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结晶时,固相中的小晶粒合并长大成大晶粒等。
(2)表面张力减小的过程是自发过程。
如固体或液体物质表面发生的吸附现象,就是因为该吸附物质可以减小表面张力。
(3)若表面张力和表面积都发生变化,则总的效果是引起自由能减小,则为自发过程这种现象称为润湿现象。
四、固体表面的吸附
1、吸附的基本特性
由于物质表面原子或分子力场不饱和,所以有吸引周围其它物质(主要是气体、液体)分子的能力。
吸附可以减少物质表面某些过剩的自由能,物质表面因吸附物的存在而稳定,所以吸附是自发进行。
2、固体表面的吸附有物理吸附和化学吸附:
(1)物理吸附:
固体表面与被吸附分子之间不发生电子的转移,它们之间靠范德华力结合。
物理吸附对温度很敏感,提高温度容易解吸,所以物理吸附是可逆的。
(2)化学吸附:
吸附原子与固体表面原子之间有电子的转移,二者靠化学键力结合。
从热力学角度讲,化学吸附的自由能减小要比物理吸附大得多,状态更稳定,而且是不可逆的过程。
(3)化学吸附往往是先形成物理吸附膜,然后在界面发生化学反应转化成化学吸附,结合牢固并不可逆。
3、固体对气体的吸附
任何气体在其临界温度以下都会被吸附于固体表面,可能是物理吸附,也可能是化学吸附。
吸附强度排列顺序为:
O2>
C2H2>
C2H4>
CO>
H2>
CO2>
N2
4、固体对液体的吸附
(1)电解质的吸附:
固体和溶液之间发生离子交换,如化学镀;
(2)非电解质的吸附:
液体在固体表面为单分子层吸附。
溶液吸附的吸附热很小,说明液体在固体表面的结合不牢。
五、固体表面的润湿:
润湿角θ、亲水物质和疏水物质。
1、润湿现象:
液体在固体表面上铺展的现象,称为润湿
(1)亲水物质:
能被水润湿的材料,如玻璃、石英等;
(2)疏水材料:
不能被水润湿的物质,如石蜡、石墨等
2、润湿角θ:
或
(1)当σS-G>
σS-L时,cosθ为正值,θ<
90°
,润湿状态;
(2)当σS-G<
σS-L时,cosθ为负值,θ>
,不润湿状态;
(3)当θ=0°
和180°
时,则相应地称为完全润湿和完全不润湿。
六、摩擦与润滑:
干摩擦、边界润滑摩擦、流体润滑摩擦、滚动摩擦、固体润滑。
1、摩擦的定义和分类
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,这种现象称为摩擦。
(1)按摩擦副的运动状态分类:
1)静摩擦:
一个物体沿另一个物体表面有相对运动趋势时产生的摩擦称为静摩擦,这种摩擦力称为静摩擦力。
静摩擦力随作用于物体上的外力变化而变化。
2)动摩擦:
一个物体沿另一个物体表面相对运动时产生的摩擦称为动摩擦,其阻碍物体运动的切向力称为动摩擦力。
动摩擦力通常小于静摩擦力
2)按摩擦副的运动形式分类
1)滑动摩擦:
物体接触表面相对滑动时产生的摩擦。
2)滚动摩擦:
在力矩作用下,物体沿接触表面滚动时产生的摩擦。
滚动摩擦系数比滑动摩擦小得多。
(3)按摩擦副表面的润滑状况(工作状态)分类:
1)纯净摩擦:
摩擦表面没有任何吸附膜或化合物的摩擦,如真空中的摩擦。
2)干摩擦(无润滑摩擦):
在大气条件下,摩擦表面之间不存在润滑剂时的摩擦。
3)边界润滑摩擦:
摩擦面之间有一层极薄的润滑膜存在时的润滑。
这层膜称为边界膜,厚度小于0.01μm。
4)流体润滑摩擦:
相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩擦,流体可以是液体或气体。
流体润滑时,摩擦发生在流体的内部,摩擦阻力取决于流体的性质(如粘度)。
5)固体润滑摩擦:
相对运动的两物体表面间有固体润滑存在时的摩擦。
七、粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损的基本磨损方式、机理、影响因素和提高零件耐磨性的途径。
1粘着磨损
(1)基本磨损方式:
轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱、咬死
(2)机理
1)固体表面微凸体相接触时,在外作用下形成微观应力场。
2)当接触应力较大时,将引起材料塑性变形和“冷焊”现象。
此时若摩擦副相对滑动,焊合点被剪断。
若微凸体较硬,也会对较软的对磨材料造成犁削作用。
(3)影响因素
1)润滑条件或环境:
在真空条件下大多数金属材料的磨损十分严重。
2)硬度:
对摩擦副材料的硬度而言,材料越硬,耐磨性越好。
3)晶体结构和晶体的互溶性:
密排六方的材料摩擦系数最低,体心立方材料最高。
冶金上互溶性好的一对金属摩擦副摩擦系数和磨损率都高。
4)温度:
温度升高,磨损加剧。
2磨粒磨损
凿削式、高应力碾碎式、低应力擦伤式
1)若磨粒是个刚性三角锥体,被磨损材料呈塑性时,磨粒与材料之间会发生显微切削和显微犁沟两种塑性变形的磨损方式,磨粒锥体在滑动一定距离所磨掉的材料体积
2)当磨粒和脆性材料表面接触时,主要以表面断裂破坏为主。
此时材料去除体积
1)磨粒特性的影响:
a磨粒硬度
b磨粒粒度:
当磨粒在某一临界尺寸以下,材料的磨损率随磨粒尺寸增加而大幅度增加;
超过临界尺寸后,磨损增大的幅度显著降低。
c磨粒形状:
磨粒越尖锐,磨损速率越大。
d磨粒脆性:
脆性的磨料磨粒可能碎裂,使磨粒边缘变得锐利,因而磨损率又可能增高。
2)材料力学性能:
材料耐磨粒磨损性能主要决定于其硬度,而与其它力学性能关系不大。
3)材料微观组织:
在同样硬度条件下,奥氏体、贝氏体的耐磨性优于珠光体和马氏体。
夹杂物和内部缺陷会大大降低耐磨性。
4)工况和环境条件:
速度、载荷、磨粒冲击角、环境湿度、温度和腐蚀介质等工况和环境条件都会影响到材料的磨粒磨损性能。
3疲劳磨损
点蚀、浅层剥落、深层剥落
当两个接触体相对滚动或滑动时,在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下,表面层将引发裂纹,并逐步扩展,最后裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过程。
1)材料内部夹杂物的存在方式与数量;
2)材料表面粗糙度;
3)材料的硬度;
4)材料组织结构;
5)润滑状态和零件工作环境等。
4冲蚀磨损
喷砂冲蚀、水滴冲蚀、泥浆冲蚀、气蚀
粒子冲击固体表面时发生能量交换,根据粒子的入射速度和材料的流动应力,固体表面可能发生弹性变形,也可能出现塑性压痕。
1)脆性磨损机制:
脆性材料受到粒子的冲击作用时,不发生塑性变形,而出现裂纹并很快脆断。
脆性冲蚀时的磨损体积
2)延性磨损机制:
当撞击角为90°
时冲蚀很小,而在撞击角为20°
时冲蚀最大(切削磨损)。
1)环境参数:
如粒子的入射角、速度、浓度、冲蚀时间、环境温度等;
a入射角
b速度:
粒子速度对材料冲蚀率有很大的影响
c冲蚀时间:
冲蚀磨损存在较长的潜伏期或孕育期。
首批粒子冲击表面时主要造成加工硬化和表面粗糙化,经过一定的累积损伤后才能逐渐过渡到稳定冲蚀阶段。
对于喷砂型冲蚀,冲蚀初期可能因粒子嵌入而呈现“增重”。
d环境温度:
一般随着温度增加,材料冲蚀率上升。
但温度过高时,材料表面生成的氧化膜反而会提高材料的抗冲蚀能力。
2)磨料性质:
如硬度、粒度、可破碎性、固体还是液体等。
a固体粒子:
固体粒子的形状和粒度对冲蚀有很大影响。
当粒子超过临界尺寸后,冲蚀率趋于平稳。
尖颗粒造成的破坏要比球形粒子严重;
硬粒子产生的冲蚀破坏比软粒子严重。
b液滴:
冲蚀中液滴直径变大其冲蚀能力也增大。
在滴径从1.0~2.5mm范围内,相对冲蚀率几乎不变。
3)材料性能:
如热物理性能和材料强度等。
相对冲蚀率几乎不变。
随着材料表面粗糙度的降低,其抗冲蚀能力增高。
5腐蚀磨损
1)氧化磨损:
一般说来,氧化磨损率比其它磨损轻微得多。
2)特殊介质腐蚀磨损:
摩擦副在酸、碱、盐等特殊介质中发生的磨损叫特殊介质腐蚀磨损。
腐蚀磨损是材料同时受腐蚀和机械磨损的综合作用而产生的磨损过程。
影响氧化磨损的因素有滑动速度、接触载荷、氧化膜的硬度、介质的含氧量、润滑条件及材料性能等因素。
6提高零件耐磨性的途径
(1)材料选择
要根据不同的磨损类型来选择不同的耐磨材料。
1)粘着磨损的选材原则:
a塑性材料比脆性材料容易产生粘着磨损。
b相同金属或晶格类型、电化学性能相近的金属制造的摩擦副粘着倾向大。
c金属与非金属材料组成的摩擦副粘着倾向小。
2)磨料磨损的选材原则:
一般是提高材料的硬度来提高它的耐磨性。
3)疲劳磨损的选材原则:
要求钢材质量好,控制钢中有害的非金属夹杂物。
(2)润滑
降低摩擦系数是减少磨损的有效办法,如液体润滑可使摩擦系数降到0.003以下。
(3)表面处理
1)提高材料的表面硬度:
如表面淬火、渗碳、渗氮、涂覆硬涂层等。
2)降低表面摩擦系数:
在材料摩擦表面形成低摩擦系数的化合物,如渗硫等。
(4)结构设计
正确设计摩擦副的结构。
如有利于摩擦副间润滑膜的形成、摩擦热的散失、防止外界杂物的进入等。
(5)使用保养
机器的正确的使用和保养有利于提高机器的使用寿命。
八、正常磨损过程的三个阶段:
“跑合”、“稳定磨损”、“急剧磨损”。
1、“跑合”阶段(0a段):
粗糙表面逐渐磨平,接触面积逐渐增大,磨损速度开始很快,然后逐渐减慢。
2、“稳定”磨损阶段(ab段):
“跑合”后摩擦表面加工硬化,微观几何形状改变,磨损开始趋于稳定,磨损量与时间成正比。
3、“急剧”磨损阶段(b点以后):
由于摩擦条件发生较大的变化,磨损速度急剧增加。
九、电化学腐蚀原理、金属材料的极化、钝化、活化和腐蚀控制及防护方法。
1、电化学腐蚀:
金属在导电的液态介质中因电化学作用导致的腐蚀,在腐蚀过程中有电流产生。
如金属在潮湿环境中的氧化。
电化学腐蚀的四个主要因素:
阳极、阴极、电解质、电流通路。
2、极化:
阴、阳极之间的电位差比初始电位差小的现象。
极化减小了腐蚀电流,从而降低了金属的腐蚀速率。
(1)电化学极化:
电极上的电化学反应速度小于电子运动速度而造成的极化。
(2)浓差极化:
溶液中的物质扩散速度小于电化学反应速度而造成的极化。
(3)电阻极化:
电极表面生成了具有保护作用的钝化膜或不溶性的腐蚀产物,阻碍电极反应,使电极电位发生变化。
3、钝化:
由于金属表面状态的改变引起金属表面活性下降,使表面反应速度急剧降低的现象称为钝化现象。
4、活化:
(1)活化目的:
使基材表面处于活化状态,以加速表面反应过程,提高涂层结合强度。
(2)金属表面的活化方法:
1)金属表面净化:
用机械抛光、喷砂、酸洗等方法去除金属表面氧化膜,或在真空中进行离子溅射,减少金属表面的吸附,提高金属表面的化学活性;
2)机械法:
用机械法或离子轰击法增加金属表面晶体缺陷,提高金属表面活性。
5、金属材料腐蚀控制及防护方法
(1)产品合理设计与正确选材
(2)电化学保护
1)阴极保护:
被保护工件在工作条件下的电位移至平衡可逆电位以下,从而停止腐蚀的方法。
2)阳极保护法:
使腐蚀件的电位正移,在表面形成稳定的钝态而受到保护。
(3)表面覆层及表面处理
1)阳极性金属涂层:
这种涂层可以作为阳极对基体金属起保护作用。
即使涂层局部破坏裸露基材仍可作为阴极而受到涂层保护,如铁表面镀锌。
2)阴极性金属及非金属涂层:
这类覆层自身耐蚀性、稳定性良好,通过机械屏蔽作用,把金属和腐蚀环境介质隔离开,如铁表面镀铬。
(4)加入缓蚀剂
通过添加特殊的活性物质吸附到金属表面,使其表面钝化,从而达到减缓抑制腐蚀过程。
第三章表面工程技术的预处理工艺与作业环境
一、表面预处理的目的和重要性。
1、预处理的目的:
清除被处理材料表面附着的杂质,使处理后的材料本体表面的原子能和处理介质(气相或液相)的原子相接触,原子直接在材料本体上沉积或向材料内部扩渗,有利于提高涂层与基体材料之间的结合强度。
二、预处理工艺:
机械清理、脱脂、浸蚀。
1、机械清理:
去除被处理零件表面固体杂物。
(1)机械打磨
(2)滚光(3)喷砂(丸)
2、脱脂处理:
去除被处理零件表面的油污。
(1)溶剂法
(2)化学法(3)电化学法
3、侵蚀:
去除被处理零件表面较薄的锈或氧化膜。
化学浸蚀和电化学浸蚀
三、典型的金属清洗工艺:
机械清理→脱脂→清洗→浸蚀→清洗→中和→清洗→(甩干)→进行表面处理。
第四章表面淬火和表面形变强化技术
一、表面淬火与常规淬火的区别:
临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。
1、加热速度越快,奥氏体晶粒越细、硬度越高。
2、提高加热速度将使Ac3与Acm线上移,可以防止过热。
3、快速加热使奥氏体成分不均匀,易形成贫碳的奥氏体,合金元素也难实现成分均匀化。
4、不均匀奥氏体在冷却过程对过冷奥氏体转变及转变产物有很大影响:
(1)奥氏体中未溶碳化物和高碳偏聚区的存在将促进过冷奥氏体分解,使奥氏体转变孕育期缩短,C曲线向左移动。
(2)亚共析钢中原铁素体领域形成低碳奥氏体,原珠光体领域形成高碳奥氏体。
两种奥氏体在淬火后分别得到低碳马氏体及高碳马氏体。
二、表面淬火层组成:
淬硬区、过渡区和心部区。
1表面淬火层的组织和硬度分布
表面淬火层分为:
(1)淬硬区Ⅰ(完全相变区)
(2)过渡区Ⅱ(部分相变区)
(3)心部区Ⅲ(无相变区)
45钢的淬硬区组织为马氏体;
过渡区组织为马氏体+铁素体;
心部组织为珠光体+铁素体。
三、硬化层厚度的测定:
金相法和硬度法。
1、金相法:
由表面测至50%马氏体区
2、硬度法:
按半马氏体硬度为准
3、酸蚀法
四、感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。
1、感应加热淬火基本原理
铁制零件在高频交变磁场中,铁的内部将产生很大的感应电流。
电流在金属体内自行闭合,称为涡流。
由于工件阻抗很小,涡流很大。
受集肤效应的影响,越靠近工件表面电流越大。
感应电流快速将零件的表面加热到Ac3或Acm以上,快速冷却后即可在零件表层获得马氏体组织。
感应加热频率f越高,淬硬层越浅,但加热速度越快。
温度越高,加热速度越慢,避免了表面过热。
2、集肤效应:
导体中的交变电流在趋近导体表面处电流密度增大的效应。
五、工件感应加热淬火的工艺流程。
锻打毛坯→正火处理(~220HB)→粗加工→调质处理(~250HB)→精加工(滚齿)→感应加热淬火→回火(~55HRC)→磨削
六、各种表面淬火的特点和应用范围。
(书P60-61)
七、喷丸强化技术原理、特点、应用范围。
(书P61-63)
1、喷丸强化技术原理
小弹丸高速射向金属工件表面,使金属表层发生塑性变形并产生大量的位错和较大的残余压应力,从而提高金属表面的硬度、强度、抗疲劳强度和抗应力腐蚀能力。
2、喷丸强化对表面形貌和性能的影响
(1)喷丸增加金属表面的粗糙度。
(2)硬化层的深度:
弹丸越硬或弹丸动能越大,硬化层越深,硬化效果越好。
(3)疲劳强度:
喷丸后在金属表层生成数百兆帕的残余压应力,有利于提高金属的疲劳强度。
第五章热扩渗
一、热扩渗层形成的基本条件、基本过程(吸附、解吸、扩散)、影响热扩渗速度的影响因素、扩渗层的组织特征。
1、热扩渗的基本条件:
(1)渗剂生成活性原子的化学反应必须满足ΔG<
0。
(2)渗剂能连续稳定地向金属表面提供欲渗元素活性原子。
(3)活性原子必须与钢的原子直接接触。
(4)工件必须保持一定的温度,使渗入元素原子有足够的扩散动力。
(5)欲渗元素必须能够与钢形成固溶体或金属间化合物。
2、热扩渗的基本过程
(1)介质中发生化学反应,提供界面反应所需要的反应物;
(2)反应物通过(外)扩散输运至金属表面;
(3)反应物中的某些粒子被金属表面吸附并发生界面反应;
(4)界面反应产生的活性原子被金属表面吸收并向内扩散;
(5)渗入金属的元素发生反应,形成化合物或金属间化合物。
3、化学热处理的相界面反应-吸附和解吸过程
没有电子的转移和化学键生成的吸附。
物理吸附是可逆的,吸附量随温度升高而下降(线段1)。
有电子交换,组成离子键结合或共价键结合的吸附(线段2)。
化学吸附有选择性,反应速度很快,并随温度升高反应速度明显增大。
4、热扩渗中的扩散机理
扩散规律符合Fick第一、二定律,影响扩散速率的因素有:
(1)温度的影响
扩散系数与温度之间的关系
因此,扩散系数随温度升高而急剧增大。
(2)晶体结构的影响
1)晶体结构中原子排列愈紧密,扩散愈困难;
2)体心立方的扩散系数要比面心立方大;
3)金属晶体缺陷(如晶界、位错、空位等)可促进扩散。
5、影响热扩渗速度的因素
(1)金属表面的状态:
是否有阻碍界面反应的物质;
(2)反应物浓度:
增加反应物浓度可以加快反应速度;
(3)反应温度:
提高温度可加速活性原子的产率;
(4)催化剂:
加入适当的催化剂可成倍提高化学反应速度。
6、扩渗层的组织特征
(1)纯扩散:
溶质元素在基体金属中形成单相固溶体,如渗碳层中的α铁素体相等。
(2)反应扩散:
随表面溶质浓度的增加而有新相形成的化合物,如渗氮层中的ε相(F2-3N),渗硼层中F2B等。
化学热处理后,一般可同时存在固溶体、化合物的多相渗层。
二、热扩渗方法:
固体法、液体法、气体法、离子法。
(1)固体法:
工件埋入装有欲渗元素、活化助渗剂和防粘结剂粉末的容器里进行加热保温扩散。
特点:
设备简单、操作容易,但处理时间长、效率低。
(2)液体法:
工件浸入含有欲渗元素的化合物的熔盐中加热保温,使工件表面形成一层该元素的化合物层。
适合处理形状复杂的工件,但熔盐腐蚀设备。
(3)气体法:
工件在有欲渗元素气体的热扩渗炉内加热,欲渗元素的活性原子与金属表面接触发生一系列反应,使欲渗元素扩散渗入工件表面。
渗层厚度均匀、易控制,对形状复杂的工件扩渗效果好,劳动条件比较好。
(4)离子法:
利用低压气体放电产生的等离子体激活反应气体对工件表面进行热扩渗。
扩渗温度低、渗速高、质量好,但设备较复杂。
三、热扩渗工艺:
渗碳和渗氮的工艺、组织、性能及影响因素。
I、渗碳
(1)气体渗碳
在含碳气氛中将低碳(合金)钢加热到奥氏体化的高温(>
900℃),碳原子吸附在工件表面并渗入钢的内部,然后经淬火+低温回火使工件表面具有高硬度和高耐磨性,而心部仍保持较较好的塑性和韧性。
1)工艺特点
a工艺成熟,是一种最常用的渗碳方法;
b被处理的材料是价格低廉的低碳钢,处理成本低;
c渗碳后的零件性能合理;
d应用面广,如齿轮、轴类等。
2)影响气体渗碳的工艺因素
a渗碳气氛
b渗碳温度:
渗碳温度越高,渗碳层越深
c渗碳时间:
随着渗碳时间的延长,渗碳层的厚度呈非线性增加,一般渗碳时间为2~30小时。
d钢的化学成分对渗碳层的影响
合金元素对碳在奥氏体中的扩散有显著的影响。
碳化物形成元素(Cr、W、Mo等)能降低碳的扩散系数,增大碳的浓度梯度。
而非碳化物形成元素(Co、Ni等)则提高碳的扩散系数。
Mn对碳的扩散系数几乎没有影响。
钢的化学成分对钢的淬透性和限制晶粒长大的能力有着重要的影响,是渗碳钢的两项重要指标。
渗碳钢中加入合金元素的目的是提高钢的心部强度、提高钢的淬透性(Si、Mn、Cr、Ni、Mo等)和细化晶粒(Ti、V、Mo等)。
如20Cr、20CrMnTi等
3)气体渗碳的组织特性和基本性能
a渗碳层的组织
渗碳层的碳含量从外向内逐渐降低,渗层组织由表到心部依次为:
过共析区→共析区→亚共析区→心部原始姐织。
低碳钢渗碳淬火组织由表到心部依次为:
马氏体+少量碳化物→马氏体→低碳马氏体→心部原始组织。
b渗碳层的性能
取决于渗层含碳量。
在碳质量分数为0.8~1%时,钢的抗疲劳强度和韧性最好。
表面硬度:
一般为58~62HRC。
渗层深度:
取决于工作条件和心部材料的强度。
零件承受载荷越大,渗层越要厚,一般0.5~1mm。
II、渗氮
1.气体渗氮:
渗氮温度一般在500~570℃。
(1)气体渗氮过程
用氨(NH3)作为渗氮气体,氨在金属表面(催化)分解形成的原子氮被钢件表面吸附,并扩散到钢件内部。
氮与金属之间的吸附是化学吸附,氮原子和金属原子组成共价键和离子键M-N(M指金属)
(2)渗氮层的性能
1)渗氮层硬度和耐磨性
某些合金元素能显著提高渗氮钢的表面硬度,渗氮层硬度远高于渗碳层的硬度。
另外,渗氮层的最大硬度和最耐磨处不在同一区域,而且并非越硬越耐磨。
2)疲劳强度
渗氮层有较大的残余压应力,能显著提高其疲劳强度。
3)红硬性
渗氮层可以在500℃以下长期保持高硬度。
超过600℃后,由于渗氮层中弥散分布的氮化物的聚集而使渗氮层硬度降低。
(3)主要渗氮工艺参数
1)渗氮温度:
一般在480~570℃左右。
温度越高渗氮层越厚。
温度过高使氮化物聚集长大,降低渗氮层的硬度。
2)渗氮时间:
渗氮层厚度的增长是先快后慢。
3)氨分解率:
某一温度下氨分解出的氮、氢混合气体占整个炉气的体积百分数。
过高或过低都降低渗氮速度。
一般氨分解率在15~40%时钢吸收氮的速度最快。
气体渗氮温度低、渗氮周期长、成本高、渗层薄,当表面有白亮化合物层时会增加渗氮工件的脆性。
2、离子渗氮
(1)、离子渗氮机理
Kö
lbel离子溅射
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