
（1）降低硬度，提高塑性，
（2）细化晶粒，消除组织缺陷
（3）消除内应力
（4）为淬火作好组织准备
3、类型：根据加热温度可分为在临界温度（Ac1或Ac3）以上或以下的退火，前者又称相变重结晶退火，包括完全退火、扩散退火、均匀化退火、不完全退火、球化退火；后者包括再结晶退火及去应力退火。
（1）完全退火：
1）概念：将亚共析钢（Wc＝0.3％～0.6％）加热到AC3+（30～50）℃，完全奥氏体化后，保温缓冷（随炉、埋入砂、石灰中），以获得接衡状态的组织的热处理工艺称为完全退火。
2）目的：细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能。
3）工艺：完全退火采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ar1以下较主温度范围内转变为珠光体。工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而且要保证全部看到均匀化的奥氏体，达到完全重结晶。完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。实际生产时，为了提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。
4）适用范围：中碳钢和中碳合金钢的铸、焊、锻、轧制件等。
（2）球化退火
1）概念：使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺称为球化退火。
2）工艺：一般球化退火工艺Ac1+(10～20)℃随炉冷至500～600℃空冷。
3）目的：降低硬度、改善组织、提高塑性和切削加工性能。
4）适用范围：主要用于共析钢、过共析钢的刃具、量具、模具等。
（3）均匀化退火（扩散退火）
1）工艺：把合金钢铸锭或铸件加热到Ac3以上150～100℃，保温10～15h后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。
2）目的：消除结晶过程中的枝晶偏析，使成分均匀化。由于加热温度高、时间长，会引起奥氏体晶粒严重粗化，因此一般还需要进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。
3）适用范围：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件。
4）注意：高温扩散退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件，因其偏析程度较轻，可采用完全退火来细化晶粒，消除铸造应力。
（4）去应力退火
1)概念：为去除由于塑性变形加工、焊接等而造成的应力以及铸件内存在的残余应力而进行的退火称为去应力退火。
2)工艺：将工件缓慢加热到Ac1以下100～200℃（500～600℃）保温一定时间（1～3h）后随炉缓冷至200℃，再出炉冷却。
钢的一般在500～600℃；铸铁一般在500～550℃超过550℃容易造成珠光体的石墨化；焊接件一般为500～600℃。
3）适用范围：消除铸、锻、焊件，冷冲压件以及机加工工件中的残余应力，以稳定钢件的尺寸，减少变形，防止开裂。
第三节钢的正火
1、概念：将钢件加热到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保温适当时间后；在静止空气中冷却的热处理工艺称为正火。
2、目的：细化晶粒，均匀组织，调整硬度等。
3、组织：共析钢P、亚共析钢F+P、过共析钢Fe3CⅡ＋P
4、工艺：正火保温时间和完全退火相同，应以工件透烧，即心部达到要求的加热温度为准，还应考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。正火冷却方式最常用的是将钢件从加热炉中取出在空气中自然冷却。对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度，达到要求的组织和性能。
5、应用范围：
1）改善钢的切削加工性能。碳的含量低于0.25％的碳素钢和低合金钢，退火后硬度较低，切削加工时易于“粘刀”，通过正火处理，可以减少自由铁素体，获得细片状P，使硬度提高，改善钢的切削加工性，提高刀具的寿命和工件的表面光洁程度。
2）消除热加工缺陷。中碳结构钢铸、锻、轧件以及焊接件在加热加工后易出现粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。通过正火处理可以消除这些缺陷组织，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。
3）消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火。过共析钢在淬火之前要进行球化退火，以便于机械加工并为淬火作好组织准备。但当过共析钢中存在严重网状碳化物时，将达不到良好的球化效果。通过正火处理可以消除网状碳化物。
4）提高普通结构零件的机械性能。一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件采用正火处理，达到一定的综合力学性能，可以代替调质处理，作为零件的最终热处理。
第四节钢的淬火
1、定义：将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间。然后以适当速度冷却获得M或B组织的热处理工艺。2、目的：显著提高钢的强度和硬度。
3、淬火温度的选择
1）碳钢的淬火加热温度由Fe－Fe3C相图来确定，其目的是为了①淬火后得到全部细小的M；②淬火后希望硬度高。
①亚共析钢Ac3+(30～50)℃,可获得细小的均匀的M，如温度过高则有晶粒粗化现象，淬火后获得粗大的M，使钢的脆性增大；如温度过低则淬火后M+F，有铁素体出现，淬火硬度不足。
②共析钢与过共析钢Ac1+(30～50)℃，由于有高硬度的渗碳体和M存在，能保证得到高的硬度和耐磨性。如果加热温度超过Accm将会使碳化物全部溶入A中，使A中的含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，降低钢的硬度和耐磨性；淬火温度过高，奥氏体晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增大。
2）合金钢
①对含有阻碍奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素（如Ti、Nb等），淬火温度可以高一些，以加速其碳化物的溶解，获得较好的淬火效果.
②对含有促进奥氏体晶粒长大的元素（如Mn等），淬火加热温度应低一些，以防止晶粒粗大。
理想冷却速度：650℃以上应当慢冷，以尽量降低淬火热应力。650～400℃之间应当快速冷却，以通过过冷奥氏体最不稳定的区域，避免发生珠光体或贝氏体转变。400以下至Ms点附近应当缓以尽量减小马氏体转变时产生的组织应力。具有这种冷却特性的冷却介质可以保证在获得M组织条件下减少淬火应力、避免工件产生变形或开裂。
4、淬火介质
淬火介质：钢从奥氏体状态冷至Ms点以下所用的冷却介质。常用的有三种：
水：650～400℃范围内冷却速度较小，不超过200℃/s，但在需要慢冷的马氏体转变温度区，其冷却速度又太大，在340℃最大冷却速度高达775℃/s，很容易引起工件变形和开裂。此外，水温对水的冷却特性影响很大，水温升高，高温区的冷却速度显著下降，而低温区的冷却速度仍然很高。因此淬火时水温不应超过30℃，加强水循环和工件的搅动可以加速工件在高温区的冷却速度。水虽不是理想淬火介质，但却适用于尺寸不大、形状简单的碳钢工件淬火。
油：在650～550℃内冷却较慢，不适用于碳钢，300～200℃范围内冷很慢，有利于淬火工件的组织应力，减少工件变形和开裂倾向。与水相反，提高油温可以降低粘度，增加流动性，故可以提高高温区的冷却能力。但是油温过高易着火，一般应控制在60～80℃。适用于对过冷奥氏体比较稳定的合金钢。
水与油作为淬火介质各有优缺点，但均不是属于理想的冷却介质。水的冷却能力很大，但冷却特性不好；油冷却特性较好，但其冷却能力又低。由于水是价廉、容易获得、性能稳定的淬火介质，因此目前世界各国都在发展有机水溶液作为淬火介质。美国应用浓度为15％聚乙烯醇、0.4％抗粘附剂、0.1％防泡剂的淬火介质，以及国内使用比较广泛的新型淬火介质有过饱和硝盐水溶液等。它们的共同特点是冷却能力介于水、油之间，接近于理想淬火介质。主要用于贝氏体等温淬火，马氏体分级淬火，常用于处理形状复杂、尺寸较小和变形要求严格的工件。
5、淬火方法（常用的淬火方法：单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火）
1、单介质淬火
优点：操作简单、易实现机械化、应用广泛。
缺点：水中淬火变形与开裂倾向大；油中淬火冷却速度小，淬透直径小，大件无法淬透。
2、双介质淬火
优点：减少热应力与相变应力，从而减少变形、防止开裂。
缺点：工艺不易掌握，要求操作熟练。
适用于中等形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件。
3、局部淬火
为了避免工件其它部分产生变形或开裂，即可用局部淬火。
4、马氏体分级淬火
优点：使过冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体，从而减少变形。
缺点：只适用于尺寸较小的零件，否则淬火介质冷却能力不足，温度也难于控制。
5、马氏体等温度淬火优点：下贝氏体的硬度略低于马氏体，但综合力学性能较好，应用广泛。
6、钢的淬透性与淬硬性
（一）淬透性：决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性，即应该是全淬成马氏体的深度。
1.影响淬透性因素
（1）钢的化学成分。除Co以外的合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体稳定性，降低马氏体临界冷却速度，从而提高钢的淬透性。
（2）奥氏体化条件。提高奥氏体的温度，延长保温时间，使奥氏体晶粒粗大，成分均匀，残余渗碳体和碳化物的溶解彻底，使过冷奥氏体起稳定，使C曲线越向右移，马氏体临界冷却速度就越小，则钢的淬透性越好。
2.淬透性表示方法。常用临界直径大小来定理的比较不同钢种的淬透性大小。临界直径是指钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体（或50％马氏体）组织的最大直径。用Dc表示。在同一冷却介质中，钢的临界直径越大，其淬透性越好；但同一钢种在冷却能力大的介质中，比冷却能力小的介质中所得的临界直径要大些。
牌号临界直径/mm
淬水淬油
4513～16.55～9.5
20Cr12～196～12
3.淬透性的实用意义：
1）淬透——性能均匀一致
2）未淬透——韧性降低
（二）钢的淬硬性：钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。
值得注意的：钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念。淬透性好的钢其淬硬性不一定高，而淬火后硬度低的钢也可能是具有高的淬透性。
7、钢的淬火缺陷及其防止措施
1.淬火工件的过热和过烧
过热：工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。
由于过热不仅在淬火后得到粗大马氏体组织，而且易于引起淬火裂纹，因此，淬火过热的工件强度和韧性降低，易于产生脆性断裂。轻微的过热可用延长回火时间补救。严重的过热则需进行一次细化晶粒退火，然后再重新淬火。
过烧：淬火加热温度太高，使奥氏体晶界局部熔化或者发生氧化的现象。
过烧是严重的加热缺陷，工件一旦过烧无法补救，只能报废。过烧的原因主要是设备失灵或操作不当造成的。高速钢淬火温度高容易过烧，火焰炉加热局部温度过高也容易造成过烧。
2.淬火加热时的氧化和脱碳
淬火加热时，钢件与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳等缺陷。氧化使工件尺寸减小，表面光洁度降低，并严重影响淬火冷却速度，进而使淬火工件出现软点或硬度不足等新的缺陷。工件表面脱碳会降低淬火后钢的表面硬度、耐磨性，并显著降低其疲劳强度。因此，淬火加热时，在获得均匀化奥氏体时，必须注意防止氧化和脱碳现象。在空气介质炉中加热时，防止氧化和脱碳最简单的方法是在炉子升温加热时向炉内加入无水分的木炭，以改变炉内气氛，减少氧化和脱碳。此外，采用盐炉加热、用铸铁屑覆盖工件表面，或是在工件表面热涂硼酸等方法都可有效地防止或减少工件的氧化和脱碳。
3.淬火时形成的内应力
有两种情况：①工作在加热或冷却时，引起的热应力。
②由于热处理过程中各部位冷速的差异引起的相变应力。
当两力相复合超过钢的屈服强度时，工件就变形；当复合力超过钢的抗拉强度时，工件就开裂。
解决办法：①工件在加热炉中安放时，要尽量保证受热均匀，防止加热时变形；
②对形状复杂或导热性差的高合金钢，应缓慢加热或多次预热，以减少加热中产生的热应力；
③选择合适的淬火冷却介质和淬火方法，以减少冷却中热应力和相变应力。
但淬火不是最终热处理，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。钢淬火后再经回火，是为了使工件获得良好的使用性能，以充发挥材料的潜力。所以淬火和回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。
第五节钢的回火
1、定义：钢件淬火后，再加热到A1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。
2、目的：
1）稳定组织，消除淬火应力
2）调整硬度、强度、塑性、韧性
3、淬火钢在回火时组织的转变
1）马氏体的分解（＞100℃）
2）残余奥氏体的转变（200～300℃）
3）碳化物的转变（250～450℃）
4）渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶（＞450℃）
4、钢在回火时性能变化
1）回火方法：
（1）低温回火（150～250℃），组织是回火马氏体，和淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当提高了韧性。硬度为58～64HRC，主要用于高碳钢，合金工具钢制造的刃具、量具、模具及滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和表面淬火件等。
（2）中温回火（350～500℃），组织为回火屈氏体，对于一般碳钢和低合金钢，中温回火相当于回火的第三阶段，此时碳化物开始聚集，基体开始回复，淬火应力基本消除。硬度为35～50HRC，具有高的弹性极限，有良好的塑性和韧性，主用于弹性件及模具处理。
（3）高温回火（500～650℃），组织为回火索氏体，硬度为220～330HBS。淬火和随后的高温回火称为调质处理，经调质处理后，钢具有优良的综合机械性能。因此，高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件，如曲轴、连杆、螺栓、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。钢经正火后和调质后的硬度很相近，但重要的结构件一般都要进行调质而不采用正火。在抗拉强度大致相同情况下，经调质后的屈服点、塑性和韧性指标均显著超过正火，尤其塑性和韧性更为突出。
2）回火时间：一般为1～3h
3）回火冷却：一般空冷。一些重要的机器和工模具，为了防止重新产生内应力和变形、开裂，通常都采用缓慢的冷却方式。对于有高温回火脆性的钢件，回火后应进行油冷或水冷，以抑制回火脆性。
5、回火脆性
第一类回火脆性：300℃左右，无法消除，低温回火脆性。产生这类回火脆性的原因，一般认为在此回火温度范围内碳化物以断续的薄片沿马氏体片或马氏体条的界面析出，这样硬而脆的薄片与马氏体间结合较弱，降低了马氏体晶界处强度，因而使冲击韧性降低。
第二类回火脆性：400～500℃，，高温回火脆性。产生这类原因是由于经高温回火后缓冷通过脆化温度区所产生的脆性。办法：快冷；提高钢的纯洁度，减少有害元素的含量等。
