4.1 离子注入提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度的机理

（1）超饱和离子注入和间隙原子固溶强化，使注入层体积膨胀，注入层应力增大，阻止了位错运动，提高了材料表面硬度和抗磨性能。

（2）超饱和离子注入和替位原子固溶强化，改善了材料表面的耐磨和抗氧化性能。如注入超饱和的Y离子，可使不锈钢的抗磨损寿命提高100倍，并具有抗氧化性能。

（3）析出相的弥散强化。如注入非金属元素，其与金属元素形成各种氮化物、碳化物、硼化物的弥散相，这种硬化物的析出效果，使材料表面硬度提高，耐磨性增强。

（4）高的位借强化。如把 Ti 离子注入 H13 钢中，形成了高密度的位错网，且还在位错网中出现析出相。这种位错网和析出相，使材料表面硬度和耐磨性得到提高。

（5）位错钉扎。大量的注入杂质聚集在因离子轰击产生的位错线周围，形成柯氏气团，并在位错上形成许多位错钉扎点，阻止位错运动，改善抗磨性能。

（6）替位原子与间隙原子对强化，可阻止位错，提高材料的表面硬度和耐磨性。如 N、C、B 离子注入钢中，这些小尺寸的原子易与 Fe 原子形成原子对。这种结构在晶格位置上形成更高势垒，阻止了位错运动，使钢得到强化。

（7）间隙原子对强化。若选取替位率低的两种元素注入钢中，这两种元素将产生很强的化合能力，在钢中形成间隙原子对。这种结构强化了位错作用，提高了钢的耐磨性和表面硬度。

（8）晶粒细化强化。离子轰击导致晶粒细化，引起晶界增加，而晶界又是位错移动的障碍，使位错消移更加困难，使材料表面硬度明显提高。

（9）辐射相变强化、结构差异强化、溅射强化等机理也都提高了材料表面的耐磨性能。此外，有研究发现，离子注入表面的磨损碎片不是片状，与没有注入的表面磨损碎片相比更细，接近等轴晶态，因而改善了润滑性，提高了耐磨性能。也有研究认为材料表面耐磨性的提高与磨损粒子的润滑作用有关。如 Mo、W、Ti、V 离子和 C 离子双注入进钢中，或 Sn、Mo＋S、Pb 注入到钢中，都可形成自润滑，使摩擦系数明显降低。

4.2 离子注入改善材料疲劳性能的机理

（1）离子注入产生的高损伤缺陷，阻止了位错的移动，形成可塑性表面层。

（2）由于注入离子剂量的增长，更多的离子充填到近表面区域，使表面产生的压应力可以压制表面裂纹的生产，因而延长了材料的疲劳寿命。

4.3 离子注入提高材料表面耐腐蚀性能的机理离子注入后材料表面的耐腐蚀性能得到提高，其原因主要是：

（1）注入元素改变材料的电极电位，改变阳极或阴极的电化学反应速率，从而提高材料的抗蚀特性。

（2）离子注入元素在材料的表面形成稳定致密的氧化膜，从而改变了表面的性能，提高了材料表面的耐蚀性能。

（3）离子注入使一些不互溶的元素形成表面合金、亚稳相合金和非晶态合金，从而提高了材料表面的耐蚀性能。

4.4 离子注入提高材料抗氧化性能的机理

（1）离子注入元素在晶界富集，阻塞了氧的短程扩散通道。譬如，将锶、铕或镧注入钛材料，可快速扩散 50 μm深，填充了晶界，形成 SrTiO3、LaTiO2 或 EuTiO3，填塞了氧原子通道，从而防止了氧进一步向内扩散。将 Ba 离子注入钛合金，形成 BaTiO3，将 Y 离子注入高铬钢形成 YcrO3，抗氧化能力都能得到极大提高。

（2）离子注入形成致密的氧化阻挡层，如 Al2O3、Cr2O3、SiO2 等氧化物形成的致密薄膜，使得其它元素难以扩散并通过，从而起到抗氧化的作用。

（3）离子注入改善了氧化物的塑性，减少了氧化产生的应力，防止了氧化膜的开裂。

（4）离子注入元素进入氧化膜后，改变了膜的导电性，抑制了阳离子向外扩散，从而降低了氧化速率。