第1章 绪论-石油大学

表面工程主讲：于思荣

韩彬机电工程学院材料科学与工程系电话：182666399282/3/20231课程的目的与意义：

《表面工程》是一门介绍“材料表面改性和强化”方面的课程，阐述了表面工程的基本概念和理论，分别论述了表面工程中所涉及的各类处理技术。目的：掌握各种表面处理技术的基本原理；能合理选择并应用各种表面工程技术；选择所用材料和制定最佳工艺；研究与开发表面工程新技术；为将来从事这方面的工作或研究打下扎实的基础。2/3/20232第一章：绪论2学时第二章：表面科学基础4学时第三章：表面热处理与化学热处理2学时第四章：热喷涂8学时第五章：电镀与化学镀2学时第六章：化学转化膜2学时第七章：涂料及涂装2学时第八章：气相沉积2学时第九章：高能束表面改性6学时第十章：表面分析与测试2学时1.教学内容（32学时/2学分）2/3/202332.教材及参考资料[1]曾晓雁,吴懿平.表面工程学.机械工业出版社,2007。[2]钱苗根,等.现代表面技术.机械工业出版社,2002.[3]徐滨士.神奇的表面工程.清华大学出版社,2000.TG17-49/1[4]刘新田.表面工程.河南大学出版社,2000.[5]赵文轸.金属材料表面新技术.西安交通大学出版社,1992.TG139/6[6]董允,等.现代表面工程技术.机械工业出版社,2000.TG17/29[7]徐滨士,刘世参.表面工程.机械工业出版社,2002.TG174.4/3[8]姚寿山,等.表面科学与技术.机械工业出版社,2005.TG174.4/5[9]姜银方.现代表面工程技术.化学工业出版社,2006.TG17/48[10]李金桂.现代表面工程设计手册.国防工业出版社,2000.TG17/30[11]刘江南.金属表面工程学.兵器工业出版社,1995.TG17/242/3/202344.成绩评定方式：期末考试(70%)

平时(30%)(出勤、课堂讨论、作业、实验)3.教学方法：上课（多媒体+板书）课堂讨论（Presentation）2/3/20235表面工程第一章绪论2/3/2023主要内容1.1表面工程技术的概念1.2表面工程技术的意义和目的1.3表面工程技术的发展1.4表面工程技术的应用1.5表面工程技术的分类2/3/202371.1表面工程技术的概念表面工程学是材料科学与工程中发展最快的学科之一。现有的表面工程技术种类繁多，但在最初它们分属不同学科，如：1）金属材料学←—化学热处理、表面淬火技术；2）化学或化工←—电镀与电刷镀、涂装技术；3）物理电子学←—真空镀膜、离子镀。2/3/202381、表面工程技术的定义

定义：为满足特定的工程需要，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺，称表面工程技术。2/3/202392、表面工程技术的内涵

1）表面改性技术：能提高零部件表面耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能或装饰零部件表面、或使材料表面具有各种特殊功能的有关工程技术。2）表面加工技术：能在材料表面加工、制作各种功能结构的有关技术。3）表面合成材料技术：借助各种手段在材料表面合成新材料的技术。4）表面加工三维合成技术：快速成型技术。5）两种或两种以上上述技术的组合。2/3/202310表面工程技术的特点涉及的研究领域增大。由单纯的表面改性扩展到表面加工和新材料合成。涉及的研究对象增加。由“结构材料”扩展到“功能材料”。学科涵盖面变宽。包括材料、物理、化学、冶金、机械、电子、生物等，是名副其实的交叉学科。涉及的基材面变广，几乎包括了所有的工程材料：（1）金属；（2）陶瓷；（3）半导体；（4）高分子；（5）混凝土；（6）木材；（7）复合材料涉及的工艺方法增多，数以百计。随着科技的发展，这类方法还会逐年增多。

2/3/2023111.2表面工程技术的意义和目的1.表面工程技术的意义A、经济意义（三方面）（1）机械部件在使用过程中会发生腐蚀、磨损、氧化、侵蚀等。表面往往首先发生破坏或失效，引起整个机件的破坏或失效，造成经济损失。在各种机电产品的失效破坏中，约有70%是由腐蚀和磨损造成的。因此，表面是防止设备失效的第一道防线。（2）即使承受扭转或弯曲载荷、因疲劳断裂失效的零件，其断裂也是从表面（受力最大）开始，并逐渐向内部发展，造成经济损失。因此，材料表面是防止疲劳破坏的第一道防线。（3）现代工业迅猛发展，对机械产品提出了更高的要求。这必然对机件表面的耐磨、耐蚀等性能提出更高的要求。提高经济效益。2/3/202312为了满足这些要求，在某些情况下可以选用贵金属或合金来制造整体设备及零件。但从经济角度来看，这是行不通的。毕竟不是所有行业都像航空航天、军工领域那样不计成本。另一方面，在许多时候无法找到一种能够同时满足整体和表面性能要求的材料。因此，开发材料表面工程技术，在不增加或少增加材料成本的同时使产品表面受到保护和强化，对提高产品的使用寿命和可靠性、增强产品的竞争力、节约材料和能源等均具有重要意义。

2/3/202313B、学术价值（表面科学）①材料的物理、化学性能的变化都从表面开始；微米变纳米（物理），化学反应（化学）②随着科技的发展，器件的微型化，表面与体相的原子比增大，会出现许多新的特性；③材料表面的研究是许多高新技术的理化基础。表面科学的研究为表面工程新技术的开发提供理论指导；表面工程新技术的开发和完善，又提出许多新的学术研究课题；

这些研究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。2/3/2023142.金属材料表面工程技术的目的表面工程技术的含义很广泛，至少包括表面改性和表面加工两方面，而后者主要是机械切削中的内容，属机械加工范畴。因此，本课程提到的表面工程技术主要指表面改性技术。目的：在不改变基体材料成分、不削弱基体材料强度、或削弱基体材料强度但不影响使用的条件下，通过某些物理或化学手段赋予材料表面特殊的性能，从而满足工程对材料的要求。2/3/202315表面工程技术可以改变的主要表面性能有：机械性能：抗疲劳性、硬度等；可加工性：精密加工性、可修补性、可焊接性、冷作硬化性等；耐磨性；保护性：防锈性、耐腐蚀性、耐候性、防污染性；热特性：热障性、导热性等；电特性：导电性、绝缘性等；电磁性：磁化性、电磁屏蔽性等；光特性：反光性、选择吸收性等；装饰性：着色性、光泽性、可修饰性等。材料用于室外经受光照、冷热、风雨、细菌等的考验，造成的综合破坏，其耐受能力叫耐候性。2/3/2023161.3表面工程技术的发展表面技术已有几千年的历史油漆技术鎏金、贴金技术鎏金是一种古老的传统工艺，考古证实这种工艺在战国中期就已开始。

鎏金：将金和水银（汞）合成金汞漆→涂抹在器物上→烘烤使汞蒸发，金就牢固地附在器物的表面。

贴金：在器物上贴上金箔。淬火、钝化--青铜剑2/3/202317表面工程的发展1983，表面工程概念被首次提出，英国T.Bell教授1984，英国建立第一个表面工程学会1985，《表面工程》国际刊物发行召开第一届表面工程国际会议1986，更名为国际热处理与表面工程联合会1987，中国机械工程学会表面工程研究所成立1988，《表面工程》杂志创刊1991，成立中国机械工程学会表面工程专业委员会2000，成立全国焊接学会，堆焊及表面工程委员会2004，纳米表面工程、绿色再制造工程2/3/2023181.4表面工程技术的应用一、表面工程技术应用的广泛性和重要性表面工程技术以其高度的实用性和显著的优质、高效、低耗的特点在制造业、维修业中占领了日益增长的市场；在航空航天、电子、汽车、能源、石油化工、矿山等工业部门得到了越来越广泛的应用；可以说几乎有表面的地方就离不开表面工程。二、表面工程技术在结构材料及工程构件和机械零部件上的应用零部件、工具、模具作用：防护、耐磨、强化、修复、装饰等。三、表面工程技术在功能材料和元器件上的应用光学特性、电学特性、磁学特性、热学特性、化学特性、功能转换、磁记录材料、双金属、防护涂层。2/3/202319四、表面工程技术在人类适应、保护和优化环境方面的一些应用抗菌灭菌材料：TiO2：光催化条件下，能与细菌内的有机物反应，使细菌分解。Ag：银离子能吸附水中的微生物，使微生物赖以呼吸的酶失去作用，从而杀死微生物。Cu：铜离子可以杀灭易于在水中滋生的大肠杆菌和痢疾等病菌，清除水中传播血吸虫病的蛞蝓和螺等软体动物，以及传播疟疾的蚊子幼虫等疾病携带体。生物医学材料：如膜材料：用于止血材料，伤口包覆材料，组织工程支架材料，药物释放膜，人造皮肤、人造血管、创伤敷料、药物输送、生物膜、术后防粘连材料、美容材料等。2/3/202320应用实例1（齿轮）齿轮受力复杂（冲击、磨损）要求：高强度、高冲击韧性、表面耐磨性解决：中、低碳钢，表面热处理、化学热处理2/3/202321应用实例2舰船、储罐、水闸等的腐蚀解决：刷漆、涂料、电弧喷涂等10万立方米的大型石油储罐

船体外表面喷铝可抗海水腐蚀15~20年，厚度0.15~0.20mm2/3/202322应用实例3汽车轻量化→铝合金→表面耐磨问题突出解决：耐磨涂层火箭发动机的尾喷管，2000～3300℃温度和巨大的热焰流冲击解决：热障涂层2/3/202323应用实例4太阳能，要求吸收太阳光谱中所有波段的能量。解决：电子束蒸镀Co-Al2O3，吸收率可达95%2/3/202324管道2/3/2023251.4表面工程技术的分类材料表面工程技术的分类2/3/2023261.按学科特点：

1）表面合金化：离子注入、激光合金化、热渗镀等。2）表面覆层与覆膜技术：喷焊、堆焊、热喷涂、电（化学）镀、化学转化、气相沉积、涂装、金属染色、热浸镀等。3）表面组织转化技术：淬火、喷丸、辊压等。2/3/2023272.按作用原理：1）原子沉积：原子尺度的粒子形态，如电镀、化学镀、PVD、CVD等。2）颗粒沉积：宏观尺度的颗粒形态，如热喷涂、搪瓷涂敷等。3）整体覆盖：涂覆材料同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、涂刷等。4）表面改性：用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。2/3/202328

3.按表面强化层材料：

1）金属材料层2）陶瓷材料层3）高分子材料层4）复合材料层2/3/2023294.按表面改性的目的或性质：

1）表面耐磨和减摩技术2）表面耐蚀和抗氧化技术3）表面强化（抗疲劳）技术4）表面装饰技术5）功能表面技术6）表面修复技术2/3/2023305.按工艺特点：

1.热喷涂(火焰喷涂、超音速喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等)2.电沉积(电镀、电刷镀、化学镀、复合镀)3.高能密度处理(激光、电子束、离子束)4.气相沉积（PVD、CVD