人類文明的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步同金屬材料關(guān)系十分密切。現(xiàn)代，種類繁多的金屬材料已成為人類社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。而材料的表面與其內(nèi)部本體,無論在結(jié)構(gòu)上還是在化學(xué)組成上都有明顯的差別,這是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部原子受到周圍原子的相互作用是相同的,而處在材料表面的原子所受到的力場(chǎng)卻是不平衡的,因此產(chǎn)生了表面能（1）。尤其金屬材料的表面易于形成氧化層，改變了金屬原本的特性，其表面對(duì)材料整體性能具有決定性的影響,金屬材料的磨損、腐蝕、斷裂等,無不與金屬材料的表面密切相關(guān)。本文將通過一組圖片帶您了解金屬材料表面的三維形貌表征應(yīng)用實(shí)例。
材料常見失效形式的表面形貌表征
金屬材料的機(jī)械性能是零件的設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)。外加載荷性質(zhì)不同(例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、循環(huán)載荷等)，對(duì)金屬材料要求的機(jī)械性能也將不同（2）。下面幾張圖片分別為金屬材料常見失效前后的典型表面三維形貌分析。
磨 損
軸作為重要的機(jī)械構(gòu)件，在長(zhǎng)期服役過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)磨損，對(duì)其使用壽面的安全預(yù)測(cè)極其關(guān)鍵。圖1比較了磨損前后軸表面的三維形貌和粗糙度數(shù)據(jù)變化情況。三維形貌圖（以顏色表征高度，紅高藍(lán)低）可以直觀地看出摩擦過程導(dǎo)致磨損，基本去除了軸表面被機(jī)加工后遺留的平行紋理且在某些位置出現(xiàn)明顯磨溝（藍(lán)色位置）。而平均粗糙度Sa在磨損后變大，單位面積峰密度Sds則急劇下降，表明磨損使得其軸表面大量微凸體塑性耗盡被磨平。峰曲率平均值Ssc可以估計(jì)在給定載荷條件時(shí)表面彈塑性變形的程度，一定程度上可用于預(yù)測(cè)軸的抗磨損特性，磨損后該值變小很多表明細(xì)小的微凸體減少后，支撐對(duì)磨配副的凸點(diǎn)曲率變大（3）。
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圖2 鋁合金疲勞斷口的典型照片和三維形貌圖
腐蝕
金屬在腐蝕過程中所發(fā)生的化學(xué)變化，從根本上來說就是金屬單質(zhì)被氧化形成化合物。腐蝕時(shí)，在金屬的界面上發(fā)生了化學(xué)或電化學(xué)多相反應(yīng)，使金屬轉(zhuǎn)入氧化（離子）狀態(tài)。這會(huì)顯著降低金屬材料的強(qiáng)度、塑性、韌性等力學(xué)性能，破壞金屬構(gòu)件的幾何形狀，增加零件間的磨損，惡化電學(xué)和光學(xué)等物理性能，縮短設(shè)備的使用壽命，甚至造成火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難性事故。其中，點(diǎn)蝕又稱坑蝕和小孔腐蝕，點(diǎn)蝕雖然失重不大，但由于陽極面積很小，所以腐蝕速率很快，嚴(yán)重時(shí)可造成設(shè)備穿孔，使大量的油、水、氣泄漏，有時(shí)甚至造成火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重事故，危險(xiǎn)性很大。點(diǎn)蝕會(huì)使晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等加劇，在很多情況下點(diǎn)蝕是這些類型腐蝕的起源（6）。圖3-1為典型的鈦合金點(diǎn)蝕后的三維形貌（顏色表示高度的等高圖；左上藍(lán)色位置為點(diǎn)蝕坑，軟件提取后在左下圖顯示為紅色），右側(cè)表格通過軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出點(diǎn)蝕坑的數(shù)目、大小、深度等數(shù)據(jù)，并找到最大腐蝕深度。圖3-2的作者在石油管道的掛片上涂覆抗腐涂層后在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)（沖刷）實(shí)驗(yàn)條件下考察涂層的穩(wěn)定性，經(jīng)過24小時(shí)后，比較實(shí)驗(yàn)前后抗腐涂層的膜厚變化。由于該涂層透明，其膜厚值通過白光干涉技術(shù)可以精確測(cè)定。譬如，（a）、（b）圖表明CI-A涂層在靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)條件測(cè)試后，其不連續(xù)性增大，膜層剝落區(qū)域增加（7）。
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圖3 鈦合金點(diǎn)蝕坑分析和抗腐蝕涂層完整性測(cè)試
材料成型工藝表征
材料成形及控制以成形技術(shù)為手段、以材料為加工對(duì)象、以過程控制為質(zhì)量保證措施、以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造為目的（8）。以下通過幾張圖片分別探討常見成型工藝后金屬材料表面三維形貌特征。
鑄造（定向凝固）
定向凝固成形技術(shù)是伴隨高溫合金的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的，是在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，以獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。由于該技術(shù)較好地控制了凝固組織的晶粒取向，消除了橫向晶界，大大提高了材料的縱向力學(xué)性能。因此，將該技術(shù)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)，所獲得的柱狀晶組織具有優(yōu)良的抗熱沖擊性能、長(zhǎng)的疲勞壽命、高的高溫蠕變抗力和中溫塑性，進(jìn)而提高了葉片的使用壽命和使用溫度。定向凝固鑄件的組織分為柱狀、共晶和單晶3種。該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展是單晶生產(chǎn)，它除了用于高溫合金單晶葉片的研制外，還逐漸推廣到半導(dǎo)體材料、磁性材料、復(fù)合材料的研究中，成為現(xiàn)代凝固成形的重要手段之一（9）。圖（4）分別為鎳基高溫合金CMSX-6的共晶組織（圖4-1）和NiAl單晶中裂紋擴(kuò)展(圖4-2)的原子力顯微鏡（AFM）表征。原子力顯微鏡對(duì)樣品制備要求不高，可直接在大氣中或液下對(duì)材料表面進(jìn)行微區(qū)三維形貌成像，分辨率可達(dá)納米（水平方向）或埃米（高度）。與此同時(shí)，通過峰值力輕敲模式，還可以記錄材料表面的形變、黏附力、彈性模量等納米力學(xué)性能。圖4-1可以清晰地看出高溫合金的共晶形態(tài)并定量計(jì)算其中γ′共晶相的比例為50.7%。圖4-2則通過AFM的形變通道記錄了單晶中的裂紋尖端擴(kuò)展的過程，中心紅色位置為較大變形的區(qū)域，說明裂紋尖端具有較高的應(yīng)力強(qiáng)度因子。
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圖4 定向凝固的共晶組織和單晶中裂紋尖端擴(kuò)展
焊接
鋰離子電極焊接是指鋰離子電池正負(fù)極的銅箔與鎳片焊接、鋁箔與鋁片焊接、鋁片與鎳片焊接。超聲波金屬焊接利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的金屬表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)金屬表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合，其優(yōu)點(diǎn)在于快速、節(jié)能、熔合強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、無火花、接近冷態(tài)加工。而超聲波焊接質(zhì)量好壞直接關(guān)系到鋰電池的整體性能、良品率及電池使用壽命（10）。圖5為鋁箔電池極片焊后表面三維形貌圖（白光干涉技術(shù)），不但可以清晰觀察凸起焊點(diǎn)（紅色）的分布是否均勻，預(yù)制的凹坑和軋制的紋理也十分清晰，軟件可分析凸起、凹坑的大小、高度等具體數(shù)據(jù)。
圖5 鋰離子電極中鋁箔電池極片焊接后三維形貌
拋光
金相觀察常用于對(duì)金屬材料組織的觀察，而圖6是對(duì)不同牌號(hào)鋁合金原材料拋光后表面觀察與粗糙度測(cè)量的結(jié)果。上兩張可以明顯看出大顆晶粒與晶界，粗糙度Sa分別為4.4和1.7納米；而第三張表面看不到晶粒且表面起伏明顯偏大，存在大量麻點(diǎn)（藍(lán)色凹坑），粗糙度Sa為10.2納米。由于此合金需要用于導(dǎo)航用反射面，第三種牌號(hào)的鋁材粗糙度過大而無法滿足要求。正是白光干涉技術(shù)在縱向高達(dá)0.1納米的分辨率，才在如此鏡面上通過非接觸式測(cè)量，分析出鋁材成型過程中的缺陷，從而在質(zhì)量監(jiān)控中發(fā)揮重要作用。
圖6 不同牌號(hào)鋁合金拋光后的三維形貌等高圖
滲層（表面處理）
固體滲硼是一種常用的化學(xué)熱處理工藝, 可使材料表面形成具有高硬度、高耐磨、耐高溫氧化等優(yōu)良性能的硼化物層, 顯著提高材料的摩擦磨損性能。其中稀土輔助固體滲硼受到了廣泛的關(guān)注，圖（7）是對(duì)高溫模具常用的H13 鋼進(jìn)行添加CeCl3稀土催滲輔助滲硼處理, 研究Ce 元素對(duì)滲硼后樣品表面形貌的影響，并獲得粗糙度的定量數(shù)據(jù)隨不同含量稀土滲硼時(shí)的變化。可以看出來，隨稀土比例增加，雖然可改進(jìn)滲硼的效果，但如果太多會(huì)顯著增加其表面粗糙度（如Ra），不利于模具表面對(duì)粗糙度的要求（11）。
圖7 添加不同含量稀土元素后滲硼后模具鋼表面三維形貌的對(duì)比 (a) 0%; (b) 2.5%; (c) 5%, (d) 10%
綜上，金屬材料無論在成型過程中還是實(shí)際服役時(shí)直至失效后，其表面形貌的表征均十分重要，通過合適的表征可以為金屬材料成型工藝的合理選擇和表面工程手段的優(yōu)化提供幫助，延長(zhǎng)工程中金屬構(gòu)件的實(shí)際使用壽命。
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