文| 高玉魁　同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院教授　博士生導(dǎo)師

 

        長期以來，人們已認(rèn)識到材料及其制造的產(chǎn)品表面對使用性能的重要影響，而且由于失效多數(shù)源自表面，因此感到材料的表面質(zhì)量對材料的耐久性和可靠性具有重要影響。

 

        此外，材料表面的改變，包括力學(xué)、冶金、化學(xué)和其它方面的變化，雖然都僅僅局限在小小的表面層，但卻具有對使用性能不可忽視的重要作用和巨大影響，有時(shí)甚至可能會導(dǎo)致產(chǎn)品不合格和客戶無法接受。

 

       隨著人們認(rèn)識的逐步提高和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，上個世紀(jì)七十年代，表面科學(xué)和技術(shù)體系逐漸形成，開始了主動對材料表層的設(shè)計(jì)、制造、表征和應(yīng)用，以達(dá)到改變材料的表層和近表層使之賦予不同于基體的功能。對于結(jié)構(gòu)材料而言，最重要的功能就是承載能力和耐久性，因此人們集中在材料表面對疲勞和應(yīng)力腐蝕等性能影響的研究上。

 

       1964 年美國學(xué)者Field 和其同事Kahles 通過對高強(qiáng)度鋼的機(jī)械加工表面的系統(tǒng)研究，首次提出了“表面完整性”的概念，并定義為“表面完整性是通過機(jī)械加工或其它生成表面方法賦予材料表面所固有或加強(qiáng)的狀態(tài)”（Surface integrity is defined as the inherent or enhanced condition of a surface produced in machining or other surface generation operation）。該概念的提出，使人們加強(qiáng)了對材料表面重要性的認(rèn)識，但由于人們很難理解此概念的定義和在工程中難以執(zhí)行，1971 年他們給出了材料表面完整性的不同級別要求（最少數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫），見表1。
 

 

      “表面完整性”一詞源于機(jī)械加工，在制造加工領(lǐng)域也得到迅速發(fā)展并推廣應(yīng)用到其它領(lǐng)域，如表面強(qiáng)化和表面防護(hù)等領(lǐng)域， 自1971 年來美國航空材料實(shí)驗(yàn)室分階段花費(fèi)了10 年和20 年的時(shí)間通過系統(tǒng)完善的加工工藝優(yōu)化試驗(yàn)和大量的疲勞與腐蝕實(shí)驗(yàn)壽命評價(jià)才建立了航空材料表面完整性體系，從而提高了材料表面完整性和使航空零部件達(dá)到了延壽效果。

 

        應(yīng)該說“表面完整性”初期概念的建立及材料表面完整性的不同級別要求，對推動人們對材料表面完整性的認(rèn)識和提高材料的壽命起到了重要作用，但由于“表面完整性”的概念比較抽象， 而且對材料表面完整性的檢測涉及到很多疲勞與應(yīng)力腐蝕等費(fèi)用昂貴的試驗(yàn)，在工程上難以推廣應(yīng)用。為此，人們試圖建立材料的表面狀態(tài)和特性與材料性能之間的相關(guān)性，并將“影響材料性能的表面狀態(tài)與特性”定義為“材料表面完整性”。

 

       自表面完整性的概念提出以來， 國內(nèi)外都曾對表面完整性開展了研究， 國外通過系統(tǒng)研究取得了很多成果并推廣應(yīng)用到了航空航天石油機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域， 但國內(nèi)由于沒有足夠的經(jīng)費(fèi)去開展系統(tǒng)的研究， 仍然停留在探索階段， 取得的成果也非常有限， 對于某些行業(yè)至今還停留在概念認(rèn)識的進(jìn)一步提高和完善的階段。

 

      “表面完整性”的概念雖然英文比較簡潔明了，但翻譯成中文卻顯得難以理解和應(yīng)用，且很難對表面給出具體描述的要求。為了便于深入理解和推廣應(yīng)用， 書中給出了表面完整性的概念、內(nèi)涵和外延。本書第一章先給出了表面完整性的概念、內(nèi)涵和外延， 其次闡述了表面完整性概念的來源和歷史發(fā)展，最后談及了一些表面完整性方面的科學(xué)研究進(jìn)展及工程界的認(rèn)識。

 

        為了便于理解，筆者給出了表面完整性的新概念。它是指為保持和提高材料固有的力學(xué)、物理和/ 或化學(xué)、生物等使用性能而需使材料表面所具有的不同于基體的特定狀態(tài)和性能。表面狀態(tài)和性能的檢測，即表面完整性的測試與表征，是需要基于表面完整性概念的內(nèi)涵和外延分析來深入的。關(guān)于表面完整性的內(nèi)涵就是概念中的表面狀態(tài)和表面性能兩個組成部分，此外還需要強(qiáng)調(diào)為獲得某種特定的固有或加強(qiáng)的材料性能，材料表面需要保持某些固有或加強(qiáng)的表面狀態(tài)，內(nèi)涵表示在圖1 中的實(shí)線框內(nèi)。此外， 圖1 中還示意出表面完整性的兩個組成部分是相互關(guān)聯(lián)的，表面狀態(tài)決定或影響了表面性能，表面性能體現(xiàn)或反映表面狀態(tài)，它們之間具有映射關(guān)系。關(guān)于表面完整性的外延，其內(nèi)容非常豐富， 與材料力學(xué)性能、腐蝕性能、磨損性能主要相關(guān)的表面狀態(tài)與性能主要是材料表面的力學(xué)性能、金屬物理性能、電化學(xué)性能與幾何性能，具體而言與材料表面的粗糙度、顯微硬度、組織結(jié)構(gòu)、電極電位、接觸面積特性等密切相關(guān)；近年來生物材料的發(fā)展非常迅速，其材料的表面完整性則主要體現(xiàn)在與生物相容性、表面耐磨性和壽命耐久性相關(guān)的表面狀態(tài)與性能。
 

 
  圖1　表面完整性概念的內(nèi)涵與外延示意圖
 

       材料表面完整性的研究主要集中在材料的表面層和次表面層， 因此近代很多技術(shù)的發(fā)展都集中在表面完整性的表征與控制上， 以期得到特定的使用性能與獲得某些預(yù)期的功能。表征的目的是確定需要測定的表面狀態(tài)特性參數(shù)，控制的目的是獲得重復(fù)性好、可靠性高的工藝參數(shù)域。目前對疲勞性能而言，主要控制和分析的表面完整性參數(shù)有表面形貌特征參數(shù)粗糙度、殘余應(yīng)力、表層組織結(jié)構(gòu)等。如對表面形貌的分析技術(shù)，既有通用的粗糙度檢測又有高級先進(jìn)的原子力顯微鏡，對殘余應(yīng)力的分析既有有損的鉆孔法又有無損的X 射線衍射技術(shù)或中子散射方法，這些檢測及監(jiān)測技術(shù)在本書的第2 章予以了詳細(xì)介紹，以便為控制表面完整性提供檢測方法和監(jiān)測手段。

 

       表面完整性的狀態(tài)和性能之間的關(guān)系到底是怎么建立的？表面完整性對疲勞、腐蝕和磨損的作用機(jī)理是什么和到底有多大影響？本書第3 章具體闡述了表面完整性對疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展、腐蝕、磨損的影響，并在章節(jié)最后簡要談及了表面完整性在節(jié)能減重、定壽延壽、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展等方面的作用。

 

       第4 章從工程實(shí)踐中容易出現(xiàn)的表面缺陷或不完整性出發(fā)來闡述機(jī)械加工、熱處理、鑄造、鍛造、焊接、表面處理、裝配和使用等過程中材料表面演化時(shí)出現(xiàn)的各種問題，以引起大家的重視。本章選用了多種材料和典型零部件的失效案例，提煉出了與表面相關(guān)的缺陷，以加深人們對加工制造工藝參數(shù)優(yōu)化研究重要性的認(rèn)識。第5 章則是從如何加強(qiáng)材料表面完整性入手，闡述了殘余應(yīng)力的調(diào)整技術(shù)、表面強(qiáng)化工藝及結(jié)合典型零部件講述了如何應(yīng)用這些表面改性技術(shù)來提高零部件的安全性、可靠性、耐久性和積極性。

 

       第6 章是全書的精華所在，是在總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)鍵航空航天零部件的制造大綱或規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者多年的實(shí)踐提煉總結(jié)而成，從設(shè)計(jì)和制造的角度給出了鋼鐵、鋁合金、鈦合金、鎂合金、高溫合金的零部件加工的工藝性指南。

 

       本書絕大部分章節(jié)是作者根據(jù)多年的研究成果結(jié)合理論分析所著，只有一小部分內(nèi)容是參考了一些文獻(xiàn)而提煉的。雖然內(nèi)容不是很全面，但重點(diǎn)還是比較突出的，也是國內(nèi)第一部系統(tǒng)闡述表面完整性概念、作用和改進(jìn)方法的專著，還是非常值得大家一讀的。

 

       本書盡管耗費(fèi)了四年之久才最終脫手，但感覺還是存在不少問題的，也衷心希望讀者多批評指正。本書作者由于水平和研究領(lǐng)域所限，對復(fù)合材料和銅合金等一些材料未能闡述；此外， 對于表面完整性技術(shù)體系的組成及產(chǎn)品表面完整性質(zhì)量評價(jià)體系沒有具體闡述，也沒有給出一些定量的分析模型。限于篇幅，本書沒有涉及涂層、鍍層、熔覆層、滲層等內(nèi)容，也沒有具體闡述表面強(qiáng)化層的梯度特性及其表面完整性要求。這些都是為了再版時(shí)需要加以補(bǔ)充和完善的，更希望在大家的支持和幫助下能夠進(jìn)一步更新本書內(nèi)容使之更全面系統(tǒng)也更易讀實(shí)用。

 

       表面完整性概念雖然難以理解，但表面完整性的改善工藝，諸如噴丸、擠壓、滾壓等在工程上卻得以了應(yīng)用了多年。圖2 是采用噴丸強(qiáng)化來提高渦輪盤的表面完整性和使用壽命，圖3 是采用低應(yīng)力磨削、噴丸、擠壓和鍍鉻等處理的飛機(jī)起落架外筒、扭力臂和活塞桿等組件，圖4 是新發(fā)展的高能激光沖擊強(qiáng)化的整體鈦合金葉盤。這些零部件均采用表面改性技術(shù)尤其是表面形變強(qiáng)化來改善表面完整性從而提高零部件的使用壽命和安全可靠性。
 

 
  圖2　渦輪盤的噴丸強(qiáng)化


   
圖3　飛機(jī)起落架組件



圖4　整體葉盤的激光沖擊強(qiáng)化