表面工程总结

第一章 绪论

1.材料失效形式：腐蚀 (Corrosion)、磨损 (Wear)、 疲劳(Fatigue)、 断裂 (Fracture) 2.表面工程技术分类方法（掌握任意一种方法属于的类别）

①表面改性：改变基质材料成分，达到改善性能，不附加膜层。

②表面处理：不改变基质材料成分，只改变基质材料的组织结构和应力，达到改善性能，不附加膜层。

③表面涂覆：在基质上制备涂覆层，涂覆层的材料成分组织应力按照需要制备。

④复合表面技术：综合运用多种表面工程技术，通过各技术间的协同效应改善表面性能。 ⑤纳米表面工程技术：以传统表面技术为基础，纳米材料，纳米技术改进表面性能。

（判断、填空）

第二章 表面覆层形成与结合机理 1.表面原子基本特性 （1）表面上的原子由于配位数少,所以它们缺少相邻的原子,会失去三维结构状态下原子之间作用力的平衡。表面的原子必然存在弛豫、重构等现象。 （2）表面上的原子由于配位数少,最顶层原子有剩余价键。表面原子化学上比较活泼,具有特殊反应能力。（原子的迁移及扩散容易;悬挂键：特殊电子结构;光、电吸收发射；不饱和键：化学催化）

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2.理解各种表面类型的概念（理想、洁净、实际表面等） 理想表面：无限晶体中插入一个平面，分成两部分后形成的表面。自然界很难获得理想表面。 洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但化学成分与体内相同，这种表面称为洁净表面。相对于表面受污染表面和理想表面而言的。（允许有吸附物，只有经过特殊处理方法得到，如高温处理。）

实际表面：暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。 特点：表面粗糙度，表面组织，表面化学成分 3.润湿概念及其判据 LG4.概念：液态钎料与母材接触后，自动铺展的行为。 判据：Young方程cosSGLSLG；

SGLSLiquiSolid

润湿角<90°,润湿；润湿角>90°, 不润湿

4.理解堆焊熔合区性能特点（例题，碳迁移等）（碳迁移必考）

熔合区最大的特征：具有明显的化学不均匀性，从而引起组织的不均匀性。 1）熔合区成分的变化

稀释率，其表达式：d=B/（B+f）；对于堆焊，d值小好。 2）碳迁移过渡层的形成

碳迁移：即碳质量分数在熔合线两侧有突变，在低合金（基材）一侧出现脱碳层，在高合金（堆焊层）一侧出现增碳层。 影响碳迁移的因素：

①固液相碳分配特性：钢铁材料中，碳元素趋向于从固相向液相扩散。

②化学成分：基材中存在较多的碳化物形成元素，碳元素迁移减弱；堆焊金属中存在较多的碳化物形成元素，碳元素迁移增强。

碳元素形成元素（强到弱）：Nb，V，W，Mo，Cr，Mn减小熔合区碳迁移措施：

①堆焊金属中不应含有碳化物形成元素，避免强碳化物形成元素的存在；尽可能的

含有较多非碳化物形成元素，重视Ni的作用，Ni可以显著减少脱碳层与增碳层的宽度。

②对于基材，最好含有强碳化物形成元素。

③当采用较多强碳化物形成元素的堆焊填充金属时，应在正式堆焊前预先在基材上的堆焊

工作面上熔覆一层“隔离层”。

③晶体结构的作用：碳在α-Fe中的活度系数大于在γ-Fe中的活度系数。若基材为α-Fe（bcc），而堆焊层为γ-Fe(fcc),则有利于碳自基材迁移到堆焊层。

④后回火的作用：焊态下，碳迁移并不明显，但再次加热，如多层焊或焊后回火加热，则碳迁移会变得明显。 3）晶界液化现象 4）物理不均匀性 5）残余应力的形成

需要记住的公式：[X]wo=d[X]B+(1-d)[X]f [X]wo—覆层中某元素X应具有的质量分数 [X]B —某元素X在基材中的质量分数

[X]f —某元素X在堆焊填充金属中的原始质量分数。

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第三章 金属表面磨损与腐蚀 1.掌握腐蚀的分类及机理 ①点蚀：

分为两个阶段：蚀孔成核（发生）和蚀孔生长（发展） ②晶间腐蚀：

沿着或紧挨着金属的晶粒边界发生的腐蚀称为晶间腐蚀。

③应力腐蚀：金属在拉应力和特定的介质共同作用下，经过一段时间后，所产生的低应力脆断现象。 ④氢损伤：

由于有氢存在或与氢反应引起的机械破环称为氢损伤。 2.理解各种磨损的概念

①黏着磨损(Adhesive Wear)： 当摩擦面发生相对滑动时，由于固相焊合作用产生粘着点，该点在剪切力作用下变形以致断裂，使材料从一个表面迁移到另一个表面造成的磨损。 ②磨粒磨损：

由于一个表面硬的凸起部分和另一个表面接触，或者在两个摩擦面之间存在着硬的颗粒，或者这些颗粒嵌入两个摩擦面中的一个面里，在发生相对运动后，使两个表面中的某一个面的材料发生位移而造成的磨损。 ③疲劳磨损：

接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，在表面层将引发疲劳裂纹，并逐步扩展，最后裂纹以上的的材料断裂剥落。 ④腐蚀磨损：

摩擦表面与周围介质发生化学反应而生成腐蚀产物，进一步摩擦后这些腐蚀产物会被磨去，如此重复所造成的材料损伤称为腐蚀磨损。 ⑤冲蚀磨损：

金属表面由于外来物体（流体、汽蚀和固体颗粒）的连续高速冲击而引起的磨损。 ⑥微动磨损：

机械零件配合较紧的部位，在载荷和一定的频率振动条件下，当相互接触的两个固体表面以小振幅(一般小于100μm)振动而相互作用时，使零件表面发生微小滑动而引起的磨损。 ⑦复合式磨损：

黏着磨损、腐蚀磨损、磨粒磨损、疲劳磨损。 粘着磨损和磨粒磨损，都起因于固体表面间的直接接触。如果摩擦副两对偶表面被一层连续不断的润滑膜隔开，而且中间没有磨粒存在时，上述两种磨损则不会发生。

表面疲劳磨损，即使有良好的润滑条件，磨损仍可能发生。因此，可以说这种磨损一般是难以避免的。

3.掌握疲劳的概念。 (1)疲劳的破坏过程：

变动应力→薄弱区域的组织→逐渐发生变化和损伤累积、开裂→裂纹扩展→突然断裂。 (2)疲劳破坏：循环应力引起的延时断裂，断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。

(3)疲劳寿命：机件疲劳失效前的工作时间。

(4)疲劳断裂：经历了裂纹萌生和扩展过程。断口上显示出疲劳源、疲劳裂纹扩展区与瞬时断裂区的特征。

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4.掌握表征疲劳应力循环特征的各种参量，会绘制疲劳的载荷-时间图谱。（考查方式：通过图计算或画图）

①最大循环应力σmax， 最小循环应力σmin； ②平均应力

σm＝(σmax+σmin)/2； ③应力幅σα或应力范围Δσ： σα=Δσ/2= (σmax-σmin)/2； ④应力比

r＝σmin/σmax。 ⑤载荷谱：

载荷-时间历程曲线 5.了解失效分析的过程

①取样②宏观特征观察③微观组织分析④力学性能分析⑤受力情况分析⑥环境因素分析⑦结论

第四章 热喷涂

1.掌握各种热喷涂方法的分类，原理、应用特点，熟知各种热喷涂方法的适用范围（判断）。

粉末火焰喷涂可以喷涂多种金属、合金、金属陶瓷、塑料粉末、复合粉末、部分陶瓷粉末。不能喷涂高熔点陶瓷及难熔金属和合金。 超音速火焰喷涂比等离子喷涂和电弧喷涂低，且颗粒在焰流中的飞行时间短，因而粉末的氧化、烧损小，特别适合喷涂碳化物等易氧化粉末材料。无法熔融高熔点陶瓷粉末。若喷涂金属或合金粉末，则成本太高，体现不出优越性。（碳化钨）

等离子喷涂基本上所有材料都适用。

爆炸喷涂效率非常低，运行成本高，只用于含碳化物涂层的喷涂。 喷涂工艺的选择原则

①对涂层结合力要求不高，喷涂材料熔点<2500℃，可采用火焰喷涂。 ②对涂层性能要求较高，喷涂高熔点材料时时，应采用等离子喷涂。 ③工程量大的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂。

④要求高结合力、低孔隙度的金属、合金及以某些金属陶瓷涂层可采用超音速火焰喷涂。 ⑤对于批量大的工件，宜采用自动喷涂。 2.热喷涂界面的结合机理（判断或填空） ①机械结合②物理结合③冶金-化学结合

3.氧化锆粉末的应用限制及解决方法。（考的几率较大） 应用限制：纯氧化锆不能用作热障涂层材料，高温下氧化锆的晶型转变伴随着较大的不可逆体积变化，形成很大的热应力，会造成涂层剥落。单斜晶体→四方晶体

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解决办法（列举两种）：①加氧化钙：CaO具有立方晶体结构，掺入ZrO2晶体中，能使ZrO2的晶型由单斜晶系转变为稳定的立方晶系。 ②加氧化镁：和CaO一样。③加氧化钇：Y2O3是重稀土金属元素钇的氧化物，熔点高达2410℃，在高温氧化性气氛和还原性气氛中化学性能都十分稳定。用Y2O3作为稳定剂掺入ZrO2晶体中，能使ZrO2在高温下形成稳定化或半稳定化的晶体结构。 4.工艺过程

第五章 堆焊

1.堆焊方法的本质及界面结合机理。 本质：本质是靠金属键的价健力而结合 界面结合机理：化学冶金结合

2.掌握钢体系中堆焊时，各种元素的作用。

①耐磨性的提高，依赖于C对基体的强化和碳化物的形成。

② W、V、Cr及Mo都可以形成碳化物，是提高耐磨性的重要元素。

③Cr、Mn、Ni是奥氏体稳定元素，适当的提高其含量，在堆焊组织中有利于残A的形成可以提高堆焊层的韧性、塑性、抗冲击、抗疲劳等性能。 ④Mo和V具有弥散强化和细化晶粒的作用。 3.堆焊工艺参数（填空）

①堆焊电流②电弧电压③堆焊速度④焊丝直径⑤焊剂颗粒大小⑥电流种类及极性⑦焊丝干伸长⑧焊丝和工件的倾斜 第六章 激光

1.理解激光产生的原理（粒子数反转概念，及其与激光产生的关系） 2.⑴ 处于平衡态的原子系统，各能级上的粒子服从玻尔兹曼分布。

⑵ 由于受激辐射几率和受激吸收几率相同，因此当外来光子作用于粒子系统时，从总体上讲，受激吸收几率高于受激辐射几率。因此，外来光子得不到光放大。

⑶ 通常只能看到原子系统的吸收现象（光减弱），看不到受激辐射现象（光增强）。 要使受激辐射超过受激吸收，必须使系统处于高能态的粒子数（N2）多于低能态的粒子数（ N1），即N2> N1。而这种分布称之为粒子数反转。

因此，如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。 2.激光与物质作用（三种，区别，异同）

①自发辐射：⑴ 一种纯自发产生的过程；⑵ 辐射光子频率符合普朗克公式；⑶ 自发辐射的光子是不相关的，即虽然频率相同，但是相位、方向、偏振不同； ②受激吸收：指的是处于较低能级上的粒子受到外来光子的激励而从较低能级向较高能级跃迁的一个过程。受激吸收不仅与粒子系统本身有关，而且与外来光子有关，外来光子越多，受激吸收越多。

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③受激辐射：是受激吸收的逆过程。指的是处于较高能级上的粒子受到外来光子的激励，便从高能级向低能级跃迁，同时向外辐射一个与外来光子完全相同（完全相同不仅是频率相同，而且相位、偏振、方向也相同。具有光放大作用。）的光子，这样的过程称之为受激辐射。 受激辐射和自发辐射都能发出光子，但其物理本质不一样。受激辐射是外来光子引起的，而自发辐射却是自发产生的；受激辐射所产生的光子和外来光子完全一样，即光子的方向、频率、相位以及偏振方向都一样，而自发辐射不具备这些特性。 3.激光熔覆的工艺过程，组织特征，缺陷及防治方法。 工艺过程：

预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置熔覆材料---预热---激光熔化---后热处理。

同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---送料激光熔化---后热处理。 按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。

组织特征：组织细小，形成过饱和固溶体，甚至出现亚稳相或者非晶等。 (1)裂纹及防止方法 产生原因：① 熔覆材料和基体材料的热物理性能存在较大的差异；快速加热和快速冷却过程，易产生较大的热应力；② 基体材料和熔覆材料在结构上差异较大，两者的润湿性和匹配性不好，使得结合强度降低。 解决方法：① 选材时尽可能选用和基体材料热膨胀系数相近的材料；② 引入梯度材料设计的相关理论，在基体和工作层之间引入过度层，必要时引入多层结构。 (2)气孔及防治方法

熔覆过程中产生的气孔主要有两种：① 熔覆粉末在激光熔覆前由于氧化、受潮，或者熔覆粉末中本身含有结晶水，则会在激光熔覆过程中产生气体。防治此类气孔的方法是熔覆前对粉末进行烘干，并选择不易氧化的粉末作为熔覆材料；② 熔覆材料中的金属粉末与空气反应产生气孔，这就需要做好保护气体的参数设置并且调整工艺参数，尽量延长熔池的存在时间，使得气体可以排除。 (3)氧化和烧损

由于激光熔覆时，表面温度很高，因此很有可能出现氧化和烧损现象。激光熔覆过程中氧的主要来源主要有：① 熔覆材料本身被氧化；② 涂层熔覆时混入少量的空气；③ 外界大气中的氧；其中前两种不是主要问题，后一种虽然可以通过加强保护予以防止，但实际操作过程中很难根除。因此在做好保护的同时，选择熔覆粉末时，最好选择自熔性合金粉末。所谓自熔性合金粉末，指的是自身能起熔剂作用的合金粉末，熔覆过程中具有脱氧性能和自造渣性能，能产生并浮于熔池表面。

注：带上计算器

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