表面工程学(14章)

1、材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与

2、封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心表面工程学表面工程学表面工程表面工程理论基础理论基础表面工程技术及表面工程技术及复合复合表面工程技术表面工程技术表面加工技术表面加工技术表面质量检测表面质量检测及控制及控制表面工程表面工程技术统计技术统计表面层结构设计表面层材料设计表面层工艺设计表面工程技术分析表面几何特性与检测 表面力学特性与检测物理及化学特性与检测表面分析技术表面预处理加工表面层的加工表面层的特种加工复合表面技术化学转化膜技术表面改性技术表面涂层技术表面薄膜

3、技术 表面化学粘结技术摩擦化学膜技术表面机械强化技术表面失效分析表面摩擦与磨损表面腐蚀与防护表面界面复合与结合材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与

4、工程学院连接与封装中心由于在垂直于表面方向上，晶内原子排列由于在垂直于表面方向上，晶内原子排列呈周期性变化，而表面原子的近邻原子数呈周期性变化，而表面原子的近邻原子数减少，使得其拥有的能量大于晶体内部原减少，使得其拥有的能量大于晶体内部原子的能量，超出的能量正比于减少的键数，子的能量，超出的能量正比于减少的键数，该部分能量即为材料的表面能。该部分能量即为材料的表面能。材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心指表面附近的点阵常数在垂直指表面附近的点阵常数在垂直方向上较晶体内部发生明显的方向上较晶体内部发生明显的变化。变化。指表面原子在水平方向的周期性不指表面原子在水平方向

5、的周期性不同于体内的晶面。同于体内的晶面。台阶化是指实际晶体的外台阶化是指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶表面由许多密排面的台阶构成构成是指化学组分在是指化学组分在表面区的变化。表面区的变化。材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心) 12(11niiynRa)22(/liAAi材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科

6、学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心表面区的每个原子都可以用最近邻数来描述材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心平台上吸附原子的；平台上吸附原子的；吸附原子对的；吸附原子对的；台阶上吸附原子的；台阶上吸附原子的；台阶扭折处的；台阶扭折处的；台阶内的原子的；台阶内的原子的；处于平台内原子的。处于平台内原子的。面心立方面心立方11

7、1面面材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心台阶比较光滑，但，扭折数会增加，扭折间距0和温度及晶面指数k有关，可由下式描述： a-原子间距； EL台阶生成能据分析：面心（111）面上台阶的0约为4a. 简单立方（100）台阶（10）的0约为30a实际中，表面会存在大量缺陷，空位、位错露头、晶界痕迹等。32exp20kTEaL材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心X扩散激活能。几何因素决定的常数扩散系数；扩散时间；QRTQDDcDtDtcX)52(exp)42(0_扩散温度，基体金属，扩散元素，扩散温度，基体金属，扩散元素，浓度，合金元素，晶格

8、类型，固浓度，合金元素，晶格类型，固熔体类型，晶格缺陷，磁性状态熔体类型，晶格缺陷，磁性状态等等材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心物理吸附与化学吸附的区别比较项比较项物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附热接近液化热1-40kJ.mol-1接近反应热40-400kJ.mol-1吸附力范德华力，弱化学键，强吸附层单分子层或多分子层仅单分子层吸附选择性无有吸附速率快慢吸附活化能不需需要，且较高吸附温度低温较高温度吸附层结构基本等同吸附分子结构形

9、成新的化合态材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心普通润滑油，极化的长链油分子与金属表面发生较弱的分子引力结合形成物理吸附膜，16烷与T有关化学吸附往往是首先形成物理吸附，然后在界面发生化学反应转化成化学吸附，结合能高，不可逆。 硬酸脂与FeO作用生成硬脂酸铁皂膜适用于较高温度材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心)62( ABBAABW材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学

10、院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心1.润湿现象与机理润湿现象与机理 液体在固体表面铺展的现象，称为润湿。液体在固体表面铺展的现象，称为润湿。 水滴与玻璃、石蜡 亲水 疏水用润湿角来描述润湿程度90 为润湿， 越小，润湿越好；90为不润湿；=0和=180 时，则称为完全润湿和完全不润湿。材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心 的大小与界面张力有关： 三力互相平衡，合力为0，有：对大小有关。固分子间的粘附力的相与液体的内聚力；液作用

11、力相关，润湿的大小与分子间的不润湿，为时，润湿，为时，方程。9090)82(/:)72(COSCOSYongCOSORCOSLSGSLSGSGLLSGSGLLSGS材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心大于光滑表面。粗糙表面的铺展系数远）（）（）可修正为：时，式（当固体表面粗糙度为与粗糙度有关时，液在固上不铺展。标准。了，铺展是润湿的最高或者说润湿角已不存在，即：表面自动展开；在时，当10219200)92() 1(/iCOSSiSSLSCOSSGLSLSLGLLSGSSLGLGLLSGSSL材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工

12、程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心约占约占15%，刀，模，量，齿轮，轴承等材，刀，模，量，齿轮，轴承等材料磨损都与粘着磨损有关；料磨损都与粘着磨损有关；材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程

13、学院连接与封装中心2 流体润滑和边界润滑流体润滑和边界润滑 b低低,但接触面但接触面积大积大,故摩擦力故摩擦力大大硬度高硬度高, b也也高高,摩擦力也大摩擦力也大=0.001-0.0001间间,取决于取决于油的黏度油的黏度; 油膜刺穿油膜刺穿-边界润滑边界润滑材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心固体润滑的摩擦系数与

14、工作环境有关材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心)132(1LKPHV磨料直径dLHKdKPVIC)142(21432145材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心2 磨粒磨损过程的影响因素（1） 磨粒特性的影响 硬度、形状、粒度1）磨粒硬度的影响 Ha-磨粒硬度， Hm-材料硬度；Ha/Hm1.2硬磨粒磨损，影响不大；但： 1Ha/Hm104Hz)中频(104107加热时间/s1-101-5010-10010-10

15、0110.0110-7硬化层深/mm0.5-2.52-510-150.1-1.20.2-20.350.1-0.50.2冷却方式喷水冷却喷水冷却喷水冷却水冷自淬火自淬火自动淬火自淬火自淬火淬火组织马氏体马氏体马氏体马氏体隐针马氏体隐针马氏体马氏体隐针马氏体大量晶体缺陷过渡区较浅较深深深很浅很浅较浅最浅工艺特点淬硬层深深度调节方便,重复性好,适合大批量生产操作方便,适合野外作业淬火部位精确可控,易于实现自动化原位淬火工件变形小无马氏体转变适用范围要求表面耐磨,心部强韧的各种典型钢、铁零件钢铁零件精密热处理铝材等生产成本适中低高高较低较高很高局限性形状复杂的零件难以制作象形感应线圈，淬火质量因此难以

16、保证大面积淬火均匀性较差大面积重叠淬火有回火软带需要真空生产效率低淬火层薄，只适合形状简单的零件生产成本高，生产效率低各种表面淬火工艺特点比较：各种表面淬火工艺特点比较：材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心 滚压可在卧式车床上进行，可滚压金属零件上的外圆、内滚压可在卧式车床上进行，可滚压金属零件上的外圆、内 圆和平面等。圆和平面等。 表面滚压是在常温上用硬质滚柱或滚轮施压于施转

17、的工件表面滚压是在常温上用硬质滚柱或滚轮施压于施转的工件 表面上，并沿母线方向移动，使工件表面塑性变形硬化，表面上，并沿母线方向移动，使工件表面塑性变形硬化， 以获得准确、光洁和强化的表面。以获得准确、光洁和强化的表面。 滚压余量通常为表面微观不平度的平均高度滚压余量通常为表面微观不平度的平均高度(0.01 0.02mm)。 滚压后，尺寸公差等级可达滚压后，尺寸公差等级可达IT7IT6,Ra值可达值可达0.80.1mm， 表层硬度可提高表层硬度可提高510%，硬化层深度可达，硬化层深度可达0.22mm，疲，疲 劳强度可提高劳强度可提高1030%。材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学

18、院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心 材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心抛光的分类：抛光的分类：电化学抛光化学抛光振动抛光滚筒抛光轮式抛光机械抛光材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心1机械抛光机械抛光 用高速旋转的柔性抛光轮和极细的磨料对工件表面进行滚压和微量切削实现抛光。抛光轮用多层帆布、毛毡或皮革叠制而成，用于较大零件的抛光。1) 轮式抛光轮式抛光材料科学与工程学院连接与封装中心材料科学与工程学院连接与封装中心2)