材料表面工程第三章精选文档.ppt

材料表面工程第三章本讲稿第一页，共五十五页 3-1 疲劳载荷下的表面强度疲劳载荷下的表面强度 3-1-1 疲劳裂纹萌生于表面疲劳裂纹萌生于表面 在载荷的反复作用下，任何材料都会产生疲劳问题。据统计约有5090的机械结构的破坏是属于疲劳破坏。引起疲劳破坏的原因很多，但表面的影响是最大的，几乎所有的疲劳开裂都自表面(或表面层)开始。本讲稿第二页，共五十五页疲劳破坏主要包括裂纹的萌生和发展两个阶段。从原始表面到产生0.076mm长裂纹的过程即为裂纹的萌生。疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的机件表面上形成。机件表面上机械加工的切削纹、表面擦伤、结构上的内圆角及亚表面的夹杂物等应力集中处，均易于造成局部高应力，是疲劳裂纹萌生的首发地区。本讲稿第三页，共五十五页 疲劳裂纹萌生的三种主要形式：疲劳裂纹萌生的三种主要形式：1 1滑移带开裂滑移带开裂 在循环应力的作用下，塑性应变的滑移局限在循环应力的作用下，塑性应变的滑移局限于某些晶粒内，首先在试样表面形成，然后于某些晶粒内，首先在试样表面形成，然后逐渐向内部扩展，形成逐渐向内部扩展，形成“驻留滑移带驻留滑移带”。表面驻留滑移带形成后，由于不可逆的反复表面驻留滑移带形成后，由于不可逆的反复变形，便在表面形成变形，便在表面形成“挤出带挤出带”和和“侵入沟侵入沟”(右右图图)，其中的侵入沟将发展为疲劳裂纹。，其中的侵入沟将发展为疲劳裂纹。本讲稿第四页，共五十五页2晶界开裂晶界开裂滑移带到达晶界时，在晶界上受阻。滑移带到达晶界时，在晶界上受阻。随着滑移的继续进行，位错在晶界随着滑移的继续进行，位错在晶界旁塞积。当位错塞积造成的应力达旁塞积。当位错塞积造成的应力达到材料的强度极限时，在晶界处会到材料的强度极限时，在晶界处会产生开裂形成微裂纹。产生开裂形成微裂纹。材料的晶粒尺寸愈大，晶界上的应变量愈大，位错塞积愈严重，所产生材料的晶粒尺寸愈大，晶界上的应变量愈大，位错塞积愈严重，所产生的应力就愈高，裂纹就愈易形成。的应力就愈高，裂纹就愈易形成。因此，以晶粒细化来防止晶界的开裂和推迟裂纹的萌生是很有效的。因此，以晶粒细化来防止晶界的开裂和推迟裂纹的萌生是很有效的。本讲稿第五页，共五十五页3夹杂物界面的开裂夹杂物界面的开裂 材材料料中中的的夹夹杂杂物物一一般般是是不不可可避避免免的的，有有时时还还起起着着弥弥散散强强化化的的作作用用。但但是是处处在在表表面面或或次次表表面面的的夹夹杂杂物物如如果果尺尺寸寸较较大大，也也可可以以引引起起疲疲劳劳裂裂纹纹的的萌生。萌生。其原因有其原因有:(1)(1)夹杂在应力作用下发生断裂，形成微裂纹；夹杂在应力作用下发生断裂，形成微裂纹；(2)(2)杂质和基体的界面结合一般不理想，杂质堆积的杂质和基体的界面结合一般不理想，杂质堆积的 结果引起界面处的开裂。结果引起界面处的开裂。本讲稿第六页，共五十五页3-1-2 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素 1表面的机械处理表面的机械处理 喷喷丸丸、冷冷滚滚压压等等机机械械处处理理，在在服服役役的的表表面面形形成成有有残残余余压压应应力力的的薄薄层层，对对提提高疲劳抗力是行之有效的表面强化方法。高疲劳抗力是行之有效的表面强化方法。表表层层压压应应力力的的存存在在，降降低低了了外外加加交交变变应应力力中中容容易易造造成成损损伤伤的的拉拉应应力力分分量量，从从而而可大幅度提高疲劳裂纹的萌生寿命。可大幅度提高疲劳裂纹的萌生寿命。本讲稿第七页，共五十五页2表面的腐蚀表面的腐蚀腐腐蚀蚀作作用用使使金金属属表表面面变变为为粗粗糙糙，形形成成腐腐蚀蚀坑坑等等应应力力集集中中点点，在在交交变变应应力力的的作作用用下下，裂纹萌生的寿命很短，使疲劳强度大大降低。裂纹萌生的寿命很短，使疲劳强度大大降低。一一般般说说来来，在在较较强强的的腐腐蚀蚀环环境境下下，材材料料对对于于腐腐蚀蚀疲疲劳劳的的基基本本抗抗力力主主要要取取决决于于材料对腐蚀的抗力，即增加材料对腐蚀的抗力比增加其疲劳强度更为重要。材料对腐蚀的抗力，即增加材料对腐蚀的抗力比增加其疲劳强度更为重要。残余压应力可以减慢侵蚀介质向物体内的浸透，减慢腐蚀损伤即疲劳裂纹源残余压应力可以减慢侵蚀介质向物体内的浸透，减慢腐蚀损伤即疲劳裂纹源的形成和发展。采用金属和非金属涂层保护层，并在表面上制造合适的压应的形成和发展。采用金属和非金属涂层保护层，并在表面上制造合适的压应力，对于抑制腐蚀损伤具有重大的意义。力，对于抑制腐蚀损伤具有重大的意义。本讲稿第八页，共五十五页3 3其它表面处理方法其它表面处理方法表表面面处处理理的的方方法法是是多多种种多多样样的的，各各种种处处理理方方法法对对疲疲劳劳强强度度的的影影响响还还有有待待于于人人们们进进一步的研究。一步的研究。任任何何一一种种处处理理都都会会影影响响到到表表面面对对疲疲劳劳的的抗抗力力，但但是是究究竟竟是是增增加加还还是是减减少少，增增加加或或减减少少的的程程度度如如何何，比比较较复复杂杂。因因为为即即使使对对于于同同一一种种处处理理方方法法，例例如如电电镀镀，镀层的种类可达上百种，各种镀层特性不可能相同，因而会得出不同的结果。镀层的种类可达上百种，各种镀层特性不可能相同，因而会得出不同的结果。本讲稿第九页，共五十五页3-2 3-2 表面膜层的应力表面膜层的应力以覆膜的方法对材料进行表面强化，在表面工程中占有很大的比重。以覆膜的方法对材料进行表面强化，在表面工程中占有很大的比重。一般情况下膜层与基体材料的成分和结构是不一样的，因此难免在一般情况下膜层与基体材料的成分和结构是不一样的，因此难免在界面上产生应力，应力的存在将对膜层的强度产生重大的影响。界面上产生应力，应力的存在将对膜层的强度产生重大的影响。几几乎乎所所有有薄薄膜膜都都存存在在着着巨巨大大的的应应力力，它它对对薄薄膜膜的的性性能能，特特别别是是结结合合力力产产生生很很大的威胁。大的威胁。本讲稿第十页，共五十五页薄膜应力通常分为张应力和压应力，习惯上把张应力取正号，薄膜应力通常分为张应力和压应力，习惯上把张应力取正号，压应力取负号。压应力取负号。在张应力作用下，薄膜本身有收缩趋势，如果膜层的张应在张应力作用下，薄膜本身有收缩趋势，如果膜层的张应力超过薄膜的弹性限度，薄膜就会破裂，破裂时离开基板力超过薄膜的弹性限度，薄膜就会破裂，破裂时离开基板而翘起。而翘起。在压应力作用下，薄膜有向表面扩张的趋势，在极限情况在压应力作用下，薄膜有向表面扩张的趋势，在极限情况下，压应力使薄膜向基板内侧卷曲。下，压应力使薄膜向基板内侧卷曲。本讲稿第十一页，共五十五页3-2-1 薄膜应力的起因薄膜应力的起因 薄膜应力是由表面张力薄膜应力是由表面张力 S、热应力、热应力 T和内应力和内应力 I 三部分组成的。三部分组成的。表表面面张张力力也也是是一一种种应应力力，如如果果膜膜层层上上表表面面的的表表面面张张力力为为 1，膜膜层层与与基基板板表表面面的的张张力力为为 2，薄膜厚度为薄膜厚度为d，则由此产生的表面张力则由此产生的表面张力:S=(1+2)d 热应力是由于膜层与基板之间的热膨胀系数不同而引起的，可表示为热应力是由于膜层与基板之间的热膨胀系数不同而引起的，可表示为:TS 和和TM分分别别为为沉沉积积和和测测量量时时的的基基板板温温度度；f和和 s分分别别为为薄薄膜膜和和基基板板的的热热膨膨胀胀系系数数；Ef为薄膜的杨氏模量。为薄膜的杨氏模量。本讲稿第十二页，共五十五页如果如果E Ef f，f f和和 s s不随温度而变化，则上式改写成不随温度而变化，则上式改写成 T T=(=(f f s s)E)Ef f T T 式中式中 T=TS TM。金属的热膨胀系数范围为金属的热膨胀系数范围为(1020)10 6，玻璃的热膨胀系数约为，玻璃的热膨胀系数约为8 10 6，若以玻璃为基体，若以玻璃为基体，f s 0；在室温下测定高温时沉积于；在室温下测定高温时沉积于玻璃上的金属膜，玻璃上的金属膜，T0，因此，因此 T 0，即金属膜的热应力是张应力。，即金属膜的热应力是张应力。反之，碱金属卤化物的热膨胀系数约为反之，碱金属卤化物的热膨胀系数约为(3040)10 6，金属沉积，金属沉积在碱金属卤化物基板上时，在碱金属卤化物基板上时，f s 0，当当 T0时，时，T 0，即金属膜，即金属膜的热应力为压应力。的热应力为压应力。本讲稿第十三页，共五十五页通过选择基板材料和沉积温度可以调节热应力的大小和性质。通过选择基板材料和沉积温度可以调节热应力的大小和性质。不过沉积温度的可调范围一般是有限的。不过沉积温度的可调范围一般是有限的。一般是调节膜层和基板材料的热膨胀系数。一般是调节膜层和基板材料的热膨胀系数。本讲稿第十四页，共五十五页内应力又称本征应力，它主要取决于薄膜的微观结构和缺陷等因素。内应力又称本征应力，它主要取决于薄膜的微观结构和缺陷等因素。产生内应力的主要原因包括：产生内应力的主要原因包括：（1 1）沉积时真空室中的残余气体或者溅射时的工作气体进入薄）沉积时真空室中的残余气体或者溅射时的工作气体进入薄 膜，薄膜晶格结构偏离于块状材料；膜，薄膜晶格结构偏离于块状材料；（2 2）薄膜晶格常数与基板晶格常数失配；）薄膜晶格常数与基板晶格常数失配；（3 3）薄膜中的再结晶；宏观微孔和薄膜相变等。）薄膜中的再结晶；宏观微孔和薄膜相变等。本讲稿第十五页，共五十五页3-2-2 3-2-2 沉积工艺对应力的影响沉积工艺对应力的影响(1)(1)基板温度：基板温度既影响热应力，又影响内应力。基板温度：基板温度既影响热应力，又影响内应力。随着基板温度升高，内应力减小，热应力增加。随着基板温度升高，内应力减小，热应力增加。本讲稿第十六页，共五十五页(2)(2)真空度：真空室中残余氧、氮和水气对应力都有影响。真空度：真空室中残余氧、氮和水气对应力都有影响。在沉积在沉积SiO时，随着水气分压升高，其应力从张应力逐渐变时，随着水气分压升高，其应力从张应力逐渐变为压应力。为压应力。在沉积在沉积Al膜时，若真空度低于膜时，若真空度低于10 2 Pa，则，则A1膜由通常的张应膜由通常的张应力变为压应力，其它金属也有类似现象。这是因为气体渗入力变为压应力，其它金属也有类似现象。这是因为气体渗入金属晶格，从而抑制了金属晶格的膨胀。金属晶格，从而抑制了金属晶格的膨胀。本讲稿第十七页，共五十五页(3)沉积速率：沉积速率对应力的影响缺乏规律性。沉积速率：沉积速率对应力的影响缺乏规律性。根据根据Hoffman模型，内应力将随沉积速度增大而增大。模型，内应力将随沉积速度增大而增大。但有些薄膜的内应力却相反变化，即随沉积速率增但有些薄膜的内应力却相反变化，即随沉积速率增大而减小。大而减小。本讲稿第十八页，共五十五页 (4)(4)膜厚：有些薄膜的应力与膜厚的关系是一个膜厚：有些薄膜的应力与膜厚的关系是一个N形。形。本讲稿第十九页，共五十五页(5)(5)热处理：薄膜在空气中烘烤对于消除缺陷、减小应力有着重要的热处理：薄膜在空气中烘烤对于消除缺陷、减小应力有着重要的 作用。作用。在低温退火时，原子主要通过晶格振动交换能量，使位于畸变位置的原在低温退火时，原子主要通过晶格振动交换能量，使位于畸变位置的原子得到恢复；在较高温度下，产生体内和界面扩散，发生再结晶，使晶子得到恢复；在较高温度下，产生体内和界面扩散，发生再结晶，使晶粒增大，晶界减小，应力降低。粒增大，晶界减小，应力降低。(6)(6)时效：随着薄膜吸潮，应力可减小。对时效：随着薄膜吸潮，应力可减小。对MgFMgF2 2单层膜，应力可降低单层膜，应力可降低 5050左右。左右。(7)(7)混合膜和多层膜：用具有压应力和张应力两种材料混合的单层膜混合膜和多层膜：用具有压应力和张应力两种材料混合的单层膜 或由它们组成的多层膜可显著降低薄膜应力。或由它们组成的多层膜可显著降低薄膜应力。本讲稿第二十页，共五十五页3-3 3-3 表面活性介质对力学性能的影响表面活性介质对力学性能的影响 3-3-1 Rebingry3-3-1 Rebingry效应效应 固体的机械性能，诸如强度、塑性、耐磨性等都可能受到与其表面接触的气固体的机械性能，诸如强度、塑性、耐磨性等都可能受到与其表面接触的气体和液体的影响而产生显著变化。在许多情况下，这些环境介质的作用会使体和液体的影响而产生显著变化。在许多情况下，这些环境介质的作用会使固体强度大大降低。固体强度大大降低。因环境介质物理、化学的影响及表面自由能减小而导致固体表面强度降因环境介质物理、化学的影响及表面自由能减小而导致固体表面强度降低的现象，称为低的现象，称为Rebingry效应。效应。任何固体存在这种效应。例如，玻璃和石膏吸附水蒸气后，其强度明显任何固体存在这种效应。例如，玻璃和石膏吸附水蒸气后，其强度明显下降。铜表面覆盖熔融的铋薄膜后，会使铜原来的高塑性丧失，在远比下降。铜表面覆盖熔融的铋薄膜后，会使铜原来的高塑性丧失，在远比空气中拉伸低得多的应力下发生脆性破坏。空气中拉伸低得多的应力下发生脆性破坏。本讲稿第二十一页，共五十五页从热力学的观点来看，固体表面和环境介质的作用可分两类：从热力学的观点来看，固体表面和环境介质的作用可分两类：一类是不可逆的，一类是可逆的。一类是不可逆的，一类是可逆的。腐蚀属于前者，是不可逆的，腐蚀属于前者，是不可逆的，腐蚀会使表面出现腐蚀坑，产生应腐蚀会使表面出现腐蚀坑，产生应力集中，削弱机件的表面强度。力集中，削弱机件的表面强度。Rebingry效应效应属于后者，是可逆的，该效应也可以显著地改变材料属于后者，是可逆的，该效应也可以显著地改变材料表面的机械性能。表面的机械性能。本讲稿第二十二页，共五十五页RebingryRebingry效应最普遍最重要的表现形式有两点：效应最普遍最重要的表现形式有两点：使塑性增加使塑性增加降低屈服极限和硬化指数。降低屈服极限和硬化指数。使脆性增加使脆性增加塑性和强度急剧降低。塑性和强度急剧降低。这种效应一般是分子性质与该固体分子相近这种效应一般是分子性质与该固体分子相近的液体所引起。对于金属来说，与其相近的的液体所引起。对于金属来说，与其相近的金属熔体就可产生此种效应。如黄铜和锌有金属熔体就可产生此种效应。如黄铜和锌有水银时就变脆水银时就变脆(图图3-14)3-14)。熔盐可剧烈降低离子晶体的强度和塑性，熔熔盐可剧烈降低离子晶体的强度和塑性，熔融的碱金属和铝对石墨有显著影响，而有机融的碱金属和铝对石墨有显著影响，而有机固体则对有机液体十分敏感。固体则对有机液体十分敏感。本讲稿第二十三页，共五十五页 Rebingry Rebingry效应具有以下特点：效应具有以下特点：环环境境介介质质的的影影响响有有明明显显的的化化学学特特征征，即即并并非非任任何何液液体体金金属属都都会会改改变变某某一一固固体体的的金金属属性性能能，只只有有一一定定的的对对该该固固体体表表面面具具有有活活性性的的液液体体金金属属才才有有上上述述的的效效果果。如如水水银银可可降降低低锌锌的的强强度度和和塑塑性性，但但对对同同族族元元素素镉镉的的机机械械性性能能无无影影响响，尽管镉与锌的点阵类型也一样。尽管镉与锌的点阵类型也一样。溶溶解解和和腐腐蚀蚀需需要要大大量量的的介介质质，而而Rebingri效效应应只只需需少少量量的的表表面面活活性性物物质质即即可可。在在固固体体金金属属的的表表面面仅仅需需微微米米数数量量级级的的液液体体金金属属薄薄膜膜就就可可导导致致金金属属的的脆脆性性破破坏坏。在在个个别别情情况况下下，试试样样表表面面有有几几滴滴表表面面活活性性的的熔熔融融金金属属润润湿湿，就就可可引引起起低低应应力力脆脆断。断。本讲稿第二十四页，共五十五页 表表面面活活性性熔熔融融物物质质的的作作用用十十分分迅迅速速。例例如如，对对固固体体进进行行切切削削和和磨磨削削加加工，虽然加工速度达几十米每秒，活性物质的影响仍然十分显著。工，虽然加工速度达几十米每秒，活性物质的影响仍然十分显著。影影响响可可逆逆，即即从从固固体体表表面面去去除除活活性性物物质质后后，其其表表面面机机械械性性能能一一般般可可以恢复。以恢复。拉应力和表面活性物质同时存在作用更明显。拉应力和表面活性物质同时存在作用更明显。本讲稿第二十五页，共五十五页3-3-2 3-3-2 影响影响RebingryRebingry效应的因素效应的因素1 1固体和液体金属的本质固体和液体金属的本质 降低固体和环境介质界面的表面自由能对出现降低固体和环境介质界面的表面自由能对出现RebingryRebingry效应有关键的作用。效应有关键的作用。固固体体和和使使表表面面能能强强烈烈降降低低的的介介质质接接触触，引引起起的的后后果果之之一一就就是是急急剧剧改改变变其其表面的机械性能。表面的机械性能。本讲稿第二十六页，共五十五页液体金属在固体中的溶解度越小，则在相应的界面上表面能的降低越强烈。液体金属在固体中的溶解度越小，则在相应的界面上表面能的降低越强烈。与形成共晶体的金属接触时，会使强度降低；而与形成金属间化合物的金属接触时，与形成共晶体的金属接触时，会使强度降低；而与形成金属间化合物的金属接触时，强度则不会降低。强度则不会降低。因此，若熔融物可和固态金属形成共晶体，不形成金属间化合物，且在固因此，若熔融物可和固态金属形成共晶体，不形成金属间化合物，且在固相中溶解度较小相中溶解度较小(不高于百分之几不高于百分之几)，则这样的熔融物可能使固态金属，则这样的熔融物可能使固态金属的强度和塑性强烈下降。的强度和塑性强烈下降。本讲稿第二十七页，共五十五页2温度和变形速度温度和变形速度温度和变形速度对温度和变形速度对RebingryRebingry效应的出现有很大影响。效应的出现有很大影响。3固态金属的结构固态金属的结构 固态金属的结构对存在液体金属时的脆性的发生也有很大的影响。固态金属的结构对存在液体金属时的脆性的发生也有很大的影响。一般来说，原始材料塑性愈差，则在相应的熔融物的影响下愈易由塑性断裂一般来说，原始材料塑性愈差，则在相应的熔融物的影响下愈易由塑性断裂变为脆性断裂。所以像加工硬化、时效、辐照、缺口等一切降低塑性的变为脆性断裂。所以像加工硬化、时效、辐照、缺口等一切降低塑性的因素，往往会促进有熔融金属存在时脆性的发生。因素，往往会促进有熔融金属存在时脆性的发生。本讲稿第二十八页，共五十五页3-3-4 Rebingry效应的利用及防止效应的利用及防止u利用吸附性降低强度的这种特性，为固体的顺利加工提供了广泛的利用吸附性降低强度的这种特性，为固体的顺利加工提供了广泛的 可可能能性性。例例如如降降低低强强度度引引起起脆脆性性可可利利于于精精磨磨。使使材材料料表表面面增增塑塑，会会有有利利于于金金属属压压力力加工，诸如拔长，轧制，模锻，拉丝等等。加工，诸如拔长，轧制，模锻，拉丝等等。u表面活性介质强烈影响磨削过程。用易熔金属做金钢石砂轮的填料表面活性介质强烈影响磨削过程。用易熔金属做金钢石砂轮的填料 可可以以大大大大提提高高加加工工金金属属陶陶瓷瓷、硬硬质质合合金金和和特特殊殊钢钢的的速速度度，也也使使砂砂轮轮的的耐耐磨磨性提高几倍，并显著提高磨削生产率。性提高几倍，并显著提高磨削生产率。u磨削过程能这样获得显著改善，是由于粘结在砂轮内的易熔金属，磨削过程能这样获得显著改善，是由于粘结在砂轮内的易熔金属，在切削时的高温作用下被熔化了，从而促进被加工材料表面断裂。在切削时的高温作用下被熔化了，从而促进被加工材料表面断裂。而且，微量活性金属提高磨削生产率，并不影响被磨零件以后的机而且，微量活性金属提高磨削生产率，并不影响被磨零件以后的机 械寿命。械寿命。本讲稿第二十九页，共五十五页 在大部分情况下，在大部分情况下，RebingryRebingry效应都是有害的效应都是有害的固体金属和金属熔融物接触是生产中最常见的情况。金属钎焊和焊接、固体金属和金属熔融物接触是生产中最常见的情况。金属钎焊和焊接、轴承熔化，用液体金属作润滑剂、原子反应堆、火箭装置、内燃机等轴承熔化，用液体金属作润滑剂、原子反应堆、火箭装置、内燃机等均有这种接触。均有这种接触。要减少其危害，可根据各种具体情况选用敏感性小的材料或低活性的要减少其危害，可根据各种具体情况选用敏感性小的材料或低活性的熔融物，或求出机件运转的极限许用应力。在某些情况下，金属经某熔融物，或求出机件运转的极限许用应力。在某些情况下，金属经某些表面处理，如涂覆结合牢固的氧化物、碳化物和氮化物层等等，可些表面处理，如涂覆结合牢固的氧化物、碳化物和氮化物层等等，可保证固体金属件不被熔融物浸润，从而阻止吸附引起的强度降低。保证固体金属件不被熔融物浸润，从而阻止吸附引起的强度降低。本讲稿第三十页，共五十五页3-4 表面抗磨强度表面抗磨强度与固体物质接触并发生相对运动的机件表面都要承受摩擦磨损，提高机件与固体物质接触并发生相对运动的机件表面都要承受摩擦磨损，提高机件的抗磨强度是表面工程技术的重要目标之一。的抗磨强度是表面工程技术的重要目标之一。在摩擦面之间加润滑剂是减少磨损的有效方法。在摩擦面之间加润滑剂是减少磨损的有效方法。润滑剂减少磨损的主要机理是：润滑剂减少磨损的主要机理是：流体膜润滑即流体膜把两金属隔开，把磨损减到最低限度；流体膜润滑即流体膜把两金属隔开，把磨损减到最低限度；固体润滑即在固体表面采取固体润滑剂或使用的添加剂能与金属的表面发生反固体润滑即在固体表面采取固体润滑剂或使用的添加剂能与金属的表面发生反应生成厚为应生成厚为4040400nm400nm的氧化物或硫化物，可以避免金属与金属之间的接触。的氧化物或硫化物，可以避免金属与金属之间的接触。本讲稿第三十一页，共五十五页要提高机件的耐磨寿命，最重要的有两点：要提高机件的耐磨寿命，最重要的有两点：一是工程上的合理设计；一是工程上的合理设计；二是耐磨件的表面强化。二是耐磨件的表面强化。1 1耐磨设计耐磨设计 耐磨性是由多个独立的理化或机械性质综合作用决定的，并不完全依靠材料的某一种耐磨性是由多个独立的理化或机械性质综合作用决定的，并不完全依靠材料的某一种内在性质。内在性质。设计时应对零件的重要性、维修难易程度、产品成本、使用特点、环境特点等预设计时应对零件的重要性、维修难易程度、产品成本、使用特点、环境特点等预先进行综合考察。先进行综合考察。本讲稿第三十二页，共五十五页2抗磨材料的选择抗磨材料的选择在选择抗磨材料时必须查清影响产品寿命的基本因素和磨损过程是在选择抗磨材料时必须查清影响产品寿命的基本因素和磨损过程是否始终以同样的磨损机理进行等情况，然后进行选材。否始终以同样的磨损机理进行等情况，然后进行选材。(1)(1)确定材料在使用方面是否存在限制确定材料在使用方面是否存在限制:这些限制包括工艺性能、这些限制包括工艺性能、使用环境、机械性能、理化性能等。使用环境、机械性能、理化性能等。(2)(2)确定负荷限制确定负荷限制:考察材料是否能经受住运行中的载荷而不变考察材料是否能经受住运行中的载荷而不变形或无过分变形。形或无过分变形。本讲稿第三十三页，共五十五页(3)确定温度范围确定温度范围:温度对于一些滑动系统有强烈影响，温度升高会导致材料的软化，使咬合加剧。因温度对于一些滑动系统有强烈影响，温度升高会导致材料的软化，使咬合加剧。因此确定摩擦温度的范围对于选材是十分重要的。此确定摩擦温度的范围对于选材是十分重要的。温度的升高与摩擦生热有关，由此产生的温升温度的升高与摩擦生热有关，由此产生的温升 T可用下式求得：可用下式求得：式中式中 为摩擦系数；为摩擦系数；W为施加载荷，为施加载荷，N；为滑动速度，为滑动速度，m/s；1与与 2为材料的热传导率为材料的热传导率W(m K)；a为与滑动零件之间广泛分布的接触点有关的量。为与滑动零件之间广泛分布的接触点有关的量。本讲稿第三十四页，共五十五页(4)(4)确定确定p p 极限值极限值:其中其中p p是平均接触压力；是平均接触压力；是滑动速度。是滑动速度。材料允许的最大载荷和滑动速度，通常以材料允许的最大载荷和滑动速度，通常以p p 形式给出。形式给出。(5)(5)确定机件工作循环特性确定机件工作循环特性:载荷交变的程度及机器运转的载荷交变的程度及机器运转的 间断性都会影响磨损。间断性都会影响磨损。(6)(6)确定容许的磨损失效形式和机械表面的损伤程度。确定容许的磨损失效形式和机械表面的损伤程度。本讲稿第三十五页，共五十五页3 3薄膜硬度及耐磨表面处理薄膜硬度及耐磨表面处理从材料表面来研究提高耐磨性问题一般从两个方面着手：一是具有从材料表面来研究提高耐磨性问题一般从两个方面着手：一是具有良好的机械特性；二是设法形成具有非金属性质的摩擦面。良好的机械特性；二是设法形成具有非金属性质的摩擦面。在机械性能中，最重要的是硬度，在大多数情况下磨损率都在机械性能中，最重要的是硬度，在大多数情况下磨损率都会随硬度的提高而降低。非金属性质的摩擦面则是通过物理会随硬度的提高而降低。非金属性质的摩擦面则是通过物理或化学的作用来减小磨损的。或化学的作用来减小磨损的。本讲稿第三十六页，共五十五页对于钢材，一般通过各种表面技术如渗硫、氧、氮化、对于钢材，一般通过各种表面技术如渗硫、氧、氮化、氧碳氮共渗、热喷涂层中加氧碳氮共渗、热喷涂层中加MoS2、物理气相沉积、化、物理气相沉积、化学气相沉积及离子注入等，使材料表面形成氮化物、氧学气相沉积及离子注入等，使材料表面形成氮化物、氧化物、硫化物、碳化物以及它们的复合化合物的表面层。化物、硫化物、碳化物以及它们的复合化合物的表面层。这些表面层可以抑制摩擦过程中摩擦副两个零件之间的这些表面层可以抑制摩擦过程中摩擦副两个零件之间的粘附、熔附以及由此引起的金属转移现象，从而提高其粘附、熔附以及由此引起的金属转移现象，从而提高其耐磨性。耐磨性。本讲稿第三十七页，共五十五页3-5 表面抗腐蚀强度表面抗腐蚀强度腐蚀对材料表面的损害是众所周知的，它可以使表面的尺寸减小，使表腐蚀对材料表面的损害是众所周知的，它可以使表面的尺寸减小，使表面失去光洁度，更多的情况是使表面产生局部缺陷而造成应力集中，从面失去光洁度，更多的情况是使表面产生局部缺陷而造成应力集中，从而导致机件的断裂。可以说全部的腐蚀破坏都是从损坏材料的表面强度而导致机件的断裂。可以说全部的腐蚀破坏都是从损坏材料的表面强度开始的。开始的。同同RebingryRebingry效应所不同的是：一是损害的程度更加严重；二是不可逆的。效应所不同的是：一是损害的程度更加严重；二是不可逆的。表面工程的一个重要内容就是设法提高材料表面的抗腐蚀强度。表面工程的一个重要内容就是设法提高材料表面的抗腐蚀强度。本讲稿第三十八页，共五十五页1腐蚀可能发生的环境及影响腐蚀的主要因素腐蚀可能发生的环境及影响腐蚀的主要因素 本讲稿第三十九页，共五十五页2金属表面膜金属表面膜若能在金属表面上生成或制成一层膜，把金属表面遮盖起若能在金属表面上生成或制成一层膜，把金属表面遮盖起来，从而防止或降低金属的腐蚀，这层膜即为表面保护来，从而防止或降低金属的腐蚀，这层膜即为表面保护膜。膜。很多金属与空气中的氧作用，会在表面上形成一层氧化物很多金属与空气中的氧作用，会在表面上形成一层氧化物的薄膜。膜的厚度取决于金属的性质、表面状态、氧化温的薄膜。膜的厚度取决于金属的性质、表面状态、氧化温度和介质种类。度和介质种类。本讲稿第四十页，共五十五页 金属表面膜作为保护层的条件金属表面膜作为保护层的条件 表面膜要具有保护作用，表面膜要具有保护作用，首先必须是紧密完整的首先必须是紧密完整的。以氧化膜为例，以氧化膜为例，膜是否完整的必要条件是氧化物的体积要膜是否完整的必要条件是氧化物的体积要大于所消耗金属的体积大于所消耗金属的体积，即，即:M/xD A/d 式中式中A为金属相对原子质量；为金属相对原子质量；M为对应氧化物的相对分子质量；为对应氧化物的相对分子质量；d为金属密度；为金属密度；D为对应氧化物的密度；为对应氧化物的密度；x为一个分子氧化物为一个分子氧化物中金属原子的个数。中金属原子的个数。整理上式得整理上式得:Md/xDA 1 本讲稿第四十一页，共五十五页比值过大且质地较脆的膜没有保护作用；比值过大且质地较脆的膜没有保护作用；一般认为一般认为1 Md/xDA (2.53)时，具有较好的保护性。时，具有较好的保护性。由于硫化膜的由于硫化膜的MdxDA较大，保护性能一般不如氧化膜。较大，保护性能一般不如氧化膜。本讲稿第四十二页，共五十五页 化学表面膜的形成过程化学表面膜的形成过程 金属表面由于介质的氧化或腐蚀作用会生成氧化膜，膜的加厚过程实际上金属表面由于介质的氧化或腐蚀作用会生成氧化膜，膜的加厚过程实际上是金属原子和介质原子通过已形成的表面膜进行扩散的过程。是金属原子和介质原子通过已形成的表面膜进行扩散的过程。扩散有以下三种方式：扩散有以下三种方式：1)1)金属原子和介质原子同时通过已金属原子和介质原子同时通过已 形成的膜向相反的方向扩散，在形成的膜向相反的方向扩散，在 膜的某一部位相遇而生长膜的某一部位相遇而生长(a)(a)；2)2)仅是介质原子通过膜向内扩散，仅是介质原子通过膜向内扩散，使膜在金属使膜在金属-膜界面处生长膜界面处生长(b)(b)；3)3)仅是金属原子通过膜向外扩散，仅是金属原子通过膜向外扩散，使膜在膜使膜在膜-介质面处生长介质面处生长(c)(c)。本讲稿第四十三页，共五十五页 金属氧化膜的形成规律：金属氧化膜的形成规律：如如果果膜膜的的MdMd/xDA1xDA1Md/xDA1的的条条件件，且且与与形形成成条条件件及及膜膜的的性性质质有有关。形成条件可影响膜的内应力大小。关。形成条件可影响膜的内应力大小。由于氧化物的体积大于金属的体积，由于氧化物的体积大于金属的体积，随着膜的成长，膜的体积会不断地随着膜的成长，膜的体积会不断地膨胀，因而在膜中便产生沿平行金膨胀，因而在膜中便产生沿平行金属表面方向的内应力；在某些局部属表面方向的内应力；在某些局部同时会产生力图使保护膜脱离金属同时会产生力图使保护膜脱离金属的拉压力，拉应力方向垂直于金属的拉压力，拉应力方向垂直于金属表面。表面。本讲稿第四十六页，共五十五页由于温度的变化，膜的膨胀系数如果与基体不一样，界面处则会产生由于温度的变化，膜的膨胀系数如果与基体不一样，界面处则会产生剪切内应力，以致使两者分离，膜脱落。把高温氧化的钢件突然冷却剪切内应力，以致使两者分离，膜脱落。把高温氧化的钢件突然冷却时，氧化皮很快脱落便是一例。时，氧化皮很快脱落便是一例。膜的破裂会造成金属腐蚀量的增加膜的破裂会造成金属腐蚀量的增加图图3-32为铜在为铜在500氧化时由于膜中产生氧化时由于膜中产生内应力的氧化曲线。此曲线由几段抛的内应力的氧化曲线。此曲线由几段抛的线段组成，表面膜在成长过程中曾多次线段组成，表面膜在成长过程中曾多次因内应力而遭受破坏。因内应力而遭受破坏。如果膜有足够的韧性，内应力不足以使其脱落，则膜的成长自始至终如果膜有足够的韧性，内应力不足以使其脱落，则膜的成长自始至终按某一规律变化，如铜在按某一规律变化，如铜在800的氧化只遵循抛物线规律。的氧化只遵循抛物线规律。本讲稿第四十七页，共五十五页3控制腐蚀的途径控制腐蚀的途径(1)(1)防蚀方法的分类防蚀方法的分类 根据金属腐蚀原理，控制腐蚀的主要途径如下：根据金属腐蚀原理，控制腐蚀的主要途径如下：提高材料热力学稳定性的防蚀方法提高材料热力学稳定性的防蚀方法:材料的热力学稳定性是由整个腐蚀体系决定的，要提高其稳定材料的热力学稳定性是由整个腐蚀体系决定的，要提高其稳定性可以从两个方面着手：性可以从两个方面着手：一是材料本身采用或加入电位较正的合金元素；一是材料本身采用或加入电位较正的合金元素；二是降低介质的腐蚀性，除去有害的物质乃至用涂层隔绝腐蚀介质。二是降低介质的腐蚀性，除去有害的物质乃至用涂层隔绝腐蚀介质。本讲稿第四十八页，共五十五页 增强阳极极化的防蚀方法增强阳极极化的防蚀方法:主要是采用防腐蚀合金，即在金属中加入容易钝化的主要是采用防腐蚀合金，即在金属中加入容易钝化的元素，使金属元素易于钝化元素，使金属元素易于钝化(如不锈钢如不锈钢)，此外，也包括向，此外，也包括向腐蚀介质中加入阳极性缓蚀剂或对金属进行阳极保护。腐蚀介质中加入阳极性缓蚀剂或对金属进行阳极保护。本讲稿第四十九页，共五十五页 增强阴极极化的防蚀方法增强阴极极化的防蚀方法:这种方法主要包括阴极性缓蚀剂的使用；减少和改善合这种方法主要包括阴极性缓蚀剂的使用；减少和改善合金中阴极性杂质的数量和分布；用外加电流或牺牲性阳极金中阴极性杂质的数量和分布；用外加电流或牺牲性阳极进行阴极保护等。进行阴极保护等。本讲稿第五十页，共五十五页(2)防蚀涂层防蚀涂层 涂层的保护机理涂层的保护机理:一般认为涂层是从下列三个方面对金属进行保护的。一般认为涂层是从下列三个方面对金属进行保护的。a)a)屏蔽作用屏蔽作用:即把金属和介质环境隔离开。即把金属和介质环境隔离开。但从微观上来说绝对致密的涂层是不存在的，因此这种隔但从微观上来说绝对致密的涂层是不存在的，因此这种隔 离离只能是相对的。只能是相对的。为了提高涂层的抗渗性，应从涂层材料、工艺设计上采取措施。为了提高涂层的抗渗性，应从涂层材料、工艺设计上采取措施。例如，对于涂料保护，要尽可能选用透气、透水小的成膜物质和例如，对于涂料保护，要尽可能选用透气、透水小的成膜物质和屏蔽性大的固体填料，同时增加涂覆层数。屏蔽性大的固体填料，同时增加涂覆层数。本讲稿第五十一页，共五十五页b)b)电化学保护作用电化学保护作用:采用电极电位相对较低的涂层。采用电极电位相对较低的涂层。如铁上镀锌，就可有效地对大气中的钢铁件进行保护。在大如铁上镀锌，就可有效地对大气中的钢铁件进行保护。在大气介质中，锌为阳极，优先腐蚀，铁得到保护。而受腐蚀的气介质中，锌为阳极，优先腐蚀，铁得到保护。而受腐蚀的锌表面上形成一层致密的氧化膜又阻止了锌的继续氧化。锌表面上形成一层致密的氧化膜又阻止了锌的继续氧化。c)c)缓蚀作用缓蚀作用:借助涂料的内部组分与金属反应使金属借助涂料的内部组分与金属反应使金属 表面钝表面钝化成保护性的物质以提高涂层的防护作用。化成保护性的物质以提高涂层的防护作用。本讲稿第五十二页，共五十五页 防腐涂层分类防腐涂层分类a)a)转换涂层转换涂层:包包括括以以电电化化学学方方法法进进行行的的阳阳极极氧氧化化、磷磷化化处处理理、铬铬酸酸盐盐化化处处理等。理等。b)b)金属涂层金属涂层:包包括括ZnZn，AlAl等等多多种种金金属属和和合合金金涂涂层层。涂涂层层的的方方法法是是多多种种多多样样的的，主主要要有有：电电镀镀、化化学学镀镀、物物理理气气相相沉沉积积、化化学学气气相相沉沉积积、热热喷喷涂涂、热渗镀、热浸镀等。热渗镀、热浸镀等。本讲稿第五十三页，共五十五页c)高分子涂层高分子涂层:包括多种有机涂料及塑料。施工方法有刷涂、喷涂、流化床法、静包括多种有机涂料及塑料。施工方法有刷涂、喷涂、流化床法、静电喷涂和热喷涂等。电喷涂和热喷涂等。d)陶瓷涂层陶瓷涂层:包括各种氧化物、碳化物、氮化物等；涂层方法有热喷涂、物包括各种氧化物、碳化物、氮化物等；涂层方法有热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积、热渗镀等。理气相沉积、化学气相沉积、热渗镀等。本讲稿第五十四页，共五十五页作业作业1、为什么材料表面工程是一个多学科的边缘学科和能得到社会的重视而获得迅、为什么材料表面工程是一个多学科的边缘学科和能得到社会的重视而获得迅速发展？表面工程技术的目的和作用是什么？速发展？表面工程技术的目的和作用是什么？2、在两块玻璃之间放少许水叠在一起为什么很难分开？说明水能润湿玻璃而不、在两块玻璃之间放少许水叠在一起为什么很难分开？说明水能润湿玻璃而不能润湿石蜡的本质原因。能润湿石蜡的本质原因。3、表面膜层应力的起因有哪些？为使薄膜的热应力为压应力，可采取什么措施、表面膜层应力的起因有哪些？为使薄膜的热应力为压应力，可采取什么措施？4、固体表面和环境介质的作用可分为几类？各举出例子加以说明。