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1、1第二章第二章 材料表面工程技术基础理论材料表面工程技术基础理论n 固体材料的表面特性固体材料的表面特性n 材料表面磨损基础材料表面磨损基础n 材料表面腐蚀基础材料表面腐蚀基础22.1 2.1 固体材料的表面特性固体材料的表面特性 与固体材料相关的表面与界面与固体材料相关的表面与界面n 表面表面：固体材料与：固体材料与气相或液相气相或液相接触的面；接触的面；n 界面界面：固相之间的分界面；：固相之间的分界面；n 相界面：固体材料中成分、结构不同的两相之间相界面：固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面；的界面；n 晶界：晶粒与晶粒之间的分界面；晶界：晶粒与晶粒之间的分界面；n 微晶：尺寸在微米
2、级以下的晶粒；微晶：尺寸在微米级以下的晶粒；n 非晶态：尺寸小于纳米级的晶粒。非晶态：尺寸小于纳米级的晶粒。3（1）理想表面理想表面：将晶体切开后：将晶体切开后形成的表面形成的表面2.1.1 固体的表面结构固体的表面结构理想表面理想表面 典型的固体表面有：典型的固体表面有：理想表面、理想表面、洁净表面、清洁表面、机加工表洁净表面、清洁表面、机加工表面面和和一般表面一般表面。4在特殊条件下获得的固体表面，表面有极少量的吸附物。在特殊条件下获得的固体表面，表面有极少量的吸附物。几种获得洁净表面的方法几种获得洁净表面的方法:(1)在超高真空的环境下用简单的晶面劈开法获得清洁表面，在超高真空的环境下用
3、简单的晶面劈开法获得清洁表面，如如NaCl的（的（100）面；）面；(2)在还原气氛中加热，使沾圬物形成可挥发的化合物，如在在还原气氛中加热，使沾圬物形成可挥发的化合物，如在氢气中加热还原氧化物。氢气中加热还原氧化物。(3)在真空中用惰性气体离子轰击溅射表面，在真空中用惰性气体离子轰击溅射表面，(4)通过真空蒸发法获得理想的单晶和多晶薄膜。通过真空蒸发法获得理想的单晶和多晶薄膜。（2）洁净表面洁净表面5 单晶体洁净表面的单晶体洁净表面的晶体结构可以晶体结构可以看作是由看作是由二维布拉菲晶格二维布拉菲晶格(点阵点阵)加上加上结点结点(阵点阵点)组成的二维周期排列形成组成的二维周期排列形成的无限点
4、阵。的无限点阵。五种可能的布拉维点阵五种可能的布拉维点阵6 由于单晶体表面外侧没有固体原子的键合，形成由于单晶体表面外侧没有固体原子的键合，形成附加表面附加表面能能。表面原子有向。表面原子有向能量最低能量最低的稳定状态发展。的稳定状态发展。使表面原子处于稳定状态的方式：使表面原子处于稳定状态的方式：（1）自行调整自行调整，使表面原子的排列与内部不同；，使表面原子的排列与内部不同；（2）依靠表面依靠表面成分偏析成分偏析或或吸附吸附外来原子或分子降低表面能。外来原子或分子降低表面能。为了使表面原子结构和体内原子晶格匹配，表面数个原子为了使表面原子结构和体内原子晶格匹配，表面数个原子层将发生重组（排
5、）。层将发生重组（排）。7 一般表面原子要经过一般表面原子要经过46个原子层之后才与体内原子结构个原子层之后才与体内原子结构基本相似。基本相似。89 晶体表面的最外层往往不是一个晶体表面的最外层往往不是一个原子级的平面，这样的熵值较小，自原子级的平面，这样的熵值较小，自由能比较高，所以洁净表面必然存在由能比较高，所以洁净表面必然存在各种类型的各种类型的表面缺陷表面缺陷才能得到才能得到最小的最小的表面能表面能，如体内缺陷在表面的，如体内缺陷在表面的露头露头、点缺陷点缺陷、台阶台阶、弯折弯折等。等。10 TLK模型模型平台平台(Terrace)：低晶面指数平台；：低晶面指数平台；台阶台阶(Ledg
6、e)：单分子或单原子高：单分子或单原子高度的平台度的平台；扭折扭折(Kink)：单分子或单原子尺：单分子或单原子尺度的扭折度的扭折。固体表面上的能量是不均匀的，有的部位高，有的部位固体表面上的能量是不均匀的，有的部位高，有的部位低，这将导致表面的吸附和化学反应是不均匀的。低，这将导致表面的吸附和化学反应是不均匀的。11 零件经过去油、除锈等预处理后的表面。零件经过去油、除锈等预处理后的表面。（3）清洁表面清洁表面12 机械加工后的表面，表面粗糙度取决于加工方法。机械加工后的表面，表面粗糙度取决于加工方法。（4）机加工表面机加工表面 机械加工面的表面粗糙度机械加工面的表面粗糙度加工方法加工方法
7、Ra（m）珩磨珩磨 0.01 0.05 研磨研磨 0.08 0.63 磨削磨削 0.32 2.5 铣削铣削 1.25 5 车削车削 0.63 5 钻削钻削 1.25 10不同加工方法形成的材料表面轮廓曲线不同加工方法形成的材料表面轮廓曲线13一般机加工后金属表面示意图一般机加工后金属表面示意图l 毕氏层毕氏层（Bilby层）：层）：因机械加工力引起的晶格因机械加工力引起的晶格点阵强烈畸变而形成的点阵强烈畸变而形成的非晶态非晶态层，具有粘性液体膜似的非晶层，具有粘性液体膜似的非晶态外观，厚约态外观，厚约510 nm。14金属表面的实际构成示意图金属表面的实际构成示意图（5）一般表面（实际表面）一
8、般表面（实际表面）放置在大气中的材料表面放置在大气中的材料表面。金属材料在工业环境中被金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图污染的实际表面示意图15一般表面（实际表面）一般表面（实际表面）加热过的金属表面加热过的金属表面16 由于物质表面原子或分子力场不饱和，所以有吸引周由于物质表面原子或分子力场不饱和，所以有吸引周围其它物质围其它物质(主要是气体、液体主要是气体、液体)分子的能力。分子的能力。吸附可以减少物质表面某些过剩的自由能，物质表面吸附可以减少物质表面某些过剩的自由能，物质表面因吸附物的存在而稳定，所以吸附是因吸附物的存在而稳定，所以吸附是自发进行自发进行。2.1.2 固体表面的吸
9、附现象固体表面的吸附现象17(2)(2)化学吸附：吸附原子与固体表面原子之间有电子的转移，化学吸附：吸附原子与固体表面原子之间有电子的转移，二者靠二者靠化学键力化学键力结合。结合。从热力学角度讲，化学吸附的自由能减小要比物理吸附从热力学角度讲，化学吸附的自由能减小要比物理吸附大得多，状态更稳定，而且是大得多，状态更稳定，而且是不可逆不可逆的过程。的过程。固体表面的吸附有物理吸附和化学吸附：固体表面的吸附有物理吸附和化学吸附：(1)(1)物理吸附：固体表面与被吸附分子之间不发生电子的转物理吸附：固体表面与被吸附分子之间不发生电子的转移，它们之间靠移，它们之间靠范德华力范德华力结合。结合。物理吸附
10、对温度很敏感，提高温度容易物理吸附对温度很敏感，提高温度容易解吸解吸，所以物理所以物理吸附是可逆的。吸附是可逆的。18化学吸附往往是先形成物理吸附膜，然后在界面发生化化学吸附往往是先形成物理吸附膜，然后在界面发生化学反应转化成化学吸附，结合牢固并不可逆。如氢在镍表面学反应转化成化学吸附，结合牢固并不可逆。如氢在镍表面的吸附。的吸附。191润湿现象与机理润湿现象与机理 液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿（1）亲水物质：能被水润湿的材料，如玻璃、石英等；亲水物质：能被水润湿的材料，如玻璃、石英等；（2）疏水材料：不能被水润湿的物质，如石蜡、石墨等。疏水材料：不
11、能被水润湿的物质，如石蜡、石墨等。2.1.3 固体表面的润湿固体表面的润湿20 润湿角润湿角：或或式中：式中：S-G固固气之间的界面张力；气之间的界面张力；S-L固固液之间的界面张力；液之间的界面张力；L-G液液气之间的界面张力。气之间的界面张力。cosGLLSGSgllsgscos21 （3）当当=0=0和和180180时，则相时，则相应地称为应地称为完全润湿完全润湿和和完全不润湿完全不润湿。（1）当当S-GS-L时，时，cos为正值，为正值，90，润湿润湿状态；状态；（2）当当S-G90，不润湿不润湿状态状态;22 液体在固体表面的液体在固体表面的铺展系数铺展系数定义为定义为 当当=0=0
12、时，时，SL/S=0，液体，液体L在固体在固体S表面上会自动展开；表面上会自动展开；当当SL/S0时，液体在固体表面上不易铺展，时，液体在固体表面上不易铺展，负值越大越难铺展负值越大越难铺展。当固体表面粗糙度为当固体表面粗糙度为i时，上式可修正为时，上式可修正为 所以粗糙表面的铺展系数远大于光滑表面。所以粗糙表面的铺展系数远大于光滑表面。)1cos(/iSGLSL)1(cos/GLGLLSGSSLS23 在金属炊具表面涂一层憎水的聚四氟乙烯在金属炊具表面涂一层憎水的聚四氟乙烯(PTFE)。加入使加入使L-G和和S-L 减小的减小的表面活性物质表面活性物质，增加润湿程度，如，增加润湿程度，如清洗
13、剂。清洗剂。加入使加入使L-G和和S-L 增大的增大的表面惰性物质表面惰性物质，降低润湿程度，如，降低润湿程度，如防雨布。防雨布。钎焊的钎剂可提高钎料在高温液态下对基材的润湿能力。钎焊的钎剂可提高钎料在高温液态下对基材的润湿能力。润湿理论的应用实例润湿理论的应用实例24n相互接触的一对金属表面，在相对运动时不断发生损耗或相互接触的一对金属表面，在相对运动时不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸发生改变的现象称产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸发生改变的现象称为磨损。为磨损。n磨损表现为松脱的细小颗粒（磨屑）的出现，以及在摩擦磨损表现为松脱的细小颗粒（磨屑）的出现，以及在摩擦载荷作用下
14、，金属表面性质（金相组织、物理化学性能、载荷作用下，金属表面性质（金相组织、物理化学性能、力学性能）和形状的（形貌和尺寸、粗糙度、表面层厚度）力学性能）和形状的（形貌和尺寸、粗糙度、表面层厚度）变化。变化。2.2 2.2 材料表面磨损基础材料表面磨损基础25n在机械设备中磨损通常是有害的，它损伤零件工作表面，在机械设备中磨损通常是有害的，它损伤零件工作表面，影响机械设备性能，消耗材料和能源，并使设备使用寿影响机械设备性能，消耗材料和能源，并使设备使用寿命缩短。命缩短。n据估算，中国主要支柱产业部门每年因机器磨损失效所据估算，中国主要支柱产业部门每年因机器磨损失效所造成的损失在造成的损失在400
15、亿元人民币以上。亿元人民币以上。n但磨损有时却是有益的，如新机器的跑合、机械加工中但磨损有时却是有益的，如新机器的跑合、机械加工中的磨削、研磨等。的磨削、研磨等。2627 金属磨损特性曲线金属磨损特性曲线28一、金属磨损的分类一、金属磨损的分类n目前人们公认的最重要的四种基本磨损类型目前人们公认的最重要的四种基本磨损类型(机理机理)是粘着是粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损和化学磨损。磨损、磨料磨损、疲劳磨损和化学磨损。磨损类型磨损类型磨损表面外观磨损表面外观粘着磨损粘着磨损锥刺、鳞尾、麻点锥刺、鳞尾、麻点磨料磨损磨料磨损擦伤、沟纹、条痕擦伤、沟纹、条痕疲劳磨损疲劳磨损裂纹、点蚀裂纹、点蚀腐蚀磨损腐
16、蚀磨损反应产物（膜、微粒）反应产物（膜、微粒）29 二、影响金属材料耐磨性的因素二、影响金属材料耐磨性的因素 一般认为金属材料的硬度一般认为金属材料的硬度越高，其耐磨性越好。如提高越高，其耐磨性越好。如提高钢中碳的质量分数以及加入碳钢中碳的质量分数以及加入碳化物形成元素钨、铬、钒等，化物形成元素钨、铬、钒等，可以提高其耐磨性。但硬度并可以提高其耐磨性。但硬度并不是影响金属耐磨性的唯一因不是影响金属耐磨性的唯一因素，高锰钢（素，高锰钢（ZGMN13）材料）材料就是一个典型的例子。又如，就是一个典型的例子。又如，在相同的硬度下，下贝氏体组在相同的硬度下，下贝氏体组织的耐磨性优于马氏体组织。织的耐磨性优于马氏体组织。金属材料抵抗磨损的能力称为耐磨性，是由材料成分、硬度、组织结构及形态等因素决定的。30影响金属材料耐磨性的因素：影响金属材料耐磨性的因素：n晶体结构和晶体互溶性晶体结构和晶体互溶性 密排六方晶格的金属具有低摩擦密排六方晶格的金属具有低摩擦系数，磨损率也低；冶金上互溶性差（指晶格类型、晶格系数，磨损率也低；冶金上互溶性差（指晶格类型、晶格常数、电子密度及电化学性能相差较大）的一对金
