金属材料的表面课件

金属材料的表面金属材料的表面1一概述二金属的表面反应三常见气体的吸附四金属的表面腐蚀五金属的表面改性一概述2一概述金属材料的特点：1、常温下为固体（Hg除外）2、熔点较高也有较低的如：Sn、Pb、Zn、Al3、密度较大（Mg、Al除外，<3g/cm3）4、有光泽5、延展性、韧性、可加工性好6、导热性、导电性好，Ag、Cu、Al7、易氧化一概述金属材料的特点：3概述概述4杭州湾跨海钢铁大桥桥长36公里

杭州湾跨海钢铁大桥5世界上最长的高原铁路青藏铁路1142公里世界上最长的高原铁路青藏铁路1142公里6金属材料的表面课件7

1清洁表面

过渡区

金属表面是指金属晶体从三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区，它只有几个原子层的厚度，也称为清洁表面

次表面介于清洁表面和金属基体相之间的部分，厚度为数十个原子层1清洁表面82真实表面吸附层氧化层加工应变层2真实表面9二表面反应1吸附吸附的本质原因是：固体表面存在剩余键力，吸附是固体表面存在剩余键力与分子间的相互作用。

二表面反应1吸附102扩散吸附质粒子首先在金属表面某些活性最高的位点被吸附，然后沿金属表面发生迁移，这称为表面扩散或表面流动。扩散是由于表面位点能量的不均一性造成的。2扩散113脱附脱附是指吸附粒子由于吸附键断裂而离开表面升温使脱附现象加强提高真空度脱附易进行3脱附12表面吸附态结构岛状结构吸附质原子间引力大于吸附质与表面原子之间的引力，吸附质粒子聚集在一起有序化超结构吸附粒子间作用力表现为斥力，吸附质粒子在金属材料表面有序化排列

表面吸附态结构岛状结构13表面反应当吸附质粒子和金属材料表面的原子电负性相差很大，化学亲和力很强时，粒子在金属表面形成吸附后，还可以和表面原子发生进一步的化学反应，形成表面结合物，或者说，形成新相。表面反应当吸附质粒子和金属材料表面的原子电负性相差很大14真空中金属的表面反应金属材料在真空中也会存在吸附、扩散、脱附等现象。真空不是绝对的真空条件下，吸附质气体比气相中的气体分子多脱附是指从固体表面扩散到外空间的的一切物质，包括固体表面吸附质的脱附，固体内固有气体分子的逸出，表面原子的增发真空中金属的表面反应金属材料在真空中也会存在吸附、扩散、脱附15三常见气体在金属表面的吸附1H的吸附氢在很多金属表面进行化学吸附，并能和有些金属形成表面化合物。氢在金属表面的吸附能力的强弱由金属材料的本身的结构和性质决定三常见气体在金属表面的吸附1H的吸附162N的吸附氮在金属表面的吸附能力大小也与金属材料的结构性能有关

根据吸附能力的大小。可以将金属材料分为三类：2N的吸附17能和N发生强烈的化学吸附作用，并形成氮化物，如Mn、Ti、V、Cr能发生较强的化学吸附，但是不能形成氮化物，如W、Mo只能发生微弱的化学吸附，且吸附过程十分缓慢。这类金属主要是过渡金属中的第ⅦB族和ⅧB族能和N发生强烈的化学吸附作用，并形成氮化物，如Mn、Ti、183O的吸附除个别少数金属元素外，氧在一般金属材料表面都能形成较强的吸附作用，而且在常温下也能很快形成吸附层3O的吸附19O元素在金属表面吸附的特点1在吸附初期，已经具有形成表面化合物的趋势2金属元素在吸附氧之后，或改变对其他气体的吸附能力3氧在金属材料表面形成完整的氧化物薄膜之后，在膜外仍可以继续吸附氧O元素在金属表面吸附的特点204CO的吸附由于碳端比氧端的活性大，一般情况下是碳端与金属材料的表面原子结合形成吸附键，氧端不参与吸附过程4CO的吸附215CO₂的吸附CO₂分子结构具有高度对称性，活性较低。发生吸附作用时，CO₂的其中一个C=O的一个键打开，碳和氧同时与表面原子形成吸附键。吸附所需的能量较大，吸附程度较低，吸附量也较少。

5CO₂的吸附226碳氢化合物的吸附①烷烃的吸附烷烃与金属材料一般大多数都是解离吸附链烃分子中的C-H键或是C-C键断裂，然后碳原子与表面原子发生键合。饱和烷烃发生吸附作用以后一般会变成不饱和烃。6碳氢化合物的吸附23②烯烃的吸附乙烯一般有两种吸附方式多碳烯烃可以与表面原子形成多种不同的吸附键。以丙烯的吸附为例，C-C键可以断裂，形成CH3*和C2H3*两个吸附单元；也可以不断裂，只脱一个氢，形成烯丙基吸附单元②烯烃的吸附24③炔烃的吸附炔烃的吸附能力比烯烃的强，在短时间内，乙炔在金属材料表面的吸附就能达到饱和。④芳香烃的吸附芳烃分子中的芳核很稳定，无论形成怎样的吸附态，均不会被拆开

③炔烃的吸附25碳氢化合物在金属表面的吸附键形成之后，仍可以发生一系列后续反应。其后续反应程度取决于吸附体系的能量条件和反应条件（温度，气相成分，表面状态，吸附剂种类等等）一般而言，碳氢化合物的碳原子越多，解离越不容易进行彻底。碳氢化合物在金属表面的吸附键形成之后，仍可以发生一系列后续反26四金属的表面腐蚀通常在把金属材料在使用时，摩擦表面出现的材料流失现象腐蚀磨损，即磨蚀；金属受水分，氧气及其他腐蚀性气体等介质的影响而引起的腐蚀现象称为锈蚀在高温下空气对金属的侵蚀叫做氧化；在强腐蚀性介质中引起的侵蚀叫做腐蚀。四金属的表面腐蚀通常在把金属材料在使用时，摩擦表面出现的材27金属材料的表面课件281金属的腐蚀1金属的腐蚀29金属的钝化金属的钝化302腐蚀的分类2腐蚀的分类31根据化学反应分，可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀化学腐蚀的介质一般是高温气体或非导电液体。化学反应作用下不伴随电流通过电化学腐蚀是金属通过氧化还原反应而被氧化的过程根据化学反应分，可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀32根据腐蚀外观分，可以分为均匀腐蚀和不均匀腐蚀均匀腐蚀沿整个材料表面均匀进行，各处腐蚀速度基本一致不均匀腐蚀是在金属表面很小的局部范围内发生的选择性腐蚀现象在质量损失相等时，不均匀腐蚀往往比均匀腐蚀先发生。根据腐蚀外观分，可以分为均匀腐蚀和不均匀腐蚀33根据决定性因素分，可以分为应力腐蚀和疲劳腐蚀应力腐蚀是指金属材料在特定的腐蚀介质和拉伸应力同时作用下发生的脆性断裂现象疲劳腐蚀是在腐蚀介质和循环应力作用下引起的材料开裂现象根据决定性因素分，可以分为应力腐蚀和疲劳腐蚀34金属材料的表面课件35大气腐蚀大气腐蚀也属于电化学腐蚀，腐蚀的机理和速度取决于大气的特性，如相对湿度，pH，光照，SO2、H2S、HCI等组分的含量大气腐蚀36土壤腐蚀和水腐蚀土壤腐蚀和水腐蚀的作用机理类似于大气腐蚀，也是属于电化学腐蚀。和大气腐蚀不同的是，它们的腐蚀介质中不含有气体成分，而是含有各种盐类、有机物、微生物生命活动的产物。土壤腐蚀和水腐蚀37气体腐蚀高温干燥气体腐蚀是属于化学腐蚀湿润气体类似于被气体所饱和的液体膜，引起的是电化学腐蚀气体腐蚀38金属材料的表面课件39五金属的表面改性五金属的表面改性40一般来说，金属材料表面的改性处理方法有四种：

1激光表面改性

2离子注入表面改性

3表面镀膜改性4化学热处理一般来说，金属材料表面的改性处理方法有四种：411激光表面改性1激光表面改性42激光表面改性的理论基础是激光与材料相互作用的一些规律，主要包括激光表面相变硬化、冲击硬化、熔覆、合晶化。非晶化等。这些工艺的过程特点比较见课本P151表8-2激光表面改性的理论基础是激光与材料相互作用的一些规律，主要包432离子注入表面改性2离子注入表面改性44金属材料的表面课件453表面镀膜改性3表面镀膜改性462）气相沉积硬涂层又分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)PVD是以各种物理方法生产的原子或分子沉积在基材上并形成薄膜或涂层的过程CVD是将一种或多种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入反应室，利用气相在基片上反应生成薄膜的技术2）气相沉积硬涂层474化学热处理4化学热处理48金属材料的表面课件49金属材料的表面课件50金属材料的表面金属材料的表面51一概述二金属的表面反应三常见气体的吸附四金属的表面腐蚀五金属的表面改性一概述52一概述金属材料的特点：1、常温下为固体（Hg除外）2、熔点较高也有较低的如：Sn、Pb、Zn、Al3、密度较大（Mg、Al除外，<3g/cm3）4、有光泽5、延展性、韧性、可加工性好6、导热性、导电性好，Ag、Cu、Al7、易氧化一概述金属材料的特点：53概述概述54杭州湾跨海钢铁大桥桥长36公里

杭州湾跨海钢铁大桥55世界上最长的高原铁路青藏铁路1142公里世界上最长的高原铁路青藏铁路1142公里56金属材料的表面课件57

1清洁表面

过渡区

金属表面是指金属晶体从三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区，它只有几个原子层的厚度，也称为清洁表面

次表面介于清洁表面和金属基体相之间的部分，厚度为数十个原子层1清洁表面582真实表面吸附层氧化层加工应变层2真实表面59二表面反应1吸附吸附的本质原因是：固体表面存在剩余键力，吸附是固体表面存在剩余键力与分子间的相互作用。

二表面反应1吸附602扩散吸附质粒子首先在金属表面某些活性最高的位点被吸附，然后沿金属表面发生迁移，这称为表面扩散或表面流动。扩散是由于表面位点能量的不均一性造成的。2扩散613脱附脱附是指吸附粒子由于吸附键断裂而离开表面升温使脱附现象加强提高真空度脱附易进行3脱附62表面吸附态结构岛状结构吸附质原子间引力大于吸附质与表面原子之间的引力，吸附质粒子聚集在一起有序化超结构吸附粒子间作用力表现为斥力，吸附质粒子在金属材料表面有序化排列

表面吸附态结构岛状结构63表面反应当吸附质粒子和金属材料表面的原子电负性相差很大，化学亲和力很强时，粒子在金属表面形成吸附后，还可以和表面原子发生进一步的化学反应，形成表面结合物，或者说，形成新相。表面反应当吸附质粒子和金属材料表面的原子电负性相差很大64真空中金属的表面反应金属材料在真空中也会存在吸附、扩散、脱附等现象。真空不是绝对的真空条件下，吸附质气体比气相中的气体分子多脱附是指从固体表面扩散到外空间的的一切物质，包括固体表面吸附质的脱附，固体内固有气体分子的逸出，表面原子的增发真空中金属的表面反应金属材料在真空中也会存在吸附、扩散、脱附65三常见气体在金属表面的吸附1H的吸附氢在很多金属表面进行化学吸附，并能和有些金属形成表面化合物。氢在金属表面的吸附能力的强弱由金属材料的本身的结构和性质决定三常见气体在金属表面的吸附1H的吸附662N的吸附氮在金属表面的吸附能力大小也与金属材料的结构性能有关

根据吸附能力的大小。可以将金属材料分为三类：2N的吸附67能和N发生强烈的化学吸附作用，并形成氮化物，如Mn、Ti、V、Cr能发生较强的化学吸附，但是不能形成氮化物，如W、Mo只能发生微弱的化学吸附，且吸附过程十分缓慢。这类金属主要是过渡金属中的第ⅦB族和ⅧB族能和N发生强烈的化学吸附作用，并形成氮化物，如Mn、Ti、683O的吸附除个别少数金属元素外，氧在一般金属材料表面都能形成较强的吸附作用，而且在常温下也能很快形成吸附层3O的吸附69O元素在金属表面吸附的特点1在吸附初期，已经具有形成表面化合物的趋势2金属元素在吸附氧之后，或改变对其他气体的吸附能力3氧在金属材料表面形成完整的氧化物薄膜之后，在膜外仍可以继续吸附氧O元素在金属表面吸附的特点704CO的吸附由于碳端比氧端的活性大，一般情况下是碳端与金属材料的表面原子结合形成吸附键，氧端不参与吸附过程4CO的吸附715CO₂的吸附CO₂分子结构具有高度对称性，活性较低。发生吸附作用时，CO₂的其中一个C=O的一个键打开，碳和氧同时与表面原子形成吸附键。吸附所需的能量较大，吸附程度较低，吸附量也较少。

5CO₂的吸附726碳氢化合物的吸附①烷烃的吸附烷烃与金属材料一般大多数都是解离吸附链烃分子中的C-H键或是C-C键断裂，然后碳原子与表面原子发生键合。饱和烷烃发生吸附作用以后一般会变成不饱和烃。6碳氢化合物的吸附73②烯烃的吸附乙烯一般有两种吸附方式多碳烯烃可以与表面原子形成多种不同的吸附键。以丙烯的吸附为例，C-C键可以断裂，形成CH3*和C2H3*两个吸附单元；也可以不断裂，只脱一个氢，形成烯丙基吸附单元②烯烃的吸附74③炔烃的吸附炔烃的吸附能力比烯烃的强，在短时间内，乙炔在金属材料表面的吸附就能达到饱和。④芳香烃的吸附芳烃分子中的芳核很稳定，无论形成怎样的吸附态，均不会被拆开

③炔烃的吸附75碳氢化合物在金属表面的吸附键形成之后，仍可以发生一系列后续反应。其后续反应程度取决于吸附体系的能量条件和反应条件（温度，气相成分，表面状态，吸附剂种类等等）一般而言，碳氢化合物的碳原子越多，解离越不容易进行彻底。碳氢化合物在金属表面的吸附键形成之后，仍可以发生一系列后续反76四金属的表面腐蚀通常在把金属材料在使用时，摩擦表面出现的材料流失现象腐蚀磨损，即磨蚀；金属受水分，氧气及其他腐蚀性气体等介质的影响而引起的腐蚀现象称为锈蚀在高温下空气对金属的侵蚀叫做氧化；在强腐蚀性介质中引起的侵蚀叫做腐蚀。四金属的表面腐蚀通常在把金属材料在使用时，摩擦表面出现的材77金属材料的表面课件781金属的腐蚀1金属的腐蚀79金属的钝化金属的钝化802腐蚀的分类2腐蚀的分类81根据化学反应分，可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀化学腐蚀的介质一般是高温气体或非导电液体。化学反应作用下不伴随电流通过电化学腐蚀是金属通过氧化还原反应而被氧化的过程根据化学反应分，可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀82根据腐蚀外观分，可以分为均匀腐蚀和不均匀腐蚀均匀腐蚀沿整个材料表面均匀进行，各处腐蚀速度基本一致不均匀腐蚀是在金属表面很小的局部范围内发生的选择性腐蚀现象在质量损失相等时，不均匀腐蚀往往比均匀腐蚀先发生。根据腐蚀外观分，可以分为均匀腐蚀和不均匀腐蚀83根据决定性因素分，可以分为应力腐蚀和疲劳腐蚀应力腐蚀是指金属材料在特定的腐蚀介质和拉伸应力同时作用下发生的脆性断裂现象疲劳腐蚀是在腐蚀介质和循环应力作用下引起的材料开裂现象根据决定性因素分，可以分为应力腐蚀和疲劳腐蚀84金属材料的表面课件85大气腐蚀大气腐蚀也属于电化学腐蚀，