高等教育材料类专业"十二五"规划教材:金属材料表面技术原理与工艺.pdf

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书籍描述

内容简介
本书针对材料三大类表面技术中的基本原理进行了归纳与论述。每类技术中选出一些典型技术进行详细分析,并列出一些常用表面技术规范。在一些章节中以具体零部件为例,尝试与其他学科交叉实现“表面技术的设计”。经过表面技术处理的零部件,一般均存在残余应力,也会出现失效情况, 本书介绍了残余应力定性分析方法及一些失效案例。对一些表面技术中存在的污染问题也给予较详细说明。
本书供高等院校研究生、本科生或高职高专学生作为教材使用,适用于材料科学与工程、机械制造等与表面技术有关的专业。也可作为从事表面技术工作科技人员的参考书。

编辑推荐
《高等教育材料类专业"十二五"规划教材:金属材料表面技术原理与工艺》供高等院校研究生、本科生或高职高专学生作为教材使用,适用于材料科学与工程、机械制造等与表面技术有关的专业。也可作为从事表面技术工作科技人员的参考书。

作者简介
杨川,西南交通大学材料学院,副院长 教授 ,杨川 西南交大 材料学院 教授 博士;主要从事材料表面工程与材料失效分析领域研究工作。在上述领域发表论文50余篇, 其中EI检索论文 18篇次,SCI检索3篇次;获得专利7项。完成国家自然科学基金项目1项;省部级项目 5项;各类横向科研项目50余项。十五-十一五期间主持国家科技成果重点推广项目“智能化低温气体多元共渗技术”在我国重大工程如:青藏铁路、提速铁路、广州地铁上获得大规模成功应用。十一五期间该技术在高速铁路工务配件锚固螺栓上获得成功应用。获得铁道部科技进步四等奖1项、四川省科技进步三等奖1项、成都市科技进步1等奖1项。成都市金桥工程优秀奖1项,四川省金桥工程二等奖1项。用该技术开发出的教学设备,在2008年高等教育学会举办的高等院校自制教学设备评选中,获得最高奖励--优秀成果奖。获得四川省教学成果三等奖2项。2004-2008任教育部冶金与金属材料学科教学指导委员会委员
曾任四川省热处理专委会副主任委员、四川省理化检验学会副理事长、成都市热处理专委会常委员等社会职务。目前主持国家科技支撑计划高速机车零部件国产化项目

目录
第1章绪论1
1.1从表面技术到表面工程1
1.2表面技术在现代工业中发挥巨大作用的原因4
1.2.1采用表面技术可以解决某些零部件采用单一材料无法满足的性能要求4
1.2.2节约贵重材料,大幅度提高性价比5
1.2.3电子信息技术飞速发展的需要6
1.2.4节能、开发新能源的需求6
1.3表面工程中的设计概念7
1.4表面技术的发展与环境保护9
1.4.1开发各种材料表面防腐蚀新技术是重要的研究方向9
1.4.2应重视新型复合表面技术的研发11
1.4.3几种值得注意的表面改性技术12
1.4.4开发新型制备薄膜太阳能电池技术是研究热点14
1.4.5涂镀层技术中钢板、钢梁、钢管的镀层新技术开发15
1.4.6表面技术中的环保问题15
习题17
参考文献18
第2章利用相变原理设计表面改性技术19
2.1马氏体相变基本特征概述及在设计表面改性技术中应用19
2.2残余应力产生原理与分析方法23
2.2.1冷却过程中的残余应力产生原理24
2.2.2残余应力综合分析与控制26
2.3表面组织金相分析方法29
2.3.1阿贝原理29
2.3.2利用阿贝原理分析金相组织31
2.4表面相变强化工艺设计与典型工艺分析33
2.4.1工艺设计基本思路与一般规律34
2.4.2感应加热淬火工艺设计与分析36
2.4.3激光表面相变强化工艺44
2.5表面相变强化工艺设计案例49
2.6快速加热零部件失效案例分析55
2.7非钢铁材料表面相变强化工艺设计与贝氏体组织应用58
2.8几种常用表面改性工艺60
习题64
参考文献67
第3章利用扩散与相变原理设计表面改性工艺68
3.1基本原理概述68
3.2扩散基本规律70
3.2.1纯扩散理论70
3.2.2反应扩散理论71
3.3利用反应扩散方法设计表面改性工艺的思路74
3.4利用纯扩散理论设计表面改性工艺75
3.4.1钢的渗碳工艺分析75
3.4.2渗碳过程中炉内碳势的控制80
3.4.3渗碳件残余应力分析83
3.4.4渗碳的数值模拟技术简介84
3.5利用反应扩散理论设计表面改性工艺89
3.5.1设计思想与基本原理89
3.5.2典型工艺1——氮化工艺91
3.5.3渗硼工艺设计98
3.5.4固体粉末渗锌100
3.5.5盐浴渗金属方法TD技术101
3.5.6氮化与渗金属过程中产生的残余应力102
3.6工艺设计案例105
3.6.1案例1齿轮表面改性工艺设计105
3.6.2案例2导线夹制备工艺的设计108
3.6.3案例3对小模数齿轮设计多元共渗代替渗碳的技术方案112
3.6.4案例4利用TD方法提高热模具寿命113
3.7失效分析案例114
3.7.1案例1轴承外圈裂纹分析114
3.7.2案例2氮化裂纹问题115
3.8几种典型的表面改性工艺117
3.8.1碳氮共渗技术117
3.8.2真空渗碳118
3.8.3二段及三段氮化法119
3.8.4提高钢件抗腐蚀能力的氮化法119
3.8.5TD方法渗金属120
3.8.6抗蚀、抗氧化表面改性工艺设计121
3.8.7多元共渗工艺设计123
3.8.8快速电加热渗铝金123
3.9表面改性技术中的污染问题124
习题125
参考文献127
第4章薄膜技术128
4.1薄膜的定义与薄膜形成128
4.1.1薄膜定义及在现代科技中作用128
4.1.2薄膜形成过程简介129
4.2化学气相沉积技术基本原理与典型工艺分析132
4.2.1化学原理在化学气相沉积中作用与典型工艺分析132
4.2.2TCVD薄膜沉积过程与特点137
4.2.3CVD技术的应用138
4.2.4TCVD应用范围探讨140
4.3真空技术基础141
4.3.1真空的定义与单位141
4.3.2气体分子能量运动速度与分子间碰撞142
4.3.3真空的获得143
4.3.4真空系统配置简介145
4.4等离子体技术基础148
4.4.1等离子体基本概念148
4.4.2等离子体产生方法150
4.5粒子间碰撞156
4.5.1弹性碰撞能量转移156
4.5.2非弹性碰撞的能量转移157
4.6等离子体化学气相沉积技术160
4.7物理气相沉积——真空蒸发镀膜技术163
4.7.1基本原理163
4.7.2蒸发源与合金膜的蒸发镀166
4.8物理气相沉积——离子镀技术167
4.8.1基本原理167
4.8.2典型工艺分析169
4.9物理气相沉积技术——溅射镀膜170
4.9.1离子溅射中一些理论问题170
4.9.2典型溅射镀膜技术172
4.9.3磁控溅射技术173
4.10离子注入与离子束合成薄膜技术原理178
4.10.1离子注入的原理*178
4.10.2离子注入机与注入工艺184
4.10.3离子束与镀膜复合技术185
4.10.4离子注入技术实际应用状况190
4.11薄膜中的应力分析192
4.11.1薄膜内应力192
4.11.2薄膜的附着力196
4.12薄膜设计应用案例197
案例1用TCVD技术沉积TiN提高硬质合金刀具切削速度197
案例2在蓝宝石上沉积TiN薄膜198
案例3光盘记录系统200
案例4太阳能电池原理与薄膜材料设计203
4.13几种气相沉积镀膜技术204
4.13.1反应蒸发镀工艺204
4.13.2三级与四级溅射205
4.13.3高频溅射镀205
4.13.4多弧离子镀206
4.13.5离子团束镀207
4.13.6离子辅助沉积207
4.13.7双离子束镀208
习题208
参考文献209
第5章涂镀层技术210
5.1电沉积技术基本原理与典型工艺210
5.1.1金属电化学腐蚀模型与标准电极电位210
5.1.2电沉积的基本过程212
5.1.3电沉积中的定量计算213
5.1.4电沉积的后处理与镀层残余应力216
5.1.5典型电沉积工艺分析——电镀锌工艺217
5.1.6电沉积技术中的污染问题221
5.2电刷镀技术222
5.2.1基本原理222
5.2.2电刷镀工艺步骤与应用领域226
5.3电沉积技术在高科技中应用229
案例1利用电沉积技术制备薄膜太阳能电池材料229
案例2利用电沉积技术制备镍网材料229
案例3电沉积铜用于IC铜布线230
5.4电沉积零件的失效分析231
案例4电沉积汽车调节螺杆失效分析231
5.5化学镀技术233
5.5.1化学镀原理233
5.5.2化学镀典型工艺与组织性能及应用235
5.5.3化学镀中残余应力问题238
5.6热浸镀技术239
5.6.1热浸镀基本原理与工艺过程239
5.6.2热浸镀典型工艺分析——热浸锌工艺241
5.7化学转移膜技术*243
5.7.1化学转移膜基本原理与用途243
5.7.2典型化学转移膜技术分析245
5.7.3化学转移膜技术中污染问题251
5.8热喷涂技术252
5.8.1热喷涂技术基本原理252
5.8.2喷涂层中的残余应力255
5.8.3典型喷涂技术256
5.9几种涂层技术简介259
5.9.1电镀铬工艺259
5.9.2电刷镀工艺260
5.9.3热镀铝工艺263
5.9.4爆炸喷涂265
5.9.5超音速喷涂266
5.9.6铝合金阳极氧化267
习题270
参考文献270
第6章复合表面处理技术272
6.1表面技术复合的设计原则272
6.2几种复合表面技术275
6.2.1硫与氮共渗复合处理275
6.2.2渗氮与感应表面淬火复合275
6.2.3溅射Al膜与离子氮化工艺复合276
6.2.4多元共渗与高分子材料复合276
6.2.5喷涂与激光、火焰快速加热复合279
6.2.6铸渗复合处理工艺279
习题280
参考文献281

序言
几千年前我国人民就会利用表面技术提高零部件的某些性能,只不过当时是作为一门技艺代代相传,没有上升为一门学问。20世纪80年代是材料表面技术飞速发展的阶段,导致一个新型学科——表面工程出现。虽然说表面工程是一个交叉学科,但表面技术是该学科中最为重要的核心内容,这是毋庸置疑的。正因如此,目前多个高校开设表面技术课程,这是当前科技与经济发展的客观需要。
西南交通大学在20世纪90年代就为材料专业本科生开设表面技术课程并延续至今。1992年曾由吴大兴教授为主编,编写出“材料表面改性”讲义。20世纪90年代获得国家自然科学基金支持,进行相关表面技术的研究。近年来在国家科技支撑计划项目的支持下,分析了国外高铁零部件组织性能及设计理念,体会到如果对一些高铁关键部件设计时采用表面技术,对提高关键零部件抗疲劳、抗腐蚀性能,促证行车安全有极为重要的作用。在这些研究基础及多年的教学实践中,对表面技术教学形成下面一些理念。
1.材料表面技术是理论性与实践性非常强的技术,在教学过程中即使有一些实验,学生也不可能熟练掌握哪怕是少数几种表面技术工艺细节。这个问题只能在将来由读者亲身实践去解决。大学阶段学习,仅能以学生掌握基本原理及培养应用意识为目的,以便在将来实践中起到指导性作用。
2.目前一般将表面技术分为三大类,不同技术既然归属一类就必有“共性”。教学应该以这些“共性”为主,教学重点是分析出共性内容,使学生掌握其共性原理。教材中对典型工艺进行详细分析目的也是为了加深对共性原理认识。教材中对同一大类中一些工艺进行简单归纳,是为了方便读者自学,大致了解这些工艺工程。教材中通过介绍一些具体应用案例,是为了培养学生选择表面技术、解决生产问题的能力。
3.表面工程定义是“将材料表面与整体作为一个系统进行设计”,利用表面技术使材料表面获得某些特殊性能。因此应将课程定位为工科类“设计型”课程,而不是文科类“叙述型”课程。在教学中应该体现这种思路。表面技术的应用,最后必然要落实到具体零部件上,而零部件是设计出来的。所以表面技术的应用与设计有密切联系。教学中应与设计过程联系,说明表面技术的具体应用。学生今后应用表面技术时,也应该有“设计”的理念。因此本教材一些章节中以具体零部件为例,尝试如何与其他学科交叉,实现“表面技术的设计”。
4.表面技术是利用各个学科基础知识发展而成,基础理论在新型表面技术的发展中占据极为重要的地位。教学中应尽量多结合基础知识分析表面技术。一方面使学生掌握表面技术基础,同时使学生认识到如何利用基础理论开发新型表面技术。因此将一些必要的基础知识融汇到本教材中。
5.经过表面技术处理后的零部件,一般均存在内应力(残余应力),这些应力是影响表面性能的重要因素。学生应认识到其重要性、掌握其分析方法(定性)。经过表面技术处理后的零部件也会出现失效情况,这些均应该在教学中有所体现。
6.表面技术的重要性与作用不言而喻,但很多表面技术也存致命弱点,即污染环境。过去一些表面技术教材很少涉及污染问题,本教材进行一些较详细说明,这对学生今后如何选择表面技术有重要的参考价值。
本书主要由杨川任编写,编写了第1章、第2章、第6章;高国庆编写第3章;崔国栋编写第4章、第5章;吴大兴对全书进行审阅与修改,书中图片与曲线编辑、文字整合由高国庆负责完成。
在本书编写过程中引用并参考了许多专家、学者出版的相关专著、教材及论文,在此向他们致以真诚的谢意。
本书出版得到西南交通大学学科建设经费支持,真诚致谢。
由于编者水平有限,书中不当之处,敬请读者批评指正。


编者
2014年6月

文摘
版权页:



例2—5一件40Cr钢制轴类零件在淬火过程中出现的裂纹形貌,裂纹与轴线交角约80°夹角。试分析:
①产生裂纹的合成应力中是组织应力为主还是热应力为主?
②裂纹的启裂位置是在表面?心部?还是在其他位置?
分析:
①根据圆柱样品产生残余应力的原理与分布特点可知,在组织应力作用下产生的裂纹应该平行轴线,如果是热应力作用下产生裂纹应该是垂直轴线。现在裂纹形貌是与轴线呈80°夹角,说明在合成应力热应力作用较大。
②裂纹的启裂位置应该是最大应力位置。如果裂纹平行于轴线,说明完全组织应力作用下开裂,最大应力位置在表面,启裂点也应该在圆柱表面。现在裂纹与轴线呈80°角,说明主要是热应力作用,因此启裂位置应该接近心部。
对于经过各类表面技术处理后零部件表面残余应力分析将在各种表面处理工艺介绍时进行分析。在利用原理对各类表面处理后零部件残余应力分析过程中有三个问题应注意。
(1)表面处理后硬化层的深度,对残余应力有重要影响
如果样品的尺寸很大,硬化层深度较浅,可以将表层看成是工件尺寸很小的零件,利用组织应力与热应力变化规律进行分析。问题是如何定量判断“样品的直径很大,硬化层深度较浅”?将这种表面处理层近似作为小尺寸淬火零件处理。根据一些试验数据,直径78mm,硬化层深度2.6mm,此时表面轴向残余压应力可以达到800MPa左右,周向残余压应力可以达到1000MPa左右。此时可以认为是“直径很大,硬化层深度较浅”的情况。在具体分析中可以此例作为一个粗略的判据,与实际情况进行比较。

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