材料表面工程第三章

材料表面工程第三章第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

3-1疲勞載荷下的表面強度

3-1-1疲勞裂紋萌生于表面

在載荷的反復作用下，任何材料都會產生疲勞問題。據統(tǒng)計約有50％～90％的機械結構的破壞是屬于疲勞破壞。引起疲勞破壞的原因很多，但表面的影響是最大的，幾乎所有的疲勞開裂都自表面(或表面層)開始。

第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月疲勞破壞主要包括裂紋的萌生和發(fā)展兩個階段。從原始表面到產生0.076mm長裂紋的過程即為裂紋的萌生。疲勞裂紋總是在應力最高、強度最弱的機件表面上形成。機件表面上機械加工的切削紋、表面擦傷、結構上的內圓角及亞表面的夾雜物等應力集中處，均易于造成局部高應力，是疲勞裂紋萌生的首發(fā)地區(qū)。

第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

疲勞裂紋萌生的三種主要形式：1．滑移帶開裂

在循環(huán)應力的作用下，塑性應變的滑移局限于某些晶粒內，首先在試樣表面形成，然后逐漸向內部擴展，形成“駐留滑移帶”。表面駐留滑移帶形成后，由于不可逆的反復變形，便在表面形成“擠出帶”和“侵入溝”(右圖)，其中的侵入溝將發(fā)展為疲勞裂紋。

第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2．晶界開裂滑移帶到達晶界時，在晶界上受阻。隨著滑移的繼續(xù)進行，位錯在晶界旁塞積。當位錯塞積造成的應力達到材料的強度極限時，在晶界處會產生開裂形成微裂紋。材料的晶粒尺寸愈大，晶界上的應變量愈大，位錯塞積愈嚴重，所產生的應力就愈高，裂紋就愈易形成。因此，以晶粒細化來防止晶界的開裂和推遲裂紋的萌生是很有效的。

第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3．夾雜物界面的開裂

材料中的夾雜物一般是不可避免的，有時還起著彌散強化的作用。但是處在表面或次表面的夾雜物如果尺寸較大，也可以引起疲勞裂紋的萌生。其原因有:(1)夾雜在應力作用下發(fā)生斷裂，形成微裂紋；

(2)雜質和基體的界面結合一般不理想，雜質堆積的結果引起界面處的開裂。

第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3-1-2影響疲勞強度的因素

1．表面的機械處理

噴丸、冷滾壓等機械處理，在服役的表面形成有殘余壓應力的薄層，對提高疲勞抗力是行之有效的表面強化方法。表層壓應力的存在，降低了外加交變應力中容易造成損傷的拉應力分量，從而可大幅度提高疲勞裂紋的萌生壽命。第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2．表面的腐蝕腐蝕作用使金屬表面變?yōu)榇植?，形成腐蝕坑等應力集中點，在交變應力的作用下，裂紋萌生的壽命很短，使疲勞強度大大降低。一般說來，在較強的腐蝕環(huán)境下，材料對于腐蝕疲勞的基本抗力主要取決于材料對腐蝕的抗力，即增加材料對腐蝕的抗力比增加其疲勞強度更為重要。殘余壓應力可以減慢侵蝕介質向物體內的浸透，減慢腐蝕損傷即疲勞裂紋源的形成和發(fā)展。采用金屬和非金屬涂層保護層，并在表面上制造合適的壓應力，對于抑制腐蝕損傷具有重大的意義。第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3．其它表面處理方法表面處理的方法是多種多樣的，各種處理方法對疲勞強度的影響還有待于人們進一步的研究。任何一種處理都會影響到表面對疲勞的抗力，但是究竟是增加還是減少，增加或減少的程度如何，比較復雜。因為即使對于同一種處理方法，例如電鍍，鍍層的種類可達上百種，各種鍍層特性不可能相同，因而會得出不同的結果。第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3-2表面膜層的應力以覆膜的方法對材料進行表面強化，在表面工程中占有很大的比重。一般情況下膜層與基體材料的成分和結構是不一樣的，因此難免在界面上產生應力，應力的存在將對膜層的強度產生重大的影響。幾乎所有薄膜都存在著巨大的應力，它對薄膜的性能，特別是結合力產生很大的威脅。

第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月薄膜應力通常分為張應力和壓應力，習慣上把張應力取正號，壓應力取負號。在張應力作用下，薄膜本身有收縮趨勢，如果膜層的張應力超過薄膜的彈性限度，薄膜就會破裂，破裂時離開基板而翹起。在壓應力作用下，薄膜有向表面擴張的趨勢，在極限情況下，壓應力使薄膜向基板內側卷曲。第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3-2-1薄膜應力的起因

薄膜應力是由表面張力

S、熱應力

T和內應力

I

三部分組成的。表面張力也是一種應力，如果膜層上表面的表面張力為

1，膜層與基板表面的張力為

2，薄膜厚度為d，則由此產生的表面張力:

S=(

1+

2)／d

熱應力是由于膜層與基板之間的熱膨脹系數不同而引起的，可表示為:

TS和TM分別為沉積和測量時的基板溫度；

f和

s分別為薄膜和基板的熱膨脹系數；Ef為薄膜的楊氏模量。

第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月如果Ef，

f和

s不隨溫度而變化，則上式改寫成

T=(

f

s)Ef

T

式中

T=TS

TM。金屬的熱膨脹系數范圍為(10～20)

10

6／℃，玻璃的熱膨脹系數約為8

10

6／℃，若以玻璃為基體，

f

s>0；在室溫下測定高溫時沉積于玻璃上的金屬膜，

T>0，因此

T>0，即金屬膜的熱應力是張應力。反之，堿金屬鹵化物的熱膨脹系數約為(30～40)

10

6／℃，金屬沉積在堿金屬鹵化物基板上時，

f

s

0，當

T>0時，

T

0，即金屬膜的熱應力為壓應力。第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月通過選擇基板材料和沉積溫度可以調節(jié)熱應力的大小和性質。不過沉積溫度的可調范圍一般是有限的。一般是調節(jié)膜層和基板材料的熱膨脹系數。第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月內應力又稱本征應力，它主要取決于薄膜的微觀結構和缺陷等因素。產生內應力的主要原因包括：（1）沉積時真空室中的殘余氣體或者濺射時的工作氣體進入薄膜，薄膜晶格結構偏離于塊狀材料；（2）薄膜晶格常數與基板晶格常數失配；（3）薄膜中的再結晶；宏觀微孔和薄膜相變等。

第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3-2-2沉積工藝對應力的影響(1)基板溫度：基板溫度既影響熱應力，又影響內應力。隨著基板溫度升高，內應力減小，熱應力增加。

第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)真空度：真空室中殘余氧、氮和水氣對應力都有影響。在沉積SiO時，隨著水氣分壓升高，其應力從張應力逐漸變?yōu)閴簯ΑＴ诔练eAl膜時，若真空度低于10

2Pa，則A1膜由通常的張應力變?yōu)閴簯?，其它金屬也有類似現象。這是因為氣體滲入金屬晶格，從而抑制了金屬晶格的膨脹。

第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)沉積速率：沉積速率對應力的影響缺乏規(guī)律性。根據Hoffman模型，內應力將隨沉積速度增大而增大。但有些薄膜的內應力卻相反變化，即隨沉積速率增大而減小。第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)膜厚：有些薄膜的應力與膜厚的關系是一個N形。第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)熱處理：薄膜在空氣中烘烤對于消除缺陷、減小應力有著重要的作用。在低溫退火時，原子主要通過晶格振動交換能量，使位于畸變位置的原子得到恢復；在較高溫度下，產生體內和界面擴散，發(fā)生再結晶，使晶粒增大，晶界減小，應力降低。(6)時效：隨著薄膜吸潮，應力可減小。對MgF2單層膜，應力可降低

50％左右。(7)混合膜和多層膜：用具有壓應力和張應力兩種材料混合的單層膜或由它們組成的多層膜可顯著降低薄膜應力。

第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3-3表面活性介質對力學性能的影響

3-3-1Rebingry效應

固體的機械性能，諸如強度、塑性、耐磨性等都可能受到與其表面接觸的氣體和液體的影響而產生顯著變化。在許多情況下，這些環(huán)境介質的作用會使固體強度大大降低。因環(huán)境介質物理、化學的影響及表面自由能減小而導致固體表面強度降低的現象，稱為Rebingry效應。任何固體存在這種效應。例如，玻璃和石膏吸附水蒸氣后，其強度明顯下降。銅表面覆蓋熔融的鉍薄膜后，會使銅原來的高塑性喪失，在遠比空氣中拉伸低得多的應力下發(fā)生脆性破壞。

第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月從熱力學的觀點來看，固體表面和環(huán)境介質的作用可分兩類：一類是不可逆的，一類是可逆的。腐蝕屬于前者，是不可逆的，腐蝕會使表面出現腐蝕坑，產生應力集中，削弱機件的表面強度。Rebingry效應屬于后者，是可逆的，該效應也可以顯著地改變材料表面的機械性能。第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月Rebingry效應最普遍最重要的表現形式有兩點：①使塑性增加——降低屈服極限和硬化指數。②使脆性增加——塑性和強度急劇降低。這種效應一般是分子性質與該固體分子相近的液體所引起。對于金屬來說，與其相近的金屬熔體就可產生此種效應。如黃銅和鋅有水銀時就變脆(圖3-14)。熔鹽可劇烈降低離子晶體的強度和塑性，熔融的堿金屬和鋁對石墨有顯著影響，而有機固體則對有機液體十分敏感。

第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月Rebingry效應具有以下特點：

①環(huán)境介質的影響有明顯的化學特征，即并非任何液體金屬都會改變某一固體的金屬性能，只有一定的對該固體表面具有活性的液體金屬才有上述的效果。如水銀可降低鋅的強度和塑性，但對同族元素鎘的機械性能無影響，盡管鎘與鋅的點陣類型也一樣。②溶解和腐蝕需要大量的介質，而Rebingri效應只需少量的表面活性物質即可。在固體金屬的表面僅需微米數量級的液體金屬薄膜就可導致金屬的脆性破壞。在個別情況下，試樣表面有幾滴表面活性的熔融金屬潤濕，就可引起低應力脆斷。第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月③表面活性熔融物質的作用十分迅速。例如，對固體進行切削和磨削加工，雖然加工速度達幾十米每秒，活性物質的影響仍然十分顯著。

④影響可逆，即從固體表面去除活性物質后，其表面機械性能一般可以恢復。

⑤拉應力和表面活性物質同時存在作用更明顯。第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3-3-2影響Rebingry效應的因素1．固體和液體金屬的本質

降低固體和環(huán)境介質界面的表面自由能對出現Rebingry效應有關鍵的作用。固體和使表面能強烈降低的介質接觸，引起的后果之一就是急劇改變其表面的機械性能。

第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月液體金屬在固體中的溶解度越小，則在相應的界面上表面能的降低越強烈。與形成共晶體的金屬接觸時，會使強度降低；而與形成金屬間化合物的金屬接觸時，強度則不會降低。因此，若熔融物可和固態(tài)金屬形成共晶體，不形成金屬間化合物，且在固相中溶解度較小(不高于百分之幾)，則這樣的熔融物可能使固態(tài)金屬的強度和塑性強烈下降。第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2．溫度和變形速度溫度和變形速度對Rebingry效應的出現有很大影響。3．固態(tài)金屬的結構

固態(tài)金屬的結構對存在液體金屬時的脆性的發(fā)生也有很大的影響。一般來說，原始材料塑性愈差，則在相應的熔融物的影響下愈易由塑性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?。所以像加工硬化、時效、輻照、缺口等一切降低塑性的因素，往往會促進有熔融金屬存在時脆性的發(fā)生。第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3-3-4Rebingry效應的利用及防止利用吸附性降低強度的這種特性，為固體的順利加工提供了廣泛的可能性。例如降低強度引起脆性可利于精磨。使材料表面增塑，會有利于金屬壓力加工，諸如拔長，軋制，模鍛，拉絲等等。表面活性介質強烈影響磨削過程。用易熔金屬做金鋼石砂輪的填料可以大大提高加工金屬陶瓷、硬質合金和特殊鋼的速度，也使砂輪的耐磨性提高幾倍，并顯著提高磨削生產率。磨削過程能這樣獲得顯著改善，是由于粘結在砂輪內的易熔金屬，在切削時的高溫作用下被熔化了，從而促進被加工材料表面斷裂。而且，微量活性金屬提高磨削生產率，并不影響被磨零件以后的機械壽命。

第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

在大部分情況下，Rebingry效應都是有害的固體金屬和金屬熔融物接觸是生產中最常見的情況。金屬釬焊和焊接、軸承熔化，用液體金屬作潤滑劑、原子反應堆、火箭裝置、內燃機等均有這種接觸。要減少其危害，可根據各種具體情況選用敏感性小的材料或低活性的熔融物，或求出機件運轉的極限許用應力。在某些情況下，金屬經某些表面處理，如涂覆結合牢固的氧化物、碳化物和氮化物層等等，可保證固體金屬件不被熔融物浸潤，從而阻止吸附引起的強度降低。

第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3-4表面抗磨強度與固體物質接觸并發(fā)生相對運動的機件表面都要承受摩擦磨損，提高機件的抗磨強度是表面工程技術的重要目標之一。在摩擦面之間加潤滑劑是減少磨損的有效方法。潤滑劑減少磨損的主要機理是：流體膜潤滑即流體膜把兩金屬隔開，把磨損減到最低限度；固體潤滑即在固體表面采取固體潤滑劑或使用的添加劑能與金屬的表面發(fā)生反應生成厚為40～400nm的氧化物或硫化物，可以避免金屬與金屬之間的接觸。第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月要提高機件的耐磨壽命，最重要的有兩點：一是工程上的合理設計；二是耐磨件的表面強化。

1．耐磨設計

耐磨性是由多個獨立的理化或機械性質綜合作用決定的，并不完全依靠材料的某一種內在性質。設計時應對零件的重要性、維修難易程度、產品成本、使用特點、環(huán)境特點等預先進行綜合考察。

第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2．抗磨材料的選擇在選擇抗磨材料時必須查清影響產品壽命的基本因素和磨損過程是否始終以同樣的磨損機理進行等情況，然后進行選材。(1)確定材料在使用方面是否存在限制:這些限制包括工藝性能、使用環(huán)境、機械性能、理化性能等。(2)確定負荷限制:考察材料是否能經受住運行中的載荷而不變形或無過分變形。

第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)確定溫度范圍:

溫度對于一些滑動系統(tǒng)有強烈影響，溫度升高會導致材料的軟化，使咬合加劇。因此確定摩擦溫度的范圍對于選材是十分重要的。溫度的升高與摩擦生熱有關，由此產生的溫升

T可用下式求得：

式中

為摩擦系數；W為施加載荷，N；

為滑動速度，m/s；

1與

2為材料的熱傳導率[W／(m

K)]；a為與滑動零件之間廣泛分布的接觸點有關的量。第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)確定p

極限值:其中p是平均接觸壓力；

是滑動速度。材料允許的最大載荷和滑動速度，通常以p

形式給出。(5)確定機件工作循環(huán)特性:載荷交變的程度及機器運轉的間斷性都會影響磨損。

(6)確定容許的磨損失效形式和機械表面的損傷程度。

第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3．薄膜硬度及耐磨表面處理從材料表面來研究提高耐磨性問題一般從兩個方面著手：一是具有良好的機械特性；二是設法形成具有非金屬性質的摩擦面。在機械性能中，最重要的是硬度，在大多數情況下磨損率都會隨硬度的提高而降低。非金屬性質的摩擦面則是通過物理或化學的作用來減小磨損的。第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月對于鋼材，一般通過各種表面技術如滲硫、氧、氮化、氧碳氮共滲、熱噴涂層中加MoS2、物理氣相沉積、化學氣相沉積及離子注入等，使材料表面形成氮化物、氧化物、硫化物、碳化物以及它們的復合化合物的表面層。這些表面層可以抑制摩擦過程中摩擦副兩個零件之間的粘附、熔附以及由此引起的金屬轉移現象，從而提高其耐磨性。第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3-5表面抗腐蝕強度腐蝕對材料表面的損害是眾所周知的，它可以使表面的尺寸減小，使表面失去光潔度，更多的情況是使表面產生局部缺陷而造成應力集中，從而導致機件的斷裂?？梢哉f全部的腐蝕破壞都是從損壞材料的表面強度開始的。同Rebingry效應所不同的是：一是損害的程度更加嚴重；二是不可逆的。表面工程的一個重要內容就是設法提高材料表面的抗腐蝕強度。

第38頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月1．腐蝕可能發(fā)生的環(huán)境及影響腐蝕的主要因素

第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2．金屬表面膜若能在金屬表面上生成或制成一層膜，把金屬表面遮蓋起來，從而防止或降低金屬的腐蝕，這層膜即為表面保護膜。很多金屬與空氣中的氧作用，會在表面上形成一層氧化物的薄膜。膜的厚度取決于金屬的性質、表面狀態(tài)、氧化溫度和介質種類。

第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月①金屬表面膜作為保護層的條件

表面膜要具有保護作用，首先必須是緊密完整的。以氧化膜為例，膜是否完整的必要條件是氧化物的體積要大于所消耗金屬的體積，即:M/xD>A/d式中A為金屬相對原子質量；M為對應氧化物的相對分子質量；d為金屬密度；D為對應氧化物的密度；x為一個分子氧化物中金屬原子的個數。整理上式得:Md/xDA>1第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月比值過大且質地較脆的膜沒有保護作用；一般認為1<Md/xDA<(2.5～3)時，具有較好的保護性。由于硫化膜的Md／xDA較大，保護性能一般不如氧化膜。

第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月②化學表面膜的形成過程金屬表面由于介質的氧化或腐蝕作用會生成氧化膜，膜的加厚過程實際上是金屬原子和介質原子通過已形成的表面膜進行擴散的過程。擴散有以下三種方式：1)金屬原子和介質原子同時通過已形成的膜向相反的方向擴散，在膜的某一部位相遇而生長(a)；2)僅是介質原子通過膜向內擴散，使膜在金屬-膜界面處生長(b)；3)僅是金屬原子通過膜向外擴散，使膜在膜-介質面處生長(c)。

第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬氧化膜的形成規(guī)律：如果膜的Md/xDA<1，或者膜可以溶解或揮發(fā)，則膜不會減低氧化速度，膜的成長速率為一常數k，即

dy/dt=k或y=kt+y0

式中y為膜的厚度；t為時間；y0為原來膜的厚度。堿金屬、堿土金屬的氧化膜厚度隨時間的增長都有線性關系。

第44頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月如果金屬表面形成的膜具有保護性，那么隨膜厚的增加，膜的成長速度越來越慢，即膜的生長速度與膜厚成反比：

dy/dt=k’/y積分后得:y2=2k’t+A或y2=k’t+A’

即符合拋物線規(guī)律。式中，k’為與溫度有關的常數，A’為積分常數。W，Fe，Co，Cu，Ni，Mn，Be，Zn，Ti等都符合這個規(guī)律。第45頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月③氧化膜的內應力表面膜要具有保護性能，必須滿足Md/xDA>1的條件，且與形成條件及膜的性質有關。形成條件可影響膜的內應力大小。由于氧化物的體積大于金屬的體積，隨著膜的成長，膜的體積會不斷地膨脹，因而在膜中便產生沿平行金屬表面方向的內應力；在某些局部同時會產生力圖使保護膜脫離金屬的拉壓力，拉應力方向垂直于金屬表面。

第46頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月由于溫度的變化，膜的膨脹系數如果與基體不一樣，界面處則會產生剪切內應力，以致使兩者分離，膜脫落。把高溫氧化的鋼件突然冷卻時，氧化皮很快脫落便是一例。膜的破裂會造成金屬腐蝕量的增加圖3-32為銅在500℃氧化時由于膜中產生內應力的氧化曲線。此曲線由幾段拋的線段組成，表面膜在成長過程中曾多次因內應力而遭受破壞。

如果膜有足夠的韌性，內應力不足以使其脫落，則膜的成長自始至終按某一規(guī)律變化，如銅在800℃的氧化只遵循拋物線規(guī)律。

第47頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3．控制腐蝕的途徑(1)防蝕方法的分類

根據金屬腐蝕原理，控制腐蝕的主要途徑如下：①提高材料熱力學穩(wěn)定性的防蝕方法:材料的熱力學穩(wěn)定性是由整個腐蝕體系決定的，要提高其穩(wěn)定性可以從兩個方面著手：一是材料本身采用或加入電位較正的合金元素；二是降低介質的腐蝕性，除去有害的物質乃至用涂層隔絕腐蝕介質。

第48頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月②增強陽極極化的防蝕方法:

主要是采用防腐蝕合金，即在金屬中加入容易鈍化的元素，使金屬元素易于鈍化(如不銹鋼)，此外，也包括向腐蝕介質中加入陽極性緩蝕劑或對金屬進行陽極保護。第49頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月③增強陰極極化的防蝕方法:

這種方法主要包括陰極性緩蝕劑的使用；減少和改善合金中陰極性雜質的數量和分布；用外加電流或犧牲性陽極進行陰極保護等。