1、表面工程（swjtu）第一章 緒論1.材料失效形式：腐蝕 (Corrosion)、磨損 (Wear)、 疲勞(Fatigue)、 斷裂 (Fracture) 2.表面工程技術分類方法（掌握任意一種方法屬于的類別）表面改性：改變基質材料成分，達到改善性能，不附加膜層。表面處理：不改變基質材料成分，只改變基質材料的組織結構和應力，達到改善性能，不附加膜層。表面涂覆：在基質上制備涂覆層，涂覆層的材料成分組織應力按照需要制備。復合表面技術：綜合運用多種表面工程技術，通過各技術間的協同效應改善表面性能。納米表面工程技術：以傳統表面技術為基礎，納米材料，納米技術改進表面性能。（判斷、填空）第二章 表面覆層

2、形成與結合機理1.表面原子基本特性（1）表面上的原子由于配位數少,所以它們缺少相鄰的原子,會失去三維結構狀態下原子之間作用力的平衡。表面的原子必然存在弛豫、重構等現象。（2）表面上的原子由于配位數少,最頂層原子有剩余價鍵。表面原子化學上比較活潑,具有特殊反應能力。（原子的遷移及擴散容易;懸掛鍵：特殊電子結構;光、電吸收發射；不飽和鍵：化學催化）2.理解各種表面類型的概念（理想、潔凈、實際表面等）理想表面：無限晶體中插入一個平面，分成兩部分后形成的表面。自然界很難獲得理想表面。潔凈表面：材料表層原子結構的周期性不同于體內，但化學成分與體內相同，這種表面稱為潔凈表面。相對于表面受污染表面和理想表面

3、而言的。（允許有吸附物，只有經過特殊處理方法得到，如高溫處理。）實際表面：暴露在未加控制的大氣環境中的固體表面，或者經過一定加工處理（如切割、研磨、拋光、清洗等），保持在常溫和常壓（也可能在低真空或高溫）下的表面。 特點：表面粗糙度，表面組織，表面化學成分Liquid dropletSolid surface3. 潤濕概念及其判據概念：液態釬料與母材接觸后，自動鋪展的行為。判據：Young方程；潤濕角<90°,潤濕；潤濕角>90°, 不潤濕4.理解堆焊熔合區性能特點（例題，碳遷移等）（碳遷移必考）熔合區最大的特征：具有明顯的化學不均勻性，從而引起組織的不均勻性。

4、1）熔合區成分的變化稀釋率，其表達式：d=B/（B+f）；對于堆焊，d值小好。2） 碳遷移過渡層的形成碳遷移：即碳質量分數在熔合線兩側有突變，在低合金（基材）一側出現脫碳層，在高合金（堆焊層）一側出現增碳層。影響碳遷移的因素：固液相碳分配特性：鋼鐵材料中，碳元素趨向于從固相向液相擴散。化學成分：基材中存在較多的碳化物形成元素，碳元素遷移減弱；堆焊金屬中存在較多的碳化物形成元素，碳元素遷移增強。碳元素形成元素（強到弱）：Nb，V，W，Mo，Cr，Mn減小熔合區碳遷移措施： 堆焊金屬中不應含有碳化物形成元素，避免強碳化物形成元素的存在；盡可能的含有較多非碳化物形成元素，重視Ni的作用，Ni可以顯著

5、減少脫碳層與增碳層的寬度。對于基材，最好含有強碳化物形成元素。當采用較多強碳化物形成元素的堆焊填充金屬時，應在正式堆焊前預先在基材上的堆焊工作面上熔覆一層“隔離層”。晶體結構的作用：碳在-Fe中的活度系數大于在-Fe中的活度系數。若基材為-Fe（bcc），而堆焊層為-Fe(fcc),則有利于碳自基材遷移到堆焊層。后回火的作用：焊態下，碳遷移并不明顯，但再次加熱，如多層焊或焊后回火加熱，則碳遷移會變得明顯。3）晶界液化現象4）物理不均勻性5）殘余應力的形成需要記住的公式：Xwo=dXB+(1-d)XfXwo覆層中某元素X應具有的質量分數XB 某元素X在基材中的質量分數Xf 某元素X在堆焊填充金屬

6、中的原始質量分數。第三章 金屬表面磨損與腐蝕1.掌握腐蝕的分類及機理點蝕：分為兩個階段：蝕孔成核（發生）和蝕孔生長（發展）晶間腐蝕：沿著或緊挨著金屬的晶粒邊界發生的腐蝕稱為晶間腐蝕。應力腐蝕：金屬在拉應力和特定的介質共同作用下，經過一段時間后，所產生的低應力脆斷現象。氫損傷：由于有氫存在或與氫反應引起的機械破環稱為氫損傷。2.理解各種磨損的概念黏著磨損(Adhesive Wear)：當摩擦面發生相對滑動時，由于固相焊合作用產生粘著點，該點在剪切力作用下變形以致斷裂，使材料從一個表面遷移到另一個表面造成的磨損。磨粒磨損：由于一個表面硬的凸起部分和另一個表面接觸，或者在兩個摩擦面之間存在著硬的顆粒

7、，或者這些顆粒嵌入兩個摩擦面中的一個面里，在發生相對運動后，使兩個表面中的某一個面的材料發生位移而造成的磨損。疲勞磨損：接觸體相對滾動或滑動時，在接觸區形成的循環應力超過材料的疲勞強度的情況下，在表面層將引發疲勞裂紋，并逐步擴展，最后裂紋以上的的材料斷裂剝落。腐蝕磨損：摩擦表面與周圍介質發生化學反應而生成腐蝕產物，進一步摩擦后這些腐蝕產物會被磨去，如此重復所造成的材料損傷稱為腐蝕磨損。沖蝕磨損：金屬表面由于外來物體（流體、汽蝕和固體顆粒）的連續高速沖擊而引起的磨損。微動磨損：機械零件配合較緊的部位，在載荷和一定的頻率振動條件下，當相互接觸的兩個固體表面以小振幅(一般小于100m)振動而相互作用

8、時，使零件表面發生微小滑動而引起的磨損。復合式磨損：黏著磨損、腐蝕磨損、磨粒磨損、疲勞磨損。粘著磨損和磨粒磨損，都起因于固體表面間的直接接觸。如果摩擦副兩對偶表面被一層連續不斷的潤滑膜隔開，而且中間沒有磨粒存在時，上述兩種磨損則不會發生。表面疲勞磨損，即使有良好的潤滑條件，磨損仍可能發生。因此，可以說這種磨損一般是難以避免的。3.掌握疲勞的概念。(1)疲勞的破壞過程： 變動應力薄弱區域的組織逐漸發生變化和損傷累積、開裂裂紋擴展突然斷裂。(2)疲勞破壞：循環應力引起的延時斷裂，斷裂應力水平往往低于材料的抗拉強度，甚至低于其屈服強度。(3)疲勞壽命：機件疲勞失效前的工作時間。(4)疲勞斷裂：經歷了

9、裂紋萌生和擴展過程。斷口上顯示出疲勞源、疲勞裂紋擴展區與瞬時斷裂區的特征。4.掌握表征疲勞應力循環特征的各種參量，會繪制疲勞的載荷-時間圖譜。（考查方式：通過圖計算或畫圖）最大循環應力max， 最小循環應力min； 平均應力 m(max+min)/2； 應力幅或應力范圍： =/2= (max-min)/2； 應力比 rmin/max。 載荷譜： 載荷-時間歷程曲線5.了解失效分析的過程取樣宏觀特征觀察微觀組織分析力學性能分析受力情況分析環境因素分析結論第四章 熱噴涂1.掌握各種熱噴涂方法的分類，原理、應用特點，熟知各種熱噴涂方法的適用范圍（判斷）。 粉末火焰噴涂可以噴涂多種金屬、合金、金屬陶瓷

10、、塑料粉末、復合粉末、部分陶瓷粉末。不能噴涂高熔點陶瓷及難熔金屬和合金。 超音速火焰噴涂比等離子噴涂和電弧噴涂低，且顆粒在焰流中的飛行時間短，因而粉末的氧化、燒損小，特別適合噴涂碳化物等易氧化粉末材料。無法熔融高熔點陶瓷粉末。若噴涂金屬或合金粉末，則成本太高，體現不出優越性。（碳化鎢）等離子噴涂基本上所有材料都適用。爆炸噴涂效率非常低，運行成本高，只用于含碳化物涂層的噴涂。噴涂工藝的選擇原則對涂層結合力要求不高，噴涂材料熔點<2500，可采用火焰噴涂。對涂層性能要求較高，噴涂高熔點材料時時，應采用等離子噴涂。工程量大的金屬噴涂施工最好采用電弧噴涂。要求高結合力、低孔隙度的金屬、合金及以某

11、些金屬陶瓷涂層可采用超音速火焰噴涂。對于批量大的工件，宜采用自動噴涂。2.熱噴涂界面的結合機理（判斷或填空）機械結合物理結合冶金-化學結合3.氧化鋯粉末的應用限制及解決方法。（考的幾率較大）應用限制：純氧化鋯不能用作熱障涂層材料，高溫下氧化鋯的晶型轉變伴隨著較大的不可逆體積變化，形成很大的熱應力，會造成涂層剝落。單斜晶體四方晶體解決辦法（列舉兩種）：加氧化鈣：CaO具有立方晶體結構，摻入ZrO2晶體中，能使ZrO2的晶型由單斜晶系轉變為穩定的立方晶系。 加氧化鎂：和CaO一樣。加氧化釔：Y2O3是重稀土金屬元素釔的氧化物，熔點高達2410，在高溫氧化性氣氛和還原性氣氛中化學性能都十分穩定。用Y

12、2O3作為穩定劑摻入ZrO2晶體中，能使ZrO2在高溫下形成穩定化或半穩定化的晶體結構。4.工藝過程第五章 堆焊1.堆焊方法的本質及界面結合機理。本質：本質是靠金屬鍵的價健力而結合界面結合機理：化學冶金結合2.掌握鋼體系中堆焊時，各種元素的作用。耐磨性的提高，依賴于C對基體的強化和碳化物的形成。 W、V、Cr及Mo都可以形成碳化物，是提高耐磨性的重要元素。Cr、Mn、Ni是奧氏體穩定元素，適當的提高其含量，在堆焊組織中有利于殘A的形成可以提高堆焊層的韌性、塑性、抗沖擊、抗疲勞等性能。Mo和V具有彌散強化和細化晶粒的作用。3.堆焊工藝參數（填空）堆焊電流電弧電壓堆焊速度焊絲直徑焊劑顆粒大小電流種

13、類及極性焊絲干伸長焊絲和工件的傾斜第6章 激光1. 理解激光產生的原理（粒子數反轉概念，及其與激光產生的關系） 處于平衡態的原子系統，各能級上的粒子服從玻爾茲曼分布。 由于受激輻射幾率和受激吸收幾率相同，因此當外來光子作用于粒子系統時，從總體上講，受激吸收幾率高于受激輻射幾率。因此，外來光子得不到光放大。 通常只能看到原子系統的吸收現象（光減弱），看不到受激輻射現象（光增強）。 要使受激輻射超過受激吸收，必須使系統處于高能態的粒子數（N2）多于低能態的粒子數（ N1），即N2> N1。而這種分布稱之為粒子數反轉。 因此，如何從技術上實現粒子數反轉是產生激光的必要條件。2.激光與物質作用（

14、三種，區別，異同）自發輻射： 一種純自發產生的過程； 輻射光子頻率符合普朗克公式； 自發輻射的光子是不相關的，即雖然頻率相同，但是相位、方向、偏振不同；受激吸收：指的是處于較低能級上的粒子受到外來光子的激勵而從較低能級向較高能級躍遷的一個過程。受激吸收不僅與粒子系統本身有關，而且與外來光子有關，外來光子越多，受激吸收越多。受激輻射：是受激吸收的逆過程。指的是處于較高能級上的粒子受到外來光子的激勵，便從高能級向低能級躍遷，同時向外輻射一個與外來光子完全相同（完全相同不僅是頻率相同，而且相位、偏振、方向也相同。具有光放大作用。）的光子，這樣的過程稱之為受激輻射。 受激輻射和自發輻射都能發出光子，但

15、其物理本質不一樣。受激輻射是外來光子引起的，而自發輻射卻是自發產生的；受激輻射所產生的光子和外來光子完全一樣，即光子的方向、頻率、相位以及偏振方向都一樣，而自發輻射不具備這些特性。3.激光熔覆的工藝過程，組織特征，缺陷及防治方法。工藝過程：預置式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預處理-預置熔覆材料-預熱-激光熔化-后熱處理。 同步式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預處理-送料激光熔化-后熱處理。 按工藝流程，與激光熔覆相關的工藝主要是基材表面預處理方法、熔覆材料的供料方法、預熱和后熱處理。 組織特征：組織細小，形成過飽和固溶體，甚至出現亞穩相或者非晶等。(1)裂紋及防止方法 產生原

16、因： 熔覆材料和基體材料的熱物理性能存在較大的差異；快速加熱和快速冷卻過程，易產生較大的熱應力； 基體材料和熔覆材料在結構上差異較大，兩者的潤濕性和匹配性不好，使得結合強度降低。 解決方法： 選材時盡可能選用和基體材料熱膨脹系數相近的材料； 引入梯度材料設計的相關理論，在基體和工作層之間引入過度層，必要時引入多層結構。(2)氣孔及防治方法 熔覆過程中產生的氣孔主要有兩種： 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結晶水，則會在激光熔覆過程中產生氣體。防治此類氣孔的方法是熔覆前對粉末進行烘干，并選擇不易氧化的粉末作為熔覆材料； 熔覆材料中的金屬粉末與空氣反應產生氣孔，這就需要做好保護氣體的參數設置并且調整工