材料表面工程教案

材料表面工程教案

李远睿编写

重庆大学材料科学与工程学院

2005年4月

前言Foreword

金属材料表面工程学科是涉及范围较广的学科。总的目的是：在保证材料整体强度水平不降低的基础上设法应用不同的现代技术手段赋予材料表面各种所需要的性能。本课程在介绍了金属表面的有关基础知识后，结合国内外最新的资料和信息及老师的科研实践，分别讲解：表面准备、表面冷塑性变性强化、表面覆层强化，高能量密度表面强化与改性、表面淬火强化，化学热处理表面强化及表面特殊涂覆处理和表面复合处理技术等内容。由于在热处理工艺学中学习了表面淬火强化和化学热处理等方面的内容，则在本课程中不再详细讨论了。

一综述：

1．金属材料表面工程学的地位。

金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械,设备和工程构件的主要材料。国内机械行业曾对114 个大型企业耗用材料的统计资料表明：钢铁材料占93.13%；有色金属占1.85%；非金属材料占5.2%。目前存在的主要问题是：材料消耗多、利用率低、质量欠稳定、制成的零部件或工程结构失效较早等。

2．机械零件失效的主要形式：

a 塑性变形。原因是材料强度不足或过载使用；

b 断裂。有韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂三种类型；

c 磨损。按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损四类，各类磨损又可以细分为更具体的一些形式。

d 腐蚀。在环境及周围介质作用下，对金属材料及零件的腐蚀。

在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占80%以上。由现代理化手段分析后证实：失效通常是从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。故研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。

二表面强化技术的分类及概况。

1．分类。通常按表面强化技术的性质分类，可以分为：

a化学热处理表面强化；b表面淬火强化；c表面覆层（化成处理覆层、覆衬、CVP、PVD薄膜和热浸渗）强化及装饰；d表面冷塑性变形强化；e表面复合强化；f表面高能量密度改性与强化。

2．各类表面强化的概况。

a 化学热处理表面强化。即用渗入原子在材料表层内扩散而形成人工内污染层，以改变表层的化学成分为先决条件，再进行不同处理后赋与表面和内部不同的组织，从而具有不同性能的表面强化方法。例如：钢的渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、热浸渗和渗金属等等。

b 表面淬火。不改变材料的化学成分，只是因表层相变而产生的强化方法称为表面淬火。例如：高频、中频和表面感应加热淬火、火焰加热表面淬火、电子束、激光（Laser）束加热表面淬火等。

c 表面冷塑性变形强化。在金属材料的再结晶温度之下，使其表层发生冷塑性变形后达到表层加工硬化，弥补其表面轻微脱碳和细小缺陷并形成表层残余压应力的强化方法称为表面冷塑性变形强化。其显著作用就是提高金属材料及其制品的高周疲劳寿命，且材料本身强度愈高，其表面强化效果愈显著。表面冷塑性变形强化的方法有：表面滚压、内孔挤压和表层喷丸强化。其中，喷丸强化用得最普遍。

d 表面覆层强化及装饰。使金属表面获得特殊的覆盖层，以提高其耐磨、耐蚀、抗疲劳及装饰等目的工艺方法都称为表面覆层强化及装饰。它分为：表面镀膜，化成处理和表面覆衬。表面镀膜主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和分子外延技术等；化成处理主要有：化学镀、电镀、发蓝、发黑、磷化和铝的阳极氧化等；表面覆层主要为热喷涂、热堆焊覆层（衬）和用玻璃和地沥清等覆衬于其表面，以达到耐热、耐蚀、防滑、修复尺寸和防腐等目的。

e高能量密度表面强化。以极高密度的能量作用于金属表面使其发生物理、化学变化，达到强化或表面改性的目的称为高能量密度表面强化。特点是：方法简单、时间短、变形小、高效率等，但设备复杂，造价高。采用：电子束、激光束、太阳能和高频冲击表面感应加热等。能量密度：以电子束和激光束提供的能量密度最高，可达到：

108~109W/cm2。火焰和高频加热的能量密度为102~103W/cm2。Laser被美国和过俄罗斯首先用于工业处理上,我国上海光机所于90年代曾用于齿轮的齿面淬火。

f 表面复合处理。将两种或两种以上的表面处理(或强化)工艺用于同一工件的表面强化的方法称为表面复合处理。目的：发挥各自的优点,更大限度地提高金属的表面性能。例如：热浸镀铝+热扩散,使镀层结合牢固;渗碳热处理+喷丸;感应加热淬火+喷丸等。

三表面工程与技术的发展方向

1．特点。使金属材料基体强度不变的前题条件下，设法使其表面具有各种优异的特殊性能。例如：高硬度、高耐磨性、耐蚀、抗疲劳（接触、高周、腐蚀疲劳等）特殊的物理和化学性能（反光、吸收电磁波、发光、电导、电绝缘性能和生物相容性涂层等）。此外，还有装饰作用。

2．发展。以化学热处理为例，采用微机配以先进的传感元件进行碳、氮势控制；运用可控气氛实现少无氧化加热等。以表面许需要的特有性能为例：船甲板的防滑处理等；以特殊的物理性能为例，发光涂层，吸收电磁波的涂层生物容性涂层等。

3．教育部曾以征求意见的形式下达文件，建议将《表面强化处理和热处理》作为培养材料学科的硕士研究生的八大专业课题之一。自1992年以后，国际上将材料热处理大会改为材料及表面工程大会。

四涉及学科：

在学完材料科学基础、热处理原理及工艺、工程材料、大学物理、化学和物理化学等课程之后，学习表面工程与技术。

思考题1

1．机械零件、工模具和工程构件失效的主要形式有哪些？研究并开发表面工程与技术有何意义？

有塑性变形，断裂、磨损和腐蚀四种失效形式。后三种占80%以上，现代理化手段分析表明，后三种失效均是从金属材料的表面开始的。因此，提高其表面质量，研究表面处理方法等有重大的意义。

2．金属材料表面处理有哪六类基本的方法？各自的主要特点是什么？

有化学热处理表面强化，表面冷塑性变形强化，表面覆层，表面淬火强化，高能量密度表面强化与改性和表面复合强化等6种。各自的特点是：（略）。

CHAPTER ONE 金属的表面（THE SURFACE OF METALS）