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1、机械工业出版社,教学事项,6,材料表面工程,特点:内容多、叙述多、学时少。环节：教材讲课作业复习,辅导考核,学习方法：着重理解教学内容，尽量避免死记硬背；内容多，每章要及时跟上消化；利用多媒体帮助加深理解；考试方式：闭卷统考。,材料：是指经过某种加工，具有一定结构、成分和性 能，并可应用于一定用途 的物质。,一般把来自采掘工业和 农业的劳动对象称为“原 料”，把经过工业加工的 原料成为“材料”。,哥伦比亚号航 机,7,材料表面工程,材料是人类生产和生活 所必须的物质基础。,手 锤,锉刀,“神舟”四号飞船成功返 回,国产涡喷-7涡轮喷气发动机,8,材料表面工程,2003 Brooks/Cole

2、Publishing/Thomson Learning,9,材料表面工程,材料科学是一个 跨物理、化学等 的学科。材料科 学的核心问题是 材料的成分（Composition）、组织结构,（Structure）、工艺（Processing Technology）和 性能（Property）以及它们之间的 关系。右图为材 料科学与工程四 要素。,第一章 绪论,10,材料表面工程,表面工程技术的定义 定义：表面工程是指利用各种表面处理、表面涂层 和表面改性技术作用于材料或工件的表面以获得预 想的性能。表面工程包含了从设计、选材、表面处理工 艺、表层质量控制与检测、工程应用以及失效分析 等，是一个系统

3、工程。,表面工程技术的目的,11,材料表面工程,表面工程技术的主要目的：就是在于通过表面处理使材料表面按人们希望的 性能进行改变。具体说：表面工程技术是在不改变基体材料的 成分、不削弱基体材料的强度的条件下，通过物理手段或 化学手段赋予材料表面以特殊的性能，从而满足工程技术 上对材料提出的要求的技术。,表面工程技术的重要性,1.表面技 术可以减 缓和消除 金属材料 和零部件 表面的变 化和损伤,在自然界和工程实践中，金属机器设备和零部件 需要承受各种外界负荷，并产生形式多样、程度 不一的表面变化及损伤。工程材料和零部件的表 面往往存在微观缺陷或宏观缺陷。表面缺陷和损伤处成为降低材料力学性能、耐

4、蚀 性能及耐磨性能的发源地。使用表面技术减缓材料表面变化及损伤，掩盖表 面缺陷，可以提高材料及其零部件使用的可靠性，延长服役寿命。,12,材料表面工程,2.普通的 廉价的材 料经过表 面技术处 理后可以 获得具有 特殊功能 的表面,13,材料表面工程,使用表面技术在普通的廉价的材料表面获得某些 稀贵金属（如金、铂、钽等）和战略元素（如镍、钴、铬）具有的特殊功能，从而可以节约这些金属材料。比如在Cu中加入Cr可以提高铜的耐腐蚀性能。从 Cr-Cu相图可知，用一般的冶金方法不可能产生 出Cr浓度高于1%的单相铜合金。用激光表面合金 化工艺可以在Cu表面获得原子浓度为8%、厚约 240nm的表面合金

5、层，使耐蚀性大大提高。,表面工程技术的重要性,3.表面技 术可用于 节约能源，降低成本，改善环境,在工件表面制备具有优良性能的涂层，可以达,14,材料表面工程,到提高热效率，降低能源消耗的目的。用先进的表面技术代替污染大的一些技术，可 以改善作业环境质量。零件的磨损、腐蚀和疲劳现象发生在表面，通 过表面的修复、强化，而不必整体改变材料，使材料物尽其用，可以显著地节约材料。表面工程技术可以补救加工超差废品，节约能 源和材料,表面工程技术的重要性,4.表面技 术是再制 造工程不 可缺少的 手段,再制造工程：对因磨损、腐蚀、疲劳、断裂等原 因造成的重要零部件的局部失效部位，采用先进 的表面工程技术，

6、优质、高效、低成本、少污染 地恢复其尺寸并改善其性能的系统性的技术工作。再制造工程可以大量地节省因购置新品、库存备 件和管理以及停机等所造成的对能源、原材料和 经费的浪费，并极大地减少了环境污染及废物的 处理。,15,材料表面工程,表面工程技术的重要性,5.表面技 术在发展 新兴技术 和学术研 究中起着 不可忽视 的作用,发展新兴技术需要大量具有特殊功能的材料，包 括薄膜材料和复合材料，如薄膜光电器件、导电 涂层、光电探测器、液晶显示装置、超细粉末、高纯材料、高强高韧性的结构陶瓷等。在这些方 面，现代表面技术可以发挥重大的作用。,16,材料表面工程,表面工程新技术的发展，不仅有重大的经济意 义

7、，而且具有重大的学术价值。表面技术的开 发与完善有力地促进了材料科学、冶金学、机 械学、机械制造工艺学以及物理学、化学等基 础学科的发展。,表面工程技术的重要性,改善或赋予表面各种性能表面工程以最经济和最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，或赋予材料一种全新的表面。一方面它可有效地改善和提高材料和产品的性能（耐蚀、耐磨、装饰性），确保产品使用的可靠性和安全性，延长使用寿命，节约资源和能源，减少环境污染；另一方面还可 赋予材料和器件特殊的物理和化学性能。A:节约材料：黄金奖杯镀金镀TiN薄膜化学染黄 模具：提高寿命整体合金化表面处理,17,材料表面工程,B:难加工：C:性

8、能差：D:耐磨损：E:耐腐蚀：,纯陶瓷模具极难加工表面涂层 纯陶瓷模具韧性不足表面涂层TiN,TiC燃气轮机叶片的高温微粒流磨损 NiP世界上钢铁腐蚀报废量惊人,F:耐高温、抗氧化：Al2O3、（Ti,Al）N，发电机组，600 以上每提高10 其热效率提高15-20%左右。G:太阳能吸热器：Co-Al2O3，吸收率达95%。H:氧传感器：TiO2、ZrO2，汽车尾气净化与发动机油-气控制。国外发展趋势：薄膜化、小型化。I:装饰：TiN系列：金黄桔红-粉红；茶色玻璃。其应用已经深入到我们的日常生活，无处不在。,表面工程技术的作用,表面工程技术的分类,18,材料表面工程,一、电化学方法（一）电镀

9、如镀铜、镀镍等。（二）氧化如钢铁的发蓝处理。二、化学方法（一）化学转化膜处理 如金属表面的磷化、钝化、铬盐处理等。（二）化学镀 如化学镀镍、化学镀铜等。三、热加工方法（一）热浸镀 如热镀锌、热镀铝等。（二）热喷涂 如热喷涂锌、热喷涂涂铝等。（三）热烫印 如热烫印铝箔等。（四）化学热处理 如渗氮、渗碳等。（五）堆焊 如堆焊耐磨合金等。四、真空法（一）物理气相沉积（PVD）如蒸发镀、溅射镀、离子镀等。（二）离子注入 如注硼等。（三）化学气相沉积（CVD）如气相沉积氧化硅、氮化硅等。五、其它方法主要是机械的、化学的、电化学的、物理的方法。其中的主要方法是。（一）涂装（二）冲击镀（三）激光表面处理（四

10、）超硬膜技术（五）电泳及静电喷涂电泳,材料表面工程,按学科特点：利用外来元素与基材元素相混合，形成成分不同于基材和添加材料的表面新材料。1）表面合金化技术喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆、热渗镀。表面覆盖和覆膜技术不改变基材的成分，利用外加涂层或镀 层的性能使基材表面性能优化。热喷镀、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、金属染色。表面组织转化激光表面淬火、电子束热处理、喷丸、滚压。,不改变材料的表面成分，只是通过改变其组织结构特性或应 力状况来改变材料的性能。,表面工程技术的分类,19,按工艺特点分,电镀、化学镀、热渗 镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面彩色、气相沉积、“三束”改性

11、以及表 面热处理、形变强化 和衬里等13类,表面工程技术的分类,20,材料表面工程,基于技术特点的分类,21,材料表面工程,22,材料表面工程,陶瓷,高分子,金属材料层；陶瓷材料层；高分子材料层复合材料层金属复合材料,23,材料表面工程,基于材料的分类,表面工程技术发展概况,24,材料表面工程,25,兽形盒砚，东汉制，出土于1980 年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬 品，由石砚、盒身、盒盖三部分 组成材料表面工程,“承旋”，酒器，东汉建武年 间，现藏于北京故宫博物院,中国古代的鎏金工艺,表面工程技术源远流长,25,剑锷锋芒犀利锋能割断头发材料表面工程,春秋晚期越国青铜兵器（出土于湖北江陵楚墓）,长

12、55.7厘米,26,材料表面工程,越王勾,27,材料表面工程,春秋战国时代的 青铜剑，剑身及 剑锋由不同成分 的青铜组成，是 复合材料很好的 例子,梯度材料古已有之,这是古代剑刃截,28,材料表面工程,日本刀的覆土烧刃,世界三大名刃之一,表面工程技术源远流长,29,1.古代的表面处理中国中心之国 两千年前，秦兵马俑已应用了渗碳、镀铬技术。越王勾践，卧薪尝胆。其剑现仍锋利无比，表面处理？,传统与现代 固体渗碳气体渗碳可控气氛渗碳真空离子渗碳 火焰淬火高频淬火激光淬火电子束淬火等离子技术1928年，郎缪尔（Langmirr）发现等离子体1963年，离子镀膜技术得到应用,表面工程技术发展概况,30,

13、材料表面工程,20世纪70年代开始使用激光和电子束进行表面淬火。激光和电子激光和电子束加热，由于能量集中，加热层薄，靠 束表面淬火自激冷却，因而淬火变形很小，无需淬火介质，有利于环境保护，便于实现自动化。激光、电子束用 于表面加热后，使表面强化技术超出热处理范畴，可以通过熔化-结晶过程，熔融合金化-结晶过程，熔化-非晶态过程，使硬化层的结构与性能发生很大 变化。,31,材料表面工程,表面工程技术发展概况,PVD技术由最初的真空蒸镀，到1963年的离子镀 技术的应用，70年代末由于磁控溅射的出现，使 溅射技术有了新的突破。磁控溅射得到迅速的推 广应用。在环境保护方面，磁控溅射优于一些湿 法电镀工

14、艺。,物理气 相沉积,32,材料表面工程,表面工程技术发展概况,CVD技术用于金属表面硬化，始于20世纪50年代初，最早的应用是在钢上涂覆TiC，后来沉积在模具钢和 高速钢上。由于CVD技术的化学反应温度过高，而使 其应用范围受到了限制。后来相继开发了MTCVD法（中温化学气相沉积）、PCVD法（等离子体增强化学气 相沉积）、LCVD法（激光化学气相沉积）等技术。,化学气 相沉积,33,材料表面工程,表面工程技术发展概况,1983年 表面工程的概念被首次提出1986年 国际热处理联合会更名为国际热处理与 表面工程联合会,34,材料表面工程,1987年,1988年,中国机械工程学会表面工程研究所

15、成立表面工程杂志创刊，后更名为中,国表面工程2000年全国焊接学会原“堆焊与热喷涂专业委 员会”正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。,表面工程形成一门独立的学科,材料表面工程是一门新兴的边缘学科,材料表面工程是一门很新的边缘学科，它不但涉 及到诸如表面物理学 表面化学 金属学陶瓷、高分子学 传热学传质学等多个学科的理论，而且其本身也融入了诸多学科的新技术。,35,材料表面工程,第三章热喷涂技术,定义：热喷涂是将喷涂材料加热到熔融或半熔融 状态，用高速气流将其雾化、加速，使其高速 喷射到工件表面形成具有特殊性能的涂层。,36,材料表面工程,热喷涂TiC,37,材料表面工程,第一节热喷涂的原理及分类,1.1 热喷涂的基本 原理一、基本过程加热、加速、熔化（颗粒状）雾化（10-100 m），再加速-形成高速粒子流。熔融与半熔