文| 高玉魁　同濟大學航空航天與力學學院教授　博士生導師

 

        長期以來，人們已認識到材料及其制造的產品表面對使用性能的重要影響，而且由于失效多數源自表面，因此感到材料的表面質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、冶金、化學和其它方面的變化，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，有時甚至可能會導致產品不合格和客戶無法接受。

 

       隨著人們認識的逐步提高和科學技術的迅速發展，上個世紀七十年代，表面科學和技術體系逐漸形成，開始了主動對材料表層的設計、制造、表征和應用，以達到改變材料的表層和近表層使之賦予不同于基體的功能。對于結構材料而言，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力腐蝕等性能影響的研究上。

 

       1964 年美國學者Field 和其同事Kahles 通過對高強度鋼的機械加工表面的系統研究，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械加工或其它生成表面方法賦予材料表面所固有或加強的狀態”（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，使人們加強了對材料表面重要性的認識，但由于人們很難理解此概念的定義和在工程中難以執行，1971 年他們給出了材料表面完整性的不同級別要求（最少數據庫、標準數據庫和擴展數據庫），見表1。
 

 

      “表面完整性”一詞源于機械加工，在制造加工領域也得到迅速發展并推廣應用到其它領域，如表面強化和表面防護等領域， 自1971 年來美國航空材料實驗室分階段花費了10 年和20 年的時間通過系統完善的加工工藝優化試驗和大量的疲勞與腐蝕實驗壽命評價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到了延壽效果。

 

        應該說“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力腐蝕等費用昂貴的試驗，在工程上難以推廣應用。為此，人們試圖建立材料的表面狀態和特性與材料性能之間的相關性，并將“影響材料性能的表面狀態與特性”定義為“材料表面完整性”。

 

       自表面完整性的概念提出以來， 國內外都曾對表面完整性開展了研究， 國外通過系統研究取得了很多成果并推廣應用到了航空航天石油機械等工業領域， 但國內由于沒有足夠的經費去開展系統的研究， 仍然停留在探索階段， 取得的成果也非常有限， 對于某些行業至今還停留在概念認識的進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用， 書中給出了表面完整性的概念、內涵和外延。本書第一章先給出了表面完整性的概念、內涵和外延， 其次闡述了表面完整性概念的來源和歷史發展，最后談及了一些表面完整性方面的科學研究進展及工程界的認識。

 

        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、物理和/ 或化學、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和性能。表面狀態和性能的檢測，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涵和外延分析來深入的。關于表面完整性的內涵就是概念中的表面狀態和表面性能兩個組成部分，此外還需要強調為獲得某種特定的固有或加強的材料性能，材料表面需要保持某些固有或加強的表面狀態，內涵表示在圖1 中的實線框內。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聯的，表面狀態決定或影響了表面性能，表面性能體現或反映表面狀態，它們之間具有映射關系。關于表面完整性的外延，其內容非常豐富， 與材料力學性能、腐蝕性能、磨損性能主要相關的表面狀態與性能主要是材料表面的力學性能、金屬物理性能、電化學性能與幾何性能，具體而言與材料表面的粗糙度、顯微硬度、組織結構、電極電位、接觸面積特性等密切相關；近年來生物材料的發展非常迅速，其材料的表面完整性則主要體現在與生物相容性、表面耐磨性和壽命耐久性相關的表面狀態與性能。
 

 
  圖1　表面完整性概念的內涵與外延示意圖
 

       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， 因此近代很多技術的發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期的功能。表征的目的是確定需要測定的表面狀態特性參數，控制的目的是獲得重復性好、可靠性高的工藝參數域。目前對疲勞性能而言，主要控制和分析的表面完整性參數有表面形貌特征參數粗糙度、殘余應力、表層組織結構等。如對表面形貌的分析技術，既有通用的粗糙度檢測又有高級先進的原子力顯微鏡，對殘余應力的分析既有有損的鉆孔法又有無損的X 射線衍射技術或中子散射方法，這些檢測及監測技術在本書的第2 章予以了詳細介紹，以便為控制表面完整性提供檢測方法和監測手段。

 

       表面完整性的狀態和性能之間的關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展、腐蝕、磨損的影響，并在章節最后簡要談及了表面完整性在節能減重、定壽延壽、循環經濟和可持續發展等方面的作用。

 

       第4 章從工程實踐中容易出現的表面缺陷或不完整性出發來闡述機械加工、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出現的各種問題，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的缺陷，以加深人們對加工制造工藝參數優化研究重要性的認識。第5 章則是從如何加強材料表面完整性入手，闡述了殘余應力的調整技術、表面強化工藝及結合典型零部件講述了如何應用這些表面改性技術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，是在總結了國內外關鍵航空航天零部件的制造大綱或規范的基礎上，結合作者多年的實踐提煉總結而成，從設計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。

 

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

 

       本書盡管耗費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域所限，對復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體系的組成及產品表面完整性質量評價體系沒有具體闡述，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、滲層等內容，也沒有具體闡述表面強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需要加以補充和完善的，更希望在大家的支持和幫助下能夠進一步更新本書內容使之更全面系統也更易讀實用。

 

       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用了多年。圖2 是采用噴丸強化來提高渦輪盤的表面完整性和使用壽命，圖3 是采用低應力磨削、噴丸、擠壓和鍍鉻等處理的飛機起落架外筒、扭力臂和活塞桿等組件，圖4 是新發展的高能激光沖擊強化的整體鈦合金葉盤。這些零部件均采用表面改性技術尤其是表面形變強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　渦輪盤的噴丸強化


   
圖3　飛機起落架組件



圖4　整體葉盤的激光沖擊強化