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表面形变强化技术
奥赫弗尔特理论
• 奥赫弗尔特认为，喷丸的残余应力的产生 取决于两个方面的机制： • 一方面由于大量弹丸压人产生的切应力造 成了表面塑性延伸； • 另一方面，由于弹丸的冲击产生的表面法 向力引起了赫芝压应力与亚表面应力的结 合。 • 在大多数材料中这两种机制并存。
喷丸产生的残余压应力
• 经喷丸和滚压 后，金属表面产生 的残余压应力的大 小，不但与强化方 法、工艺参数有关， 还与材料的晶体类 型、强度水平以及 材料在单调拉伸时 的硬化率有关。
• 这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效 地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳 强度。
二、表面形变强化的主要方法及应用
• （一）表面形变强化的 主要方法 • 1．滚压 • 目前，滚压强化用的滚 轮、滚压力大小等尚无 标准。 • 对于圆角、沟槽等可通 过滚压获得表层形变强 化，并能在表面产生约 5mm深的残余压应力， 其分布如图所示。
残余压应力
• 具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁 基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高， 可达材料自身屈服点的2－4倍。
• 材料的硬化率越高，产生的残余压应力越 大。
表面强化方法
有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。
• 表面强化方法还可消除切削加工留下的刀痕； • 表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增 加，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑，因此可减 轻由切削加工留下的尖锐刀痕的不利影响。
喷丸强度
• 当弧高度f达到饱和值，试片表面达到全覆 盖率时，以此弧高度f定义为喷九强度。 • 喷丸强度的表示方法是0.25C或fc=0.25， 字母或脚码代表试片种类，数字表示弧高 度值（单位为mm）。
（2）表面覆盖率试验
• 喷丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总面 积的比值称为表面覆盖率。 • 一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖率 达到表面积的100％即全面覆盖时，才能有 效地改善疲劳性能和抗应力腐蚀性能。
对于表面形变强化技术的现状分析
对于表面形变强化技术的现状分析-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII对于表面形变强化技术的现状分析来源：中国论文下载中心作者：未知摘要：表面强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。
常用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺，其强化效果显著，成本低廉。
笔者主要概括了表面强化技术的分类、目的和作用，分析了形变强化方法的特点以及目前表面强化主要研究方法的现状和发展趋势。
关键词：表面形变；强化技术；滚压；内挤压；喷丸引言材料表面处理技术简称材料表面技术，是材料科学的一个重要分支，是在不改变基体材料的成分和性能（或虽有改变而不影响其使用）的条件下，通过某些物理手段（包括机械手段）或化学手段来赋予材料表面特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。
材料表面技术在工业中的应用，大幅度提高了产品（尤其是金属零件）的性能、质量和寿命，并产生了巨大的经济效益，因而深受各国政府和科技界的重视。
1 表面形变强化原理通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达0.5～1.5mm），从而使表面层硬度、强度提高。
2 表面形变强化工艺分类表面形变强化主要有喷（抛）丸、滚压和孔挤压等三种工艺。
2.1喷丸强化工艺喷丸是国内外广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐蚀点（孔蚀）能力，它具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方法。
2.1.1喷丸强化的发展状况1908年,美国制造出激冷钢丸,金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速发展,而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。
1929年,在美国由Zimmerli 等人首先将喷丸强化技术应用于弹簧的表面强化,取得了良好的效果[1]。
20世纪40年代，人们就发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层，可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。
对于表面形变强化技术的现状分析
摘要：表面强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。
常用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺，其强化效果显著，成本低廉。
笔者主要概括了表面强化技术的分类、目的和作用，分析了形变强化方法的特点以及目前表面强化主要研究方法的现状和发展趋势。
关键词：表面形变；强化技术；滚压；内挤压；喷丸引言材料表面处理技术简称材料表面技术，是材料科学的一个重要分支，是在不改变基体材料的成分和性能（或虽有改变而不影响其使用）的条件下，通过某些物理手段（包括机械手段）或化学手段来赋予材料表面特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。
材料表面技术在工业中的应用，大幅度提高了产品（尤其是金属零件）的性能、质量和寿命，并产生了巨大的经济效益，因而深受各国政府和科技界的重视。
1 表面形变强化原理通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达0.5～1.5mm），从而使表面层硬度、强度提高。
2 表面形变强化工艺分类表面形变强化主要有喷（抛）丸、滚压和孔挤压等三种工艺。
2.1喷丸强化工艺喷丸是国内外广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐蚀点（孔蚀）能力，它具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方法。
2.1.1喷丸强化的发展状况1908年，美国制造出激冷钢丸，金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速发展，而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。
1929年，在美国由Zimmerli等人首先将喷丸强化技术应用于弹簧的表面强化，取得了良好的效果[1]。
20世纪40年代，人们就发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层，可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。
到了20世纪60年代，该工艺逐步应用于机械零件的强化处理上。
20世纪70年代以来，该工艺已广泛应用于汽车工业，并获得了较大的经济技术效益，如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮均采用了喷丸强化工艺，大幅度提高了抗疲劳强度。
铝合金表面强化技术研究现状及其发展趋势
材， 借助 高压 气体将 金 属 熔 滴 雾化 并 喷 向铝合 金 基 体 表 面 以形 成 耐 磨 抗 蚀 强 化 涂层 。徐 荣 正口 ］ 等研 究 了
６ ０ ６ １铝合 金表 面高 纯铝 涂层对 其 耐腐 蚀 性 能的 影 响 ， 涂 层 的腐 蚀 电位 和腐 蚀 电流 均高 于 铝合 金 基 体 ， 体 现 出 良好 的耐蚀 性 能 。 １ ． ２ 等 离子 喷涂 等离 子 喷 涂 以 等 离 子 弧 为 热 源 ， 其 温 度 可 达 １ Ｏ Ｋ， 可使 喷涂 粉末 得 到 足 够 热 量 ， 尤 其 对 于 熔 点 较 高 的 陶瓷 材 料 ， 具 有更 加优异 的 喷涂效果 ， 可显 著改 善 铝合 金表 面性 能。卢 果 等 在 ６ ０ ６ ３铝 合 金表 面制 备 了 等 离 子 喷 涂 纳 米 Ａｌ 。 Ｏ ／ Ｔ ｉ Ｏ２和 微 米 级 Ａｌ 。 ０ 。 ／ Ｔ ｉ Ｏ。 陶 瓷涂层 。研 究结 果 表 明 ： 纳 米 陶 瓷涂 层 的硬 度 是 微 米 陶瓷涂 层 的 ３ ． ５倍 ； 纳 米 陶 瓷涂 层 的摩擦 系数 比微 米 陶瓷 涂层 下 降 了 １ ２ ． ５ ， 磨 损量 仅 为后 者 的 ６ Ｏ ， 并 且 远低 于 铝合金 基 体 。Ｓ ａ ｒ ｉ ｋ ａ ｙ ａ ［ 。 等 研究 了 Ｃ颗 粒 的含量 对 等离 子喷 涂 Ａｌ —Ｓ ｉ ／ Ｂ Ｃ复 合涂 层 性 能 的 影响， 复合 涂 层除 了 Ｂ ４ Ｃ外 ， 还生 成 了 Ａｌ ０。 颗粒， 且 随着 Ｃ颗 粒 含 量 的 增 加 ， 复 合 涂 层 的硬 度 随 之 增 大， 孔 隙率 和 表面粗 糙度 降低 。 １ ． ３ 高速 火 焰喷涂 高速 火焰 喷涂 可使 喷涂 粉 末 获 得极 高 的 速度 ， 粒
表面形变强化
摘要腐蚀、磨损、断裂是机械零部件的三大失效形式，其中以断裂失效带来的灾难与损失最大，而断裂失效中疲劳失效所占比例最高，民用机器零部件约占40%~50%，而军用和航空飞行的零部件则高达90%。
可见，研究疲劳断裂、探索疲劳断裂机制至关重要，表面形变强化处理是提高机器零部件疲劳寿命最为有效的手段。
关键词：失效，断裂失效，疲劳断裂，表面形变强化表面形变强化基本原理表面形变强化基本原理是通过机械手段(滚压、内挤压和喷丸等)在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层。
此形变硬化层的深度可达0.5mm～1.5mm。
硬化层中产生两种变化：一是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；二是形成了高的宏观残余压应力。
这两种变化使得金属表面的强度硬度得到了很大的提高，疲劳寿命也有了很大的改观。
喷丸强化1、喷丸表面强化原理喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种表面强化方法，它是将大量的高速运动的弹丸(铸铁丸、钢丸、玻璃丸、硬质合金丸等)喷射到零件表面，犹如无数的小锤反复锤击金属表面，使零件表层和次表层金属发生一定的塑性变形、从而在塑性变形层中产生金属特有的冷作硬化，还产生一层残余压应力。
从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。
它已被广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件这个技术的关键是要根据零件的材料和形状特点控制弹丸流的速度和控制零件表面与弹丸流之间的相对运动。
2、喷丸强化用弹丸喷丸强化最常用的主要有钢丝切丸、铸钢丸、玻璃丸三种。
喷丸强化用的弹丸必须具备以下特征：a）较高硬度和强度；b）应考虑弹丸质量、密度及规格大小之间的关系；c）要求弹丸不破碎，耐磨损，使用寿命长；（1）钢丝切丸钢丝切丸是用回火高强度钢丝经切割制成，目前使用最多的是用弹簧钢做成的钢丸，它的最适宜的硬度为HRC=45~50。
它的成本较高，因两端由棱角会划伤工件表面，在欧美工业发达国家已经大量使用预钝化去棱角-磨角钢丝切丸。
模具表面强化技术综述
1.2.2 工艺性能
4. 焊接修复性 在型腔加工中，有时难免要补焊。因此模具钢必须有很好地焊 接性能。 钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此 钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之、高碳钢 最差。铝合金、铜合金的焊接性能一般不太好，应采用一些高级的 焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。
1.1.2 模具材料分类
模具材料的品种繁多、分类方法也不尽相同。由于模具钢是制造模具 的主要材料，所以我们可将材料分类如下：
根据模具的工作条件不同，一般把模具钢分为三类: 1.冷作模具钢 2.热作模具钢 3.塑料模具钢
1.1.3 选择模具材料的一般原则
研究和制造有竞争性的优质产品，最重要的要求之一就是选择产品中 不同零件所用的各种材料和与之相宜的加工方法的最佳组合。由于所能采 用的材料和加工方法很多，因而材料的选用常常是一个复杂而困难的判断 、优化过程。毫无疑问，所选材料应满足产品（零件）使用的需要，经久 耐用，易于加工，经济效益高。
1.3.1 工艺分类
1.3 热处理
模具钢热处理一般包括3个部分：普通热处理、表面热处理、形变热处理。普
通热处理包括退火、正火、淬火、回火。退火和正火我们俗称为预先热处理，淬 火和回火我们称为最终热处理。 退火：将钢加热到一定温度保温一段时间，再缓慢冷却。 正火：将钢加热至Ar3或Accm以上30~50℃，在空气中冷却。 淬火：将钢加热至奥氏体化，再快速冷却（大于临界冷却速度）使其进行马 氏体转变。 回火：将钢加热到＜A1点的某一温度保温一段时间，再冷却。
选材一般应遵循四个基本原则： 1、满足使用性能要求； 2、工艺性能良好； 3、材料来源方便； 4、经济性合理。
在大多数情况下，使用性能是选材的首要原则与依据，然后再综合 考虑工艺性能和经济性能，得出优化结果。
汽车零部件表面强化技术研究现状及展望
汽车零部件表面强化技术研究现状及展望摘要：近些年来，随着社会经济的进步发展以及人们物质生活水平的不断提高，汽车工业的发展也逐渐呈现出一片繁荣的态势。
随着线及技术手段的不断发展，对于汽车零部件的性能以及延长其使用寿命和提高经济性等方面也提出了更高的要求。
目前来说，汽车零部件的损坏现象一般是由于材料表面不能胜任苛刻的服役条件而出现的，所以对于汽车零部件的要求除了需要具备高的耐磨性、耐蚀性及抗疲劳强度之外还能够保证汽车零部件在高速、高压、载重及强腐蚀介质工况下持续地运行。
所以汽车零部件的表面强化技术逐渐被普及应用，以此有效提高汽车零部件的表面性能。
本文就汽车零部件表面强化技术研究现状以及展望进行了分析。
关键词：汽车零部件；表面强化技术；展望引言在目前的汽车工业中，汽车在实际生产中所用到的汽车零部件一般都是用钢铁合金材料加工制造而成，这种零部件在使用过程中虽然能够保证其基本的使用性能，但是使用寿命较短，因此，需要对汽车零部件的进行强化处理，增强汽车零部件的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳等使用性能。
传统的表面强化技术一般是渗碳、渗氮以及表面淬火等，其能有效优化汽车零部件的使用性能，但是在逐渐的发展中也不可避免的出现一些问题，而新型的表面强化技术逐渐面世，对于汽车零部件表面的进一步强化具有重大作用。
一、汽车零部件表面强化技术研究现状（一）表面形变强化表面形变强化主要是通过喷丸、挤压或滚压金属零部件的表面，从而使其产生塑性变形和加工硬化，这种变形和硬化会引起表层显微组织的变化，达到提高金属零部件的疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性等性能的目的，同时表面形变强化的应用也可以对金属零部件的可靠性和耐久性进行提升。
目前在汽车工业的实际生产中，喷丸强化工艺引起本身具有的操作简单、耗能少、效率高及适应面广等优点而受到广泛的普及应用，并显著提高汽车零部件抗弯曲、抗腐蚀、抗应力腐蚀、抗微动磨损和耐点蚀性能等等，极大地促进了汽车行业整体的生产质量。
模具表面强化技术应用现状及发展
（ ）改 变表面 化学成 分的强 化方法 二
１等 离子 化学热处理。等离子化学热处理是利用真空辉 ． 光放 电产生的离子轰击金属表面 ，使表面的成分、组织结构
和性 能都发生变化 。等离子化学热处理 已有离子渗 Ｎ 、渗 Ｃ 、 渗Ｂ 、渗 Ｔ 、渗 Ｓ ｉ 、渗 Ａ 等技术投入应用，实践证 明，经等 １ 离子化学热处理后的模具耐磨性 、疲劳强度、耐腐蚀性都显 著提 高 ’ 此类技术是 目前模具表面强化 中研究和应用最广 。 泛的 ，处理后模具表层硬化、并有高的残余压应力 。目前又 有双元 Ｃ Ｎ共渗、多元共渗 （ － 如最近 开发 的无污染体的 Ｓ Ｎ Ｃ － — 共渗 ）与复合渗等复合表面化学热处理 ，其 目的是为 了保持 单元渗的优点而克服其缺点 ，以得到综合性能更优 良的多元 共渗层 ，提高模具的使用寿命 。研究表 明在氮化工序工件表 面渗入氮等多种元素，形成耐磨和耐疲劳 的化合物层和扩散 层，而氧化工艺使工件形成抗蚀性极好的氧化膜 ，极大地提 高了模具的寿命 。 ２渗金属处理 （Ｄ处理 ） 渗金属处理是 日本丰 田研究所 ． Ｔ 。 开 发 的 ，是 用 熔 盐 浸 镀 法 、 电解 法 及 粉 末 法 进 行 表 面 硬 化 处 理技术的总称 。实际应用最多的是熔盐浸镀法 （ 或称熔盐浸渍 法、盐浴沉积法） 。通过在模 具表面形成 ５ ５． ～１ １ｍ薄膜 （ １ 实为 渗层） ，可显著提高表面硬度、耐磨性、抗粘着性和 耐腐蚀性 大大提高了模具的使用寿命 。 渗金属处理过程是硼砂盐浴中 活性金属原子与工件 （ 基材 ） 本身 的碳原子相结合 的过程 ，其 碳化物的形成机理是 Ｖ ｂ ｒ等碳化物 元素与 Ｃ结合在工 ，Ｎ ，Ｃ 件表面形成 Ｖ ，Ｎ Ｃ ｒＣ等 ，其中 Ｖ ｂ ｒ来 自盐浴中 Ｃ ｂ ，Ｃ — ，Ｎ ，ｃ 所 添 加 的 金属 含 金 或 氧 化 物 粉 末 ，而 碳 化 物 中的 Ｃ 则来 自基
金属材料表面强化技术应用现状与展望
世界有色金属 2020年 8月上130前沿技术L eading-edge technology金属材料表面强化技术应用现状与展望江佩泽（福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 ３５００００）摘 要：不论生产何种产品，其首要任务就是选取合格的材料，而不合格的材料通常表现为有腐蚀、破损或断裂。
而这些问题一般发生在材料的表面，想要提升金属的硬度、强度、耐磨性以及耐腐蚀性等，针对金属材料的表层实施强化和改性是必不可少的。
关键词：金属材料；表面强化；应用现状；展望中图分类号：ＴＧ１７４．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２０）１５－０１３０－２Application status and prospect of metal material surface strengthening technologyJIANG Pei-ze（Ｆｕｊｉａｎ ｂｏｉｌｅｒ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５００００，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｎｏ ｍａｔｔｅｒ ｗｈａｔ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｒｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ， ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｔａｓｋ ｉｓ ｔｏ ｓｅｌｅｃｔ ｑｕａｌｉｆｉｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ａｎｄ ｕｎｑｕａｌｉｆｉｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｓｕａｌｌｙ ｓｈｏｗ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ， ｂｒｅａｋａｇｅ ｏｒ ｆｒａｃｔｕｒｅ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｏｃｃｕｒ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ， ｓｔｒｅｎｇｔｈ， ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｍｅｔａｌｓ， ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ａｎｄ ｍｏｄｉｆｙ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Keywords: ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ； Ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ； Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｔｕｓ； Ｏｕｔｌｏｏｋ收稿日期：２０２０－０７作者简介：江佩泽，男，生于１９９２年，汉族，福建南平人，本科，助理工程师，研究方向：金属材料。
金属材料表面强化处理技术研究
金属材料表面强化处理技术研究随着科技的不断进步，人们对材料的性能要求越来越高，因此金属材料表面强化技术应运而生。
其目的是通过加强材料表面硬度以及结晶度，提高金属材料的耐腐蚀性、抗疲劳性、耐磨性以及耐氧化性等性能指标。
在实际生产中，金属材料表面强化技术广泛应用于航空航天、汽车制造、工程机械以及船舶等领域。
本文将深入探讨金属材料表面强化技术的研究现状以及未来趋势。
一、表面强化处理技术的研究现状1.1 涂层技术涂层技术是一种将高硬度的涂层涂覆在金属材料表面的技术。
这种技术的目的是提高金属材料的耐磨性、耐氧化性以及抗腐蚀性等性能指标。
当前应用比较广泛的涂层技术为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。
PVD涂层技术涂层质量相对稳定，其厚度均匀性好，且氧化膜较少。
CVD技术具有涂层厚度大、涂层成分均匀和表面质量好等优点。
1.2 表面机械处理技术表面机械处理技术通过对金属材料表面进行拉伸、压缩、剪切、滚压等机械作用，来改善金属材料表面的力学性能。
常规的表面机械处理技术主要包括喷丸、冷弯、压花和滚制等。
喷丸技术以其高效、简便和成本低等优点得到广泛的应用。
冷弯、压花和滚制技术的应用范围比较窄，但在某些领域中应用也非常广泛。
1.3 表面化学处理技术表面化学处理技术通常是通过溶液对金属材料表面进行处理，这种处理方式能够增加金属材料表面的粗糙度，并形成一定的氧化膜层。
该膜层不仅能提高钢铁材料的耐蚀性，还能改善钢铁材料的表面质量、电气性能和降低表面的摩擦系数。
当前应用比较广泛的表面化学处理技术为酸洗、碱洗，以及电化学抛光等。
二、表面强化处理技术的未来趋势随着科技的不断发展，金属材料表面强化处理技术也在不断的演变和更新。
未来的表面强化处理技术将集结多种工艺手段，如物理结构调控、多元复合技术、等离子弧等，以期实现表面强化的可持续性和再生性，并提高其处理技术的抗腐蚀性、耐磨性和机械性能能力。
2.1 多元复合技术目前，多元复合磨料研磨技术是针对高硬度材料表面加工最为有效的处理手段之一。
材料表面改性技术的现状与应用分析
材料表面改性技术的现状与应用分析材料表面改性技术，是指通过修饰材料的表面，改变其表面性质，以提高材料的物理、化学、生物等性能。
这种技术已经广泛应用于各个领域，例如材料科学、化学、医学、生物学等。
本文将对材料表面改性技术的现状与应用进行分析。
一、材料表面改性技术的分类一般来说，可以将材料表面改性技术分为化学改性技术和物理改性技术两类。
化学改性技术是指在材料表面通过化学反应形成新的化学键，使材料的表面性质得到改变。
这种技术的优点是改性效果较为显著，但缺点也不小，例如需要使用的溶剂可能对环境造成污染，而且方法较为复杂，需要较长时间。
物理改性技术则是指改变材料表面的物理形态，例如在材料表面形成等离子体，利用磁控溅射等方法进行改性。
这种技术的优点在于操作相对简单，可进行大规模生产，但缺点在于改性效果可能不太明显。
二、材料表面改性技术的应用领域材料表面改性技术在各个领域都有应用，下面将以几个典型的应用领域为例进行介绍。
1、医药领域在医药领域，材料表面改性技术已经广泛应用。
例如利用化学改性技术，可以在药物的表面修饰上适当的官能团，从而改变药物的性质，增加药效，减少副作用。
而在硅胶、铝酸盐等材料表面上修饰有机官能团，可以提高材料的亲水性，从而使药物更容易被人体吸收。
2、光电器件制造在制造光电器件时，材料的表面物理性质通常是关键因素之一。
例如在铜铟镓硒太阳能电池的制造中，将TEL(CH3CN)4的气体流通过表面电化学反硝化方法用于对铜铟镓硒电池的前层进行原子层表面精细修饰，改变其表面性质，从而提高太阳电池的转换效率。
3、生物医学领域材料表面改性技术已经广泛应用于生物医学领域。
例如可以通过表面改性技术来改变生物材料的亲水性和疏水性，使其更适合生物医学用途。
另外，还可以将生物材料表面修饰上生物活性物质，例如单链抗体、多肽等，从而实现生物特定的目的。
三、结语总之，材料表面改性技术是一种十分实用的技术，已经广泛应用于各个领域。
金属材料表面强化处理技术的研究
金属材料表面强化处理技术的研究随着科学技术的不断进步，越来越多的材料正在被应用于各个领域。
其中，金属材料是最常见的一类材料，而金属材料表面强化处理技术则是近年来广泛研究的热点之一。
本文将介绍金属材料表面强化处理技术的研究现状和未来发展趋势。
1. 金属材料表面强化处理技术的概述金属材料表面强化处理技术是指通过各种方法对金属表面进行改性，以提高金属材料的性能。
常见的处理方法包括电化学处理、化学处理、机械加工、喷涂等。
这些处理方法通过改变金属表面的物理、化学性质，从而改变金属表面的表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性等性能，提高金属材料的使用寿命和性能。
因此，金属材料表面强化处理技术在航空、汽车、机械、核工业等领域中得到了广泛应用。
2. 电化学处理电化学处理是利用电化学法使金属表面发生化学反应，从而改变表面的性质。
常见的电化学处理方法包括电化学沉积、阳极氧化、阳极阳极氧化等。
电化学沉积是通过浸泡金属材料于电解液中，施加电势使金属离子在电极面上得到还原而得到金属沉积物，增强金属表面的耐磨性、耐腐蚀性等性能。
阳极氧化是指将金属材料放置于强酸或强碱中的阳极，并通入恒定电压，使得材料表面发生电化学反应，得到硬质氧化膜，从而制备出高硬度、耐磨性的金属材料表面。
3. 化学处理化学处理是指利用化学物质的反应作用改变金属材料表面性质的一种处理方法。
常用的化学处理方式包括化学沉积、沉淀法、电化学氧化等。
化学沉积是将金属材料置于化学液中，用化学方法沉积出在金属表面形成一层新的物质，使其表面性能发生改变。
沉淀法是通过将金属表面浸渍在某些化学液体中，在介质中形成一层基体物质与沉淀物质的复合层，从而增强材料的硬度、韧性、抗腐蚀性等性能。
电化学氧化是一种在电解质溶液中利用电流将金属材料表面氧化而形成氧化膜的方法，可增强金属材料的耐腐蚀性和机械性能。
4. 机械加工机械加工是指通过磨削、轧制、喷砂等方式对金属材料表面进行加工，改变金属表面原有的形态和结构，从而提高材料表面的性能。
表面形貌的研究现状及发展趋势
表面形貌是指零件表面的粗糙度、波度、形状误 差及纹理等不规则的微观几何形状 [ 1]。表面形貌对零 件的功能有很大的 影响, 尤其 是对 摩擦表 面的 磨损、 润滑状态、摩擦、振动、噪声、疲劳、密封、配合性 质、涂层质量、抗腐蚀性、导电性、导热性和反射性 能的影响更为显 著 [ 2, 3] , 因此 对表面 形貌特 征识 别和 评定的研究越来越为工程技术界所重视, 也一直是摩 擦学、表面学等领 域研究 的重要 课题 之一 [ 4, 5]。 正确 地规定和控制表面形貌, 其作用往往不亚于采用一种 新材料和新结构, 有着重大的经济价值。国内外对此 已有较深入的研究, 并取得了一定成果。本文作者主 要从测量仪器、表征方法两方面介绍了国内外对表面 形貌研究进展。 1 测量仪器研究进展
陈国安等针对工程表面轮廓截面曲线利用分形维数d研究了磨合表面形貌的变化过程指出表面轮廓分形维数虽然能有效地反映表面粗糙度并在一定程度上克服了传统粗糙度参数尺度相关的不足但是仅用一个无法唯一确定一个表面往往结构完全不同的表面具有相近甚至相同的轮廓分形维数因此提出了一个称为特征粗糙度的新参数
2006年 2月 第 2期 (总 第 174期 )
类控制。这时期所采用的符号只给出某些定性的加工
要求, 其检测过程只是单纯依靠人的视觉和触觉来进 行, 最早的 表面 形貌 测 量方 法是 直 观的 手工 测 量方 法 [ 6] 。直到 20世纪 20 年代, 第一台表面形 貌测量仪 器 才诞生, 即 1929年 G S chma lz根据光学放大原理研 制的表面接 触式 轮廓记 录仪 [ 7], 垂 直放大 率 200 倍。 1936年 E J A lbott 研 制 了 第 一 台 车 间 用 表 面 轮 廓 仪 [ 8] , 垂直放大 率 5万 倍, 并能 测得评 定参数 大小。 1942年 R E R eason成功研制了系列 T alysu rf触针式表 面轮廓仪 [ 9] , 这在粗 糙度测 量史 上具有 重要的 意义。 20 世纪 50 年代, 由 于光 学 技 术被 引 入 表 面形 貌 测 量, 从而实现了 非接 触测量。 如 1958 年苏 联研 制的 MNN-4 型干涉显微镜 [ 10]。大 部分 非接 触 式光 学形 貌 仪 是在 20世 纪 8 0年 代 后才 研制 和 开发 出来 的, 如 M J Downs研制了双 焦轮廓仪 [ 11]。清华大 学研制的外 差干涉仪 [ 12] , 是以半导体激光器为光源, 同时采用了 光盘中的自动对焦技术, 其纵向和横向 分辨率分别为 01 5 nm 和 0173 nm, 测量范围达 ? 25 Lm。由于计算能 力、速度和图象分析及数字处 理技术的不断 提高, 极 大推动了三维表面形貌测量仪的研制, 如 G Binn ing和 H R ohrer研制了扫描隧道显微镜 ( STM ) [ 13] 和原子力显
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摘要：表面强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。
常用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺，其强化效果显著，成本低廉。
笔者主要概括了表面强化技术的分类、目的和作用，分析了形变强化方法的特点以及目前表面强化主要研究方法的现状和发展趋势。
关键词：表面形变; 强化技术 ;滚压;内挤压 ;喷丸引言材料表面处理技术简称材料表面技术，是材料科学的一个重要分支，是在不改变基体材料的成分和性能 ( 或虽有改变而不影响其使用 ) 的条件下，通过某些物理手段 ( 包括机械手段 ) 或化学手段来赋予材料表面特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。
材料表面技术在工业中的应用，大幅度提高了产品 ( 尤其是金属零件 ) 的性能、质量和寿命，并产生了巨大的经济效益，因而深受各国政府和科技界的重视。
1表面形变强化原理通过机械手段 ( 滚压、内挤压和喷丸等 ) 在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层 ( 此形变硬化层的深度可达 0.5 ～ 1.5mm) ，从而使表面层硬度、强度提高。
2表面形变强化工艺分类表面形变强化主要有喷( 抛 ) 丸、滚压和孔挤压等三种工艺。
2.1 喷丸强化工艺喷丸是国内外广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐蚀点 ( 孔蚀 ) 能力，它具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方法。
2.1.1喷丸强化的发展状况1908 年 , 美国制造出激冷钢丸, 金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速发展, 而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。
1929 年 , 在美国由 Zimmerli 等人首先将喷丸强化技术应用于弹簧的表面强化 , 取得了良好的效果 [1] 。
20 世纪 40 年代，人们就发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层，可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。
到了 20 纪 60 年代，该工艺逐步应用于机械零件的强化处理上。
20 世纪 70 年代以来，该工艺已广泛应用于汽车工业，并获得了较大的经济技术效益，如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮均采用了喷丸强化工艺，大幅度提高了抗疲劳强度。
世进入 20 世纪 80 年代后，喷丸处理技术在大多数工业部门，工、石油开发及塑料模具、工程机械、农业部门等推广应用，到了一步扩大，如电镀前进行喷丸处理可防止镀层裂纹的发生[2] 。
如飞机制造、铁道机车车辆、化20 世纪 90 年代其应用范围进最近几年，随着工业技术的迅猛发展和需求，人们对这一操作简单，效果显著的表面处理技术给予了极大的关注，开发了多种新工艺，下面将介绍包括机械喷丸在内的多种新喷丸工艺的原理和特点逐一介绍。
2.1.2喷丸强化工艺的工作原理喷丸处理是一种严格控制的冷加工表面强化处理工艺，击金属工件表面，使之产生屈服，形成残余压缩应力层。
其工作原理是：利用球形弹丸高速撞形成压缩应力层的目的是预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳破坏裂纹部位的抗应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。
2.1.2.1机械喷丸大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件表面喷射，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格扭曲和高密度错位，足够长的时间后，以冷加工的形式使工件表面金属材料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸表面结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此在工件表面和近表面形成残余的压应力，从而显著地提高了材料的物理和化学性能。
传统的喷丸强化因其具有提高金属零构件抗疲劳断裂能力而得到广泛应用，但也存在不少问题而影响其发展广度和深度：(1) 受零构件的凹槽部位和丸粒不能有效撞击难以达到部位的限制，产生喷丸死角，造成喷丸强度不足;(2)受喷丸强化表面粗糙度的限制;(3)受环境污染的限制。
因此，为满足更高的要求，人们有提出了各种不同的新工艺以满足要求。
2.1.2.2激光喷丸激光喷丸强化是一项新技术。
20 世纪70 年代初，美国贝尔实验室就开始研究高密度激光束诱导的冲击波来改善材料的疲劳强度。
激光喷丸的机理是：短脉冲的强激光透过透明的约束层( 水帘 ) 作用于覆盖在金属板材表面的吸收层上，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波，由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈服强度极限时，板料表面发生了塑性变形，同时由于表面的塑性变形使表层下发生的弹性变形难以恢复，因此在表层产生残余压应力。
与传统的机械喷丸强化相比，激光喷丸强化具有以下鲜明的特点和优势：(1) 光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸，而传统机械喷丸受到弹丸直径等因素的限制则无法进行;(2)激光脉冲参数和作用区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累计的形式多次喷丸，因而残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控;(3)激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸的残余应力大，其深度比机械喷丸形成的要深;(4)激光喷丸使得零件表面塑性变形形成的冲击坑深度仅为几个 ;(5) 适用范围广、对炭钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金及镍基高温合金等材料均适用 [3] 。
2.1.2.3高压水射流喷丸强化工艺高压水射流喷丸强化工艺是近30 年来迅猛发展起来的一项新技术，在20 世纪 80 年代末，Zafred首先提出了利用高压水射流进行金属表面喷丸强化的思想。
高压水射流喷丸强化机理：就是将携带巨大能量的高压水射流以某种特定的方式高速喷射到金属零构件表面上，使零构件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变( 冷作硬化层) ，呈现理想的组织结构 ( 组织强化 ) 和残余应力分布( 应力强化 ) ，从而达到提高零构件周期疲劳强度的目的。
与传统喷丸强化工艺相比，高压水射流喷丸强化技术具有以下特点：(1) 容易对存在狭窄部位、深凹槽部位的零件表面及微小零件表面等进行强化;(2)受喷表面粗糙度值增加很小，减少了应力集中，提高了强化效果 ;(3) 无固体弹丸废弃物，符合绿色材料选择原则，不因弹丸破损而降低表面可靠性 ;(4) 低噪声、无尘、无毒、无味、安全、卫生有利于环境保护和操作者的健康。
高压水射流喷丸强化技术先进、优势明显，具有广阔的应用前景[4] 。
2.1.2.4微粒冲击最近日本研究者提出了一种微粒冲击技术，这种方法可大大简化因为想同时提高金属零部件表面硬度、耐疲劳强度、耐磨性能并且降低表面粗糙度，而先后进行喷丸强化、表面研磨和抛光处理的做法。
与传统喷丸强化相比，微粒冲击方法采用的弹丸直径小，冲击速度快，硬度提高，处理后工件表面硬度增加的幅度大，表面的粗糙度小，而且通过残余应力分析，微粒冲击样品的最大残余应力则在表面以下100 处，其存在深度大于微粒冲击，因此与喷丸相比，微粒冲击工件的表层硬度与普通喷丸处理的工件表面硬度相当，但微粒冲击明显降低了工件表面粗糙度，可使得耐磨特性得到了显著的提高，因此可延长被加工工件的使用寿命。
2.1.2.5超声/高能喷丸中国科学院沈阳金属研究所对传统喷丸技术进行了改经，开发了喷丸( 高频 )和高能喷丸( 低频) 技术，实现了多种金属材料的表面纳米化，依对304 不锈钢的研究表明，随着高能喷丸处理时间的增加，金属中马氏体的含量增加，到一定时间后达到饱和，金属材料表面纳米化可显著提高材料的表面硬度，还可以明显降低氮化温度、缩短氮化时间[5] 。
2.1.3喷丸强化发展趋势伴随这现代工业的快速发展, 对机械产品零件表面的性能要求越来越高, 改善材料表面性能, 延长零件使用寿命, 节约资源 , 提高生产力 , 减少环境污染已成为表面工程技术新的挑战。
作为表面工程技术分支的表面喷丸强化技术面对这些机遇和挑战, 将在加强理论研究的基础上发展新技术、新方法、新工艺、新设备和设备控制技术。
其主要研究方向[6] 是 : 理论研究 , 也就是研究各种单一喷丸和复合喷丸的强化机理、喷丸提高零构件疲劳和接触疲劳强度的机制、喷丸过程力的作用形式及对表面( 变形层厚度、粗糙度等 ) 的影响、喷丸参数( 弹丸材质、硬度、直径等) 对喷丸强度的影响、喷丸使残余奥氏体转变为马氏体后材料的稳定性及耐磨性等; 研究喷丸工艺和其他强化工艺方法的有机结合; 加大开发新型、高效、低耗的喷丸设备和弹丸属性对喷丸强化效果的影响; 着力解决传统喷丸强化工艺由于喷表面粗糙度、绿色喷丸等方面存在的问题。
2.2 滚压强化工艺滚压强化工艺是一种无切削加工工艺，表面滚压可以显著地提高零件的疲劳强度，并且降低缺口敏感性。
2.2.1滚压强化原理利用特制的滚压工具 , 对零件表面施加一定压力 , 使零件表面层的金属发生塑性变形 , 从而提高表面粗糙度和硬度 , 这种方法叫做滚压 , 又称无屑加工。
表面滚压特别适用于形状简单的大零件，尤其是尺寸突然变化的结构应力集中处，如火车轴的轴径等，表面滚压处理后，其疲劳寿命都有了显著提高。
滚轮滚压加工可加工圆柱形或锥形的外表面和内表面曲线旋转体的外表面、平面、端面、凹槽、台阶轴的过渡圆角。
滚压用的滚轮数目有1、2、3。
单一滚轮滚压只能用于具有足够的工件; 若刚度工件较小，则需用 2 个或者 3 个滚轮在相对的方向上同时进行滚压，以免工件弯曲变形，如图 (a) 、 (b) 所示 [7] 。
2.2.2滚压强化的发展趋势定量定性。
为获得特定的材料表面晶粒度、变形层厚度，应采用多大的滚压力、及滚压次数，目前没有这方面有指导意义的详细的试验数据或公式。
滚压速度以形式的多样性。
目前的滚压技术一般只适用于回转体类和平面类零件，使得能适应零件形式的多样性，提高其使用范围。
所以应完善滚压技术力,大塑性变形。
一般传统的滚压技术很难实现大变形，达 3000N 甚至更高 , 也未能消除车削留下的刀痕。
即使施加了比正常情况下高出几倍的压高强度。
目前国内企业采用曲轴滚压工艺强化技术较低，一般只能提高强度需要大幅度提高强度时，还需有更好滚压强化工艺 [11] 。
30%～ 50%，当2.2.3滚压强化的发展状况滚压强化技术是1929 年由德国人提出的，1933 年在美国铁路上开始应用滚压方法，1938 年前苏联应用于机车车轴轴颈。
1950 年美国、前苏联在军用、民用飞机上大量应用孔挤压技术，如提高干涉配合铆接、干涉配合螺接;1970 年国内航空部门开始将冷挤压工艺应用到飞机制造及维修中 [8] 。
目前主要的滚压加工工具有硬质合金滚轮式滚压工具、滚柱式滚压工具、硬质合金 YZ 型深孔滚压工具、圆锥滚柱深孔滚压工具、滚珠式滚压工具，通过滚压可以提高表面粗糙度 2～ 4 级，耐磨性比磨削后提高 1.5 ～ 3 倍，可以修正和提高形状误差和表面粗糙度，而且滚压过程操作方便，效率高、净洁无污染，其具有应用范围宽，滚压后的零件使用寿命长等特点，适用于对粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面。