第章固体表面的物理化学特征

1、材料表面工程材料表面工程1第二章固体外表的物理化学特征 材料表面工程材料表面工程2主主 要要 内内 容容 2.1 固体外表的结构 2.2 固体外表的吸附 2.3 固体外表原子的扩散 2.4 摩擦、磨损与润滑材料表面工程材料表面工程32.1 固体外表的结构固体外表的结构固体材料固体材料-工程技术中最普遍使用的材料。按材料特性分为：金属材料无机非金属材料有机高分子材料按所起的作用分为结构材料-以力学性能为主的工程材料，主要用来制造工程建筑中的构件，机械装备中的零件以及工具、模具等。功能材料利用物质的各种物理和化学特性及其对外界环境敏感的反响，实现各种信息处理和能量转换的材料。材料表面工程材料表面工

2、程4原子、离子或分子排列情况晶体非晶体-原子、离子或分子在三维空间呈周期性规那么排列，即存在长程有序。-短程有序常见晶体结构面心立方密排立方体心立方-密排型，配位数是12-非密排型，配位数是8外表能外表能-外表上方没有原子存在，出现外表上方没有原子存在，出现“断键断键，外表原子能量升高，这种高出来的能量就，外表原子能量升高，这种高出来的能量就是是。材料表面工程材料表面工程5 物质存在的某种状态或结构，通常称为某一相。严格地说，相是系统中均匀的、与其他局部有界面分开的局部。 复相系复相系-在一定温度和压力下，含有多个相的系统为复相系。n指这局部的成分和性质从给定范围或宏观来说是相同的，或是以一种

3、连续的方式变化，也就是没有突然的变化。材料表面工程材料表面工程6 界面界面-两相接触的约几个分子厚度的过渡两相接触的约几个分子厚度的过渡区，或两种不同相之间的交界区称为界面。区，或两种不同相之间的交界区称为界面。假设其中一相为气体，这种界面通常称为假设其中一相为气体，这种界面通常称为外表。外表。 严格地讲，外表应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的外表。 常见的界面有：气气-液液界面，气气-固固界面，液液-液液界面，液液-固固界面，固固-固固界面。材料表面工程材料表面工程7常见的界面常见的界面气气-液界面液界面材料表面工程材料表面工程8气气-固界

4、面固界面常见的界面常见的界面材料表面工程材料表面工程9液液-液界面液界面常见的界面常见的界面材料表面工程材料表面工程10液液-固界面固界面常见的界面常见的界面材料表面工程材料表面工程11固固-固界面固界面材料表面工程材料表面工程12固体材料的界面有三种：固体材料的界面有三种：l外表固体材料与气体或液体的分界面。2晶界 或 亚 晶界 3 相界多晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒或亚晶之间的界面。固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。材料表面工程材料表面工程13 1理想外表实际上不存在 2清洁外表 3实际外表2.1.1 固体材料与气体界面固体材料与气体界面材料表面工程材料表面工程14 理想

5、外表理想外表 理想外表理想外表没有杂质的单晶，作为零级近没有杂质的单晶，作为零级近似可将外表看作为一个理想外表。从理论上似可将外表看作为一个理想外表。从理论上看，它是结构完整的二维点阵平面。看，它是结构完整的二维点阵平面。 理想外表的前提条件：理想外表的前提条件： 忽略了晶体内部周期性势场在晶体外表中断忽略了晶体内部周期性势场在晶体外表中断的影响；的影响； 忽略了外表原子的热运动、热扩散和热缺陷忽略了外表原子的热运动、热扩散和热缺陷等；等； 忽略了外界对外表的物理化学作用等。忽略了外界对外表的物理化学作用等。材料表面工程材料表面工程15理想外表的特点：理想外表的特点： 理想外表作为半无限的晶体

6、，体内原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。图 理想外表结构示意图材料表面工程材料表面工程16 清洁外表清洁外表 清洁外表清洁外表经过诸如离子轰击、高温脱附、经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反响、分子束外延等特殊处理后，保持化学反响、分子束外延等特殊处理后，保持在在106Pa109Pa超高真空下外来沾污少超高真空下外来沾污少到不能用一般外表分析方法探测的外表到不能用一般外表分析方法探测的外表 不存在任何吸附、催化反响或杂质扩散等物不存在任何吸附、催化反响或杂质扩散等物理、化学效应的外表。理、化学效应的外

7、表。材料表面工程材料表面工程17清洁外表的一般情况清洁外表的一般情况依热力学的观点，外表附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态，到达这种稳定态的方式有两种：u自行调整，原子排列情况与材料内部明显不同；u依靠外表成分偏析和外表对外来原子或分子的吸附 以及两者的相互作用而趋向稳定态，因而使外表组分与材料内部不同。材料表面工程材料表面工程18表表2-3 几种清洁外表的结构和特点几种清洁外表的结构和特点 材料表面工程材料表面工程19材料表面工程材料表面工程20材料表面工程材料表面工程21 晶体外表的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经过46个原子层之后才与体内根本相似，所以晶体外表实际上只有几个

8、原子层范围。 晶体外表的缺陷：平台、台阶、扭折、外表吸附、外表空位、位错。 各种材料外表上的点缺陷类型和浓度都依一定条件而定，最为普遍的是吸附。材料表面工程材料表面工程22 严格地说，清洁外表是指不存在任何污染严格地说，清洁外表是指不存在任何污染的化学纯外表，即不存在吸附、催化反响的化学纯外表，即不存在吸附、催化反响或杂质扩散等一系列物理、化学效应的外或杂质扩散等一系列物理、化学效应的外表。因此制备清洁外表是很困难的，而在表。因此制备清洁外表是很困难的，而在几个原子层范围内的清洁外表，其偏离三几个原子层范围内的清洁外表，其偏离三维周期性结构的主要特征应该是：外表台维周期性结构的主要特征应该是：

9、外表台阶、外表弛豫、外表重构。阶、外表弛豫、外表重构。材料表面工程材料表面工程23图 Pt557有序原子台阶外表示意图 台阶外表不是一个平面，它是由有规那么的或不规那么的台阶所组成。1台阶外表台阶外表材料表面工程材料表面工程24图 弛豫外表示意图 在固体外表处，由于固相的三维周期性突然中断，外表上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为外表弛豫。2弛豫外表弛豫外表LiF001弛豫外表示意图，LiF 材料表面工程材料表面工程25 重构是指外表原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间距那么与体内相同。3重构或再构外表重构或再构外表图 重构外表示意图材料表面工程材料表面工程26缺

10、列型重构缺列型重构-外表周期性地缺失原子列造成的超结构外表周期性地缺失原子列造成的超结构重组型重构重组型重构-并不减少外表的原子数，但却显著地改变并不减少外表的原子数，但却显著地改变外表的原子排列方式。外表的原子排列方式。材料表面工程材料表面工程27 实际外表实际外表 实际外表暴露在未加控制的大气环境中的固体外表，或者经过一定加工处理如切割、研磨、抛光、清洗等，保持在常温和常压也可能在低真空或高温下的外表。也称吸附外表图 实际外表示意图内表层外表层基体材料层加工硬化层吸附层氧化层材料表面工程材料表面工程28实际外表与清洁外表相比有较大不同：实际外表与清洁外表相比有较大不同： 外表粗糙度外表粗糙

11、度 -指加工外表上具有的较小间距的波峰和波谷所组成的指加工外表上具有的较小间距的波峰和波谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。相邻波峰与波谷微观几何形状误差，也称微观粗糙度。相邻波峰与波谷的间距小于的间距小于1mm，并且大体上呈周期性起伏，主要是由，并且大体上呈周期性起伏，主要是由加工过程中刀具与工件外表间的摩擦、切削别离工件外加工过程中刀具与工件外表间的摩擦、切削别离工件外表层材料的塑性变形、工艺系统的高频振动以及刀尖轮表层材料的塑性变形、工艺系统的高频振动以及刀尖轮廓痕迹等原因形成。廓痕迹等原因形成。 1 轮廓算术平均偏差：Ra 2 微观不平度+点高度：Rz 3 轮廓最大高度：Ry

12、从宏观看，经过切削、研磨、抛光的固体外表似乎很平整，然而从微观角度观察会发现外表有明显的起伏、同时不可能有裂缝、空洞等。材料表面工程材料表面工程29 贝尔比层和剩余应力贝尔比层和剩余应力 固体材料经过切削加工后，在几个微米或者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，既造成一定程度的晶格畸变。 这种晶格的畸变随深度变化，而在最外的，约5nm-10nm厚度可能会形成一种非晶态层。 这层非晶态称为贝尔比层贝尔比层。 其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。 贝尔比层具有效高的耐磨性和耐蚀性。材料表面工程材料表面工程30 材料经各种加工、处理后普遍存在剩余应力。 剩余应力按其作用范围分为

13、： 宏观内应力和微观内应力两类。 剩余应力剩余应力宏观内应力宏观内应力-由于材料各局部变形不均匀而造成的宏观由于材料各局部变形不均匀而造成的宏观范围内的内应力范围内的内应力微观内应力微观内应力-物体的各晶粒或亚晶粒之间不均匀的变形而产生的晶粒或亚晶粒间的内应力材料表面工程材料表面工程312.1.2 固体外表的成分偏聚固体外表的成分偏聚 外表偏聚外表偏聚-合金的外表成分一般不同于合金的整体平合金的外表成分一般不同于合金的整体平均成分，这种现象称为外表偏聚。均成分，这种现象称为外表偏聚。溶质原子在外表富集溶质原子在外表富集外表溶质原子减少称为反偏聚外表溶质原子减少称为反偏聚平衡偏聚平衡偏聚非平衡偏

14、聚非平衡偏聚-整个系统中温度和组元的化学位都是不变的，整个系统中温度和组元的化学位都是不变的，可以用平衡热力学来描述。可以用平衡热力学来描述。-动力学过程的结果动力学过程的结果材料表面工程材料表面工程322.2 固体外表的吸附固体外表的吸附 吸附剂吸附剂adsorbent：外表上发生吸附作用的固：外表上发生吸附作用的固体。体。 吸附质吸附质adsorbate：被吸附的气体等物质。：被吸附的气体等物质。 吸附：由于物理或化学的作用力场，某物质分子吸附：由于物理或化学的作用力场，某物质分子附着或结合在两相界面上的浓度与两相本体浓度附着或结合在两相界面上的浓度与两相本体浓度不同的现象。不同的现象。

15、吸收吸收：被吸附物质深入到固体体相中。 吸附量：达吸附平衡时，单位质量的吸附剂所吸吸附量：达吸附平衡时，单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的数量标准状况下的体积。附的吸附质的数量标准状况下的体积。吸附平衡吸附平衡材料表面工程材料表面工程332.2.1 吸附现象吸附现象1固体外表上气体的吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附-仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等。-相当与吸附剂外表分子与吸附质分子发生了化学反响，在红外、紫外-可见光谱中会出现新的特征吸收带。材料表面工程材料表面工程34物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附材料表面工程材料表面工程35 吸附热：在吸附

16、过程中的热效应称为吸附热。物理吸附热：在吸附过程中的热效应称为吸附热。物理吸附过程的热效应相当于气体凝聚热，很小；化学吸附过程的热效应相当于气体凝聚热，很小；化学吸附过程的热效应相当于化学键能，比较大。吸附过程的热效应相当于化学键能，比较大。 吸附热的取号： 吸附是放热过程，但是习惯把吸附热都取成正值。材料表面工程材料表面工程36化学吸附速率决定于以下几个因素化学吸附速率决定于以下几个因素 气体分子对固体外表的碰撞频率； 必须碰撞在外表上空着的活性点上； 吸附活化能材料表面工程材料表面工程372.2.1 吸附现象吸附现象2固体外表上液体的吸附1固体外表对液体中溶质和溶剂的吸附正吸附负吸附-吸附

17、层内溶质的浓度比液体中原溶质的浓度大-吸附层内溶质的浓度比液体中原溶质的浓度小材料表面工程材料表面工程382 2固体外表对液体吸附的规律性和影响因素固体外表对液体吸附的规律性和影响因素1使固体外表自由能降低得越多的物质，越容易被吸附。2与固体外表极性相近的物质较易被吸附。3与固体外表有相同性质或与固体外表晶格大小适当的离子较易被吸附。4溶解度小或吸附后生成化合物的物质，较易被吸附。5固体外表带电时，较易吸附反电性离子或易被极化的离子。6固体外表污染程度对吸附有很大影响。材料表面工程材料表面工程397液体外表张力对吸附有重要的影响。F固液=1+cosF固液-固-液吸附粘结力， 液体的外表张力，

18、为液-固接触角。 8被吸附物质的浓度对吸附的影响。9温度对吸附的影响。吸附是放热过程，故温度升高，吸附量应减少。但有时，吸附量反而随温度升高而增加。材料表面工程材料表面工程403固体外表之间的吸附条件：当两固体外表之间接近到外表力作用条件：当两固体外表之间接近到外表力作用范围内即原子间距范围内时，固体外范围内即原子间距范围内时，固体外表之间产生吸附作用。表之间产生吸附作用。如： 将两根新拉制的玻璃丝相互接触，它们就会相互粘附。粘附功粘附功：粘附程度的大小。材料表面工程材料表面工程41 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。 两个固体外表的吸附力受材料的变形能力大小，即弹性模

19、量大小的影响。材料表面工程材料表面工程422.2.3 外表吸附力外表吸附力物理吸附力物理吸附力化学吸附力化学吸附力-物理吸附：在所有的吸附剂与吸附物理吸附：在所有的吸附剂与吸附质之间都存在，相当于液体内局部子质之间都存在，相当于液体内局部子间的内聚力。间的内聚力。-化学吸附化学吸附材料表面工程材料表面工程43 物物理理吸吸附附力力色散力色散力诱导力诱导力取向力取向力-分子相互靠拢时，它们的瞬时偶极分子相互靠拢时，它们的瞬时偶极矩之间会产生很弱的吸引力，这种吸矩之间会产生很弱的吸引力，这种吸引力成为色散力。引力成为色散力。-一个分子的电荷分布要受到其他分子一个分子的电荷分布要受到其他分子电场的影

20、响。电场的影响。-具有偶极而无附加极化作用的两个具有偶极而无附加极化作用的两个不同分子的电偶极矩间有静电相互作不同分子的电偶极矩间有静电相互作用，此作用力称之为用，此作用力称之为取向力取向力。材料表面工程材料表面工程44 化学吸附力化学吸附力吸附键吸附键-吸附质与吸附剂之间发生了电子的转移或吸附质与吸附剂之间发生了电子的转移或共有，形成的化学键。共有，形成的化学键。吸附键吸附键的特点：的特点： 吸附质粒子仅与一个或少数几个吸附剂外表原子相吸附质粒子仅与一个或少数几个吸附剂外表原子相键合；键合； 吸附键的强度依赖于外表的结构，在一定程度上与吸附键的强度依赖于外表的结构，在一定程度上与底物整体电子

21、性质也有关系。底物整体电子性质也有关系。材料表面工程材料表面工程45 外表吸附力的影响因素外表吸附力的影响因素1吸附键性质会随温度的变化而变化吸附键性质会随温度的变化而变化物理吸附只发生在接近或低于被吸附物质所在压力下的沸点温度化学吸附发生的温度远高于沸点温度随温度的增加，被吸附分子中的键还会陆续断裂以不同形式吸附在外表上。材料表面工程材料表面工程462吸附键断裂与压力变化的关系吸附键断裂与压力变化的关系 固体外表加热到相同温度时，被吸附物压力的变化，脱附物发生变化。3外表不均匀性对外表键合力的影响外表不均匀性对外表键合力的影响 外表有阶梯和折皱等不均匀性存在，对外表化学键有明显的影响。4其他

22、吸附物对吸附质键合的影响其他吸附物对吸附质键合的影响 吸附物质的相互作用而引起。材料表面工程材料表面工程472.2.4 固体外表的吸附理论固体外表的吸附理论 Langmuir 吸附理论吸附理论 单分子层吸附理论单分子层吸附理论假定：假定：1吸附是单分子层的；2固体外表的吸附作用均匀；3被吸附的分子之间无横向相互作用；4吸附是一动态平衡。材料表面工程材料表面工程48吸附等温方程：材料表面工程材料表面工程49材料表面工程材料表面工程50 Freundlich 吸附等温方程吸附等温方程Freundlich经验公式： nkpmxr1式中，m为吸附剂的质量，常以g或kg表示；x为被吸附的气体量，常以mo

23、l、g或标准状况下的体积表示；r为单位质量吸附剂吸附的气体量；p为吸附平常时气体的压力；k和1/n是一个真分数，在01之间。材料表面工程材料表面工程51 BET多分子层吸附理论多分子层吸附理论观点：Brunauer、Emmett和Tellor接受Langmuir理论的假定2和3，但认为吸附是多分子层的。材料表面工程材料表面工程52材料表面工程材料表面工程53 外表化合物外表化合物2.2.5 固体外表的化学反响固体外表的化学反响 当吸附物与固体外表的负电性相差较大，化学当吸附物与固体外表的负电性相差较大，化学亲和力很强时，化学吸附会在外表上导致新相的亲和力很强时，化学吸附会在外表上导致新相的生成

24、，即称为外表化合物。生成，即称为外表化合物。 外表化合物的特点：外表化合物的特点： 一种二维化合物，不同于一般的化学吸附态，具有一定的一种二维化合物，不同于一般的化学吸附态，具有一定的化合比例，且随键合性质的不同表现不同性能；化合比例，且随键合性质的不同表现不同性能； 不同于体相的化合物，不仅化合比不同，化合物的性质也不同于体相的化合物，不仅化合比不同，化合物的性质也不同，而且通常的相图中也不存在。不同，而且通常的相图中也不存在。 外表化学反响外表化学反响-吸附物质与固体相互作用形成吸附物质与固体相互作用形成了一种新的化合物。了一种新的化合物。材料表面工程材料表面工程542.3 固体外表原子的

25、扩散固体外表原子的扩散扩散扩散平行外表的运动平行外表的运动垂直外表向内垂直外表向内部的扩散运部的扩散运动动得到均质的、理想的外表强化得到均质的、理想的外表强化层层得到一定厚度的合金强化层得到一定厚度的合金强化层 外表上的原子同样可以通过扩散从一个格外表上的原子同样可以通过扩散从一个格位迁移到另一个格位。在一定温度下这个原子位迁移到另一个格位。在一定温度下这个原子迁移距离迁移距离 x2=2Dt 材料表面工程材料表面工程552.3.1 随机行走扩散理论与宏观扩散系数1. 外表原子的扩散外表原子的扩散 指原子、离子、分子和小的原子簇等单个实指原子、离子、分子和小的原子簇等单个实体在物体外表上的运动。

26、体在物体外表上的运动。 这些单个实体通过热运动而活化，从而进行扩散。这些单个实体通过热运动而活化，从而进行扩散。 活化能活化能原子热运动的不均匀性，随温度升高越来越多的外原子热运动的不均匀性，随温度升高越来越多的外表原子得到足够的活化能而沿外表进行扩散运动。表原子得到足够的活化能而沿外表进行扩散运动。外表原子构造的特点，使得许多原子的能量本来就外表原子构造的特点，使得许多原子的能量本来就不一样，在台阶、位错等缺陷处，原子能量比其他不一样，在台阶、位错等缺陷处，原子能量比其他地方的高。地方的高。材料表面工程材料表面工程562. 随机行走随机行走Random Walk理论理论 假定原子运动方向是任

27、意的，随机的，原子假定原子运动方向是任意的，随机的，原子每次跳跃的距离是等长的，并等于最近的距离每次跳跃的距离是等长的，并等于最近的距离d。 式中，式中，D为扩散系数，为扩散系数，T为热力学温度，为热力学温度，kB为为Boltzmann常数，常数，Hm为为扩散势垒的高度或迁移能；扩散势垒的高度或迁移能； Hf为吸附原子的生成能；为吸附原子的生成能； 为原子为原子冲击势垒的频率，冲击势垒的频率，b为坐标的方向数；为坐标的方向数；z为配位数。为配位数。材料表面工程材料表面工程573. 宏观扩散的扩散系数宏观扩散的扩散系数 实际外表上不是一个原子而是许多原子同时实际外表上不是一个原子而是许多原子同时

28、进行扩散。进行扩散。)exp(0RTQDD式中，式中，D为扩散系数，为扩散系数，Q为整个扩散过程中的活化能，为整个扩散过程中的活化能，D0为扩散为扩散常数，可在常数，可在10-3103cm/s一个很宽的范围里变动。一个很宽的范围里变动。材料表面工程材料表面工程582.3.2 外表扩散定律图图 外表原子扩散模型外表原子扩散模型)(xCDxdtdCFick第二扩散定律的一维形式第二扩散定律的一维形式材料表面工程材料表面工程592.3.3 外表的自扩散和多相扩散自扩散自扩散多相扩散多相扩散在一个单组分的基底上同种原子的外表扩散在一个单组分的基底上同种原子的外表扩散在外表上其他种吸附原子的扩散在外表上

29、其他种吸附原子的扩散扩散扩散本征扩散系数本征扩散系数传质扩散系数传质扩散系数扩散系数扩散系数不包括缺陷生成能的扩散系数不包括缺陷生成能的扩散系数包括缺陷生成能的扩散系数包括缺陷生成能的扩散系数材料表面工程材料表面工程60 摩擦学是研究相对运动的作用外表间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。p 摩擦 两个接触的物体在相互运动过程中，外表之间所产生的阻碍运动的效应；p 磨损 由于摩擦而造成的物体外表材料的损失或转移；p 润滑润滑 减轻摩擦和磨损所应采取的措施。 关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。2.4 摩擦、磨损与润滑摩擦、磨损与润滑材料表面工程材料表面工程61

30、 世界上使用的能源大约有世界上使用的能源大约有1/31/2消耗于摩擦。消耗于摩擦。机械产品的易损零件大局部是由于磨损超过限度而报废和更换的。减少摩擦节省能源；减少磨损降低设备维修次数和费用，节省制造零件及其所需材料的费用。材料表面工程材料表面工程622.4.1 2.4.1 摩擦摩擦 摩擦的定义 摩擦不仅会使材料磨耗，而且还会发热，导致接触外摩擦不仅会使材料磨耗，而且还会发热，导致接触外表瞬时温度升高，降低工件的机械效率，加重材料磨耗，表瞬时温度升高，降低工件的机械效率，加重材料磨耗，故生产中总是力图减少摩擦，降低摩擦系数。只有某些情故生产中总是力图减少摩擦，降低摩擦系数。只有某些情况才需增大摩

31、擦力，如车辆制动器、摩擦离合器等。况才需增大摩擦力，如车辆制动器、摩擦离合器等。摩擦摩擦-两个接触的物体在相互运动过程中，外两个接触的物体在相互运动过程中，外表之间所产生的阻碍运动的效应。表之间所产生的阻碍运动的效应。材料表面工程材料表面工程63 摩擦的大小一般用摩擦系数来表示，其值等于摩擦力F切向力与法向力N载荷的比值，即=F/N 摩擦力摩擦力-两个相互接触物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力，这一阻力称为摩擦力。 有动静区分，有动静区分，静静动动。 材料表面工程材料表面工程64 摩擦的分类摩擦的分类 按摩擦副的按摩擦副的运动状态运动状态分类分类静

32、摩擦静摩擦动摩擦动摩擦-仅有相对运动仅有相对运动趋势趋势时的摩擦时的摩擦-在相对运动在相对运动进行中进行中的摩擦的摩擦材料表面工程材料表面工程65 按摩擦副的按摩擦副的运动形式运动形式分类分类滑动摩擦滑动摩擦滚动摩擦滚动摩擦物体外表间的运动形式是相对滑动物体外表间的运动形式是相对滑动物体外表间的运动形式是相对滚动物体外表间的运动形式是相对滚动材料表面工程材料表面工程66 按发生部位分类按发生部位分类内摩擦内摩擦外摩擦外摩擦在物质的在物质的内部内部发生的阻碍分子之间相对运发生的阻碍分子之间相对运动的现象动的现象在相对运动的物体外表间发生的相互阻在相对运动的物体外表间发生的相互阻碍作用现象。碍作用

33、现象。材料表面工程材料表面工程67 按摩擦副外表的润滑状况分类按摩擦副外表的润滑状况分类纯洁摩擦纯洁摩擦摩擦外表没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦摩擦外表没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦干摩擦无润滑摩擦干摩擦无润滑摩擦在大气条件下，摩擦外表之间名在大气条件下，摩擦外表之间名义上没有润滑剂存在时的摩擦义上没有润滑剂存在时的摩擦边界润滑摩擦边界润滑摩擦摩擦外表间有一层极薄的润滑膜存在的摩擦摩擦外表间有一层极薄的润滑膜存在的摩擦流体润滑摩擦流体润滑摩擦相对运动的两物体外表完全被流体隔开时相对运动的两物体外表完全被流体隔开时的摩擦的摩擦固体润滑摩擦固体润滑摩擦相对运动的两物体外表间有固体润滑存在相对

34、运动的两物体外表间有固体润滑存在时的摩擦时的摩擦混合摩擦混合摩擦介于上述各摩擦之间，即接触外表间同时出现干介于上述各摩擦之间，即接触外表间同时出现干摩擦、边界摩擦、流体润滑摩擦和固体润滑摩擦的一种混摩擦、边界摩擦、流体润滑摩擦和固体润滑摩擦的一种混合摩擦状态。生产实际中最常见的一种摩擦状态。合摩擦状态。生产实际中最常见的一种摩擦状态。材料表面工程材料表面工程68 按摩擦副按摩擦副所处的工况条件所处的工况条件分类分类正常摩擦正常摩擦机械设备的摩擦副在正常温度、压力、机械设备的摩擦副在正常温度、压力、速度等工况条件下的摩擦速度等工况条件下的摩擦特殊工况条件下的摩擦特殊工况条件下的摩擦摩擦副处于高速

35、、高温、摩擦副处于高速、高温、低温等特殊环境条件下工作时产生的摩擦低温等特殊环境条件下工作时产生的摩擦材料表面工程材料表面工程69 摩擦的机理摩擦的机理“机械说机械说摩擦原因是外表微凸体的相互阻碍作用；摩擦原因是外表微凸体的相互阻碍作用；“分子说分子说摩擦原因是外表材料分子间的吸力作用；摩擦原因是外表材料分子间的吸力作用；“机械机械-分子说分子说两种作用均有两种作用均有材料表面工程材料表面工程70 摩擦理论摩擦理论图 粘着理论示意图 粘着理论材料表面工程材料表面工程71大量的试验说明，工程外表的实际接触面积约为名义接触面积的10-210-3，这样接触区压力很高，使材料发生塑性变形，外表污染膜遭

36、到破坏，从而使基体金属发生粘着现象，形成冷焊结点如图a 所示。当发生滑动时，必须先将结点剪断如图b 所示，同时，当较硬的凸峰在较软的材料上滑过时，将切出沟纹即犁刨作用，从而相对滑动时的摩擦力为上述两种因素所形成的阻力之和。由于后者相对来说较小，故可忽略。HHAAFFadh/材料表面工程材料表面工程72 影响摩擦的因素影响摩擦的因素1. 材料性能材料性能-当摩擦副是同一种金属或是非常类似当摩擦副是同一种金属或是非常类似的金属，或这两种金属有可能形成固溶合金时，那的金属，或这两种金属有可能形成固溶合金时，那么摩擦较严重。么摩擦较严重。2. 接点长大接点长大材料表面工程材料表面工程733. 摩擦环境

37、摩擦环境摩擦状况摩擦系数干摩擦相同金属： 黄铜-黄铜；青铜-青铜异种金属：铜铅合金-钢巴氏合金-钢非金属：橡胶-其他材料 聚四氟乙烯-其他材料0.81.5 0.150.3 0.150.3 0.61.9 0.040.12固体润滑石墨-二硫化钼润滑铅膜润滑0.060.20 0.080.20边界润滑矿物油湿润表面加油性添加剂的油润滑：钢-钢；尼龙-钢 尼龙-尼龙0.150.300.050.10 0.100.20流体润滑液体动力润滑液体静力润滑0.080.20 0.001(与设计参数有关)滚动摩擦滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。球和圆柱滚子轴承的摩擦大体与液体动力润滑相近，其它滚子

38、轴承则稍大表 不同摩擦状态下的摩擦系数大致值 材料表面工程材料表面工程742.4.2 2.4.2 磨损磨损 磨损的定义磨损的定义 磨损磨损Wear-由于摩擦而造成的物体由于摩擦而造成的物体外表材料的损失或转移的现象称为磨损。外表材料的损失或转移的现象称为磨损。 磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。磨损是磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。磨损是发生在材料外表的局部变形与断裂，这种变形与断裂是发生在材料外表的局部变形与断裂，这种变形与断裂是反复进行的，具有动态特征。这种动态特征的另一标志反复进行的，具有动态特征。这种动态特征的另一标志是材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态。所是材料表层

39、组织经过每次循环后总要变到新的状态。所以由常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映出材以由常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映出材料耐磨性的优劣。料耐磨性的优劣。 材料表面工程材料表面工程75 材料的磨损除主要由力学因素引起外，在整个过程中材料的磨损除主要由力学因素引起外，在整个过程中材料还将发生一系列物理、化学状态的变化。材料还将发生一系列物理、化学状态的变化。 如因外表材料的塑性变形引起的形变硬化及应力分布如因外表材料的塑性变形引起的形变硬化及应力分布的改变，因摩擦热引起的二次相变淬火、回火及回复再结的改变，因摩擦热引起的二次相变淬火、回火及回复再结晶，因外部介质产生的吸附和腐蚀作用等

40、都将影响材料的晶，因外部介质产生的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的耐磨性能。耐磨性能。材料表面工程材料表面工程76 机件正常运行的磨损过程如下图，一般分为机件正常运行的磨损过程如下图，一般分为3 3个阶段，个阶段，曲线上各点斜率即为磨损速率。曲线上各点斜率即为磨损速率。图图 磨损量与时间的关系示意图磨损曲线磨损量与时间的关系示意图磨损曲线材料表面工程材料表面工程77 (1) (1)跑合跑合( (磨合磨合) )阶段。该阶段随着外表被磨平，实际接阶段。该阶段随着外表被磨平，实际接触面积不断增大，表层应变硬化，磨损速率不断减小。外表触面积不断增大，表层应变硬化，磨损速率不断减小。外表形成牢固的氧化膜，

41、也降低了该段的磨损速率。形成牢固的氧化膜，也降低了该段的磨损速率。 (3) (3)剧烈磨损阶段。随磨损过程的增长，磨耗增加，摩剧烈磨损阶段。随磨损过程的增长，磨耗增加，摩擦副接触外表间隙增大，机件外表质量恶化，润滑膜被破擦副接触外表间隙增大，机件外表质量恶化，润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损重新加剧，机件快速失效。坏，引起剧烈振动，磨损重新加剧，机件快速失效。 (2) (2)稳定磨损阶段稳定磨损阶段。该段的斜率就是磨损速率，为一稳。该段的斜率就是磨损速率，为一稳定值。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、磨损速定值。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的

42、。大多数工件均在此阶段率或磨损量来评定材料耐磨性能的。大多数工件均在此阶段服役，磨合得越好，该段磨损速率就越低。服役，磨合得越好，该段磨损速率就越低。材料表面工程材料表面工程78 磨损的分类磨损的分类粘着磨损粘着磨损Adhesive Wear磨料磨损磨料磨损Abrasivee Wear外表疲劳磨损外表疲劳磨损 Surface Fatigue Wear腐蚀磨损腐蚀磨损 Corrosive Wear 磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据不同磨损机理，分为四个主要类别：材料表面工程材料表面工程79粘着磨损粘着磨损Adhesive Wear(又称咬合磨损又称咬合磨损)定义-是指两个相对运动的外表发生

43、相互焊合，在相互运动过程中焊合外表产生撕裂而发生的磨损。 粘着磨损是因两种材料外表某些接触点局部压应粘着磨损是因两种材料外表某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种外表损伤磨损，多发生在摩擦副相对滑动速度小，种外表损伤磨损，多发生在摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大的接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大的滑动摩擦条件下。滑动摩擦条件下。 其磨损外表特征是机件外表有大小不等的结疤。其磨损外表特征是机件外表有大小不等的结疤。材料表面工程材料表面工程80 粘着磨损的过程就是粘着点不断形成又

44、不粘着磨损的过程就是粘着点不断形成又不断被损坏并脱落的过程。断被损坏并脱落的过程。图图 Al-SnAl-Sn合金轴瓦的粘着磨损合金轴瓦的粘着磨损材料表面工程材料表面工程81根据摩擦外表的破坏程度，常把粘着磨损分为：根据摩擦外表的破坏程度，常把粘着磨损分为：1轻微磨损2涂抹3擦伤胶合或咬合4撕脱或咬焊5咬死材料表面工程材料表面工程821轻微磨损：轻微磨损： 往往出现在摩擦初期的比较洁净的金属外表上，这种磨损是正常的，利用这种磨损使机器到达正常跑合的目的。 轻微磨损的程度决定于载荷和速度。因此在跑合阶段要特别注意选择适当的跑合标准，也就是选择适当的载荷、速度、跑合时间等参数，使跑合时间尽可能地缩短

45、而又不会在外表上产生擦伤现象。材料表面工程材料表面工程832涂抹：涂抹： 金属从一个外表离开，并以很薄的一层堆积在另一个外表上的现象，称为涂抹。 一般是较软的金属涂抹在较硬的金属外表上。 增加滑动面的油膜厚度、减小外表粗糙度的幅值和斜率，都可以减轻涂抹的产生。材料表面工程材料表面工程843擦伤：擦伤： 沿滑动方向产生细小抓痕的现象，称为擦伤。 擦伤产生的条件：有较硬的凸峰或较硬的颗粒，且在外表之间有相对滑动。4划伤：划伤： 在滑动外表之间，局部产生固相焊合时，沿滑动方向形成较严重的抓痕的现象。材料表面工程材料表面工程855胶合：胶合： 在滑动外表之间，由于固相焊合产生局部破坏，但尚未出现局部焊

46、熔的现象。焊合-指固体外表直接接触时的粘着，在任何温度下都可能产生。包括：冷焊和熔焊。胶合产生原因：流体动压润滑油膜的破裂；边界润滑油膜的破裂；外表局部瞬时闪发温度升高。6咬死咬死是胶合最严重的表现形式是胶合最严重的表现形式 由于界面的摩擦使相对运动停止的现象。材料表面工程材料表面工程86磨料磨损磨料磨损Abrasivee Wear (又称磨粒磨损或研磨磨损又称磨粒磨损或研磨磨损) 磨料磨损是摩擦副的一方外表存在坚硬的细微凸磨料磨损是摩擦副的一方外表存在坚硬的细微凸起或在接触面间存在硬质粒子起或在接触面间存在硬质粒子( (从外界进入或从外表剥从外界进入或从外表剥落落) )时产生的磨损。时产生的

47、磨损。 依据磨粒受的应力大小，磨粒磨损可分为凿削式、依据磨粒受的应力大小，磨粒磨损可分为凿削式、高应力碾碎式、低应力擦伤式高应力碾碎式、低应力擦伤式3 3类。类。材料表面工程材料表面工程87 磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有擦伤或因明显犁皱磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽，如下图。沟槽可能是因磨粒对摩擦外表产生的形成的沟槽，如下图。沟槽可能是因磨粒对摩擦外表产生的微切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的，或是微切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的，或是它们综合作用的结果。它们综合作用的结果。图图 磨粒磨损外表形貌磨粒磨损外表形貌材料表面工程材料表面工程88外

48、表疲劳磨损外表疲劳磨损 Surface Fatigue Wear 又称为接触疲劳磨损又称为接触疲劳磨损 外表疲劳磨损是两接触材料作滚动或滚动加滑动外表疲劳磨损是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使材料外表疲劳损摩擦时，交变接触压应力长期作用使材料外表疲劳损伤，局部区域出现小片或小块状材料剥落，而使材料伤，局部区域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的现象，故又称外表疲劳磨损或麻点磨损，是齿磨损的现象，故又称外表疲劳磨损或麻点磨损，是齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。材料表面工程材料表面工程89 外表疲劳磨损的宏观形态特征是：

49、接触外表出外表疲劳磨损的宏观形态特征是：接触外表出现许多痘状、贝壳状或不规那么形状的凹坑现许多痘状、贝壳状或不规那么形状的凹坑( (麻坑麻坑) )，有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹，如有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹，如下图。下图。图图 外表疲劳磨损的外表形貌外表疲劳磨损的外表形貌材料表面工程材料表面工程90腐蚀磨损腐蚀磨损 Corrosive Wear - -在摩擦过程中，摩擦外表与周围介质发生化学反在摩擦过程中，摩擦外表与周围介质发生化学反响或电化学反响的磨损称为腐蚀磨损，腐蚀可在没有摩擦响或电化学反响的磨损称为腐蚀磨损，腐蚀可在没有摩擦的条件下形成，而相对运动消除了化学反

50、响的生成物，接的条件下形成，而相对运动消除了化学反响的生成物，接着外表又受到腐蚀，如此不断反复。着外表又受到腐蚀，如此不断反复。材料表面工程材料表面工程91氧化磨损氧化磨损特殊介质腐特殊介质腐蚀磨损蚀磨损气蚀浸蚀磨损气蚀浸蚀磨损微动磨损微动磨损腐蚀磨损有以下几种类型：腐蚀磨损有以下几种类型：在摩擦过程中，金属的摩擦外表受空气或润滑：在摩擦过程中，金属的摩擦外表受空气或润滑剂中的氧作用形成氧化膜而发生磨损。剂中的氧作用形成氧化膜而发生磨损。：在摩擦过程中，摩擦副外表与各种液体介质：在摩擦过程中，摩擦副外表与各种液体介质酸、碱、盐等发生作用，生成各种化学产酸、碱、盐等发生作用，生成各种化学产物，并

51、在摩擦过程中不断去除，这种磨损称为物，并在摩擦过程中不断去除，这种磨损称为特殊介质腐蚀磨损。特殊介质腐蚀磨损。：在液体中的气蚀现象而产生的一种磨损。：在液体中的气蚀现象而产生的一种磨损。：两个外表由于振幅很小的相对运动而产生的磨损：两个外表由于振幅很小的相对运动而产生的磨损现象。现象。材料表面工程材料表面工程92 磨损过程中摩擦外表的变化磨损过程中摩擦外表的变化外表微裂纹的生成及其破坏作用外表微裂纹的生成及其破坏作用化学反响过程化学反响过程-在磨损过程中，磨损过的新鲜材料外表会与空气在磨损过程中，磨损过的新鲜材料外表会与空气和周围介质形成化合物薄膜。和周围介质形成化合物薄膜。润滑剂的作用润滑剂

52、的作用-润滑剂对摩擦与磨损有很大影响，很多情况下，润滑剂对摩擦与磨损有很大影响，很多情况下，润滑剂决定着磨损的程度。润滑剂决定着磨损的程度。摩擦外表间材料的转移摩擦外表间材料的转移-摩擦过程中，材料会从一个材料外表转移摩擦过程中，材料会从一个材料外表转移到另一个材料外表，通常是塑性大的材料由于粘着作用而转移到另一个材料外表，通常是塑性大的材料由于粘着作用而转移到较硬的材料外表而发生磨损。相反，有时由于材料转移的结到较硬的材料外表而发生磨损。相反，有时由于材料转移的结果会增大摩擦副的实际接触面积，使摩擦副有较高的耐磨性。果会增大摩擦副的实际接触面积，使摩擦副有较高的耐磨性。 摩擦过程中，两个物体

53、的外表微凸体相互接触处会发摩擦过程中，两个物体的外表微凸体相互接触处会发生弹性变形或塑性变形过程，此过程将伴随着一连串的生弹性变形或塑性变形过程，此过程将伴随着一连串的物理、化学及机械性能的变化。物理、化学及机械性能的变化。材料表面工程材料表面工程93 影响磨损的因素影响磨损的因素载荷载荷-随载荷增加，摩擦副外表实际接触面积增大，从而摩随载荷增加，摩擦副外表实际接触面积增大，从而摩擦力增大，摩擦热增加，使材料外表损伤加速擦力增大，摩擦热增加，使材料外表损伤加速速度速度-假设滑动速度增加未引起摩擦外表温度的激增，那么假设滑动速度增加未引起摩擦外表温度的激增，那么随滑动速度增加，摩擦时间减少，材料

54、来不及变形，从而随滑动速度增加，摩擦时间减少，材料来不及变形，从而使磨损量减少。假设滑动速度增加使摩擦副外表急剧升温使磨损量减少。假设滑动速度增加使摩擦副外表急剧升温而软化，那么会加剧接触外表的粘着倾向，使粘着磨损增而软化，那么会加剧接触外表的粘着倾向，使粘着磨损增加。加。磨损种类不同，影响因素也不同，一般来说，影响因素有磨损种类不同，影响因素也不同，一般来说，影响因素有以下几种以下几种(1) 服役条件的影响服役条件的影响材料表面工程材料表面工程94外表粗糙度外表粗糙度-一般情况下，外表越粗糙，摩擦阻力越大，摩一般情况下，外表越粗糙，摩擦阻力越大，摩擦系数也越大，磨损就愈严重。但外表太光滑又会

55、使根底擦系数也越大，磨损就愈严重。但外表太光滑又会使根底面积增加和外表的储油能力下降，从而使磨损增加。面积增加和外表的储油能力下降，从而使磨损增加。外表污染层与润滑膜外表污染层与润滑膜-材料外表所吸附的外表污染层，在摩材料外表所吸附的外表污染层，在摩擦过程中可降低接触外表间的粘着倾向，起到减磨润滑作擦过程中可降低接触外表间的粘着倾向，起到减磨润滑作用。但是，假设污染层中含有硬颗粒时，那么会使磨料磨用。但是，假设污染层中含有硬颗粒时，那么会使磨料磨损加剧。损加剧。温度温度-随温度升高，材料外表的硬度降低，使实际接触面积增加，随温度升高，材料外表的硬度降低，使实际接触面积增加，导致粘着磨损倾向上升

56、，当温度升高到一定程度后，将使根底导致粘着磨损倾向上升，当温度升高到一定程度后，将使根底外表局部熔化焊合，使粘着磨损急剧增加。同时，温度升高导外表局部熔化焊合，使粘着磨损急剧增加。同时，温度升高导致摩擦副外表间润滑油氧化甚至失效，也会加剧磨损。致摩擦副外表间润滑油氧化甚至失效，也会加剧磨损。材料表面工程材料表面工程95(2) 材料本身性质的影响材料本身性质的影响材料的机械性能材料的机械性能-硬度对耐磨性有很多影响。一般来说，硬硬度对耐磨性有很多影响。一般来说，硬度越高，耐磨性越好。塑性与韧性对硬脆材料的耐磨性影度越高，耐磨性越好。塑性与韧性对硬脆材料的耐磨性影响较大。硬脆材料在磨损过程中，表层

57、容易萌生裂纹并扩响较大。硬脆材料在磨损过程中，表层容易萌生裂纹并扩展，从而导致表层剥离，假设提高材料的塑性与韧性，将展，从而导致表层剥离，假设提高材料的塑性与韧性，将增加材料阻止裂纹扩展的能力，可明显提高耐磨性。增加材料阻止裂纹扩展的能力，可明显提高耐磨性。材料表面工程材料表面工程96化学成分和组织结构的影响化学成分和组织结构的影响-材料的化学成分对磨损有较大材料的化学成分对磨损有较大影响。对钢材而言，原子半径小的元素，如：碳、氮、磷、影响。对钢材而言，原子半径小的元素，如：碳、氮、磷、硼等，以间隙固溶的形式存在于钢中，使钢的硬度增加，硼等，以间隙固溶的形式存在于钢中，使钢的硬度增加，从而提高

58、耐磨性。材料的组织结构对磨损有较大的影响。从而提高耐磨性。材料的组织结构对磨损有较大的影响。在摩擦过程中，两种金属材料的互溶性越好，粘着磨损的在摩擦过程中，两种金属材料的互溶性越好，粘着磨损的倾向越大，两种材料差异越大，那么它们之间的粘着磨损倾向越大，两种材料差异越大，那么它们之间的粘着磨损倾向越小。假设选择同种材料做摩擦副，那么在摩擦中会倾向越小。假设选择同种材料做摩擦副，那么在摩擦中会产生强烈的粘着磨损。产生强烈的粘着磨损。材料表面工程材料表面工程97 磨损的评定磨损的评定常用的评定方法有：磨损量、磨损率和耐磨性常用的评定方法有：磨损量、磨损率和耐磨性磨损量磨损量长度磨损量长度磨损量Wl：

59、磨损过程中零件外表尺寸的改变：磨损过程中零件外表尺寸的改变量量体积磨损量体积磨损量Wv ：磨损过程中零件体积的改变量：磨损过程中零件体积的改变量质量磨损量质量磨损量Wm ：磨损过程中零件质量的改变量：磨损过程中零件质量的改变量磨损量：单位时间的磨损量、单位摩擦距离的磨损量。磨损量：单位时间的磨损量、单位摩擦距离的磨损量。相对耐磨性：两种材料相对耐磨性：两种材料A与与B在相同的外部条件下磨损量在相同的外部条件下磨损量的比值。的比值。材料表面工程材料表面工程98 磨损量愈小，耐磨性愈高。磨损量愈小，耐磨性愈高。 磨损量的测量有称重法和尺寸法两种。称重法是用精磨损量的测量有称重法和尺寸法两种。称重法

60、是用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化确定磨损量。尺密分析天平称量试样试验前后的质量变化确定磨损量。尺寸法是根据外表法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。寸法是根据外表法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。 常用磨损量的倒数或用相对耐磨性常用磨损量的倒数或用相对耐磨性()()表征材料表征材料的耐磨性。即的耐磨性。即相对耐磨性的倒数相对耐磨性的倒数亦称亦称磨损系数磨损系数。材料表面工程材料表面工程99 提高材料耐磨性的途径提高材料耐磨性的途径一、减轻粘着磨损的主要措施一、减轻粘着磨损的主要措施 (1) (1)合理选择摩擦副材料。尽量选择互溶性少，粘合理选择摩擦副材料。尽量选择互溶性少，粘着倾向小