2018年, 第31卷, 第4期　刊出日期：2018-04-19

  

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特邀论文
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  类金刚石膜超低摩擦行为的研究进展

  曾群锋,曹倩,ERDEMIR Ali,李双江,朱家宁

  中国表面工程. 2018, 31(4): 1-19.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180202002

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  近年来，高硬度、低摩擦、高耐磨性的类金刚石（Diamond like carbon，DLC）膜引起了国内外学术界和工业界极大的研究兴趣，尤其是它的超低摩擦行为。首先从宏观和微观角度分析了DLC膜超低摩擦的起源，研究发现DLC膜的微观结构和测试环境是影响DLC膜实现超低摩擦的主要因素，而DLC膜的微观结构由其制备工艺决定。然后系统讨论了制备工艺（包括制备方法、反应气源、掺杂元素和基体材料等）和测试环境（包括真空与干燥惰性气体环境、潮湿环境、高温环境、载荷和滑动速度等）对DLC膜超低摩擦行为的影响规律。最后归纳分析了目前对DLC膜超低摩擦机理的几种解释，指出DLC膜作为超低摩擦材料仍需解决的问题及未来的研究趋势。
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  金属微弧氧化功能陶瓷涂层设计制备与使役性能研究进展

  王亚明,邹永纯,王树棋,陈国梁,欧阳家虎,魏大庆,贾德昌,周玉

  中国表面工程. 2018, 31(4): 20-45.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180604001

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  从微弧氧化技术的基本原理、功能陶瓷涂层设计制备与使役性能角度综述了最新的研究进展：介绍了微弧氧化涂层的生长过程与形成机理；讨论了关键工艺参数（电解液组成、电参数）及金属基体成分对涂层生长及膜基结合强度的影响；基于抗磨减摩、耐腐蚀、热防护、热控、介电绝缘、催化、生物等特殊功能化需求，探讨了涂层成分/结构设计，以及如何控制工艺/组成/结构获取高性能功能化涂层。最后，指出了微弧氧化技术面临的挑战，并从基础理论、涂层工艺和工程应用等方面展望了其未来的发展方向。
表面工程
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  激光立体成形AlSi10Mg合金的微观组织及力学性能

  丁莹,杨海欧,白静,魏雷,陈静,林鑫

  中国表面工程. 2018, 31(4): 46-54.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180419001

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  激光立体成形已逐渐成为大型高性能复杂铝合金构件制造的一条重要途径。采用具有不同波长的CO₂和YAG激光器在铸态基材上进行了AlSi10Mg合金的激光立体成形，研究了不同激光器对AlSi10Mg合金沉积态和T6热处理态下的微观组织和力学性能的影响。利用XRD、OM和SEM研究了AlSi10Mg合金成形件的微观组织；利用电子拉力试验机测试了AlSi10Mg合金成形件的力学性能。结果表明：相比铸态基材，AlSi10Mg合金沉积态组织主要由<100>取向沿沉积方向外延生长的柱状α-Al枝晶和枝晶间呈纤维或颗粒状生长的Al-Si共晶组成，组织显著细化；且在530℃，3~5 min固溶处理后可实现共晶Si的球化。与CO₂激光相比，采用更短波长的YAG激光进行成形时组织更为细化。经T6热处理后，采用YAG激光成形的AlSi10Mg合金力学性能明显优于压铸铝合金。
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  某无人机螺旋桨联接螺栓断裂失效的多学科分析与改进

  朱有利,侯帅,杜晓坤,倪永恒,李占明

  中国表面工程. 2018, 31(4): 55-63.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180330002

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  某型无人机在试飞试验中螺旋桨的4根30CrMnSiA联接螺栓发生早期断裂失效故障。综合材料失效分析、表面完整性分析、断裂强度分析、结构动力学分析、载荷-时间历史分析、螺纹联接设计分析和螺纹加工工艺分析的多学科分析方法，确定了造成接螺栓早期断裂失效的多重因素。结果表明，除4号螺栓外，其余3根螺栓均属于疲劳断裂失效。造成疲劳断裂的主要原因如下：该无人机海运中联接螺栓未进行腐蚀防护，导致螺栓遭受了海洋大气环境腐蚀，加上较大的螺栓预紧力，螺纹根部产生了腐蚀剥落和应力腐蚀损伤，大幅降低了螺栓的抗疲劳性能；试飞时发动机工作转速与螺旋桨的1节径3阶模态固有频率吻合，致使螺旋桨产生了共振，从而使联接螺栓遭受了共振疲劳载荷作用。在此基础上提出抗疲劳建议：在储运和使用中对螺栓进行腐蚀防护；避免发动机长时间工作在共振转速附近；应采用滚压加工螺纹以提高螺栓的疲劳强度；调整螺旋桨盘螺栓孔的位置，降低螺栓工作载荷；将螺钉联接设计改为螺栓联接设计，以避免铝合金内螺纹变形；适当减小螺栓预紧扭矩，以降低疲劳载荷的平均应力水平。
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  磁致涡流效应对阳极铝箔形貌及比电容的影响

  王天鹏,赵静,马坤松,朱德秋,张淮浩

  中国表面工程. 2018, 31(4): 64-73.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180303001

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  针对盐酸-硫酸体系，通过耦合外加磁场对铝箔进行直流电化学腐蚀，系统研究磁致涡流效应（MagnetoHydrodynamics， MHD效应）对铝箔电化学行为、界面行为以及质量传递的影响。采用X射线衍射（XRD）、低温氮气吸附、扫描电镜（SEM）等手段对腐蚀箔样品进行表征。同时，通过计时电位法、极化曲线、循环伏安法、电化学阻抗法研究MHD效应对铝箔电化学性能的影响。结果表明，MHD效应能够抑制氧化膜的生长，增加铝箔表面Cl^-的吸附量，减小扩散层厚度，强化Cl^-/Al³⁺向孔内/孔外的传质，减小电解液中离子传递阻力。通过引入磁场，明显提高了腐蚀箔的蚀孔密度、平均孔径以及平均蚀孔深度的均一性，继而增大了阳极电子铝箔的比电容。
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  低温气体渗碳对304L奥氏体不锈钢抗氢性能的影响

  梁涛,姜勇,冯雅健,巩建鸣

  中国表面工程. 2018, 31(4): 74-80.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180205003

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  对304L奥氏体不锈钢进行低温（470℃）气体渗碳，采用光学显微镜（OM），电子探针显微分析仪（EPMA）以及X射线应力分析仪（IXRD）研究了304L奥氏体不锈钢低温气体渗碳强化层的厚度、碳含量及残余应力分布。通过电化学充氢实验，结合X射线相结构分析（XRD），慢应变单轴拉伸试验，扫描电镜（SEM）观察以及氢含量检测等方法分析低温气体表面渗碳对304L不锈钢抗氢脆性能的影响。研究表明：304L不锈钢经30 h低温气体表面渗碳处理后，形成了约22 μm的渗碳层，渗碳层中碳含量和残余应力在表面最高，分别为2%（质量分数）及-1.47 GPa，并沿深度方向梯度减小；低温气体表面渗碳大幅度提高304L不锈钢表面的稳定性，在充氢过程中不产生马氏体相变，从而提高其抗氢性能。此外，渗碳层中的压缩残余应力对抑制H扩散，也起到了积极的作用。
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  微纳复合沟槽形铝合金表面的结冰性能

  弯艳玲,奚传文,董宾,于化东

  中国表面工程. 2018, 31(4): 81-87.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180417002

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  为开发具有抗结冰性能的稳定性铝合金功能表面，采用高速电火花线切割加工技术（Wire cut electrical discharge machining，WEDM）在铝合金表面加工出沟槽形复合微结构，对其润湿性和结冰性能进行测试，并对机理进行分析。结果表明，铝合金表面构建的微纳复合微结构形成了“气垫”效应，减少了液滴与基底的接触面积，增加了液滴在材料表面的表观接触角。测试环境的温度和湿度由于分别改变了材料表面液滴的表面张力和液滴体积，从而改变了材料表面的润湿性。材料表面的润湿性对抗冰效果有重要影响，超疏水表面表现出优异的抗结冰性能，疏水表面次之。抗结冰机理分析发现，沟槽内微结构“捕获”的气体，减小了液滴与固体表面的实际接触面积，加大了液滴重心与冷表面间的距离，增大了形成冰核的热力学势垒，延长了结冰时间，使微结构表面具备一定的抗结冰效果。
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  45钢的脉冲爆炸-等离子体表面改性

  汪少婷,彭文屹,张林伟,陆磊,陆德平,邓晓华

  中国表面工程. 2018, 31(4): 88-95.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180123002

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  采用脉冲爆炸-等离子体（PDP）技术对45钢进行表面改性处理，用OM、SEM、XRD分析了PDP处理前后试样的截面形貌和相结构变化，利用显微维氏硬度计、磨损测试和电化学方法研究了PDP处理前后显微硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能。结果表明：由于PDP过程中含有空气成分，并在处理时快速加热与冷却试样，使改性层有残余奥氏体出现，并生成新相Fe₃N，形成了一层厚约52.10 μm的含有柱状晶与细晶区双层结构的改性层。PDP处理使45钢表层在一定深度范围内显微硬度提高约2.9倍，耐磨损性能也得到了有效的改善，磨损质量损失仅为基体的1/3，磨痕宽度也明显减小。
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  Mo-Al₂O₃太阳能选择吸收涂层的制备及其光学性能

  张文辉,张敏,李影,殷雪,李美仪,李小晶

  中国表面工程. 2018, 31(4): 96-103.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180306001

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  选用金属Mo作为红外反射层，Mo-Al₂O₃作为吸收层，Al₂O₃作为减反射层，利用磁控溅射镀膜技术，在抛光的316L不锈钢片上制备具有双吸收层的Mo/Mo-Al₂O₃/Al₂O₃太阳能选择吸收膜系，研究减反射层和高、低金属吸收层的厚度及其金属体积分数对膜系选择吸收性能的影响。结果表明，当减反层厚度为50 nm时，所得膜系的选择吸收性能最佳。高金属吸收层厚度的增加会使薄膜反射率的骤升阈值发生红移，薄膜的发射率升高，但其厚度过高，则会影响薄膜的干涉效应。低金属吸收层厚度的增加会导致可见光波段的吸收率增加，红外波段的发射率上升，薄膜反射率的骤升阈值红移。高金属吸收层中金属体积分数增加会导致它的方块电阻降低，使薄膜的红外发射率下降。低金属吸收层中金属体积分数的增加，会导致薄膜的红外干涉下降，使其发射率升高，获得薄膜的最佳吸收率为0.922，发射率为0.029。
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  多弧离子镀AlTiYN涂层的高温氧化性能及高温摩擦学行为

  莫锦君,吴正涛,高则翠,王启民

  中国表面工程. 2018, 31(4): 104-112.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180321003

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  为研究添加0.76% Y元素对AlTiN涂层结构、高温氧化行为及摩擦学性能的影响规律及作用机制，采用多弧离子镀技术于硬质合金（YG3X）表面沉积AlTiN及AlTiYN涂层。利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）研究涂层组织结构；采用纳米压痕仪、划痕仪进行力学性能表征；通过高温氧化试验分析涂层的高温抗氧化性能；利用高温摩擦磨损试验机研究涂层的摩擦磨损行为。结果表明：添加Y元素后，AlTiYN涂层发生晶粒细化、组织结构致密化、硬度及韧性增加、结合强度显著提升。AlTiN涂层经900℃/2 h氧化处理后已完全氧化；而AlTiYN涂层经900℃/2 h氧化处理后未完全氧化，氧化层厚度为1.1 μm，表明添加Y元素可以增强AlTiN涂层的高温抗氧化能力。此外，AlTiYN涂层在900℃下其摩擦因数及磨损率均低于AlTiN涂层，表明添加Y元素可有效增强涂层高温耐磨损性能。
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  沉积温度对钢球表面含氢碳薄膜结构和摩擦学性能的影响

  付宇,路阳,杨效田,王永富,张俊彦

  中国表面工程. 2018, 31(4): 113-121.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180213001

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  目前，含有类富勒烯碳结构的氢化碳薄膜（FL-C：H）主要通过等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）在单晶硅表面制备。文中在碳薄膜PECVD沉积工艺之前，通过额外引入原位渗氮方法在钢球表面沉积过渡层以增强薄膜与基材结合力，从而成功制备了具有类富勒烯结构的含氢碳薄膜。通过改变钢球表面碳膜沉积时间（30、60、90、120、150和180 min）获得厚度不同、结构变化的碳膜，进而研究碳膜的结构演变与摩擦学性能之间的关系。结果表明：FL-C：H薄膜PECVD沉积工艺（采用了比额外引入的原位渗氮工艺更低的基底偏压）使钢基底温度随沉积时间增加而下降，导致薄膜结构转变。碳膜结构最初为类石墨结构，随着沉积时间的增长逐渐转变为类富勒烯结构；沉积时间为180 min的碳基薄膜具有超低摩擦因数（0.009）和超长磨损寿命（53 000个周期）。
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  投料顺序对镁合金表面层状双金属氢氧化物涂层性能的影响

  谢治辉

  中国表面工程. 2018, 31(4): 122-129.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180307001

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  为了考察不同投料顺序对镁合金表面层状双金属氢氧化物（LDHs）涂层性能的影响，并得到一种具有较好耐腐蚀能力的镁合金防腐蚀涂层，通过水热合成法采用不同投料顺序在镁合金表面原位沉积LDHs涂层。使用SEM、XRD、EIS、Tafel曲线和直接浸泡的方法，分别对LDHs涂层的表面形貌、结构和耐腐蚀性能进行评估。结果发现，采用不同的投料顺序得到了不同表面形貌、相似结构和不同耐腐蚀能力的LDHs涂层。所有LDHs涂层的自腐蚀电位、自腐蚀电流密度和阻抗模量相对于基底都分别发生了明显的正移、下降和增加，电位正移值约为0.7 V，自腐蚀电流密度降低值达到3~4个数量级，阻抗模量增加约4个数量级。以上结果表明通过控制投料顺序可以得到具有不同表面形貌的LDHs涂层。采用向硝酸铝中添加硝酸镁后调节溶液pH，再加入碳酸钠的投料顺序，得到LDHs涂层在NaCl溶液中的耐腐蚀能力最好。
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  表层绝热对定向凝固Ni60合金涂层凝固行为的影响

  路阳,巩禄,杨效田,肖荣振,段军灵,付小月

  中国表面工程. 2018, 31(4): 130-139.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20171120001

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  采用超音速等离子喷涂技术在45钢基体上制备Ni60合金涂层，在高频感应重熔+强制冷却处理条件下，研究了表面散热条件对涂层的组织结构、元素分布和性能的影响。结果表明：在自然散热条件，涂层形成了定向树枝晶结构组织，通过表面覆盖层的保护，改变表面散热条件，使涂层组织向具有熔结特征的等轴晶转变，并且形成了两个明显不同组织的区域，在靠近基体区域，组织细小致密，但组织和元素分布不均匀；而靠近涂层表面区域，组织具有长大现象，但元素和组织均匀性明显提高。相对于未加覆盖层涂层，附加覆盖层的涂层元素和基体元素在界面处具有更充分的扩散，基体元素向涂层中的扩散较涂层元素向基体扩散更加强烈。覆盖层的附加明显提高了涂层硬度，使涂层表面的宏观硬度由33.4 HRC提高到54.4 HRC，涂层截面的显微硬度由566.1 HV_0.2提高到659.2 HV_0.2。
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  团聚粉末制备工艺对冷喷涂Ti₂AlC沉积的影响

  臧旭升,谢曦,沈艳芳,王吉强,柏春光,熊天英

  中国表面工程. 2018, 31(4): 140-147.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180131003

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  以热压烧结后球磨粉碎的Ti₂AlC亚微米粉末为原料，通过水热处理使其团聚成微米级粉末，并运用冷喷涂技术在Zr-4合金基体上沉积Ti₂AlC涂层。采用扫描电子显微镜、金相显微镜、XRD衍射仪、激光粒度分析仪等对Ti₂AlC颗粒和涂层微观结构进行表征；采用显微硬度仪和拉伸测试系统对Ti₂AlC涂层的基本力学性能进行测试；采用N₂吸附法测涂层孔隙，采用电化学工作站测涂层的贯通孔隙。结果表明：对平均粒径<0.3 μm的Ti₂AlC粉末进行水热处理时，添加硫酸铵能够促进亚微米颗粒的团聚，团聚粉末的平均粒度可达到6 μm。此粉末的冷喷涂特性最好，沉积的Ti₂AlC涂层厚度达到100 μm，涂层中有微孔和介孔但没有贯通孔隙，涂层和基体结合强度达到了44 MPa。
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  液氮辅助冷却激光熔覆Al基非晶涂层的组织与耐蚀性

  贺星,孔德军,宋仁国

  中国表面工程. 2018, 31(4): 148-159.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180109002

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  采用激光熔覆加液氮辅助冷却技术在S355海洋钢表面制备Al基非晶涂层，运用SEM、XRD、电化学工作站等技术分析了涂层腐蚀前后表界面形貌及物相组成，研究了液氮辅助冷却对涂层性能的影响以及涂层在5% NaCl溶液中浸泡10、20、40和80 d后的腐蚀性能。结果表明：经过液氮辅助冷却后涂层中存在少量的非晶AlFeNi相；涂层与基体形成了良好的冶金结合；表面组织细小，增强相TiC均匀弥散分布，且裂纹气孔较少。涂层表面显微硬度增加15%；残余应力与自然冷却时基本持平，均为拉应力；其耐蚀性也得到了显著提升。
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  激光熔覆无碳化物贝氏体涂层制备及其摩擦学性能

  周野飞,秦广阔,邢晓磊,陆鑫,刘长鑫

  中国表面工程. 2018, 31(4): 160-168.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180129001

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  通过控温激光熔覆及后续等温转变处理，制备出显微组织细小、硬度分布均匀且耐磨性良好的无碳化物贝氏体涂层。采用光学显微镜、XRD、TEM、SEM、显微硬度计、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等分别对不同参数的熔覆试样、对比试样的显微结构及性能进行测试。结果表明：与盐浴淬火试样相比，采用控温激光熔覆技术制备的无碳化物贝氏体涂层显微组织均匀细小，贝氏体晶格常数由2.8692 Å增加到2.8697 Å，铁素体微晶尺寸由86.3 nm减小至67.0 nm，无碳化物贝氏体涂层的显微硬度由（384±18） HV_0.1提高到（430±13） HV_0.1。摩擦因数由1.21降低至1.05，磨痕深度由0.1 mm降低至0.04 mm。较高的表面硬度提高了无碳化物贝氏体涂层表面抵抗塑性变形的能力，减缓了磨痕表层的剥落。
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  自蔓延制备NiAl涂层温度场的数值模拟与分析

  李磊,王浪平,王小峰,卢伟泽

  中国表面工程. 2018, 31(4): 169-177.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180417001

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  采用有限元模型和具备温度判据的热源子程序模拟自蔓延过程，分析工艺参数对自蔓延过程温度场的影响规律。通过实验测试表面及体系内部的温度随时间的变化，用以验证有限元模型和热源子程序的有效性。结果表明：自蔓延过程中燃烧波的形貌一致，压坯表面温度分布相近，该有限元模型能够准确反映自蔓延过程的温度变化。钢基体表面温度随燃烧波的扩展依次达到最高温度，且各位置所能达到最高温度不相同，呈波浪分布，温度范围为913.4~1 044.0℃。预热使Ni/Al压坯和基体表面温度升高，且后者升温幅度相对较小。在预热到300℃时，基体表面温度可达到1 123.3℃。由中间引燃Ni/Al反应时，与一侧引燃相比，蔓延速率相同，但蔓延时间减少一半，使得燃烧更集中，压坯和基体中的温度更高。
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  测量距离对超声表面波评价不同组织的材料表层硬度的影响

  门平,董世运,程志远,康学良,李恩重,闫世兴

  中国表面工程. 2018, 31(4): 178-187.
  https://doi.org/10.11933/j.issn.1007-9289.20180408002

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  通过搭建高精度的超声表面波检测系统，采用双探头法测量不同热处理45钢标定试件超声表面波的传播声时和接收声波幅值，分别计算超声表面波的传播声速和衰减系数；在测量过程中，改变发射探头和接收探头之间的距离，研究不同测量距离及微观组织对超声表面波声速测量的影响，由此建立材料表层硬度、微观组织及超声表面波特征值之间的映射关系，得到超声表面波评价45钢试件表层硬度指标的标定模型，并对标定模型进行验证。研究表明，采用超声表面波声速评价45钢表层硬度可行，标定模型预测硬度误差满足工程应用误差10%的要求；超声表面波衰减系数与材料表层硬度没有明显的映射关系，不能作为评价45钢试件表层硬度指标评价参量。