1.附着力

（1）附着和附着力的概念 附着是指涂层（包括涂和镀）与基体接触而两者的原子或分子相互受到对方的作用。异种物质之间的相互作用能称为附着能。把附着能对其与基体间的距离微分，该微分的最大值为附着力。附着力是涂层能否使用的基本参数之一。涂层成分不当，涂层与基体的热胀系数差异较大，涂覆工艺不合理，以及涂前基材预处理不当等因素，都会使附着力显著降低，以致涂层出现剥落、鼓泡等现象而难以使用。

（2）附着力的测定方法 目前，附着力的测量大多数方法是把涂层从基材上剥离下来，测量剥离时所需的力。对于较厚的涂层，大多采用黏结法，即直接在涂层上施加力，使涂层剥离。这种方法还适用于具有较高附着力的涂层。定量测定附着力，需要特定的设备和试样，较为复杂和费时。在生产现场，通常采用定性和半定量的检验方法。

涂层附着力的定量评定方法主要有拉伸试验法、剪切试验法和压缩试验法三种，即以抗拉强度、抗剪强度、抗压强度来分别表示涂层单位面积上的附着力。

1）拉伸试验法。利用试验工具或设备使试样承受垂直于涂层表面的拉伸力，测出涂层剥离时的载荷，以试样的断面积除以该载荷，算出涂层的抗拉强度。

2）剪切试验法。通常将试样做成圆柱形，在圆柱外表面中心部位制备涂层并磨制到要求尺寸，置于间隙配合的凹模中，在万能材料试验机上缓慢加载，测出涂层被剪切剥离时的载荷，算出涂层的抗剪强度。

3）压缩试验法。试样用高强度材料制成，放在万能材料试验机上缓慢加压，试样受力方向与涂层表面垂直，加压至涂层被破坏，测出此时最大载荷，算出涂层的抗压强度。

在以上三种试验中，涂层抗拉强度是评定附着力的最重要指标。但是有些场合，需要测定涂层的抗剪强度和抗压强度。例如对各种轴承，抗压强度是一项重要的指标。

定性法根据涂层的种类和使用环境可选择多种试验方法，大致有弯曲试验法、缠绕试验法、锉磨试验法、划痕试验法、胶带剥离法、摩擦法、超声波法、冲击试验法、杯突试验法、加热聚冷试验法等。图2-20所采用的是划痕试验法，用漆膜划格器在测试表面划出来一些小方格，然后用力将透明胶带粘到小方格上，之后再把胶带撕下，观察小方格子是否脱落，来判断附着力的好坏。

图2-20 划痕试验法

2.表面应力

（1）应力产生的原因 作用在表面或表层的应力称为表面应力。它主要有作用于表面的外应力和由表层畸变引起的内应力或残余应力两种类型。很多工艺过程，如喷丸、表面淬火和表面滚压等均能在表面或表层产生极高的残余压应力，从而显著提高材料的疲劳寿命。沉积于基材表面的薄膜，由于它的热胀系数与基材不同，从高温冷却后，薄膜中将存在热残余应力。钢坯表面由应力导致的应力裂纹如图2-21所示。

表面应力产生的原因是多方面的。例如，同样成分的薄膜用真空蒸镀法制备会得到拉压力或压应力，而用溅射法制备往往得到压应力；热喷涂涂层存在热残余应力，其大小及方向主要取决于喷涂温度、基材预热温度、涂层的密实度和材料的特性。残余应力影响到涂层的各种性能，较高时会使涂层发生变形、起皱、龟裂、剥落；对于薄板金属，还可能发生弯曲变形。图2-22所示为经过微弧氧化的7075铝合金表面陶瓷膜层应力裂纹微观形貌。

（2）应力的测量方法 残余应力可使薄板样品发生弯曲，拉应力有形成以涂层为内侧的趋势，而压应力则有形成以涂层为外侧的趋势。基于这一现象，形成了经典的涂层残余应力测试方法——薄板弯曲法。1903年，Stoney开发计算出薄膜的内应力。

图2-21 钢坯表面的应力裂纹

图2-22 经过微弧氧化的7075铝合金表面陶瓷膜层应力裂纹微观形貌

3.表面硬度

（1）显微硬度 硬度是用一个较硬的物体向另一个材料压入而该材料所能抵抗压入的能力。硬度是被测材料在压头和力的作用下强度、塑性、塑性变形强化率、韧性、抗摩擦性能等综合性能的体现。硬度试验的结果在许多情况下能反映材料在成分、结构以及处理工艺上的差异。表面硬度的测试有的可以采用洛氏硬度测试方法。但是，一般采用显微维氏硬度法。图2-23所示为显微硬度测试方法。

（2）超显微硬度 对于各种气相沉积薄膜以及离子注入所获得的表面层等，往往有着厚度薄和硬度高的特点。例如，气相沉积硬质薄膜TiN、TiC等，硬度高达20GPa以上，厚度约为几微米或更薄，在较小的压入载荷下，压痕难以用光学显微镜分辨和测量，而过大的压入载荷则会造成基材变形，无法得到正确可靠的测量结果。

图2-23 膜层显微硬度测试方法

为适应上述需求，硬度测试采用了先进的传感技术，从而一些超显微硬度试验装置相继被研制出来。例如，一种被称为微力学探针的显微硬度仪，可以使压头对材料表面进行小至纳牛的步进加载和卸载，并用能同步测量加载、卸载过程中压头压入被测表面微小深度时的变化值，由此准确测定显微硬度和弹性模量等性能。

4.表面韧性与脆性

（1）表面韧性 韧性是表示材料受力时虽然变形但不易折断的性质。进一步说，韧性是材料能吸收能量的性能。能量包括两部分：一部分是材料在塑性流变过程中所消耗的能量；另一部分主要是形成新的表面而需要的表面能所消耗的能量。韧性有以下三种：

1）静力韧性。它是指材料试样在拉伸试验机中引起破坏而吸收的塑性变形功和断裂功的能量，可从应力—应变曲线下的面积减去弹性恢复的面积来计算。

2）冲击韧性。它是指材料试样在冲击载荷下材料断裂所消耗的能量，常用冲击吸收能量来衡量。摆锤冲击试验如图2-4所示。

图2-24 摆锤冲击试验

3）断裂韧性。它是指含裂纹材料抵抗裂纹失稳扩展（从而导致材料断裂）的能力，可用应力场强因子的临界值K_IC、裂纹扩展的能量释放临界值G_IC、J积分临界值J_IC以及裂纹张开位移的临界值δ_C等来衡量。

（2）表面脆性 材料受拉力或冲击时容易破碎的性质称为脆性。脆性材料有玻璃、陶瓷、金属间化合物等，通常显示明显的脆性，而本质上是韧性的材料在一定条件下，如降低温度、增加应变速率、受三向应力作用、疲劳、材料含氢、应力腐蚀、中子照射、浸在液态金属中等，有可能转变为脆性。测定镀层脆性的方法有杯突法和静压挠曲法等。其中金属杯突法用得较多。

脆性与韧性是材料一对性能相反的指标，脆性大则韧性小，反之亦然。在许多场合下，表面脆性是材料发生早期破坏失效的重要原因，因此常将表面脆性列为测试项目。例如，电镀层脆性的测试是经常进行的，为镀层质量控制的一项指标。图2-25所示为生活用花洒表面镀层脱落对比图。

图2-25 生活用花洒表面镀层脱落对比图

图2-26 齿轮运转时的摩擦磨损现象

5.表面耐磨性能

（1）摩擦 物体之间的摩擦是自然界普遍存在的一种现象。摩擦的最简单定义是：抵抗两物体接触表面切向相对运动的现象，即相互接触物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，接触面之间就会产生切向的运动阻力，简称摩擦力，该现象称为摩擦。图2-26所示为齿轮运转时的摩擦磨损现象。

从摩擦现象上看，有干摩擦（无润滑摩擦）、边界润滑摩擦、液体润滑摩擦、滚动摩擦等现象，这里主要叙述下面四种摩擦现象：

1）干摩擦。无润滑或不允许使用润滑剂的摩擦。

2）边界润滑摩擦。接触表面被一层厚约0.1μm的润滑油膜分开，使摩擦力显著降低，磨损显著减少。(www.daowen.com)

3）液体润滑摩擦。接触表面完全被油膜隔开，由油膜的压力平衡外载荷，此时摩擦阻力取决于润滑油的内摩擦因数（黏度）。在滑动摩擦中，液体润滑摩擦具有最小的摩擦因数，摩擦力大小与接触表面的状况无关。

4）滚动摩擦。滚动摩擦比起滑动摩擦至少减小90%左右。滚动接触中出现摩擦的可能原因是：微观滑动、弹性滞后损耗、塑性变形和黏着效应。

（2）磨损

1）磨损的概念。摩擦时一般会伴随着磨损的发生，磨损是材料不断损失或破坏的现象。材料的损失包括直接耗失材料以及材料从一个表面转移到另一个表面上；材料的破坏包括产生残余变形、失去表面精度和光泽等。磨损造成的经济损失是巨大的。

到目前为止，对于磨损的定义和分类还没有一个公认的统一论述，我国摩擦学会编写的《摩擦学名词术语》中对磨损定义为：物体相对运动时，相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形称为磨损，即物体接触表面是由于相对运动而产生材料逐渐分离和损耗的过程。图2-27所示为轴表面磨损及修复形貌。

图2-27 轴表面磨损及修复形貌

2）磨损的分类。目前比较通用的分类方法以J.T.Burwell和C.D.Strang提出的按照磨损机理的分类方法为基础，将磨损分为黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、冲蚀和气蚀磨损。

3）磨损的评定。材料磨损的评定方法至今尚无统一的标准，常用磨损量、磨损率和耐磨性来表示。

①磨损量。材料的磨损量的三个基本参数是长度磨损量W_l、体积磨损量W_V和质量磨损量W_m。实践中往往是先测定质量磨损量再换算成体积磨损量。

②磨损率。它是单位时间或单位摩擦距离的磨损量。

③耐磨性。它是指材料在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力。它可分为绝对耐磨性和相对耐磨性两种。绝对耐磨性通常用磨损量或磨损率的倒数来表示，符号为W^-1。相对耐磨性是指两种材料（A与B）在相同的磨损条件下测得的磨损量的比值，符号为ε。

（3）影响固体材料耐磨性的因素

1）硬度。通常认为材料的耐磨性可以由材料的硬度来衡量，但除硬度外，材料的组织成分也有一定的影响。

2）晶体结构和晶体的互溶性。晶体结构为密排六方材料，如钴等即使在摩擦面非常干净的情况下，其摩擦因数也不高，磨损率也低。研究还表明，冶金上互溶性差的一对金属摩擦则可以获得低摩擦因数和低磨损率。

3）温度。温度对磨损的影响是间接的。例如，温度升高，硬度下降，互溶性增加，磨损即加剧；温度升高，导致氧化速度加剧也可能影响磨损性能。

4）环境。在大气条件下大多数金属的磨损是极其严重的。除了金以外，在大气条件下，许多金属在经过切削或磨削后，洁净的表面在5min内就产生一层5～50分子层的氧化膜，氧化膜在防止黏着磨损方面有重大作用。

（4）提高耐磨性的途径 主要从以下几个方面着手来提高耐磨性。

1）耐磨设计。磨损是一个很复杂的失效过程，它不仅受力学因素的制约，同时还受材料、环境、介质、设计、制造、安装、使用等多种因素的影响。在许多情况下，增加材料硬度可以提高磨损抗力，但也存在着不少例外，用青铜加工小齿轮比用硬化钢做的小齿轮更成功就是一个例子。再如，汽车发动机的凸轮硬度以50HRC左右为最好，而不需要更高的硬度。某些高分子材料（如聚四氟乙烯），虽然硬度不高却具有很好的耐磨性。

2）抗磨材料的选择。在选择抗磨材料时，必须弄清影响产品寿命的基本因素和磨损过程是否始终以同样的磨损机理进行等，然后进行选材。

确定材料在使用方面是否存在限制；确定载荷限制；确定温度范围；确定P_v极限值（密封失效时达到的最高值）；确定零件工作循环特性；确定容许的磨损失效形式和机械表面的损伤程度；通过台架和样机试验确定选材。

3）运用表面技术。磨损发生在材料表面，采用各种表面技术可以显著提高材料的表面性能和降低摩擦因数，从而有效提高材料的耐磨性。例如：采用表面涂层技术，如电镀硬铬、化学镀Ni-P等；采用表面改性技术，用喷丸方法在工件表面形成储油性良好的大量均匀的小坑，从而降低摩擦副的摩擦因数；采用复合表面处理，如C-N共渗和Ni-P化学镀。

4）改善润滑条件。改善润滑条件，可以显著降低摩擦磨损，因而工业上大量使用了各种润滑剂。其大致可以分为气体、液体、半固体和固体四类。最常用的气体润滑剂是空气，如气体轴承。应用最广的液体润滑剂是润滑油，包括矿物油、动植物油等。

（5）耐磨表面处理 在力学性能中，最重要的是硬度，在大多数情况下磨损率都会随硬度的提高而降低。非金属性质的摩擦面是通过物理或化学的作用来减小磨损的。对于钢材，一般通过各种表面技术如渗硫、氧化、渗氮、氧碳氮共渗、热喷涂层中加MoS₂物理气相沉积、化学气相沉积及离子注入等，使材料表面形成氮化物、氧化物、硫化物、碳化物以及它们的复合化合物的表面层。

6.表面抗疲劳性能

（1）疲劳 材料在循环（交变）载荷作用下发生损伤乃至断裂的过程称为材料的疲劳。例如，金属材料制成的轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零部件，在运行过程中各点所承受的载荷（应力）随时间做周期性的变化，即处在循环（交变）载荷（应力）作用下，虽然金属零部件所承受的应力低于材料的屈服强度，但经过长时间运行会产生裂纹或突然发生完全的断裂，这种过程称为金属的疲劳。

（2）疲劳分类 按材料疲劳断裂前应力循环周次的多少，可将疲劳分为以下两种：

1）高周疲劳。高周疲劳是在低于屈服强度的疲劳应力作用下发生的疲劳断裂。在断裂前经历的循环周次N_f大于10⁴～10⁵，其寿命的主要控制因素是应力幅值的大小。高周疲劳又称应力疲劳。

2）低周疲劳。承受的最大疲劳应力接近或者高于材料的屈服强度，每一循环有少量变形，断裂前经历的循环周次少，N_f小于10⁴～10⁵时就会出现疲劳断裂。低周疲劳寿命主要取决于材料的塑性，所以在满足强度的前提下应选用塑性较高的材料。

（3）疲劳断裂的过程 疲劳裂纹的萌生与扩展：

1）裂纹的萌生。裂纹的策源地（裂纹源）一般产生在晶界、相界以及材料中的缺陷等部位。从微观上看，当且微裂纹的尺寸达到1×10^-3～2.5×10^-2mm时，一般认为是裂纹的萌生阶段。

2）裂纹的扩展。裂纹的扩展是决定材料疲劳寿命的关键阶段。产生的裂纹在交变应力作用下是否扩展，扩展的速度是快还是慢，是研究疲劳失效需要解决的问题。形变铝合金疲劳断口裂纹的扩展过程如图2-28所示，裂纹扩展可分为两个阶段。

第1阶段：裂纹扩展方向与最大应力成45°角，主要受剪切应力的作用，称为剪切型开裂，疲劳裂纹的扩展速度很慢，扩展的距离很短，其断口微观特征依材料不同而有区别。

第2阶段：裂纹扩展方向与外部拉应力方向垂直，称为张开型开裂。疲劳裂纹扩展的断口微观特征是疲劳辉纹的存在，它是由一条条平行的条纹组成的。一般来说，铝合金疲劳断口上的疲劳辉纹明显，而灰铸铁、铸钢及高强度钢在疲劳断裂时，这种疲劳辉纹不明显。

图2-28 形变铝合金疲劳断口裂纹扩展的过程

（4）疲劳强度的测定 测定材料的疲劳强度时，要用较多的试样（至少10个），在预测疲劳极限的应力水平下开始试验，若前一试样发生断裂，则后一试样的应力水平要下降，反之则应力上升，然后绘制出疲劳曲线，即画出交变应力σ与断裂前的应力循环次数N的关系曲线。可以按试验规范测定疲劳极限或条件疲劳极限。

（5）提高表面抗疲劳性能的途径

1）降低材料表面粗糙度值。疲劳裂纹常起源于材料表面，表面粗糙度值越高，材料的疲劳强度就越高。

2）改善显微组织稳定性和均匀性。合金组织中若存在疏松、发裂、偏析、非金属夹杂物、铁素体条状组织、游离铁素体、石墨、网状碳化物、粗晶粒、过烧、脱碳、大量的残留奥氏体、魏氏组织等缺陷和不均匀分布，都会降低材料的疲劳强度。

3）采用表面工程技术。这是提高表面疲劳强度的有效途径。常用的表面工程技术很多，如喷丸强化、渗碳、渗氮、碳氮共渗、激光表面热处理、离子注入等。