表面工程技术的相关基础

1、( (外表工程学课件外表工程学课件2 2外表工程技术的相关根底外表工程技术的相关根底教学目的和要求教学目的和要求 掌握固体(金属)的重要外表特性，材料磨损及腐蚀根本原理。 前言前言成功运用外表工程技术的三要素：掌握材料外表与界面的根底知识掌握各种外表工程技术的特点了解与掌握影响材料外表性能的主要因素2.1固体的外表和界面 n外外表定义：外外表定义：n 固体与周围环境气相、液相和真空固体与周围环境气相、液相和真空之间的分界面过渡区。之间的分界面过渡区。n 因环境不同，过渡区的组成和深度不同。因环境不同，过渡区的组成和深度不同。n界面定义：界面定义：n 固体之间的分界面称为界面；界面是一固体之间的

2、分界面称为界面；界面是一种二维的结构缺陷。种二维的结构缺陷。n 在体系中，结构和成分不同的区域间；在体系中，结构和成分不同的区域间；或结构和成分均相同，但取向不同的两晶或结构和成分均相同，但取向不同的两晶粒间的交界面都称为界面。粒间的交界面都称为界面。n 前者称相界，而后者称为晶界。前者称相界，而后者称为晶界。一、典型固体外表一、典型固体外表1. 理想外表理想外表 定义：向无限晶体内插入一个平面并切断插入面两侧的定义：向无限晶体内插入一个平面并切断插入面两侧的原子结合键后，将其分为两局部而形成的两个新的外原子结合键后，将其分为两局部而形成的两个新的外表称为理想外表。表称为理想外表。 特点：此过

3、程中除了晶体附加了一组边界条件外，无任特点：此过程中除了晶体附加了一组边界条件外，无任何其它改变。在半无限晶体内部，原子和电子的状态何其它改变。在半无限晶体内部，原子和电子的状态与原来无限晶体的情况一样。与原来无限晶体的情况一样。 理想外表实际不存在是理论分析的根底。理想外表实际不存在是理论分析的根底。实际外表存在外表能。实际外表存在外表能。理想表面形成示意图理想表面形成示意图n1-1.实际外表n定义：与理想外表不相同的实际的外表n温度在0K以上的外表。n n n特点：n驰豫及重构 n合金的外表偏析 n外表吸附和外表化合物 n外表缺陷 驰驰 豫豫重重 构构表面原子的驰豫与重构表面原子的驰豫与重

4、构 表面吸附表面吸附表面偏析表面偏析2.洁净外表与清洁外表洁净外表与清洁外表洁净外表定义：材料表层原子结构的周期性不同于洁净外表定义：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的外表。体内，但其化学成分仍与体内相同的外表。洁净外表允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。洁净外表允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。洁净外表只有用特殊的方法才能得到洁净外表只有用特殊的方法才能得到清洁外表定义：一般指零件经过清洗清洁外表定义：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等脱脂、浸蚀等)以后的外表。以后的外表。清洁外表易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。清洁外表易于实现，只要经过常规的清洗过

5、程即可。洁净外表的洁净外表的“清洁程度比清洁外表高。清洁程度比清洁外表高。洁净外表与清洁外表这一对概念很重要。洁净外表与清洁外表这一对概念很重要。3.机械加工后的外表机械加工后的外表外表的粗糙度和波度构成了金属的外表形貌。外表的粗糙度和波度构成了金属的外表形貌。波纹度波纹度:金属外表呈波浪形的有规律和无规律的外表反复结构金属外表呈波浪形的有规律和无规律的外表反复结构误差称为波纹度。误差称为波纹度。波纹度的波距与波深的比为：波纹度的波距与波深的比为：1000：1100。 粗糙度粗糙度:加工外表所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观加工外表所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状就构成了其特

6、征。几何形状就构成了其特征。粗糙度的波距与波深之比常常为粗糙度的波距与波深之比常常为150：15。波纹度是间距大于外表粗糙度但小于外表几何形状波纹度是间距大于外表粗糙度但小于外表几何形状误差的外表几何不平度，属于微观和宏观之间的几何误误差的外表几何不平度，属于微观和宏观之间的几何误差。差。 n粗糙度的表示粗糙度的表示: :n1 1、轮廓的算术平均偏差、轮廓的算术平均偏差RaRa：n式中：式中：y i y i 为波峰高或波谷深的数值，为波峰高或波谷深的数值，n n为测量的波峰或波谷的个数。为测量的波峰或波谷的个数。n2 2、真实面积与投影面积之比、真实面积与投影面积之比 i i ：n i i A

7、 i /A lA i /A l n式中：式中： A iA i为真实面积，为真实面积，nA l A l 为的投影面积理想的几何学面积为的投影面积理想的几何学面积n 显然，显然， i 1i 1表面光洁度表面光洁度 1 3 5 7 9 11 13表面粗糙度表面粗糙度Ra（m）5012.53.20.800.200.0500.012式式(2-1)式式(2-2)经过仔细研磨的金属：经过仔细研磨的金属： i 2它与表面工程技术的特征它与表面工程技术的特征及实施前的预备工艺紧密及实施前的预备工艺紧密联系，并严重影响材料的联系，并严重影响材料的摩擦磨损、腐蚀性能、表摩擦磨损、腐蚀性能、表面磁性能和电性能等。面磁

8、性能和电性能等。材料的表面粗糙度是表面工程技术中材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要最重要的概念之一。的概念之一。（控制最后一道加工工序。）（控制最后一道加工工序。）与实际情况的对应关系与实际情况的对应关系 14 0.006m：镜面：镜面 130.012m：雾状镜面：雾状镜面 12 0.025m：镜状光泽面：镜状光泽面 11 0.050m：亮光泽面：亮光泽面 10 0.10m：暗光泽面：暗光泽面 90.20m：不可见加工痕迹方向：不可见加工痕迹方向80.40 m：微见加工痕迹方向：微见加工痕迹方向 7 0.80m：可见加工痕迹方向：可见加工痕迹方向 6 1.60 m：看不清加工痕迹方向：看不

9、清加工痕迹方向53.2m：微见加工痕迹方向：微见加工痕迹方向 46.3m：可见加工痕迹方向：可见加工痕迹方向 312.5m：微见刀痕：微见刀痕 225m：可见刀痕：可见刀痕 150m：明显可见刀痕：明显可见刀痕 n4.一般外表n由于外表原子处于非平衡状态，一般外表会吸咐一层外来原子。n常温常压条件下，金属外表会被氧化金除外。nn要求进行外表预处理。二、典型固体界面二、典型固体界面1.基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面微晶层微晶层(比尔比层比尔比层(Bilby)层层)：1100nm厚的晶粒厚的晶粒微小的微晶层。微小的微晶层。塑性变形层：塑变程度和它的

10、深度有关。塑性变形层：塑变程度和它的深度有关。其它变质层：其它变质层： (1)形成孪晶：形成孪晶：Zn,Ti等密排六方结构的金属表层等密排六方结构的金属表层会形成孪晶会形成孪晶;(2)发生相变：发生相变：18-8型奥代体不锈钢，型奥代体不锈钢，黄铜、淬黄铜、淬火钢中的剩余奥氏体，高锰钢等会形成相变火钢中的剩余奥氏体，高锰钢等会形成相变层；层；(3)发生再结晶：发生再结晶：Sn、Pb、Zn等低熔点金属加工等低熔点金属加工后表层能够形成再结晶层。后表层能够形成再结晶层。(4)发生时效和出现表层裂纹等。发生时效和出现表层裂纹等。塑变深度塑变深度(m)0 10 20 3054321变形量变形量(%)2

11、.基于固相组织或晶体结构差异形成的界面基于固相组织或晶体结构差异形成的界面典型特征是两相之间的微观成分与组织存在典型特征是两相之间的微观成分与组织存在很大的差异，但无宏观成分上的明显区很大的差异，但无宏观成分上的明显区别珠光体，且宏观组织变化存在渐别珠光体，且宏观组织变化存在渐变区域变区域(外表淬火组织外表淬火组织)，在服役过程中不，在服役过程中不易出现表层剥落等情况。易出现表层剥落等情况。3.基于固相宏观成分差异形成的界面覆层界面基于固相宏观成分差异形成的界面覆层界面冶金结合界面冶金结合界面扩散结合界面扩散结合界面外延生长界面外延生长界面化学键结合界面化学键结合界面分子键结合界面分子键结合界

12、面机械结合界面机械结合界面 实际外表改性层中界面的结合机理常常是上述几种机理的综合。实际外表改性层中界面的结合机理常常是上述几种机理的综合。应根据需要设计、控制界面的结合机理。应根据需要设计、控制界面的结合机理。结合强度较高结合强度较高结合强度较低结合强度较低冶金结合界面冶金结合界面n定义：当覆层与基体材料之间的界面结合是通过处于熔融状态的覆层材料沿处于定义：当覆层与基体材料之间的界面结合是通过处于熔融状态的覆层材料沿处于半熔化状态下的固体基材外表向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合界面。半熔化状态下的固体基材外表向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合界面。n实质：金属键结合实质：金属键结合

13、n特点：结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。特点：结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。n技术：激光熔覆技术、堆焊与喷焊技术等。技术：激光熔覆技术、堆焊与喷焊技术等。扩散结合界面扩散结合界面n定义：两个固相直接接触，通过抽真空、加热、定义：两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面扩散和反响等途径所形成的结合界面。加压、界面扩散和反响等途径所形成的结合界面。n特点：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成特点：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子级别的混合或合金化。了原子级别的混合或合金化。n技术：热扩渗工艺、离子注入工艺技术：热

14、扩渗工艺、离子注入工艺“类扩散类扩散界面等。界面等。金属间化合物：两种或两种以上金属以整数比化学计量金属间化合物：两种或两种以上金属以整数比化学计量组成的化合物。组成的化合物。除离子键和共价键之外，金属间化合物有很强的金属键结除离子键和共价键之外，金属间化合物有很强的金属键结合，因而它具有金属的一些特性。合，因而它具有金属的一些特性。金属间化合物仍然是金属材料。金属间化合物仍然是金属材料。 (异质异质)外延生长界面外延生长界面n定义：当工艺条件适宜时，在单晶衬底定义：当工艺条件适宜时，在单晶衬底外表沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的外表沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的新单晶层的工艺过程，就称

15、为外延生长，形新单晶层的工艺过程，就称为外延生长，形成的界面称为外延生长界面。成的界面称为外延生长界面。n关键：结晶相容性晶格失配数关键：结晶相容性晶格失配数m小小nm=b-a/ana-基体晶格常数，基体晶格常数，b-薄膜晶格常数薄膜晶格常数n特点：理论上应有较好的结合强度。具体取特点：理论上应有较好的结合强度。具体取决于所形成的单晶层与衬底的结合键类型，决于所形成的单晶层与衬底的结合键类型，如分子键、共价键、离子键或金属键等。如分子键、共价键、离子键或金属键等。n技术：气相外延化学气相沉积技术等、技术：气相外延化学气相沉积技术等、液相外延电镀技术等。液相外延电镀技术等。衬底衬底Substra

16、teFilm缺失面缺失面失配位错失配位错Film衬底衬底Substrate化学键结合界面化学键结合界面n定义：当覆层材料与基材之间发生化学反响，定义：当覆层材料与基材之间发生化学反响，形成成分固定的化合物时，两种材料的界面形成成分固定的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界面。就称为化学键结合界面。n特点：结合强度较高，界面的韧性较差；外特点：结合强度较高，界面的韧性较差；外表发生粘连、氧化、腐蚀等化学作用也会产表发生粘连、氧化、腐蚀等化学作用也会产生化学键结合界面。生化学键结合界面。n技术：物理和化学气相沉积技术、离子注入技术：物理和化学气相沉积技术、离子注入技术、热扩渗技术、转化膜技术

17、等。技术、热扩渗技术、转化膜技术等。阳极氧化阳极氧化+涂装涂装分子键结合界面分子键结合界面n定义：涂定义：涂(镀镀)层与基材外表以范德华力结合的界面。层与基材外表以范德华力结合的界面。n特点：覆层与基材特点：覆层与基材(或衬底或衬底)之间未发生扩散或化学之间未发生扩散或化学作用。结合强度较低。作用。结合强度较低。n技术：局部低温物理气相技术、涂装技术等。技术：局部低温物理气相技术、涂装技术等。阳极氧化阳极氧化+涂装涂装机械结合界面机械结合界面n定义：覆层与基材的结合界面主要通过两种定义：覆层与基材的结合界面主要通过两种材料相互镶嵌等机械连接作用而形成。材料相互镶嵌等机械连接作用而形成。n特点：

18、结合强度不高，但可起辅助作用。特点：结合强度不高，但可起辅助作用。n技术：热喷涂、包镀技术、涂装技术等。技术：热喷涂、包镀技术、涂装技术等。实际外表改性层中界面的结合机理常常实际外表改性层中界面的结合机理常常是上述几种机理的综合。是上述几种机理的综合。应根据需要设计、控制界面的结合机理。应根据需要设计、控制界面的结合机理。机械结合界面示意图机械结合界面示意图阳极氧化膜的多孔结构阳极氧化膜的多孔结构三、外表晶体结构三、外表晶体结构二维晶体结构二维晶体结构(二维布拉菲晶格二维布拉菲晶格) 任何一个二维周期性的结构均可用一个二维晶格点阵任何一个二维周期性的结构均可用一个二维晶格点阵加上结点阵点来描述

19、，称为二维晶格。加上结点阵点来描述，称为二维晶格。(呈二维周期呈二维周期性排列而形成的无限平面点阵，每个结点周围的情况是性排列而形成的无限平面点阵，每个结点周围的情况是相同的。相同的。) 五种布拉菲二维晶格及晶胞五种布拉菲二维晶格及晶胞nTLK模型当温度为模型当温度为0K时理想外表：时理想外表：nn在温度相当于在温度相当于0K时，外表原子结构呈静态。外表原子层可时，外表原子结构呈静态。外表原子层可认为是理想平面，其中的原子作完整二维周期性排列，且不存在认为是理想平面，其中的原子作完整二维周期性排列，且不存在缺陷和杂质。缺陷和杂质。五种布拉菲二维晶格及晶胞五种布拉菲二维晶格及晶胞nTLK模型当温

20、度在模型当温度在0K以上时实际外表：以上时实际外表：n当温度在当温度在0K以上时，由于原子的热运动，晶体外表将产生以上时，由于原子的热运动，晶体外表将产生低晶面指数的平台、一定密度的单分子或原子高度的台阶、单分低晶面指数的平台、一定密度的单分子或原子高度的台阶、单分子或原子尺度的扭折，以及外表吸附的单原子及外表空位等。子或原子尺度的扭折，以及外表吸附的单原子及外表空位等。n实际外表上还存在大量各种类型的缺陷，如原子空位、位错露头实际外表上还存在大量各种类型的缺陷，如原子空位、位错露头和晶界痕迹等物理缺陷，材料组分和杂质原子偏析等化学缺陷。和晶界痕迹等物理缺陷，材料组分和杂质原子偏析等化学缺陷。

21、n上述外表缺陷对于固体材料的外表状态和外表形成过程都有上述外表缺陷对于固体材料的外表状态和外表形成过程都有重要影响。外表吸附、外表扩散、形核等重要影响。外表吸附、外表扩散、形核等TLK模型：平台模型：平台(Terrace)一台阶一台阶(Ledge)一扭折一扭折(Kink)模型模型补充外表现象补充外表现象n定义：固体外表上产生的各种物理及化学现象称为外表现象。n种类：外表扩散、吸附、润湿、粘着和毛细现象等。n意义：工农业生产上广泛利用金属的各种外表现象。n 在铸造、焊接、金属外表技术及防护、外表涂覆等均会涉及到。n关系：金属的各种外表现象与外表自由能密切相关并普遍存在于多相体系内。n实际外表存在

22、外表能。四、外表扩散四、外表扩散n物质中原子或分子的迁移现象称为扩散。物质中原子或分子的迁移现象称为扩散。n可由可由Fick第第和第和第定律来描述，扩散过程中原子平均扩散距离定律来描述，扩散过程中原子平均扩散距离X为为: c 其中：其中：t为扩散时间；为扩散时间；c为受几何因素影响的常数；为受几何因素影响的常数；D为扩散系数，为扩散系数，决定扩散决定扩散速率大小速率大小。 D=D0exp( - Q/RT) Q为扩散激活能，受材料的晶格结构，固溶体的类型，合金元素的为扩散激活能，受材料的晶格结构，固溶体的类型，合金元素的浓度及含量和浓度及含量和扩散路径扩散路径等因素的影响。等因素的影响。Dt 扩

23、散系数：扩散系数：D=D0exp( - Q/RT)原子的扩散途径除了最根本的体扩散过程外，还有外表扩散、晶界扩散和位错扩散原子的扩散途径除了最根本的体扩散过程外，还有外表扩散、晶界扩散和位错扩散(短路扩散短路扩散)。Q表表 Q界界 Q位位 Q体体D表表 D界界 D位位 D体体外表原子受到的束缚较晶界和晶内低得多，原子在外表迁移所需能量也小得多。外表原子受到的束缚较晶界和晶内低得多，原子在外表迁移所需能量也小得多。 外表扩散在外表工程技术中的薄膜形核及长大过程中起十分重要的作用。外表扩散在外表工程技术中的薄膜形核及长大过程中起十分重要的作用。五、五、 外表自由能与外表张力外表自由能与外表张力 固

24、体和液体的外表均处于空间三向不对称状态，故存在外表自由能和外表张力。 n液体的外表自由能n产生原因：n 液体熔体金属的外表原子受到向内的吸引力的作用。欲使其内部原子转变为外表原子，即增大外表积，需要环境对体系作功，从而形成外表能。n定义：n 增大(液体)外表积所需要的功(能量)就是(液体)外表自由能。n液体的外表张力n产生原因：n 处于外表的原子在向内的吸引力作用下，有进入液体内部的趋势，即缩小外表积的趋势，从而产生外表张力。n定义：n 液体外表切线方向上存在的使其外表积缩小的力称为外表张力。 实验：实验： 如上图，在无摩擦的活动边如上图，在无摩擦的活动边AB的的铁丝框上涂满肥皂沫，为使膜不收

25、缩，铁丝框上涂满肥皂沫，为使膜不收缩，应在活动边上加外力应在活动边上加外力F。试验证明：试验证明： 施加的外力施加的外力F与活动边边长与活动边边长L成正比，成正比，即即 F=2 L =F/2L 式中：式中：“2是因为液膜有两个外表；是因为液膜有两个外表； 即为外表张力即为外表张力(或张力系数或张力系数)； 外表张力的方向与液面相切，且外表张力的方向与液面相切，且力图使外表积缩小，其单位为：力图使外表积缩小，其单位为：N/m。 xLFAB肥皂膜肥皂膜增大增大(液体液体)外表积所需要的功外表积所需要的功(能量能量)就是就是(液体液体)外表自由能。外表自由能。n外表自由能：外表自由能：n假设使上图活

26、动边假设使上图活动边AB移动移动dx的距离，根据外表自由能的定义，的距离，根据外表自由能的定义，外表自由能与液膜面积的变化关系为：外表自由能与液膜面积的变化关系为：n G=Fdx=2Ldx n 称单位面积的外表自由能为比外表自由能称单位面积的外表自由能为比外表自由能(Fs)，即：，即：n Fs=G/S=2Ldx/2Ldx = n 由此可知，液体的比外表自由能由此可知，液体的比外表自由能Fs与外表张力与外表张力在数值上是相等在数值上是相等的，其单位为：的，其单位为：J/m2 n实际上，实际上，1J/ m2=1Nm/m2=1N/m，故二者是有联系的。但一个，故二者是有联系的。但一个是单位面积的能，

27、而另一个那么为单位长度的力。是单位面积的能，而另一个那么为单位长度的力。 n液体外表自由能和外表张力在数值上是相等的，容易测定。液体外表自由能和外表张力在数值上是相等的，容易测定。xLFAB肥皂膜肥皂膜1.固体外表自由能固体外表自由能严格意义上的外表能是指材料外表的内能，无法测量其绝对值。严格意义上的外表能是指材料外表的内能，无法测量其绝对值。常用外表自由能来描述材料外表能量的变化，其物理意义是指产生常用外表自由能来描述材料外表能量的变化，其物理意义是指产生1cm2新外表需消耗的等温可逆功。新外表需消耗的等温可逆功。假设不考虑重力，一定体积的液体平衡时总取圆球状，因为这样外假设不考虑重力，一定

28、体积的液体平衡时总取圆球状，因为这样外表积最小，外表能最低。表积最小，外表能最低。固体的外外表总是由假设干种原子排列不同的晶面组成的，一定体固体的外外表总是由假设干种原子排列不同的晶面组成的，一定体积的固体必然要构成总的外表自由能最低的形状。粉末团聚积的固体必然要构成总的外表自由能最低的形状。粉末团聚2固体外表张力固体外表张力外表张力是外表能的一种物理表现，是由于原子间的作用力以及原外表张力是外表能的一种物理表现，是由于原子间的作用力以及原子在外表和内部的排列状态的差异而引起的。子在外表和内部的排列状态的差异而引起的。外表张力和外表自由能的关系密切。外表张力和外表自由能的关系密切。液体外表自由

29、能和外表张力在数学上是相等的，容易测定。液体外表自由能和外表张力在数学上是相等的，容易测定。固体的外表张力很难准确测定。固体的外表张力很难准确测定。外表自由能和外表张力对其外表性能影响极大，应充分重视。外表自由能和外表张力对其外表性能影响极大，应充分重视。六、固体外表的物理吸附和化学吸附六、固体外表的物理吸附和化学吸附1吸附的根本特性吸附作用：物体外表上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其它物质(主要是气体、液体)分子的能力。定义：当气体和液体与固体外表接触时，在固体外表的气体或液体增加或减少的现象称为吸附现象吸附是固体外表最重要的性质之一。n固体外表的吸附可分为物理吸附和化学吸附两类。表固体

30、外表的吸附可分为物理吸附和化学吸附两类。表2-1n化学吸附中，吸附原子与固体外表之间的结合力比物理吸附中的范德华力大得多。化学吸附中，吸附原子与固体外表之间的结合力比物理吸附中的范德华力大得多。n物理吸附中吸附剂和固体外表之间不发生电子的转移；化学吸附中有电子的转移。物理吸附中吸附剂和固体外表之间不发生电子的转移；化学吸附中有电子的转移。n物理吸附往往很容易解吸，为可逆过程；而化学吸附很难解吸，为不可逆过程。物理吸附往往很容易解吸，为可逆过程；而化学吸附很难解吸，为不可逆过程。n有时会出现化学吸附和物理吸附同时存在的现象。有时会出现化学吸附和物理吸附同时存在的现象。2.固体对气体的吸咐固体对气

31、体的吸咐n任何气体在其临界温度以上，都会被吸附于固体外表，即发生物理吸附。任何气体在其临界温度以上，都会被吸附于固体外表，即发生物理吸附。n常见气体对大多数金属而言，其吸附强度大致可以按以下顺序排列：常见气体对大多数金属而言，其吸附强度大致可以按以下顺序排列：n 02 C2H2 C2H4 CO H2 C02 N2n固体外表对气体的吸附在外表工程技术中的作用非常重要。固体外表对气体的吸附在外表工程技术中的作用非常重要。n 气相沉积中薄膜的形核，气体渗碳、渗氮等工艺气相沉积中薄膜的形核，气体渗碳、渗氮等工艺使物质由气态转变为液态的最高温度。使物质由气态转变为液态的最高温度。3.固体对液体的吸咐固体

32、对液体的吸咐n固体对液体的吸附：物理吸附和化学吸附。固体对液体的吸附：物理吸附和化学吸附。n物理吸附膜一般对温度很敏感：温度提高后会引起吸附膜的解吸、重新排列甚至物理吸附膜一般对温度很敏感：温度提高后会引起吸附膜的解吸、重新排列甚至熔化。熔化。n化学吸附膜往往是先形成物理吸附膜，然后在界面发生化学反响转化成化学吸附。化学吸附膜往往是先形成物理吸附膜，然后在界面发生化学反响转化成化学吸附。n固体外表的粗糙度、污染程度、液体外表张力和润湿条件等对吸附有很大的影响。固体外表的粗糙度、污染程度、液体外表张力和润湿条件等对吸附有很大的影响。n固体外表对液体分子有吸附作用：固体外表对液体分子有吸附作用：n

33、对电解质的吸附，对非电解质的吸附。对电解质的吸附，对非电解质的吸附。n对电解质的吸附将使固体外表带电或者双电层中的组分发生变化，产生离子交换对电解质的吸附将使固体外表带电或者双电层中的组分发生变化，产生离子交换作用。电化学腐蚀、电镀作用。电化学腐蚀、电镀n对非电解质溶液的吸附，一般表现为单分子层吸附，吸附层以外就是本体相溶液。对非电解质溶液的吸附，一般表现为单分子层吸附，吸附层以外就是本体相溶液。n固体可能同时吸附溶剂和溶质，但吸附的程度不同：固体可能同时吸附溶剂和溶质，但吸附的程度不同：n吸附层内溶质的浓度比本体相大，称为正吸附；反之那么称为负吸附。吸附层内溶质的浓度比本体相大，称为正吸附；

34、反之那么称为负吸附。n溶质被正吸附时，溶剂必然被负吸附；反之亦然。溶质被正吸附时，溶剂必然被负吸附；反之亦然。n在稀溶液中可忽略溶剂对吸附的影响，将溶质的吸附简单当作气体的物理吸附处在稀溶液中可忽略溶剂对吸附的影响，将溶质的吸附简单当作气体的物理吸附处理。而当溶质浓度较大时，那么必须把溶质的吸附和溶剂的吸附同时考虑。理。而当溶质浓度较大时，那么必须把溶质的吸附和溶剂的吸附同时考虑。4.固体外表之间的吸咐固体外表之间的吸咐n固体和固体外表同样有吸附作用在原子间距范围内。固体和固体外表同样有吸附作用在原子间距范围内。n粘附程度的大小可用粘附功粘附程度的大小可用粘附功WAB表示：表示：nWAB A

35、B ABn式中：式中： WAB为粘附功；为粘附功； nA 、B分别为分别为A、B两种固体的外表张力；两种固体的外表张力；n AB为为A、B形成新的界面时的界面张力。形成新的界面时的界面张力。n两个不同物质间的粘附功往往超过其中较弱物质的内聚力。两个不同物质间的粘附功往往超过其中较弱物质的内聚力。n外表的污染会使粘附力大大减小。外表的污染会使粘附力大大减小。n固体的粘附作用只有当固体断面很小并且很清洁时才能表现出来。固体的粘附作用只有当固体断面很小并且很清洁时才能表现出来。式式(2-6)5.吸附对材料力学性能的影响吸附对材料力学性能的影响莱宾杰尔效应莱宾杰尔效应n由于环境介质的作用，材料的强度、

36、塑性、耐磨性等力学性能大大降低。其原因：由于环境介质的作用，材料的强度、塑性、耐磨性等力学性能大大降低。其原因：n1、不可逆的物理过程与物理化学过程引起的效应如腐蚀等：与化学、电化、不可逆的物理过程与物理化学过程引起的效应如腐蚀等：与化学、电化学过程及反响有关；学过程及反响有关；n2、可逆的物理过程和可逆物理化学过程引起的效应，这些过程降低固体外表自、可逆的物理过程和可逆物理化学过程引起的效应，这些过程降低固体外表自由能，并不同程度地改变材料本身的力学性能。由能，并不同程度地改变材料本身的力学性能。n因环境介质的影响及外表自由能减少导致固体强度、塑性降低的现象，称为莱宾杰因环境介质的影响及外表

37、自由能减少导致固体强度、塑性降低的现象，称为莱宾杰尔效应。尔效应。1928年年n任何固体晶体和非晶体、连续的和多孔的、金属和半导体、离子晶体和共价晶体、任何固体晶体和非晶体、连续的和多孔的、金属和半导体、离子晶体和共价晶体、玻璃和聚合物都有莱宾杰尔效应：玻璃和聚合物都有莱宾杰尔效应：n玻璃和石膏吸附水蒸气后，其强度明显下降；玻璃和石膏吸附水蒸气后，其强度明显下降；n铜外表覆盖熔融薄膜后，会使其固有的高塑性丧失；铜外表覆盖熔融薄膜后，会使其固有的高塑性丧失；nn莱宾杰尔效应具有如下显著特征：莱宾杰尔效应具有如下显著特征：n 1)环境介质的影响有很明显的化学特征。水银对锌有影响，但对镉无影响环境介

38、质的影响有很明显的化学特征。水银对锌有影响，但对镉无影响n 2)只要很少量的外表活性物质就可以产生莱宾杰尔效应。外表微米量级、几只要很少量的外表活性物质就可以产生莱宾杰尔效应。外表微米量级、几滴滴n 3)外表活性熔融物的作用十分迅速。外表活性熔融物的作用十分迅速。n 4)外表活性物质的影响是可逆的，即从固体外表去除活性物质后，其力学性能外表活性物质的影响是可逆的，即从固体外表去除活性物质后，其力学性能一般会完全恢复。一般会完全恢复。n 5)莱宾杰尔效应的产生需要拉应力和外表活性物质同时起作用。莱宾杰尔效应的产生需要拉应力和外表活性物质同时起作用。n莱宾杰尔效应的本质：金属外表对活性介质的吸附，

39、使外表原子的不饱和键得到莱宾杰尔效应的本质：金属外表对活性介质的吸附，使外表原子的不饱和键得到补偿，使外表能降低，改变了外表原子间的相互作用，使金属的外表强度降低。补偿，使外表能降低，改变了外表原子间的相互作用，使金属的外表强度降低。n在生产中，莱宾杰尔效应具有重要的实际意义。一方面可利用此效应提高金属加在生产中，莱宾杰尔效应具有重要的实际意义。一方面可利用此效应提高金属加工工(压力加工、切削、磨削、破碎等压力加工、切削、磨削、破碎等)效率，大量节省能源。另一方面，应注意防效率，大量节省能源。另一方面，应注意防止因此效应所造成的材料早期破坏。止因此效应所造成的材料早期破坏。七、固体外表的润湿七

40、、固体外表的润湿1. 润湿现象与机理润湿现象与机理定义：液体在固体外表上铺展的现象。定义：液体在固体外表上铺展的现象。亲水物质、疏水物质：亲水物质、疏水物质：润湿角：润湿角：LGLGSGSLn润湿程度的定义：润湿程度的定义：润湿和不润湿不是截然分开的。润湿和不润湿不是截然分开的。nYoung方程：方程：nYoung方程反映了润湿角的大小与三相界面张力之间的定量关系：方程反映了润湿角的大小与三相界面张力之间的定量关系：n外表能外表能(外表张力外表张力)高的固体高的固体(金属及其氧化物、无机盐等金属及其氧化物、无机盐等)比外表能比外表能低的固体低的固体(有机物等有机物等)更易被液体所润湿。更易被液

41、体所润湿。式式(2-7)式式(2-8)n机理：机理：n润湿与否取决于液体分子间相互吸引力润湿与否取决于液体分子间相互吸引力(内聚力内聚力)和液和液-固分子间吸引力固分子间吸引力(粘附粘附力力)的相对大小。假设液的相对大小。假设液-固粘附力较大，那么液体在固体外表铺展，呈润湿；假固粘附力较大，那么液体在固体外表铺展，呈润湿；假设液体内聚力占优势那么不铺展，呈不润湿。设液体内聚力占优势那么不铺展，呈不润湿。nn当液体或固体种类确定时，选择适宜极性的固体或液体将直接影当液体或固体种类确定时，选择适宜极性的固体或液体将直接影响润湿程度。响润湿程度。2.铺展系数铺展系数液体在固体外表理想的平滑外表的铺展

42、系数定义为：液体在固体外表理想的平滑外表的铺展系数定义为：当当SL/S=0时，铺展完全润湿时，铺展完全润湿当当SL/S0时，不铺展不完全润湿或完全不润湿时，不铺展不完全润湿或完全不润湿当当SL/S 0时，自动展开，时，自动展开， Young方程已不适用方程已不适用液体在粗糙的固体外表的铺展系数为：液体在粗糙的固体外表的铺展系数为：粗糙外表的铺展系数远大于光滑外表的当粗糙外表的铺展系数远大于光滑外表的当cos0时时外表工程技术实施前，材料外表状态外表预处理工艺对外表工程技术实施前，材料外表状态外表预处理工艺对外表改性层质量的影响至关重要。外表改性层质量的影响至关重要。0式式(2-9)式式(2-1

43、0)式式(2-7)式式(2-8)Young方程：方程：3.润湿理论的应用润湿理论的应用润湿理论在各种工程技术尤其是外表工程技术中应用很广泛。润湿理论在各种工程技术尤其是外表工程技术中应用很广泛。增强润湿程度：增强润湿程度：外表活性物质减小润湿角外表活性物质减小润湿角外表适度粗化增大铺展系数外表适度粗化增大铺展系数中间层中间层成分优化成分优化降低润湿程度：降低润湿程度：外表惰性物质增大润湿角外表惰性物质增大润湿角外表平滑减小铺展系数外表平滑减小铺展系数不粘涂层：炊具、洁具、防腐蚀等不粘涂层：炊具、洁具、防腐蚀等成分优化成分优化式式(2-7)式式(2-8)Young方程：方程：2.2 材料磨损原理

44、及其耐磨性材料磨损原理及其耐磨性n磨损是材料三大主要失效形式之一，它造成的经济损失和社会影响是十磨损是材料三大主要失效形式之一，它造成的经济损失和社会影响是十分巨大的。分巨大的。n 世界机电产品制造和使用中约世界机电产品制造和使用中约1/3的能源直接消耗于摩擦磨损。的能源直接消耗于摩擦磨损。n 我国我国2006年因摩擦磨损造成的损失为年因摩擦磨损造成的损失为9500亿元，占当年亿元，占当年GDP的的4.5%。n耐磨性是一个系统性质非耐磨性是一个系统性质非“固有特性，受到摩擦学系统中接触条固有特性，受到摩擦学系统中接触条件、工况、环境、介质等多方面因素的影响。件、工况、环境、介质等多方面因素的影

45、响。n材料的磨损始于外表，外表性能是决定材料耐磨性的关键。材料的磨损始于外表，外表性能是决定材料耐磨性的关键。n不同的磨损失效过程和方式，要求不同的材料外表性能。不同的磨损失效过程和方式，要求不同的材料外表性能。一、固体材料的摩擦与磨损一、固体材料的摩擦与磨损n1.摩擦学三摩擦学三“定律定律n摩擦的定义：相互接触的物体相对运动时产生阻力，称为摩擦。摩擦的定义：相互接触的物体相对运动时产生阻力，称为摩擦。n摩擦存在于固体、气体和液体之间。摩擦存在于固体、气体和液体之间。n磨损的定义：相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或剩余变形磨损的定义：相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或剩余变形的现象。的

46、现象。n材料的摩擦与磨损是因果关系。材料的摩擦与磨损是因果关系。 n摩擦学三摩擦学三“定律：定律：n摩擦力与两接触体之间的表观接触面积无关摩擦力与两接触体之间的表观接触面积无关(第一定律第一定律)；n摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比(第二定律第二定律)；n两个相对运动物体外表的界面滑动摩擦阻力与滑动速度无关两个相对运动物体外表的界面滑动摩擦阻力与滑动速度无关(第三第三定律定律)。nnF为摩擦力为摩擦力(切向力切向力)；N为法向力为法向力(载荷载荷)；为摩擦系数。为摩擦系数。n材料或体系的耐磨性上下一般用摩擦系数来表征。材料或体系的耐磨性上下一般用摩擦系数

47、来表征。n人们往往认为人们往往认为“摩擦学中无定律。摩擦学中无定律。很少出现很少出现2.摩擦与磨损的分类摩擦与磨损的分类n摩擦分为四类：摩擦分为四类：干摩擦：无润滑摩擦，滑动摩擦干摩擦：无润滑摩擦，滑动摩擦边界润滑摩擦边界润滑摩擦：摩擦力明显降低：摩擦力明显降低流体润滑摩擦：流体润滑摩擦：具有最小的摩擦系数具有最小的摩擦系数滚动摩擦：摩擦系数比滑动摩擦的小得多滚动摩擦：摩擦系数比滑动摩擦的小得多n磨损分为七类：磨损分为七类：n粘着磨损粘着磨损n磨粒磨损磨粒磨损n疲劳磨损疲劳磨损n腐蚀磨损腐蚀磨损n微动磨损微动磨损n冲蚀冲蚀(包括气蚀包括气蚀)磨损磨损n高温磨损高温磨损n各种复杂的磨损现象是上述

48、根本机理单独或综合的表现。各种复杂的磨损现象是上述根本机理单独或综合的表现。n一种摩擦方式常常包含几种磨损机理。一种摩擦方式常常包含几种磨损机理。最根本的最根本的二、粘着磨损、润滑和固体润滑二、粘着磨损、润滑和固体润滑粘着磨损是常见的磨损形式之一。粘着磨损是常见的磨损形式之一。15%1、粘着磨损机理：、粘着磨损机理：外表粗糙度导致接触应力产生调幅分布。外表粗糙度导致接触应力产生调幅分布。摩擦学三摩擦学三“定律：定律：摩擦力与两接触体之间的表观接触面积无关摩擦力与两接触体之间的表观接触面积无关(第一定律第一定律)；摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比(第二定律

49、第二定律)；两个相对运动物体外表的界面滑动摩擦阻力与滑动速度无关两个相对运动物体外表的界面滑动摩擦阻力与滑动速度无关(第三定律第三定律)。n焊合剪切及犁削理论：焊合剪切及犁削理论：n当接触外表相互压紧时，由于微凸体间的接触面积小，承受的压力很高，当接触外表相互压紧时，由于微凸体间的接触面积小，承受的压力很高，足以引起塑性变形和足以引起塑性变形和“冷焊现象。这样形成的焊合点因外表的相对滑动而被剪冷焊现象。这样形成的焊合点因外表的相对滑动而被剪断，相应的力量构成摩擦力的粘着分量。此外，较硬外表的微凸体对于较软材料断，相应的力量构成摩擦力的粘着分量。此外，较硬外表的微凸体对于较软材料会造成犁削作用，

50、从而构成摩擦力的犁削分量可忽略。会造成犁削作用，从而构成摩擦力的犁削分量可忽略。n材料的摩擦系数主要决定于摩擦副剪切强度材料的摩擦系数主要决定于摩擦副剪切强度b和屈服强度和屈服强度s的比值。的比值。nn最适宜的耐磨材料体系应该同时具有高的硬度强度和低的抗剪强度。最适宜的耐磨材料体系应该同时具有高的硬度强度和低的抗剪强度。不易到达不易到达摩擦学三摩擦学三“定律的根定律的根底底2、液体润滑和边界润湿、液体润滑和边界润湿可能发生粘着磨损的典型情况：可能发生粘着磨损的典型情况：a)硬金属和软金属摩擦副：压入后接触面积较大，摩硬金属和软金属摩擦副：压入后接触面积较大，摩擦力较大。擦力较大。b)硬金属与硬

51、金属摩擦副：抗剪强度很高，摩擦力很硬金属与硬金属摩擦副：抗剪强度很高，摩擦力很大。大。c)润滑条件下的摩擦副：在两种材料之间参加一层润滑润滑条件下的摩擦副：在两种材料之间参加一层润滑油膜，当处于流体润滑状态时，可以大幅度降低摩擦油膜，当处于流体润滑状态时，可以大幅度降低摩擦力、减少磨损。力、减少磨损。n流体润滑状态：流体动压润滑和弹流润滑；后者的摩擦系数比前者的高得多。流体润滑状态：流体动压润滑和弹流润滑；后者的摩擦系数比前者的高得多。n边界润滑：如果油膜润滑零件承受的压力太大、零件运行速度太低，或外表粗糙边界润滑：如果油膜润滑零件承受的压力太大、零件运行速度太低，或外表粗糙度太高，将会发生油

52、膜刺穿现象，即发生微凸体之间的接触而导致磨损的增加。度太高，将会发生油膜刺穿现象，即发生微凸体之间的接触而导致磨损的增加。此时的磨损状态称为边界润滑。此时的磨损状态称为边界润滑。n边界润滑的摩擦系仍比无润滑状态低得多。边界润滑的摩擦系仍比无润滑状态低得多。n从边界润滑过渡到无润滑状态，磨损速率会发生突变，所以机械零件不能在无润从边界润滑过渡到无润滑状态，磨损速率会发生突变，所以机械零件不能在无润滑条件下正常工作。滑条件下正常工作。摩擦系数摩擦系数磨损速率磨损速率3、固体润滑、固体润滑固体润滑：利用剪切力低的固体材料来减少接触外表之固体润滑：利用剪切力低的固体材料来减少接触外表之间摩擦与磨损的一

53、种润滑方式。间摩擦与磨损的一种润滑方式。流体与固体的混合润滑。流体与固体的混合润滑。固体润滑材料：固体粉末、固体覆膜、自润滑复合固体润滑材料：固体粉末、固体覆膜、自润滑复合材料等。材料等。(1)固体粉末：固体粉末：添加到润滑油中；添加到润滑油中；将其放在需要润滑部件的密封箱中，传送到摩擦外表上；将其放在需要润滑部件的密封箱中，传送到摩擦外表上；制成悬浮液浸渍在多孔的烧结材料中，制成具有自润滑性能的零件；制成悬浮液浸渍在多孔的烧结材料中，制成具有自润滑性能的零件；把悬浮液喷涂或刷抹在零件外表。把悬浮液喷涂或刷抹在零件外表。(2)固体润滑覆膜：固体润滑覆膜：粘结固体润滑膜粘结固体润滑膜(简称干膜简

54、称干膜)：将固体润滑剂与粘结剂、溶剂混合和搅拌，用喷枪喷涂：将固体润滑剂与粘结剂、溶剂混合和搅拌，用喷枪喷涂或涂抹在零件外表，待枯燥后即成干膜；或涂抹在零件外表，待枯燥后即成干膜；化学反响法固体润滑膜：硫化铁膜、磷酸盐膜和氧化膜等；化学反响法固体润滑膜：硫化铁膜、磷酸盐膜和氧化膜等；电镀和气相沉积方法形成固体润滑膜。电镀和气相沉积方法形成固体润滑膜。(3)自润滑复合材料：自润滑复合材料：n金属基复合材料：将固体润滑剂粉末与金属粉相混合，经压制、烧结而成；金属基复合材料：将固体润滑剂粉末与金属粉相混合，经压制、烧结而成；n塑料基复合材料：由各种塑料与固体润滑剂按比例组合，可以构成很多种塑料复合塑

55、料基复合材料：由各种塑料与固体润滑剂按比例组合，可以构成很多种塑料复合材料；材料；n碳基复合材料：用焦炭、石墨、碳墨为原料，混以沥青焦油、合成树脂等粘结剂，碳基复合材料：用焦炭、石墨、碳墨为原料，混以沥青焦油、合成树脂等粘结剂，经挤压成形后烧结，形成多孔复合材料。经挤压成形后烧结，形成多孔复合材料。25260熔点熔点327n影响固体材料粘着磨损性能的因素：n n1)润滑条件或环境：良好的润滑条件是降低粘着磨损的重要保障。在真空条件下大多数金属的磨损是极其严重的。n 2)硬度：材料的硬度越高，耐磨性越好。n3)晶体结构和晶体的互溶性。晶体结构为密排六方的材料摩擦系数最低，磨损率也最低，面心立方材

56、料次之，体心立方材料最高。冶金上互溶性好的一对金属摩擦副摩擦系数和磨损率高。周期表上相距较远的元素不易互溶，也不易粘着。n 4)温度：温度对磨损的影响是间接的硬度、氧化等。三、磨粒磨损三、磨粒磨损磨粒磨损导致的零件失效约占磨损失效的磨粒磨损导致的零件失效约占磨损失效的50。磨粒磨损磨粒磨损冲蚀磨损冲蚀磨损1磨粒磨损过程中材料的去除机理磨粒磨损过程中材料的去除机理去除机理：去除机理： 塑性变形：磨粒与塑性材料外表接触时，以显微切削、显微犁沟为主塑性变形：磨粒与塑性材料外表接触时，以显微切削、显微犁沟为主塑性材料塑性材料 外表外表 断裂：磨粒和脆性材料外表接触时，以显微疲劳、显微裂纹断裂：磨粒和脆

57、性材料外表接触时，以显微疲劳、显微裂纹为主脆性材料为主脆性材料 断裂机理所造成的材料损失比塑性变形机理的大。断裂机理所造成的材料损失比塑性变形机理的大。 两种方式都可能发生某一机理占主导地位，且相互转换。两种方式都可能发生某一机理占主导地位，且相互转换。 材料的磨损率与一般的力学性能没有简单的对应关系。材料的磨损率与一般的力学性能没有简单的对应关系。将磨粒视为三角锥体的绝对刚体将磨粒视为三角锥体的绝对刚体2磨粒磨损过程的影响因素磨粒磨损过程的影响因素(1)磨粒特性：磨粒特性： 硬度硬度 HaHm1.2(硬磨粒磨损硬磨粒磨损)，磨损速率高，但变化不大，磨损速率高，但变化不大 1.0 HaHm多角

58、形多角形圆形圆形(2)材料力学性能与微观组织：材料力学性能与微观组织： 硬度硬度 磨损后的外表硬度磨损后的外表硬度 耐磨性与硬度之间没有单值对应关系。耐磨性与硬度之间没有单值对应关系。 组织组织 在同样硬度条件下，耐磨性：奥氏体和贝氏体在同样硬度条件下，耐磨性：奥氏体和贝氏体珠光体和马氏体珠光体和马氏体夹杂物和内部缺陷夹杂物和内部缺陷 大大降低耐磨性大大降低耐磨性(3)工况和环境条件的影响：工况和环境条件的影响： 速度、载荷、磨损距离、磨粒冲击角，以及环境湿度、温度和腐蚀介质等。速度、载荷、磨损距离、磨粒冲击角，以及环境湿度、温度和腐蚀介质等。四、其它磨损形式自学四、其它磨损形式自学1、疲劳磨

59、损、疲劳磨损2、腐蚀磨损、腐蚀磨损3、冲蚀磨损、冲蚀磨损 空泡磨损空泡磨损五、提高零件耐磨性的途径五、提高零件耐磨性的途径 设计或改善机械零部件的耐磨寿命，是工程技术中必须解决的关键技术问题。1. 工程结构的合理设计 是提高零件耐磨性的根底。产品内部结构设计必须合理。对零件的重要性、维修难易程度、产品本钱、使用特点、环境特点等预先进行综合分析。2零件磨损机理预测、分析和耐磨材料的选择 材料的耐磨性是系统性质，影响因素众多。弄清 影响产品寿命的根本因素和磨损机理(及变化) ；确定 材料在使用时是否存在工艺性能、使用环境、力学性能、理化性能等方面的限制； 材料是否能经受住运行中的载荷如接触压力等而

60、不变形或无过分变形； 零件外表温度范围、防止材料在摩擦过程中软化与咬合； 材料允许的最大载荷和滑动速度； 机件工作循环特性； 允许的磨损失效形式和机械外表的损伤程度； 注意：用材料的磨损率来决定磨损寿命并不充分。3材料外表耐磨与减摩处理 通过外表工程技术提高耐磨性： 耐磨-使外表具有良好的力学性能(高硬度、高韧度等)； 减磨-设法降低材料外表的摩擦系数。 对耐磨性，最重要的是硬度：在大多数情况下磨损率都会随硬度的提高而降低。提高材料外表硬度的工艺方法：外表淬火、涂覆、合金化降低外表摩擦系数：形成非金属性质的摩擦面或添加固体润滑膜。 对于钢材：渗硫、渗氧、渗氮、氧碳氮共渗，热喷涂层中加固体润滑物