表面工程-第2章-表面工程技术的物理、化学基础.ppt

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第2章表面工程技术的物理、化学基础,1,2,2.1固体的表面与界面,2.2材料磨损原理及耐磨性,第2章表面工程技术的物理、化学基础,2.3金属腐蚀原理与防护技术,3,2.1固体的表面与界面,固体表面固气界面或固液界面。

表面实际上由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层（0.510nm）组成，是凝聚态对气体或真空的一种过渡。

固体材料的界面有三种：

表面固相与气相的分界面。

相界不同凝聚相之间的分界面，即固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。

晶界（亚晶界）同一相中晶粒之间的分界面，即成分、结构相同而取向不同的晶粒（或亚晶）之间的界面。

上一页,下一页,4,上一页,下一页,晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子的键合，形成了附加的表面能。

从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定态。

达到这个稳定态的方式有两种：

一是自行调整，使表面原子排列情况与材料内部明显不同；二是依靠表面的成分偏析、表面对外来原子（或分子）的吸附以及这两者的相互作用而趋于稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。

5,2.1.1典型固体表面,上一页,下一页,6,

（1）理想表面,指晶体的三维周期结构和真空之间的过渡区域。

尽管它所包括的所有原子层不具备体相的三维周期性，但理论上可以认为它是结构完整的二维点阵平面，其表面的原子分布位置和电子密度与体内一样的表面叫做理想表面。

洁净表面是指化学成分与体内相同的表面。

这种表面没有催化反应或杂质扩散、不存在吸附（或吸附率极低）等物理和化学效应，只有在特殊环境中经特殊处理后才能获得。

上一页,下一页,

（2）洁净表面与清洁表面,7,弛豫表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同于体内间距（缩小或增大）的现象。

洁净表面存在：

上一页,跳转,原因：

晶体的三维周期性在表面处突然中断，引起表面原子的配位情况、附近的电荷分布、所处的力场等均与体内原子有所不同，因此使表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下位移，以降低表面能量。

图2.1固体表面结构弛豫示意图（a）,8,重构表面原子在水平方向的周期性不同于体内的晶面，表面重构能使表面结构发生质的变化。

台阶化指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶构成。

偏析指化学组分在表面区的变化。

跳转,下一页,2.1固体表面外层四个原子层的重构示意图（b）,2.1固体表面台阶示意图（c）,清洁表面零件经过清洗（脱脂、浸蚀等）以后的表面。

洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。

9,（3）机械加工表面,实际零件的加工表面是由许多微观不规则的峰谷组成。

评价其表面的微观状态，用粗糙度表示。

10,（4）一般表面,图2.2实际表面示意图,上一页,下一页,固体的一般表面亦即与环境接触的实际表面，是由“内表面层”和“外表面层”构成。

11,

（2）晶体结构差异形成的界面,

（1）固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面,2.1.2典型固体界面,上一页,下一页,这种界面是固体材料经切削加工后，在几个微米或几十个微米的表层中发生组织结构的强烈变化，导致最外层510nm范围形成微晶层，称为比尔比（Bilby）层（金属研磨）。

这种界面实际上就是相界。

12,（3）固相宏观成分差异形成的界面,上一页,下一页,冶金结合界面是指熔融状态的覆层材料与半熔化状态的基材表面凝固结晶形成的界面。

特点：

金属键结合，结合强度高。

处理方法：

激光熔覆、堆焊、热喷焊等。

扩散结合界面是指两种固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面扩散等途径所形成的界面。

特点：

覆层与基材之间的成分呈梯度变化，形成合金化表面。

处理方法：

热扩渗,13,化学键结合界面是指覆层材料与基材之间发生化学反应、形成成分固定的化合物时，两种材料之间的界面。

特点：

结合强度较高，缺点是界面的韧性较差，在冲击载荷或热冲击下，容易发生脆断或剥落。

处理方法：

物理和化学气相沉积、离子注入、热扩渗、化学转化膜、阳极氧化和化学氧化技术等,上一页,下一页,外延生长界面是指沿单晶的结晶轴向生成一层完整的新单晶层，它与原单晶衬底表面形成的界面。

特点：

外延长生长界面在覆层与基材之间的晶体取向一致。

处理方法：

化学气相沉积技术；电镀技术等。

14,分子键结合界面是指涂（镀）层与基材表面以范德瓦尔斯力结合的界面。

特点：

覆层与基材之间不发生扩散或化学作用。

处理方法：

涂装技术等。

上一页,下一页,机械结合界面是指覆层与基材通过两种材料相互镶嵌的机械连接作用形成的界面。

特点：

界面结合强度较低。

处理方法：

热喷涂与包镀技术等。

15,2.1.3表面晶体结构,描述表面晶体结构最著名的模型是由考塞尔（Kossel）及斯特朗斯基（Stranski）提出的单晶体表面的平台（Terrace）台阶（Ledge）扭折（Kink）模型，简称TLK模型。

图2.3单晶体表面的TLK模型,在温度相当于0K时，表面原子结构呈静态。

可认为表面原子层是理想平面，其中的原子作完整二维周期性排列，且不存在缺陷和杂质。

16,TLK模型的物理意义：

当温度从0K升到TK时，由于原子的热运动，在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和表面空位。

上一页,下一页,17,2.1.4表面扩散,平行表面的运动得到均质的、理想的表面强化层；垂直表面向内部的运动得到一定厚度的合金强化层。

2.1.5表面能及表面张力,表面能（表面自由能）其物理意义是指产生1cm2新表面需消耗的等温可逆功。

表面张力表面能的一种物理表现，是由于原子间的作用力以及在表面和内部的排列状态的差别而引起的。

上一页,下一页,18,2.1.6固体表面的物理吸附和化学吸附,

（1）固体对气体的吸附,物理吸附被吸附分子靠范德瓦尔斯力吸附在固体表面，两者之间没有电子转移。

化学吸附气体和固体之间发生电子的转移，二者产生化学键力，吸附原子与固体表面之间的这种结合力比范德瓦尔斯力大的多，与化合物中原子间形成化学键的力相似。

吸附当气体或液体分子趋近固体表面时，受到固体表面分子或原子的吸引力被吸附到表面，在固体表面富集，且仅限于固体表面的现象。

上一页,下一页,任何气体在其临界温度以下，都会被吸附于固体表面，即发生物理吸附。

但并不是任何气体在任何表面上都可以发生化学吸附。

物理吸附和化学吸附有时会同时发生。

对于一个洁净的金属表面，化学吸附是连续进行直到饱和的过程，由于化学吸附是单层吸附，也就是说，当化学吸附由局部覆盖金属表面直至整个表面完全被单分子层覆盖时，化学吸附便达到饱和，化学吸附终止，进一步输入气体分子时，则可能发生物理吸附或者发生化学反应形成某种化合物。

19,上一页,下一页,20,

（2）固体对液体的吸附,物理吸附液体与金属表面发生比较弱的分子引力结合，形成了物理吸附膜（润滑油）。

化学吸附先形成物理吸附膜，然后在界面发生化学反应转化成化学吸附。

（3）固体表面之间的吸附,当两固体表面之间接近到表面力作用的范围内（即原子间距范围内）时，固体表面之间产生吸附作用。

上一页,下一页,21,固体对固体的吸附特点：

a.两种不同物质间的粘附功往往超过其中较弱的那种物质的内聚力。

b.表面的污染会使粘附功大大减小，而这种污染往往是非常迅速的（Fe在水银中断裂）。

C.固体的吸附作用只有当固体断面很小,并且很清洁时才能表现出来。

上一页,下一页,22,（4）吸附对材料力学性能的影响莱宾杰尔效应,莱宾杰尔效应是指因环境介质的影响及表面自由能减少导致固体表面强度降低的现象。

莱宾杰尔效应的本质：

是金属表面对活性介质的吸附，使表面原子的不饱和键得到补偿，表面能降低，改变了表面原子间的相互作用，使金属的表面强度降低。

上一页,下一页,23,莱宾杰尔效应具有以下特点:

环境介质的影响有明显的化学特征，即并非任何液体金属都会改变某一固体的金属性能，只有对该固体表面具有活性的液体金属才有这种效果。

（如水银降低锌的强度和塑性，但对镉无影响）溶解和腐蚀需要大量的介质，而莱宾杰尔效应只需少量的活性物质即可导致金属的脆性破坏。

莱宾杰尔效应的影响可逆，即从固体表面去除活性物质后，其表面机械性能一般可以恢复。

莱宾杰尔效应需要拉应力和表面活性物质同时作用才能出现。

上一页,下一页,莱宾杰尔效应在生产中的应用及危害,一方面可利用此效应提高金属加工（压力加工、切削、磨削等）效率，大量节约能源（易熔金属作金刚砂轮的填料）。

另一方面，应注意避免因此效应所造成的材料早期破坏（由于金属钎焊和焊接、轴承熔化，用液体金属作润滑剂、原子反应堆、火箭装置、内燃机等均有这种接触）。

要减少其危害，应选用敏感性小的材料或低活性的熔融物。

在某些情况下，金属经过表面处理，如涂覆结合牢固的氧化物、碳化物和氮化物层等等，可保证固体金属件不被熔融物浸润，从而阻止吸附引起的强度降低。

24,上一页,下一页,25,2.1.7固体表面的润湿,液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。

上一页,下一页,当90时，称为不润湿。

角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面上铺展开，并越容易收缩至圆球状。

当=0和180时，则相应的称为完全润湿和完全不润湿。

图2.4材料表面的润湿现象,26,2.2材料磨损原理及耐磨性,2.2.1固体材料的摩擦与磨损

（1）摩擦摩擦两个相互接触物体在外力作用下发生相对运动时产生的阻力。

上一页,下一页,润湿理论在表面工程技术上的应用主要是调整润湿角。

比如加入表面活性物质，可使减小，润湿程度增大；反之，加入表面惰性物质，可使增大，润湿程度降低。

27,干摩擦又称无润滑摩擦，它是指在大气条件下，摩擦表面之间没有润滑剂存在时的摩擦。

边界润滑摩擦是指摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦。

流体润滑摩擦是指相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩擦。

流体可以是气体或液体。

当为液体时称为液体摩擦；为气体时称为气体摩擦。

滚动摩擦是指在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时产生的摩擦。

上一页,下一页,28,摩擦过程的温度效应,金属在互相摩擦过程中，由于产生塑性变形，将消耗很大的能量，这些能量至少有90转变成热，如果这些热量保留在金属表层，则产生相当高的瞬时温度，这种影响称为摩擦过程的温度效应。

如果温度高于相变点，则会引起表层组织的相变。

如果低于相变温度则会引起回火软化、发生回复再结晶等现象。

上一页,下一页,29,

（2）磨损,磨损是指物体相对运动时相对运动表面的物质不断损失，产生残余变形或其它损伤的现象。

磨损的三个阶段：

跑合阶段（也称磨合阶段）开始运行时，原始的、新的摩擦副表面具有一定的粗糙度，真实接触面积较小。

经过短时间跑合后，表面微凸体逐渐磨平，真实接触面积逐渐增大，磨损速率减慢且趋于稳定。

稳定磨损阶段属于正常磨损，磨损比较缓慢和稳定。

上一页,下一页,30,剧烈磨损阶段磨损表面状态发生变化或因存在着硬颗粒，使磨损速率急剧增长。

这时机械效率下降，还有可能产生异常噪声或振动，摩擦副温度迅速升高，导致零件失效甚至机器损坏。

磨损分类（按磨损机理）：

粘着磨损是指相互接触表面上的微凸体不断地形成粘着结点和结点断裂并形成磨屑而导致摩擦表面破坏的过程。

上一页,下一页,特点沿滑动方向有程度不同的磨损痕迹，方向很明显。

粘着磨损时的物质转移可以由摩擦产生，也可以由焊合产生。

31,原因当摩擦界面强烈的粘着超过较软金属的临界剪切应力，便产生局部滑移带，反复运动的结果使滑移带处出现开裂，进而发生翘起。

翘起部位经过多次反复摩擦，最后被剪断，产生磨粒导致磨损。

上一页,下一页,32,磨粒磨损是指硬的颗粒或硬的突起物在摩擦过程中引起物体界面材料脱落的现象。

原因当磨粒与塑性材料表面接触时，主要发生以显微切削和显微犁沟塑性变形为主的磨损；当磨粒和脆性材料表面接触时，主要发生以表面断裂为主的磨损。

材料的去除通常是塑性变形机制和断裂机制综合作用的结果。

影响磨粒磨损过程的因素除与磨粒的特性（磨粒的硬度、形状和粒度）有关外，还受到材料的力学性能与微观组织的影响以及工况和环境条件的影响。

材料耐磨粒磨损性能主要决定于硬度，但耐磨性与硬度之间没有单值对应关系。

上一页,下一页,33,