文| 高玉魁　同济大学航空航天与力学学院教授　博士生导师

 

        长期以来，人们已认识到材料及其制造的产品表面对使用性能的重要影响，而且由于失效多数源自表面，因此感到材料的表面质量对材料的耐久性和可靠性具有重要影响。

 

        此外，材料表面的改变，包括力学、冶金、化学和其它方面的变化，虽然都仅仅局限在小小的表面层，但却具有对使用性能不可忽视的重要作用和巨大影响，有时甚至可能会导致产品不合格和客户无法接受。

 

       随着人们认识的逐步提高和科学技术的迅速发展，上个世纪七十年代，表面科学和技术体系逐渐形成，开始了主动对材料表层的设计、制造、表征和应用，以达到改变材料的表层和近表层使之赋予不同于基体的功能。对于结构材料而言，最重要的功能就是承载能力和耐久性，因此人们集中在材料表面对疲劳和应力腐蚀等性能影响的研究上。

 

       1964 年美国学者Field 和其同事Kahles 通过对高强度钢的机械加工表面的系统研究，首次提出了“表面完整性”的概念，并定义为“表面完整性是通过机械加工或其它生成表面方法赋予材料表面所固有或加强的状态”（Surface integrity is defined as the inherent or enhanced condition of a surface produced in machining or other surface generation operation）。该概念的提出，使人们加强了对材料表面重要性的认识，但由于人们很难理解此概念的定义和在工程中难以执行，1971 年他们给出了材料表面完整性的不同级别要求（最少数据库、标准数据库和扩展数据库），见表1。
 

 

      “表面完整性”一词源于机械加工，在制造加工领域也得到迅速发展并推广应用到其它领域，如表面强化和表面防护等领域， 自1971 年来美国航空材料实验室分阶段花费了10 年和20 年的时间通过系统完善的加工工艺优化试验和大量的疲劳与腐蚀实验寿命评价才建立了航空材料表面完整性体系，从而提高了材料表面完整性和使航空零部件达到了延寿效果。

 

        应该说“表面完整性”初期概念的建立及材料表面完整性的不同级别要求，对推动人们对材料表面完整性的认识和提高材料的寿命起到了重要作用，但由于“表面完整性”的概念比较抽象， 而且对材料表面完整性的检测涉及到很多疲劳与应力腐蚀等费用昂贵的试验，在工程上难以推广应用。为此，人们试图建立材料的表面状态和特性与材料性能之间的相关性，并将“影响材料性能的表面状态与特性”定义为“材料表面完整性”。

 

       自表面完整性的概念提出以来， 国内外都曾对表面完整性开展了研究， 国外通过系统研究取得了很多成果并推广应用到了航空航天石油机械等工业领域， 但国内由于没有足够的经费去开展系统的研究， 仍然停留在探索阶段， 取得的成果也非常有限， 对于某些行业至今还停留在概念认识的进一步提高和完善的阶段。

 

      “表面完整性”的概念虽然英文比较简洁明了，但翻译成中文却显得难以理解和应用，且很难对表面给出具体描述的要求。为了便于深入理解和推广应用， 书中给出了表面完整性的概念、内涵和外延。本书第一章先给出了表面完整性的概念、内涵和外延， 其次阐述了表面完整性概念的来源和历史发展，最后谈及了一些表面完整性方面的科学研究进展及工程界的认识。

 

        为了便于理解，笔者给出了表面完整性的新概念。它是指为保持和提高材料固有的力学、物理和/ 或化学、生物等使用性能而需使材料表面所具有的不同于基体的特定状态和性能。表面状态和性能的检测，即表面完整性的测试与表征，是需要基于表面完整性概念的内涵和外延分析来深入的。关于表面完整性的内涵就是概念中的表面状态和表面性能两个组成部分，此外还需要强调为获得某种特定的固有或加强的材料性能，材料表面需要保持某些固有或加强的表面状态，内涵表示在图1 中的实线框内。此外， 图1 中还示意出表面完整性的两个组成部分是相互关联的，表面状态决定或影响了表面性能，表面性能体现或反映表面状态，它们之间具有映射关系。关于表面完整性的外延，其内容非常丰富， 与材料力学性能、腐蚀性能、磨损性能主要相关的表面状态与性能主要是材料表面的力学性能、金属物理性能、电化学性能与几何性能，具体而言与材料表面的粗糙度、显微硬度、组织结构、电极电位、接触面积特性等密切相关；近年来生物材料的发展非常迅速，其材料的表面完整性则主要体现在与生物相容性、表面耐磨性和寿命耐久性相关的表面状态与性能。
 

 
  图1　表面完整性概念的内涵与外延示意图
 

       材料表面完整性的研究主要集中在材料的表面层和次表面层， 因此近代很多技术的发展都集中在表面完整性的表征与控制上， 以期得到特定的使用性能与获得某些预期的功能。表征的目的是确定需要测定的表面状态特性参数，控制的目的是获得重复性好、可靠性高的工艺参数域。目前对疲劳性能而言，主要控制和分析的表面完整性参数有表面形貌特征参数粗糙度、残余应力、表层组织结构等。如对表面形貌的分析技术，既有通用的粗糙度检测又有高级先进的原子力显微镜，对残余应力的分析既有有损的钻孔法又有无损的X 射线衍射技术或中子散射方法，这些检测及监测技术在本书的第2 章予以了详细介绍，以便为控制表面完整性提供检测方法和监测手段。

 

       表面完整性的状态和性能之间的关系到底是怎么建立的？表面完整性对疲劳、腐蚀和磨损的作用机理是什么和到底有多大影响？本书第3 章具体阐述了表面完整性对疲劳裂纹萌生与扩展、腐蚀、磨损的影响，并在章节最后简要谈及了表面完整性在节能减重、定寿延寿、循环经济和可持续发展等方面的作用。

 

       第4 章从工程实践中容易出现的表面缺陷或不完整性出发来阐述机械加工、热处理、铸造、锻造、焊接、表面处理、装配和使用等过程中材料表面演化时出现的各种问题，以引起大家的重视。本章选用了多种材料和典型零部件的失效案例，提炼出了与表面相关的缺陷，以加深人们对加工制造工艺参数优化研究重要性的认识。第5 章则是从如何加强材料表面完整性入手，阐述了残余应力的调整技术、表面强化工艺及结合典型零部件讲述了如何应用这些表面改性技术来提高零部件的安全性、可靠性、耐久性和积极性。

 

       第6 章是全书的精华所在，是在总结了国内外关键航空航天零部件的制造大纲或规范的基础上，结合作者多年的实践提炼总结而成，从设计和制造的角度给出了钢铁、铝合金、钛合金、镁合金、高温合金的零部件加工的工艺性指南。

 

       本书绝大部分章节是作者根据多年的研究成果结合理论分析所著，只有一小部分内容是参考了一些文献而提炼的。虽然内容不是很全面，但重点还是比较突出的，也是国内第一部系统阐述表面完整性概念、作用和改进方法的专著，还是非常值得大家一读的。

 

       本书尽管耗费了四年之久才最终脱手，但感觉还是存在不少问题的，也衷心希望读者多批评指正。本书作者由于水平和研究领域所限，对复合材料和铜合金等一些材料未能阐述；此外， 对于表面完整性技术体系的组成及产品表面完整性质量评价体系没有具体阐述，也没有给出一些定量的分析模型。限于篇幅，本书没有涉及涂层、镀层、熔覆层、渗层等内容，也没有具体阐述表面强化层的梯度特性及其表面完整性要求。这些都是为了再版时需要加以补充和完善的，更希望在大家的支持和帮助下能够进一步更新本书内容使之更全面系统也更易读实用。

 

       表面完整性概念虽然难以理解，但表面完整性的改善工艺，诸如喷丸、挤压、滚压等在工程上却得以了应用了多年。图2 是采用喷丸强化来提高涡轮盘的表面完整性和使用寿命，图3 是采用低应力磨削、喷丸、挤压和镀铬等处理的飞机起落架外筒、扭力臂和活塞杆等组件，图4 是新发展的高能激光冲击强化的整体钛合金叶盘。这些零部件均采用表面改性技术尤其是表面形变强化来改善表面完整性从而提高零部件的使用寿命和安全可靠性。
 

 
  图2　涡轮盘的喷丸强化


   
图3　飞机起落架组件



图4　整体叶盘的激光冲击强化