文档介绍：现代材料表面改性
(Surface Modification of Advanced Materials)
汤宝寅
(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院
现代焊接生产技术国家重点实验室)
第1章现代材料表面改性引言
机械零件失效一般都发生在工作面(表面),因为机械零件相互接触的表面受力最大,最易摩擦磨损、疲劳而失效;零件表面易受外界环境中的水、气、某些化学介质的作用而腐蚀失效。
机械零件由于相互之间的相对运动发生摩擦磨损引起零件工作表面金属不断损失,这称为零件的磨损,磨损引起零件几何尺寸与形状的改变,使零件之间间隙增大,使机械设备丧失精度,导致整个机械设备无法正常工作,这称为零件的磨损失效。
磨损失效有多种形式:粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、微动磨损和疲劳磨损。
粘着磨损:零件在相对运动时,由于固相焊合,接触表面的材料从一个表面转移到另一表面的现象,称为粘着磨损。粘着磨损是轴承磨损失效中最严重的一种。
磨粒磨损:零件的摩擦表面有外来硬颗粒物质,或有接触表面磨损和疲劳剥落的金属细屑,而引起摩擦表面的金属脱落现象称为磨粒磨损。
腐蚀磨损:摩擦表面的金属与周围介质发生化学或电化学反应,而导致的磨损现象,称为腐蚀磨损。
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零件表面与周围环境介质发生化学或电化学反应,而导致的损伤或损坏,称为腐蚀失效,特别在强腐蚀性介质中这情况非常严重。
金属腐蚀按破坏的特性可分为全面腐蚀和局部腐蚀二大类。
全面腐蚀:全面腐蚀又称为均匀腐蚀,它是指腐蚀作用以基本相同的速度在整个金属表面同时进行的。
局部腐蚀:它是指腐蚀作用仅发生在金属的某一局部区域,其它部位基本没有发生腐蚀,或金属某一部位的腐蚀速度比其它部位的腐蚀速度快得多,呈局部破坏状态,如小孔腐蚀(点蚀)、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀、应力腐蚀破坏、腐蚀疲劳等等。
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材料在循环应力和应变作用下,在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。
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其它失效形式有多种,如断裂失效、塑性变形失效等等。
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选用具有更高抗磨损、耐腐蚀、抗疲劳性能的优质材料来制造零件,虽然这是一种有效的措施,但是选用具有更高性能的合金钢会增加零件的制造成本,增加零件加工制造工艺的难度。
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这些措施可提高表面光洁度,降低表面摩擦系数,减少表面承受的应力,减少表面与外界环境的接触,提高零件表面的抗磨损、耐腐蚀、抗疲劳能力,目前制造厂商大多已采用这些措施,进一步提高的谮力不是很大。
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采用现代材料表面改性技术就是在零件表面涂覆一层保护膜,或采用机械、物理、化学等方法,使材料表面的形貌、化学成份、相组成、微观结构、缺陷状态、应力状态得到改变,可非常有效地提高零件表面的抗磨损、耐腐蚀、抗疲劳性能。
近三十多年来,国内外许多学者研究和发明了多种材料表面改性技术,用它们来提高材料表面的抗磨损、耐腐蚀、抗疲劳能力取得了重大进展,并在工业应用中获得巨大成功,使现代材料表面改性技术成为国民经济中的重要产业之一,它在高、精、尖新技术发展中起到越来越重要的作用。
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在这里应当提出,现代材料表面改性技术种类非常多,它们在各自的应用范围内均显示出它的优点。但是由于零件的材质、形状、使用环境、受力状态等不同,每种表面改性技术均有它的局限性,不可能采用相同的表面改性技术。这就要求把各类表面改性技术作为一个系统工程进行优化设计和优化组合,选择适合于某种材质、零件形状、使用环境、受力状态等的一种或几种组合的表面改性技术,使其在具体零件表面改性中发挥出最大的优越性。因此。在实际的材料表面改性过程中,采用的表面改性技术往往是几种技术结合在一起的复合技术,如离子注入与薄膜沉积相结合的技术。
,2现代材料表面改性目的和意义
材料表面改性是指不改变材料整体(基体)特性,仅改变材料近表面层的物理、化学特性的表面处理手段,材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。
现代材料表面改性目的:是把材料表面与基体看作为一个统一的系统进行设计与改性,以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成
份和组织结构,赋予新的复合性能,以新型的功能,实现新的工程应用。
因此,现代材料表面改性一是可以使材料表面获得更好的表面特性,有效地延长零件使用寿命;二是可以用性能较差的合金钢代替优质合金