厦门大学材料表面工程第三章课件.pptVIP

第三章 材料表面强度 3-1 疲劳载荷下的表面强度 3-1-1 疲劳裂纹萌生于表面 在载荷的反复作用下，任何材料都会产生疲劳问题。据统计 约有50％～90％的机械结构的破坏是属于疲劳破坏。 引起疲劳破坏的原因很多，但表面的影响是最大的，几乎所 有的疲劳开裂都自表面(或表面层)开始。 3．夹杂物界面的开裂 材料中的夹杂物一般是不可避免的，有时还起着弥散强化的作用。但是处在表面或次表面的夹杂物如果尺寸较大，也可以引起疲劳裂纹的萌生。 其原因有: (1)夹杂在应力作用下发生断裂，形成微裂纹； (2)杂质和基体的界面结合一般不理想，杂质堆积的 结果引起界面处的开裂。 3-2 表面膜层的应力 以覆膜的方法对材料进行表面强化，在表面工程中占有很大的比重。 一般情况下膜层与基体材料的成分和结构是不一样的，因此难免在 界面上产生应力，应力的存在将对膜层的强度产生重大的影响。 几乎所有薄膜都存在着巨大的应力，它对薄膜的性能，特别是结合力产生很大的威胁。 薄膜应力通常分为张应力和压应力，习惯上把张应力取正号， 压应力取负号。 在张应力作用下，薄膜本身有收缩趋势，如果膜层的张应 力超过薄膜的弹性限度，薄膜就会破裂，破裂时离开基板 而翘起。 在压应力作用下，薄膜有向表面扩张的趋势，在极限情况 下，压应力使薄膜向基板内侧卷曲。 如果Ef，?f和?s不随温度而变化，则上式改写成 ?T = (?f ??s) Ef ?T 式中?T= TS ?TM。 金属的热膨胀系数范围为(10～20)?10?6／℃，玻璃的热膨胀系数约为 8?10?6／℃，若以玻璃为基体，?f ??s 0；在室温下测定高温时沉积于 玻璃上的金属膜，?T0，因此?T 0，即金属膜的热应力是张应力。 反之，碱金属卤化物的热膨胀系数约为(30～40)?10?6／℃，金属沉积 在碱金属卤化物基板上时， ?f ??s ? 0，当?T0时，?T ? 0，即金属膜 的热应力为压应力。 通过选择基板材料和沉积温度可以调节热应力的大小和性质。 不过沉积温度的可调范围一般是有限的。 一般是调节膜层和基板材料的热膨胀系数。 内应力又称本征应力，它主要取决于薄膜的微观结构和缺陷等因素。 产生内应力的主要原因包括： （1）沉积时真空室中的残余气体或者溅射时的工作气体进入薄 膜，薄膜晶格结构偏离于块状材料； （2）薄膜晶格常数与基板晶格常数失配； （3）薄膜中的再结晶；宏观微孔和薄膜相变等。 (3)沉积速率：沉积速率对应力的影响缺乏规律性。 根据Hoffman模型，内应力将随沉积速度增大而增大。 但有些薄膜的内应力却相反变化，即随沉积速率增 大而减小。 从热力学的观点来看，固体表面和环境介质的作用可分两类： 一类是不可逆的，一类是可逆的。 腐蚀属于前者，是不可逆的， 腐蚀会使表面出现腐蚀坑，产生应 力集中，削弱机件的表面强度。 Rebingry效应属于后者，是可逆的，该效应也可以显著地改变材料 表面的机械性能。 Rebingry效应最普遍最重要的表现形式有两点： ①使塑性增加——降低屈服极限和硬化指数。 ②使脆性增加——塑性和强度急剧降低。 这种效应一般是分子性质与该固体分子相近 的液体所引起。对于金属来说，与其相近的 金属熔体就可产生此种效应。如黄铜和锌有 水银时就变脆(图3-14)。 熔盐可剧烈降低离子晶体的强度和塑性，熔 融的碱金属和铝对石墨有显著影响，而有机 固体则对有机液体十分敏感。 Rebingry效应具有以下特点： ① 环境介质的影响有明显的化学特征，即并非任何液体金属都会改变某一固体的金属性能，只有一定的对该固体表面具有活性的液体金属才有上述的效果。如水银可降低锌的强度和塑性，但对同族元素镉的机械性能无影响，尽管镉与锌的点阵类型也一样。 ② 溶解和腐蚀需要大量的介质，而Rebingri效应只需少量的表面活性物质即可。在固体金属的表面仅需微米数量级的液体金属薄膜就可导致金属的脆性破坏。在个别情况下，试样表面有几滴表面活性的熔融金属润湿，就可引起低应力脆断。 ③ 表面活性熔融物质的作用十分迅速。例如，对固体进行切削和磨削加工，虽然加工速度达几十米每秒，活性物质的影响仍然十分显著。 ④ 影响可逆，即从固体表面去除活性物质后，其表面机械性能一般可以恢复。 ⑤ 拉应力和表面活性物质同时存在作用更明显。 液体金属在固体中的溶解度越小，则在相应的界面上表面能的降低越强烈。 与形成共晶体的金属接触时，会使强度降低；而与形成金属间