表面工程复习题

1、一、名词解释1.洁净表面 ：表面化学成分和体内相同。表面吸附物的覆盖几率很低。得到方法：离子轰击、场致蒸发、真空沉积。2.清洁表面：经过清洗（脱脂、浸蚀）以后得到的表面。3.界面 ：固相之间分界面4.外延生长界面：在单晶体表面沿原来的结晶轴向生长成的新的单晶层的工艺过程，就称为外延生长。共格界面。气相外延 、液相外延。 5.机械结合界面：涂层和基体间的结合靠两种材料相互镶嵌在一起的机械连接形成。热喷涂属于机械结合界面。 6. 润湿 ：液体在固体表面上铺展的现象7. 边界润滑摩擦: 对偶件的表面被一薄层油膜隔开，可使摩擦力减小2-10倍，并使表面磨损减少。但是在载荷一大的情况下，油膜就会被偶件上

2、的微凸体穿破，摩擦系数通常在左右。8.喷焊层的稀释率：稀释率=B/(A+B)为喷焊层的稀释率，A为喷焊的金属质量，B为基体熔化的质量。9.自熔合金：在普通合金成分基础上添加B，Si等元素，降低熔点，使熔点比基体低，提高流动性，有自脱氧造渣性能的合金。10.激光熔凝 ：就是用激光把基材表面加热到熔化温度以上，然后靠基材本身的导热使熔化层表面快速冷却并结晶的热处理工艺。组织变化为：熔凝层、相变硬化层、热影响区和基材。与激光淬火相比，激光熔凝层比激光淬火的硬化层要深，硬度要高、耐磨性要好。11.化学转化膜 ：处在一定介质条件下的金属，由于热力学上的不稳定性，总会自发从活态金属变为相应的钝态化合物的转

3、化。如果介质是人为选定的，而且表面金属的这种自身转化能够导致生成附着牢固、在水和给定介质中难溶的稳定化合物，金属表面上这样得到的化合物膜层称为化学转化膜。12.老化处理：新生成的钝化膜柔软，容易磨掉。因此，钝化膜形成以后要烘干，称为老化13.发蓝处理：使钢铁表面生成稳定的氧化物Fe3O4，可获得蓝黑色和黑色的氧化膜。14.假转化型磷化 ：第一阶段， 发生反应Fe+2H3PO4-Fe(H2PO4)2+H2 （1）磷酸二氢盐溶于水第二阶段：Me(H2PO4)2-MeHPO4+H3PO4 （2）3Me(H2PO4)-Me3(PO4)2+4H3PO4 （3）整个成膜过程 可以写成如下反应式： 5Me(

4、H2PO4)2+Fe(H2PO4)+8H2O- Me3(PO4)2.4H2O+Me2Fe(PO4)3.4H2O+8H3PO4在磷化过程中，虽然钢铁基体发生溶解并参与反应，但磷化膜的金属离子主要有溶液提供，一般为Zn2+,Mn2+,Ca2+,中的一种或者两种。所以称为假转化型磷化15.化学镀：化学镀也称为无电解镀，不需要外加电流。但是通常有还原剂的加入，使镀液中的金属离子还原成金属原子，沉积于零件的表面。 16.物理气相沉积 ：在真空条件下，通过各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程。18.溅射镀膜：用高能例子轰击固体表面，使高能例子的能量传递给固体院子，并使他们逸出表面

5、沉积在集体上形成薄膜。二、填空1. 表面薄膜与涂层技术中基材与涂层材料间通常可形成（ 冶金结合界面 ）、（ 扩散结合界面 ）、（ 外延生长界面 ）、（ 化学键结合界面 ）、（ 分子键结合界面 ）界面。（机械结合界面）2.当（ <90° ）时，称为润湿；当（=0°）时，称为完全润湿；当（>90°）时，称为不润湿；当（ =180）时，称为完全不润湿。3流体润滑的摩擦系数要（小 ）于边界润滑的摩擦系数，边界润滑的摩擦系数要小于（ 干 ）摩擦的摩擦系数。4. 固体润滑是利用（ 剪切应力 ）低的固体材料来减少（ 接触表面 ）间摩擦磨损的，常见滑材料有（ 石墨）、

6、（FeS）和（MoS2）。5. 金属腐蚀的基本原理是形成（ 原电池），其中（阳 ）极腐蚀。6. 表面淬火硬化层的深度可以用金相法（有表面测至50%马氏体区）、硬度法（按 半马氏体区硬度为准 ）和酸蚀法标定。7.在感应加热表面淬火、渗碳处理、氮化处理和渗硼处理工件中，（渗硼）的硬度最高，（氮化）的硬度次之，（感应加热表面淬火）的硬度最低。8.激光淬火与电子束淬火比较，（ 激光 ）淬火获得广泛应用，在淬火前表面要经过（ 表面预 ）处理。电子束淬火必须在（ 真空 ）环境下应用。9.热喷涂工艺主要包括（ 火焰 ）喷涂、（等离子 ）喷涂和（电弧）喷涂。其中 （ 电弧 ）只能用于导电的线材，（ 等离子 ）

7、特别适合喷涂（ 高）熔点的材料。10.热喷涂技术可应用于喷涂（耐腐蚀）涂层、（耐磨）涂层和耐（热障）涂层。11. 热喷涂涂层和基材间为（机械结合）界面；热喷焊、堆焊涂层与基材间为（冶金结合）界面。其中 （热喷焊）和（堆焊）方法的涂层厚度较大，通常用于零件（修复）。12.金属的电沉积包括（液相传质）、（电化学还原）和（电结晶）步骤。13.化学镀镍层通常是一种（非晶态 ）镀层，此时镀层的硬度（ 较低），电阻率 （ 较大），通常需要经过（ 热 ）处理来改善综合性能。14铬酸盐钝化膜主要由不溶性的（三价）铬化合物和可溶性的（六价）铬化合物组成。不溶性部分构成膜的（骨架），可溶性部分充填在内部。（ 可溶

8、性 ）部分非常重要，对破损的膜有修复作用。15.铝的阳极氧化膜的生长是两个过程的综合反映：一是阳极上的铝进行（ 氧化 ）反应生成（ 三氧化二铝），另一个过程是氧化膜不断（电解溶解）。16.阳极氧化的铝合金的主要着色方法有（自然着色）法、 （吸附）着色法和（电解）着色法，其发色体在氧化膜的部位依次为（多空层夹壁）、（氧化膜孔隙上部）和（多孔层底部）。17.真空蒸镀薄膜的形成机理有（核生长）型、（单层生长）型和（混合生长）型。18.蒸发镀膜高真空度的目的主要为：金属或非金属材料的（沸腾蒸发 ）温度下降，可以减少蒸汽原子和（ 气体 ）原子的（接触）。19.为了获得所设计成分的合金或化合物薄膜，可以采

9、用（ 同时蒸发）和 （瞬间 ）蒸发法。20.常用的溅射镀膜方法有（离子束 ）溅射、（阴极）溅射，其中（离子束）溅射只能沉积金属膜，（阴极）溅射能够沉积介质膜。21.表面清理中常用的清理工艺过程为：脱脂水洗（化学浸蚀）水洗（中和 ）水洗。 22.刷镀也称为（电镀），其基本原理与电镀（相同），设备包括（直流）电源、（导电手柄 ）和阳极包套。三、  简答题1.    描述TLK表面晶体结构模型。TLK模型：平台（Terrace）-台阶（Ledge）-扭折(Kink)模型。基本思想是：在温度相当于0K时，表面原子呈静态。表面原子层可认为是理想平面，其中原子作二维

10、周期排列，并且不存在缺陷和杂质。当温度从0K升到T时，由于原子的热运动，晶体表面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、单分子或原子尺度的扭折以及表面吸附的单原子及表面空位等。形成原因：原子热运动。 2.    描述Archard粘着磨损模型并推导Archard公式。他认为磨损碎块（磨屑）是半球状的，直径为2r。 Ar=nr2 n为接触点的数量。 Ar=W/, n=W/(r2) 对直径2r的接触点来说，运动2r就可以把n接触点分离，这样的话，滑动单位距离分离的接触点为： Nu=n*1/2r=w/(2r3) 因为并不是每个接触点都可以得到一个磨屑，

11、因此，给出了几率为K, 滑动距离S,所产生总的磨损量（磨屑体积）V, V/S=K* Nu*Vf Vf=2/3r3 V=KWS /3 y 这就是粘着磨损定律的理论基础，K是磨损系数，是一个无量刚的系数。上式也可以用硬度表示： V=KPS /H这个定律告诉我们： (1)磨损量与表观接触面积无关 (2)与载荷成正比,与硬度成反比 (3)硬表面磨损最少。3.    固体渗硼件的组织和性能有什么特点。组织与性能： 渗硼后的显微硬度曲线分为三个台阶，第一个台阶HV为2000左右，对应着FeB,第二个台阶HV为1400左右，对应着Fe2B，第三个台阶硬度较低，对应着扩散层与基体

12、。FeB很脆，我们希望得到Fe2B，这也是理想的渗层。渗硼件的性能特点： 渗硼件硬度极高，耐磨、耐蚀、抗氧化性能好，而且摩擦系数小。5.  采用表面变形原理能否获得表面纳米化组织，请举例，并画出相应试验装置图。6.  溅射镀膜的基本原理是什么？靶材原子有几种运动形式？溅射薄膜的生成分几个阶段？原理就是利用低压气体的辉光放电产生的阳离子，在电压作用下快速轰击阴极，就是靶材，使靶材产生强烈的溅射现象，溅射出来的粒子在基片-阳极表面成膜。靶材原子的运动形式：（1）靶材原子脱离晶格，克服表面束缚，发生溅射，成膜。（2）靶材原子只是在原位振动，使靶材升温了。（3）

13、靶材原子出现反冲，一个原子碰撞另一个原子，造成周围原子移位，会使得部分原子到达表面并且逸出，形成溅射。溅射薄膜生成的三个阶段： （1）靶面原子的溅射（2）溅射原子向基片的迁移 （3）成膜 ：粒子向工件入射并沉积成膜。7.摩擦学三“定律” 。（1）摩擦力与接触面的表观面积无关（2）摩擦力与两接触体的法向载荷成正比，即 F=N，是摩擦系数，认为是材料的常数。1785年 Coulomb又提出一条定律，称为第三定律（3）界面滑动摩擦力与滑动速度无关。8.已知某种金属A在空气中发生氧化反应，形成AxO氧化物，金属的摩尔质量为M,金属的密度为，AxO氧化物的摩尔质量为M， 氧化物的密度为D，推导保持氧化膜

14、完整的必要条件，并用以上参数表示。保持氧化膜完整的必要条件（或者是表面氧化膜作为保护层的必要条件）是：形成的氧化物的体积必须大于氧化消耗的金属体积。V氧化物>V金属 推导： V氧化物=M/(xD) V金属=M/ 则：V氧化物/ V金属= M /（x D M）>1。 9. 进行合金电镀时，应满足什么条件，可以采取什么措施？条件：（1）两种金属中至少有一种能单独从起盐的水溶液中沉积出来；（2）要使两种金属公沉积，他们的析出电位要接近或相等。措施：（1）选择金属离子合适价位，一般选易溶于水且标准电位与共沉积金属电位较接近嘉泰的化合物；（2）改变离子浓度，增大电位较正的金属离子浓度，是起电

15、位负移，从而使两种析出的金属电位接近；（3）加入络合剂，使游离的金属离子浓度降低，析出电位接近而共沉积；（4）加入添加剂。11.假转化型磷化和转化型磷化有什么区别，磷化膜有什么性质和用途？假转化型磷化在磷化过程中，虽然钢铁基体发生溶解并参与反应，但磷化膜的金属离子主要有溶液提供；转化型磷化膜的形成过程与假转化型不同，处理液的成分是磷酸的碱金属盐（磷酸二氢钠）和表面活性剂的水溶液。或者是和氧化剂（氯酸盐），沉积的膜层是磷酸铁（F钢铁在碱金属的磷酸盐或者铵的磷酸盐中形成的磷化膜是非晶的，其他的都是晶态的。性质钢铁表面的磷化膜是由磷酸锌和少量磷酸铁组成。晶粒越大，膜层越厚。通常慢磷化结晶粗大，加入加

16、速剂或磷化前用机械方法，擦、刷、喷砂等处理都可以加速磷化，细化晶粒。磷化膜是多孔的，一般占表面膜的0.5-1.5%（体积分数）。膜越厚晶粒越细，孔隙度越低。用途：（1）防护用磷化膜：常用于钢铁件耐腐蚀防护处理（2）油漆底层用磷化膜（3）冷加工润滑用磷化膜：锌系磷化膜有助于冷加工成型。（4） 减摩用磷化膜（5） 电绝缘用磷化膜12.简述铬酸盐钝化膜的组成特点和耐蚀性好的原因。钝化膜主要由不溶性的三价铬化合物和可溶性的6价铬化合物组成。不溶性部分构成膜的骨架，可溶性部分充填在骨架内部。可溶性部分非常重要，对破损的膜有修复作用，因此，铬酸盐钝化膜耐蚀性特别好。13.简述铝的阳极氧化膜的形成

17、机理。把Al浸入水中就可以使天然氧化膜加厚，发生下列反应，并生成Al2O3薄膜： Al-Al3+3e 2H2O+2e-2OH-+H2 Al3+2OH-AlOOH+H+2AlOOH-由于膜层致密，结果使膜层加厚的过程结束。要得到较厚的膜层，形成的膜层必须能局部溶解于溶液。在酸性或碱性溶液里都可以作到这一点。14. 什么是分馏现象，怎样才能得到与蒸镀合金或化合物原料成分相同的合金或化合物薄膜？分馏现象：蒸发合金或化合物材料获得合金镀膜时，由于合金中各元素沸点不同，蒸汽压不同，导致沸点低的先下蒸发，单独存在是饱和蒸汽压大的蒸发速度快的现象。方法：（1）同时蒸发法：使用不同蒸发源同时蒸发各组成元素，通

18、过控制蒸发速率获得设计蒸发薄膜。（2）瞬间蒸发法：把蒸发材料做成粒状或粉末状，再一点点加入蒸发源中，使蒸发物质在蒸发源上瞬间蒸发。四、应用题1.油田采油使用的抽油管和抽油杆在含有CO2、 H2S、Cl-等腐蚀介质的环境下工作，抽油管和抽油杆还经常发生偏磨，可以采用什么表面技术提高它们的使用寿命。渗硼；工件表面形成高硬度的Fe2B（1200-1800HV），所以渗硼能显著提高钢件的表面硬度和耐磨性，特别是耐磨粒磨损的能力，而且能耐硫酸、盐酸的腐蚀，800没有明显的氧化，因此，改善耐热性和耐蚀性。2.  举例说明激光处理在汽车工业的应用。1974年，美国通用公司Saginaw公司转向器分

19、厂首先将激光淬火技术应用于汽车转向器壳体的表面强化，实现大批量工业生产。3.热浸锌和热浸铝有什么共同特点，使用上有什么区别。将钢材浸到熔融的锌液或铝液中，在钢材表面形成锌及锌铁合金层或铝及铝铁合金层。热浸锌是一种应用非常广泛的材料表面工艺，主要应用在大气和海洋中工作的工件表面，水管，高速公路护栏、铁塔和螺栓。热浸铝比热浸锌更耐大气腐蚀，主要用于汽车排气管、消音器、高速公路护栏。 4.化学镀镍后为什么经常需要进行热处理？由溶液中沉积出来的化学镀镍层是一种非晶态镀层，呈层叠薄片状，这时的镀层性能并不好。硬度、矫顽磁力较低，电阻率较高，在400热处理后，硬度和矫顽磁力会大幅度地提高，电阻率明显下降。5. 钢铁表面的磷化和发蓝的原理是什么，各有什么主要用途？磷化：金属在某些酸式磷酸盐（Zn2+, Mn2+, Fe2+, Ca2+）等为主的溶液处理中，使其表面沉积，形成一层不溶于水的结晶型磷酸盐转化膜的过程。用途：（1）防护用磷化膜：常用于钢铁件耐腐蚀防护处理（2）油漆底层用磷化膜（3）冷加工润滑用磷化膜：锌系磷化膜有助于冷加工成型。（4） 减摩用磷化膜（5） 电绝缘用磷化膜发蓝：是使钢铁表面生成稳定的氧化物Fe3O4，可获得蓝黑色和黑色的氧化膜。这类氧化膜的防护性能较差，因而要用油或者蜡涂覆。用途：机械零件、精密仪器、武器等的防护与装饰。