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1、绪 论 机机械械工工程程材材料料的的定定义义、分分类类和和常常用用的的性性能指标；能指标；学习本门课程的目的。学习本门课程的目的。一一 机械工程材料的定义和分类机械工程材料的定义和分类 1、定义 机械工程材料主要指用于机机械械工工程程、电电器器工工程程、建建筑筑工工程程、化化工工工工程程、航空航天工程航空航天工程等领域的材料。2、分类分类 （按按化学成分化学成分分类分类）金属材料金属材料 (综合性能好，用量最大、应用范围最广综合性能好，用量最大、应用范围最广)高分子材料高分子材料 (质轻、质轻、耐腐蚀，常用于化工、机械、航耐腐蚀，常用于化工、机械、航 空航天等空航天等)陶瓷材料陶瓷材料 （高电
2、强、高硬度、耐腐蚀、绝缘，用于高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘，用于 电器、化工、航空航天等等）电器、化工、航空航天等等）复合材料复合材料 （轻、高的比强度、比刚度，结合两种材（轻、高的比强度、比刚度，结合两种材 料的性能优点，用于航空航天等领域）料的性能优点，用于航空航天等领域）二二 机械工程材料的常用性能机械工程材料的常用性能 包括两方面材料材料使用性能使用性能材料材料工艺性能工艺性能力学性能力学性能（强度、塑性韧性等）强度、塑性韧性等）物理性能物理性能（光、热、电、磁等）（光、热、电、磁等）化学性能化学性能（氧化、腐蚀等）（氧化、腐蚀等）加工性能加工性能（切削、锻造等）（切削、锻造等）铸造性
3、能铸造性能（适合铸造与否）（适合铸造与否）焊接性能焊接性能（容易焊接与否）（容易焊接与否）热处理性能热处理性能（可热处理强化）（可热处理强化）三、三、学习机械工程材料的目的学习机械工程材料的目的 （1）获得常用的金属材料、非金属材料的获得常用的金属材料、非金属材料的基本理论知基本理论知识识，了解各种机械工程材料的，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围基本特性和应用范围；（2）在了解材料性能和设计之间关系的基础上，可根）在了解材料性能和设计之间关系的基础上，可根据零件的工作条件和失效形式，据零件的工作条件和失效形式，正确设计和合理选材正确设计和合理选材；（3）能够根据结构、工艺、外界条件（温
4、度、环境介）能够根据结构、工艺、外界条件（温度、环境介质）改变对材料性能的影响，质）改变对材料性能的影响，正确制定零件的冷、热加工正确制定零件的冷、热加工工艺路线工艺路线。第一章 机械零件的失效分析本章主要内容本章主要内容零件的零件的过量变形过量变形以及性能指标以及性能指标零件的零件的断裂断裂及性能指标及性能指标零件在交变载荷下的零件在交变载荷下的疲劳断裂疲劳断裂及性能指标及性能指标零件的零件的磨损失效磨损失效以及防止以及防止零件在零件在高温下高温下的蠕变变形和断裂失效的蠕变变形和断裂失效关于失效的基本概念关于失效的基本概念1 1 零件（构件）的功能零件（构件）的功能 （1 1）在一定的压力、
5、温度、介质下，保持）在一定的压力、温度、介质下，保持规定的形状和尺寸；规定的形状和尺寸；（2 2）实现规定的机械运动；）实现规定的机械运动；（3 3）传递力和能。）传递力和能。2 2失效的定义和形式失效的定义和形式3 3 定义定义:零件失去设计所要求的效能零件失去设计所要求的效能（功能）称为失效。（功能）称为失效。4 4 5 5 常见的失效形式：常见的失效形式：过量变形、断裂、过量变形、断裂、磨损、腐蚀磨损、腐蚀第一节第一节 零件在常温静载下的过量变形零件在常温静载下的过量变形材料的静载性能指标有哪些材料的静载性能指标有哪些?什么是过量弹性变形失效什么是过量弹性变形失效?发生过量弹性发生过量弹
6、性变形的原因是什么变形的原因是什么?设计时应选择什么性设计时应选择什么性能指标能指标?发生过量塑性变形的原因是什么发生过量塑性变形的原因是什么?抗力指抗力指标有哪些标有哪些?问问 题题一、材料的静载性能指标一、材料的静载性能指标刚度和强度指标刚度和强度指标弹性和塑性指标弹性和塑性指标硬度指标硬度指标韧性指标（放在断裂中讲）韧性指标（放在断裂中讲）1、刚度、刚度刚度：刚度：零构件载受力时抵抗弹性变形的零构件载受力时抵抗弹性变形的能力能力。等于材料弹性模量与零构件截面。等于材料弹性模量与零构件截面积的乘积。积的乘积。2、强度、弹性塑性指标、强度、弹性塑性指标试样的静拉伸过程试样的静拉伸过程（1）强
7、度：）强度：材料抵抗变形或者断裂的能力材料抵抗变形或者断裂的能力比例极限比例极限s sp弹性极限弹性极限s se屈服强度屈服强度s ss抗拉强度抗拉强度s sb断裂强度断裂强度s sk（2）弹性和塑性指标）弹性和塑性指标弹性：材料发生弹性变形的大小。弹性：材料发生弹性变形的大小。塑性塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力材料断裂前发生塑性变形的能力弹性指标：弹性能（弹性比功）弹性指标：弹性能（弹性比功）m m塑性指标：断后伸长率塑性指标：断后伸长率d d 断面收缩断面收缩 3硬度硬度硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度指标：物理意义与试验方法有关硬度指标：物理意
8、义与试验方法有关滑痕法硬度值（莫氏硬度）滑痕法硬度值（莫氏硬度）弹性回跳法硬度值（肖氏硬度）弹性回跳法硬度值（肖氏硬度）压入法硬度值（工业中应用广泛）压入法硬度值（工业中应用广泛）布氏硬度（布氏硬度（HBS)淬火钢球淬火钢球洛氏硬度洛氏硬度(HRC)（锥角为（锥角为120的金刚石圆锥体）的金刚石圆锥体）维氏硬度维氏硬度(HV)（锥面角为（锥面角为136 的金刚石四棱锥体为压的金刚石四棱锥体为压头头二、过量变形失效二、过量变形失效1过量弹性变形及抗力指标过量弹性变形及抗力指标2（1）零构件发生过量弹性变形失效：零构件发生过量弹性变形失效：3 D Dl D Dl (拉压或者弯曲条件下）拉压或者弯曲
9、条件下）4或者或者 q q q q（扭转条件下）扭转条件下）5（2）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够6（3）抗力指标：弹性模量）抗力指标：弹性模量E或者切变模量或者切变模量G2过量塑性变形及抗力指标过量塑性变形及抗力指标3（1）发生条件：塑性变形量超过允许变形量）发生条件：塑性变形量超过允许变形量4（2）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑性变形的能力不够性变形的能力不够5（3）抗力指标：比例极限、弹性极限和屈服）抗力指标：比例极限、弹性极限和屈服极限极限总总 结结零构件发生过弹性变形的原因：零构件发生过弹性变形的原因
10、：刚度不足刚度不足抗力指标：抗力指标：弹性模量弹性模量E或者或者切变模量切变模量G强强 调！调！金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热处理、金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热处理、冷变形等方法改变。冷变形等方法改变。本节中本节中所讲的所讲的材料的材料的力学性力学性能指标能指标及应用及应用刚度刚度：刚度设计中，考虑构件刚度设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。在受力时发生的弹性变形量。主要力学性能是材料的弹性模主要力学性能是材料的弹性模量。如精密机床主轴等零构件量。如精密机床主轴等零构件弹性指标弹性指标：弹性极限和弹性弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的模量是设计弹性零件考虑的性能指标
11、。如汽车板簧和各性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等类弹簧等屈服强度和塑性屈服强度和塑性：一般零件一般零件的抗断裂设计。的抗断裂设计。硬度硬度：在耐磨零件中必须考虑的在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承等性能指标。如滚珠轴承等.第二节第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂零件在静载和冲击载荷下的断裂问问 题题1断裂可分为几类？韧性断裂和脆性断裂如何区分？断裂可分为几类？韧性断裂和脆性断裂如何区分？2断裂过程分为几个阶段？韧性断裂和脆性断裂的断断裂过程分为几个阶段？韧性断裂和脆性断裂的断裂过程的区别在哪里？裂过程的区别在哪里？3什么是材料的韧性？评价材料韧性的力学性能指标什么是材料的韧性？评价材
12、料韧性的力学性能指标有哪些？有哪些？4材料韧性指标的含义及应用？材料韧性指标的含义及应用？一、基本概念一、基本概念静载荷和冲击载荷静载荷和冲击载荷断裂：断裂：材料在外力作用下分为两个或者两个以材料在外力作用下分为两个或者两个以上部分的现象。上部分的现象。断裂的分类：韧性断裂和脆性断裂断裂的分类：韧性断裂和脆性断裂断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展韧性：韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。吸收能量的能力。韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌韧性韧性断口断口脆性脆性断口断口二、冲击韧性及衡量指标二、冲击
13、韧性及衡量指标1冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综合表现。合表现。2衡量指标：冲击吸收功衡量指标：冲击吸收功Ak3冲击韧度冲击韧度ak(ak Ak/Fk)3应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。合用于一般零件抗断裂设计。4低温冲击试验：低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度材料的韧脆转变温度TK)材料韧脆转变温度材料韧脆转变温度TK的确定和应用的确定和应用三、断裂韧性及衡量指标三、断裂韧性及衡量指标1断裂韧度断裂韧度K
14、IC:是评定材料抵抗脆性断裂的力学性是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。2 单位：单位：MPam 1/2 或者或者 MN m-3/22应用应用（判断构件是否安全，合理选材）（判断构件是否安全，合理选材）3KI KIC 构件发生脆性断裂构件发生脆性断裂5 KI KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条构件发生低应力脆性断裂的临界条件件63 应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电
15、机转子等。子、大型发电机转子等。四、影响脆性断裂的因素四、影响脆性断裂的因素温度和加载速度温度和加载速度应力集中应力集中零件尺寸零件尺寸总总 结结材料的断裂分为：韧性断裂和脆性断裂材料的断裂分为：韧性断裂和脆性断裂材料的韧性指标：冲击吸收功、冲击韧度、材料材料的韧性指标：冲击吸收功、冲击韧度、材料韧脆转变温度和断裂韧度，前三个用于评价材料韧脆转变温度和断裂韧度，前三个用于评价材料韧性的好坏；断裂韧度可用于材料抵抗低应力脆韧性的好坏；断裂韧度可用于材料抵抗低应力脆性断裂的设计。性断裂的设计。材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等方材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等方法改变。法改变。第三节
16、第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂零件在交变载荷下的疲劳断裂问问 题题1什么是疲劳断裂？什么是疲劳断裂？2疲劳断口由哪几个部分组成？疲劳断口由哪几个部分组成？3疲劳抗力指标有哪些？在设计中如何使疲劳抗力指标有哪些？在设计中如何使用这些指标？用这些指标？一、基本概念一、基本概念1交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。变化的载荷。2疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。3疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最
17、后断裂。最后断裂。二、疲劳断口的特点二、疲劳断口的特点疲劳断口示意图示意图疲劳源区和疲劳扩展区的微观形貌一个疲一个疲劳源劳源两个疲两个疲劳源劳源微裂纹微裂纹疲劳疲劳条纹条纹三、疲劳抗力指标三、疲劳抗力指标1无裂纹构件的疲劳抗力指标无裂纹构件的疲劳抗力指标：疲劳极限疲劳极限过载持久值过载持久值疲劳极限：材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲线上水平部分对应的应力值。疲劳曲线 图图111 两种类型的疲劳曲线两种类型的疲劳曲线a)钢铁材料钢铁材料 b)部分有色金属（如铝合金）部分有色金属（如铝合金）条件疲劳极限疲劳极限过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的循环周次
18、。高周疲劳：高周疲劳：Nf105低周疲劳低周疲劳:Nf1052带裂纹构件的疲劳抗力指标带裂纹构件的疲劳抗力指标裂纹扩展速率（裂纹扩展速率（da/dN)疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值(DKDKth）四、影响疲劳抗力的因素四、影响疲劳抗力的因素1载荷类型载荷类型2材料本质材料本质3零件表面状态零件表面状态4工作温度工作温度5腐蚀介质腐蚀介质总总 结结1疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一种脆性断裂，危害很大种脆性断裂，危害很大。2无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度
19、。极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。3 工作应力工作应力sss疲劳极限，构件在一定的周次下疲劳极限，构件在一定的周次下断裂，该周次称为过载持久值。断裂，该周次称为过载持久值。工作应力越大，工作应力越大，过载持久值越低。过载持久值越低。5 53 3 疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断扩展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是否发生疲劳断裂。是否发生疲劳断裂。第四节第四节 零件的磨损失效零件的磨损失效 本节主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳本节主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损的发生过程、机理以及防止措施。磨损的
20、发生过程、机理以及防止措施。一、磨损的基本概念磨损的基本概念1产生磨损的条件产生磨损的条件2磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸变化和物质耗损的现象叫做磨损。变化和物质耗损的现象叫做磨损。二、磨损的过程和机理二、磨损的过程和机理1粘着磨损粘着磨损2（1）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对擦幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。（2
21、）过程）过程滑动滑动（3）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。（4）防止措施）防止措施合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类材料材料；提高表面硬度；提高表面硬度；合理设计减小接触压应力；合理设计减小接触压应力；减小表面粗糙度。减小表面粗糙度。局部粘着局部粘着粘着处粘着处被撕掉被撕掉金属表面被划金属表面被划伤或者金属屑伤或者金属屑粒脱落粒脱落2磨粒磨损磨粒磨损3（1）定义：）定义：又称磨料磨损，在滑动摩擦时又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部
22、塑性变形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而性变形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。（2）过程）过程金金 属属 表表 面面发发 生生 局局 部部塑性变形塑性变形磨磨粒粒嵌嵌入入金金属属表表面面，切切割割金金属表面属表面表表 面面 被被 划划伤伤（4）防止措施）防止措施提高表面硬度（从选材方面）；提高表面硬度（从选材方面）；减少磨粒数量（从工作状况方面）减少磨粒数量（从工作状况方面）。3接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）4（1）定义：）定义：零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时
23、，在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。的现象。5 5（2 2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。（3）主要防止措施主要防止措施提高材料硬度；提高材料纯度；提高零件心部和表面强度；提高材料硬度；提高材料纯度；提高零件心部和表面强度；减小表面粗糙度。减小表面粗糙度。总 结磨损是机械零件常见的一种失效形式，总是从零件表面开始发生。各种磨损的过程和机理不同，因此其主要的预防措施也不同。提高零件表面硬度，合理设计减小压应力，以及提高表面光洁度等对降低磨损都有利。第五节第五节 零件
24、的腐蚀失效零件的腐蚀失效问问 题题1 什么是腐蚀？可分为几类？什么是腐蚀？可分为几类？2高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热钢为什么具有抗高温氧化能力？钢为什么具有抗高温氧化能力？3发生电化学腐蚀的条件是什么？发生电化学腐蚀的条件是什么？4改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么一、腐蚀的定义和分类一、腐蚀的定义和分类1腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反应或者电化学反应所引起的表面损伤现应或者电化学反应所引起的表面损伤现象。象。2分类：分类：3化学腐蚀化学腐蚀4电化学腐蚀电化学腐蚀二、腐蚀过程及防止二
25、、腐蚀过程及防止1化学腐蚀过程（以高温氧化腐蚀为主）高温氧化过程：高温氧化过程：（1）金属失去电子成为金属离子）金属失去电子成为金属离子（2）氧原子吸收电子成为氧离子）氧原子吸收电子成为氧离子（3）金属离子和氧离子结合为金属氧化物）金属离子和氧离子结合为金属氧化物基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是否致密。基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是否致密。提高钢抗氧化能力：加入提高钢抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，与氧结等元素，与氧结合形成致密的氧化物膜，防止基体金属进一步氧化。合形成致密的氧化物膜，防止基体金属进一步氧化。2电化学腐蚀电化学腐蚀3条件：存在电极电位差，并且相互接触并
26、处于相条件：存在电极电位差，并且相互接触并处于相互联通的电介质溶液中形成微电池。互联通的电介质溶液中形成微电池。电化学腐蚀的过程电化学腐蚀的过程阳极：失去电子，阳极：失去电子，MM n+ne(被腐蚀）被腐蚀）阴极：发生析氢反应或者吸氧反应阴极：发生析氢反应或者吸氧反应三、零件防止腐蚀的措施三、零件防止腐蚀的措施对于化学腐蚀，常采用以下方式：选择对于化学腐蚀，常采用以下方式：选择抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料等；零件表面涂层。材料等；零件表面涂层。对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表面涂层；电化学保护；加缓蚀剂面涂层；电化
27、学保护；加缓蚀剂第六节第六节 零件在高温下的蠕变变形和零件在高温下的蠕变变形和断裂失效断裂失效问问 题题金属材料在高温下的力学行为有哪些特点金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？什么是蠕变？什么是蠕变？评价金属材料高温力学性能指标有哪些？评价金属材料高温力学性能指标有哪些？高温下零件的失效方式有哪些？如何防止高温下零件的失效方式有哪些？如何防止？一、材料在高温下的力学行为一、材料在高温下的力学行为1 材料的强度随温度的升高而降抵。材料的强度随温度的升高而降抵。2 高温下材料的强度随时间的延长而降抵。高温下材料的强度随时间的延长而降抵。3 高温下材料的变形量随时间的延长而增加。高温下材料的变形量
28、随时间的延长而增加。4 蠕变：材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑蠕变：材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。性变形的现象称为蠕变。二、评价材料高温力学性能指标二、评价材料高温力学性能指标1蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑性变形蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标成为蠕变极限。的抗力指标成为蠕变极限。2表示方法表示方法（1）在规定温度下）在规定温度下使试样产生规定使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值稳态蠕变速率的应力值，符号为，符号为 （2）给定温度下，在规定时间内使试样产生一给定温度下，在规定时间内使试样产生一定蠕变总变形量定蠕变总变形量d d的应力值，符号
29、为：的应力值，符号为：2持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。的能力。3表示方法：表示方法：用给定温度和规定时间内试样发生用给定温度和规定时间内试样发生断裂时的应力表示，断裂时的应力表示，s sT Tt t t-t-时间；时间；T-T-温度温度；三、三、高温下零件的失效和防止高温下零件的失效和防止高温下零件的高温下零件的失效形式失效形式：过量塑性变形（蠕变变形）、断裂、：过量塑性变形（蠕变变形）、断裂、磨损、氧化腐蚀等。磨损、氧化腐蚀等。防止措施防止措施：正确选材；（选熔点高、组织稳定的材料）：正确选材；（选熔点高、组织稳定的材料）表面处理（表面渡硬铬、热喷涂铝和陶瓷等）表面处理（表面渡硬铬、热喷涂铝和陶瓷等）