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表面工程学概论表面工程学概论天津大学材料学院天津大学材料学院王惜宝王惜宝引引言言材料的性能与表面材料的性能与表面结构性材料结构性材料::要求以力学性能为主要求以力学性能为主,,其它性能为辅其它性能为辅主要用于承载结构主要用于承载结构功能性材料功能性材料::要求以特殊性能为主要求以特殊性能为主,,力学性能为辅力学性能为辅主要用于制造功能性零部件主要用于制造功能性零部件表面工程的概念：表面工程的概念：经表面预处理后，通过表面涂敷、表面改性或多种表面技术经表面预处理后，通过表面涂敷、表面改性或多种表面技术的复合处理，改变固体材料表面形态、化学成分、组织结构和的复合处理，改变固体材料表面形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需要的表面性能的系统工程。应力状态，以获得所需要的表面性能的系统工程。•表面工程学科的形成与发展1983：英国伯明翰大学1985：英国学术期刊SurfaceEngineering出版发行1985:第一届表面工程国际会议1986：国际热处理联合会更名国际热处理与表面工程联合会在中国：1987.12中国机械工程学会表面工程研究所成立1988.11首届表面工程学术研讨会1988.12表面工程杂志发行1993中国机械工程学会表面工程分会成立2000.7中国焊接学会堆焊专业委员会更名为中国焊接学会堆焊与表面工程专业委员会SurfaceScienceSurfaceScienceSurface&CoatingsTechnologySurface&CoatingsTechnologyAppliedSurfaceScienceAppliedSurfaceScience•表面工程的学科体系•表面工程的技术设计体系表面工程的研究方向（1）基础理论研究：表面与界面，结构与性能，分析与表征（包括测试技术）（2）关键技术研究和重大工程的应用（3）复合表面技术（4）完善表面工程技术标准体系（5）表面涂层材料研究（6）设备研发（7）社会化的应用推广发展表面工程的意义（1）复合制造（2）绿色再制造：减污，环保、节能、节约材料等参考文献参考文献1.1.潘邻潘邻主编主编表面改性热处理技术与应用表面改性热处理技术与应用－－20062006TG156.99/P7TG156.99/P72.2.郑中岳郑中岳主编主编表面工程表面工程----20002000[[K]72.5/P1K]72.5/P13.3.李国英主编李国英主编表面工程手册表面工程手册----19981998TG17TG17--62/L5962/L594.4.徐滨士徐滨士,,刘世参编著刘世参编著表面工程新技术表面工程新技术----20022002TG174.4/X18(3)TG174.4/X18(3)5.5.曾晓雁，吴懿平主编曾晓雁，吴懿平主编表面工程学表面工程学----20012001TB3/Z69TB3/Z696.6.张九渊张九渊主编主编表面工程与失效分析表面工程与失效分析----20052005TG17/Z69TG17/Z69第二讲第二讲材料表面的失效材料表面的失效材料失效的主要形式材料失效的主要形式断裂断裂磨损磨损腐蚀腐蚀一、材料的摩擦与磨损失效一、材料的摩擦与磨损失效11、固体材料的表面特性、固体材料的表面特性材料的表面粗糙度材料的表面粗糙度光洁度：光洁度：12345678910111213123456789101112131414RRmaxmax(um):(um):400400--200200200200--1005010050--25252525--12.56.2512.56.25--3.481.793.481.79--0.870.480.870.48--0.240.120.240.12--0.060.060.060.06--0.030.03材料表面粗糙度对材料的摩擦、磨损和腐蚀特性，涂层的结合强材料表面粗糙度对材料的摩擦、磨损和腐蚀特性，涂层的结合强度都有很大的影响度都有很大的影响材料表面的其他性能•表层硬度：由于强烈变形、受热的影响，使表面硬度产生变化•表层组织：与材料特性、加工技术及加工状态有关如在表面强化或强烈变形状态下，表层由强烈变形层（强烈加工硬化、晶格缺陷、显微缺陷、热应力和残余应力变化）、变形层和原始组织组成•表面化学特性：表面活性、表面吸附（表面膜）等影响润滑行为及磨损腐蚀过程2、固体材料表面的摩擦与磨损（1）摩擦：抵抗两物体接触表面切向相对运动的现象，摩擦的大小用摩擦系数μ来表示。μ＝F/N与材料特性，表面状态、工况、润滑介质、环境等相关，与接触面积无关，与滑动速度无关。对同一摩擦副来说不是定值。（2）摩擦的分类•按摩擦副的运动状态分：静摩擦、动摩擦（滑动摩擦、滚动摩擦、自旋摩擦）•按摩擦副表面润滑状态分：干摩擦、边界摩擦（油膜从一个分子层到0.1μm)、流体润滑摩擦（流体静压（油泵）润滑和流体动压润滑）、混合摩擦（包括半干摩擦、半流体摩擦和有干摩擦、流体摩擦及流体摩擦混合的混合摩擦）。3、摩擦基本理论：•机械锁合理论：•分子吸引理论：微区接触、高压变形、冷焊、剪切：摩擦力1硬表面犁削软表面：摩擦力24、摩擦引起的各种效应表面塑性变形表层温度效应表层性能效应（硬化、回火软化、脆化）表层组织效应（细化、相变、淬火层(白层）等）5.磨损物体相对运动时相对运动表面的物质不断损失、产生残余变形或其它损伤的现象。•磨损的三个阶段：跑合、稳定磨损、剧烈磨损•磨损分类：按摩擦副特性：二体磨损，三体磨损按运动特性：滑动、滚动、微动按磨损载荷特性：低应力、高应力、冲击按介质条件：摩擦磨损、磨粒（料）磨损按磨损机理：切削式磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损••各种磨损类型对表层材料的要求各种磨损类型对表层材料的要求•耐磨性与磨损率ε＝1/ωε材料的耐磨性，ω材料在单位时间或单位运动距离内的磨损量，即磨损率。（磨损失重或磨损失体）材料的耐磨性分：绝对耐磨性（无意义）相对耐磨性：试验材料的耐磨性与标准材料在相同条件下的耐磨性之比。采用对比试验方法评价，可以避免在磨损过程中参数变化及测量误差造成的系统误差。6.材料的磨损机理•磨料磨损:硬颗粒或硬凸起对材料表面切削作用引起的磨损。一般发生在有磨料存在的环境中。在一定的磨料条件下,单位体积内磨损的体积与磨损载荷成正比,与材料硬度成反比。•粘着磨损：由于粘着作用使材料由一表面转移至另一表面或脱落所引起的磨损。一般发生在摩擦副材料特性相近、材料较软，散热困难、无润滑的条件下。W=KP/3σzw－单位滑动距离的磨损量，P－磨损载荷，σz－软材料的屈服强度，K－微凸起产生磨屑的概率（变化较大），但P小于材料硬度的1/3时，K值较稳定，W与P成正比；但P大于材料硬度的1/3时，K值就急剧增大，磨损加剧。••疲劳磨损疲劳磨损相对滚动或滑动的摩擦副，在接触区的循环应力超过材料的临界疲劳应力（疲劳强度）时，在材料表层和亚表层引发裂纹并逐步扩展，最后导致裂纹以上的材料断裂剥落的磨损过程。点蚀和剥落是机器零件表面接触疲劳损伤的典型特征。疲劳磨损一般发生在高强度高硬度材料，在含有第二相强化的材料中也经常发生。材料特性、表面状态、润滑条件、接触应力、环境条件等都对疲劳磨损有较大的影响。••冲蚀磨损和气蚀冲蚀磨损和气蚀•冲蚀磨损：液滴、固体颗粒或多元流体（流体中含有固体颗粒或液滴）和固体表面作相对运动时对固体表面产生的磨损。塑性材料：变形磨损＋切削磨损脆性材料：疲劳断裂磨损（与断裂韧性相关）•气蚀：当气泡在固体表面上或附近不断形成和破灭时，因破灭瞬间产生的高冲击力对固体表面产生的破坏。特征：磨损区表面有很多球形凹坑（蜂窝状点坑）；材料表面存在塑性变形或脆性断裂或疲劳破坏。（改善：改变设计和流速）••腐蚀磨损腐蚀磨损化学腐蚀磨损电化学腐蚀磨损溶解腐蚀磨损磨损失效分析方法磨损失效分析方法磨损面分析磨损面分析亚表层分析亚表层分析磨屑分析磨屑分析第三讲第三讲材料表面改性技术材料表面改性技术一、表面冶金技术（堆焊）1、堆焊方法手工电弧焊、碳弧焊、气体保护堆焊（丝，粉加丝）、埋弧焊（丝极（单丝、多丝、串联电弧、粉末填充加丝、带极），高频感应堆焊、火焰堆焊、等离子弧堆焊（冷丝、热丝、双热丝、预制层、粉末堆焊）、电渣堆焊2.堆焊材料(1)铁基合金珠光体合金(低碳低合金钢）（HRC20-38):用于机械零件的恢复尺寸，或打底层，耐磨性、耐蚀性不佳，但价格低、焊接性良好。如D102、D107、D112、D127、D146等。马氏体合金（中碳中合金和高碳低合金钢）（HRC30~55),个别高达HRC60左右。中碳中合金堆焊层组织大多为马氏体和残余奥氏体，具有一定的耐磨性和抗压强度，为防堆焊裂纹，焊前应预热200-300℃。高碳低合金堆焊层组织大多为马氏体和残余奥氏体，有的会出现共晶莱氏体。具有较高的硬度和抗压强度，但较脆。为防堆焊裂纹，焊前应预热300-400℃。一般用于堆焊不受冲击或受弱冲击的低应力磨料磨损零件。如D172.D212.D132.D167.D207•Cr-W.Cr-Mo热稳定钢堆焊合金属于中碳中合金钢如5CrMnMo（D397),5CrNiMo,3Cr2W8(D337),5W8Cr5Mo2V(D327)等。45-55HRC以上。马氏体奥氏体及碳化物二次硬化，抗热疲劳，红硬性，高温耐磨性及冲击韧性。主要用于热轧辊、热锻模等模具。焊前应预热400℃。•高铬钢(马氏体不锈钢）Cr13%以上，马氏体或半马氏体（马氏体和铁素体）组织，（如1Cr13马氏体和铁素体(D507)，硬度40-50HRC；2Cr13,3Cr13为马氏体(D512)，硬度50HRC；用于堆焊阀门密封面、水轮机叶片等耐磨耐蚀、耐气蚀零件。焊前预热300~400℃。Cr12多元合金（C％:0.91-1.5)，组织为莱氏体加奥氏体，硬度高达60-62HRC,焊前预热500℃以上，用于堆焊冷冲模，切边模、拉伸模等。•奥氏体高锰钢和奥氏体高铬锰钢Mn13型,（C0.7-1.2%)单相奥氏体,硬度200HBS，冷作后成马氏体400-500HBS,（D256,D266).焊态只有快冷，获得单相奥氏体，塑韧性才好。具有很好的抗冲击磨损性能，但耐热、耐蚀性不好，主要用于挖掘机斗齿、破碎机颚板、铁路道岔等堆焊。奥氏体铬镍钢（奥氏体铬镍钢（1818--8,258,25--2020奥氏体不锈钢）奥氏体不锈钢）具有很好的耐蚀性、热强性和抗高温氧化性，但耐磨性具有很好的耐蚀性、热强性和抗高温氧化性，但耐磨性较差。加入部分较差。加入部分MOMO、、VV、、WW、、SiSi、、MnMn等元素后提高耐磨等元素后提高耐磨性（性（D547,D557D547,D557等）硬度可达等）硬度可达40HRC40HRC以上。可用于高温以上。可用于高温阀门面和汽轮机叶片的堆焊。该类材料还大量被制备成阀门面和汽轮机叶片的堆焊。该类材料还大量被制备成等离子弧喷涂（熔）和氧乙炔火焰喷涂的粉末材料。用等离子弧喷涂（熔）和氧乙炔火焰喷涂的粉末材料。用于中温高压阀门密封面的堆焊。于中温高压阀门密封面的堆焊。高速钢高速钢我国：我国：W18Cr4VW18Cr4V型，型，C0.7C0.7--1.0%1.0%，美国：，美国：W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2或或W2Mo8Cr4VW2Mo8Cr4V型；组织为莱氏体（型；组织为莱氏体（(Fe.W)C(Fe.W)C66加奥氏体转变加奥氏体转变产物，在产物，在600600℃℃以下，硬度仍能保持以下，硬度仍能保持60HRC60HRC以上。耐磨以上。耐磨性很好，常用于堆焊切削刀具性很好，常用于堆焊切削刀具,,焊前预热焊前预热300300--400400℃℃。要。要尽量避免网状碳化物析出。尽量避免网状碳化物析出。高高铬铸铁堆焊合金铬铸铁堆焊合金C1.5C1.5--5.0%,Cr155.0%,Cr15--35%35%为主，为主，CrCr77CC33加共晶基体（奥氏体加共晶基体（奥氏体（高（高C4C4--5%5%）或马氏体）或马氏体(C2.5%)(C2.5