表面處理第一講 概論

1、主講人：張力重主講人：張力重電話電話:面工程學(xué)表面工程學(xué)曾曉雁，吳懿平曾曉雁，吳懿平 主編主編 機(jī)械工業(yè)出版社，機(jī)械工業(yè)出版社， 20012001表面工程表面工程徐濱士，劉世參編著徐濱士，劉世參編著 機(jī)械工機(jī)械工業(yè)出版社，業(yè)出版社， 20002000參考教材參考教材1. 1 表面工程學(xué)的定義與內(nèi)涵表面工程學(xué)的定義與內(nèi)涵1. 2 表面工程的特點(diǎn)與意義表面工程的特點(diǎn)與意義1. 3 表面工程技術(shù)的分類表面工程技術(shù)的分類第一節(jié)：表面工程學(xué)的定義與內(nèi)涵第一節(jié)：表面工程學(xué)的定義與內(nèi)涵1.1、表面工程技術(shù)發(fā)展概況、表面工程技術(shù)發(fā)展概況磨損、腐蝕、斷裂是機(jī)械零件工程構(gòu)建的三大主要磨損

2、、腐蝕、斷裂是機(jī)械零件工程構(gòu)建的三大主要破壞形式。前二者造成經(jīng)濟(jì)損失占很大比重。破壞形式。前二者造成經(jīng)濟(jì)損失占很大比重。數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)磨磨損損美國：美國國家材料政策委員會(huì)向美國國美國：美國國家材料政策委員會(huì)向美國國 會(huì)提出的一份報(bào)告：會(huì)提出的一份報(bào)告： 摩擦磨損引起的損失摩擦磨損引起的損失10001000億美元億美元/ /年；年；德國：德國：19831983年，前聯(lián)邦德國調(diào)查，摩擦磨年，前聯(lián)邦德國調(diào)查，摩擦磨損損失損損失287287億馬克；億馬克；英國：摩擦磨損損失英國：摩擦磨損損失5150051500英鎊英鎊/ /年；年；腐腐蝕蝕美國：國家標(biāo)準(zhǔn)局美國：國家標(biāo)準(zhǔn)局19781978年調(diào)查：年調(diào)查：

3、19751975年腐蝕損失達(dá)年腐蝕損失達(dá)820820億美元，占億美元，占國民生產(chǎn)總值的國民生產(chǎn)總值的4.9%4.9%； 19951995年腐蝕損失達(dá)年腐蝕損失達(dá)30003000億美元；億美元；中國：中國：19831983年調(diào)查：腐蝕損失年調(diào)查：腐蝕損失400400億元億元/ /年年腐蝕和磨損均是腐蝕和磨損均是發(fā)生于機(jī)件表面發(fā)生于機(jī)件表面的材料流失過程，的材料流失過程，其他形式的失效其他形式的失效過程有許多也是過程有許多也是從表面開始從表面開始延緩和延緩和控制表控制表面破壞面破壞的方法的方法促進(jìn)促進(jìn)了表了表面工面工程學(xué)程學(xué)的發(fā)的發(fā)展與展與形成形成1.2、表面工程學(xué)的定義、表面工程學(xué)的定義表面工程

4、學(xué)圍繞表面工程學(xué)圍繞腐蝕腐蝕、摩擦與磨損摩擦與磨損和和功能功能特性特性（聲，光，磁，電的轉(zhuǎn)換）三大因素（聲，光，磁，電的轉(zhuǎn)換）三大因素，成為，成為80年代后期重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之年代后期重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，形成表面工程學(xué)。一，形成表面工程學(xué)。定義定義為滿足特定的工程需求，使材料表面或?yàn)闈M足特定的工程需求，使材料表面或零部件表面具有特殊的成分，結(jié)構(gòu)和性零部件表面具有特殊的成分，結(jié)構(gòu)和性能能(或功能或功能)的化學(xué)，物理方法與工藝。的化學(xué)，物理方法與工藝。1.3、表面工程學(xué)的內(nèi)涵、表面工程學(xué)的內(nèi)涵表面改性技術(shù)；表面改性技術(shù)；1表面合成材料技術(shù)；表面合成材料技術(shù)；3表面加工技術(shù)；表面加工技術(shù)；2u

5、提高耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性能、裝提高耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性能、裝飾性，或具有特殊功能（如電性能、磁性能和飾性，或具有特殊功能（如電性能、磁性能和光電性能等）光電性能等）u能夠在材料表面加工或制作各種功能結(jié)構(gòu)元能夠在材料表面加工或制作各種功能結(jié)構(gòu)元器件的有關(guān)技術(shù)。如光刻技術(shù)、離子刻蝕技術(shù)器件的有關(guān)技術(shù)。如光刻技術(shù)、離子刻蝕技術(shù)等等 表面加工三維合成技術(shù)；表面加工三維合成技術(shù)；4u即借助各種手段在材料表面合成新材料的技即借助各種手段在材料表面合成新材料的技術(shù)，如納米粒子制備過程中的表面工程技術(shù)、術(shù)，如納米粒子制備過程中的表面工程技術(shù)、離子注入等離子注入等u快速成型制造快速成型制造上述幾

6、個(gè)要點(diǎn)的組合或綜合；上述幾個(gè)要點(diǎn)的組合或綜合；5內(nèi)涵擴(kuò)展內(nèi)涵擴(kuò)展表面工程技術(shù)所涉及的基材包括幾乎所有的工表面工程技術(shù)所涉及的基材包括幾乎所有的工程材料，如金屬、陶瓷、半導(dǎo)體材料、高分子程材料，如金屬、陶瓷、半導(dǎo)體材料、高分子材料、混凝土、木材和各類復(fù)合材料等，所涉材料、混凝土、木材和各類復(fù)合材料等，所涉及的工藝方法數(shù)以百計(jì)，各具特點(diǎn)。及的工藝方法數(shù)以百計(jì)，各具特點(diǎn)。經(jīng)過內(nèi)涵擴(kuò)展以后的表面工程技術(shù)，由單純經(jīng)過內(nèi)涵擴(kuò)展以后的表面工程技術(shù)，由單純的表面改性擴(kuò)展到表面加工和合成新材料等的表面改性擴(kuò)展到表面加工和合成新材料等領(lǐng)域，涵蓋領(lǐng)域，涵蓋材料科學(xué)、物理、化學(xué)、冶金、材料科學(xué)、物理、化學(xué)、冶金、機(jī)械

7、、電子與生物機(jī)械、電子與生物等領(lǐng)域，成為新型的、名等領(lǐng)域，成為新型的、名副其實(shí)的交叉學(xué)科。副其實(shí)的交叉學(xué)科。1.4、學(xué)習(xí)本課程的目的和要求、學(xué)習(xí)本課程的目的和要求1. 學(xué)習(xí)掌握表面工程技術(shù)的基本理論和基本特學(xué)習(xí)掌握表面工程技術(shù)的基本理論和基本特點(diǎn)。點(diǎn)。2. 能夠根據(jù)工程的需要選擇相應(yīng)的表面工程技能夠根據(jù)工程的需要選擇相應(yīng)的表面工程技術(shù)或幾種技術(shù)的組合，選擇所用材料和制定術(shù)或幾種技術(shù)的組合，選擇所用材料和制定最佳工藝，解決工程問題。最佳工藝，解決工程問題。3. 具備基本的研究與開發(fā)表面工程新技術(shù)的能具備基本的研究與開發(fā)表面工程新技術(shù)的能力。力。3）兼有裝飾和防護(hù)功能；）兼有裝飾和防護(hù)功能；4）化

8、學(xué)氣相沉積，物理氣相沉積，掩模，光刻等表面）化學(xué)氣相沉積，物理氣相沉積，掩模，光刻等表面薄膜沉積技術(shù)和表面細(xì)微加工是制造大規(guī)模集成電薄膜沉積技術(shù)和表面細(xì)微加工是制造大規(guī)模集成電路的基礎(chǔ)；路的基礎(chǔ)；5）生成型制造法是以表面加工為基礎(chǔ)；）生成型制造法是以表面加工為基礎(chǔ)； 1 1）作用于表面，對基材組織與性能影響不大；）作用于表面，對基材組織與性能影響不大； 2 2）采用表面技術(shù)替代整體合金化；）采用表面技術(shù)替代整體合金化；第二節(jié)第二節(jié) 表面工程的特點(diǎn)與意義表面工程的特點(diǎn)與意義6）可以在表面制備整體合金化難以做到的特殊性能合）可以在表面制備整體合金化難以做到的特殊性能合金金。第三節(jié)第三節(jié) 表面工程技

9、術(shù)的分類表面工程技術(shù)的分類按學(xué)科特點(diǎn)：按學(xué)科特點(diǎn)： 1 1）表面合金化技術(shù)）表面合金化技術(shù) u利用外來元素與基材元素相混合，形成成分不同于基材和添利用外來元素與基材元素相混合，形成成分不同于基材和添加材料的表面新材料。加材料的表面新材料。噴焊、堆焊、離子注入、激光熔覆、熱滲鍍。噴焊、堆焊、離子注入、激光熔覆、熱滲鍍。 2 2）表面覆蓋和覆膜技術(shù)）表面覆蓋和覆膜技術(shù)3）表面組織轉(zhuǎn)化）表面組織轉(zhuǎn)化u不改變基材的成分，利用外加涂層或鍍不改變基材的成分，利用外加涂層或鍍層的性能使基材表面性能優(yōu)化。層的性能使基材表面性能優(yōu)化。熱噴鍍、電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、化學(xué)鍍、氣相沉積、涂裝、熱噴鍍、電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理

10、、化學(xué)鍍、氣相沉積、涂裝、金屬染色。金屬染色。u不改變材料的表面成分，只是通過改變其組織結(jié)構(gòu)特性或應(yīng)不改變材料的表面成分，只是通過改變其組織結(jié)構(gòu)特性或應(yīng)力狀況來改變材料的性能。力狀況來改變材料的性能。激光表面淬火、電子束熱處理、噴丸、滾壓。激光表面淬火、電子束熱處理、噴丸、滾壓。引引 言言表面工程技術(shù)實(shí)施的對象是固體材料的表面，表面工程技術(shù)實(shí)施的對象是固體材料的表面，因此掌握材料因此掌握材料表面表面與與界面界面的基礎(chǔ)知識是正確選的基礎(chǔ)知識是正確選擇與運(yùn)用表面工程技術(shù)的基礎(chǔ)。擇與運(yùn)用表面工程技術(shù)的基礎(chǔ)。成功運(yùn)用表面工程技術(shù)的兩個(gè)要素是：成功運(yùn)用表面工程技術(shù)的兩個(gè)要素是： 掌握各種表面工程技術(shù)的特

11、點(diǎn)。掌握各種表面工程技術(shù)的特點(diǎn)。 了解和掌握影響材料表面性能的主要因素，其了解和掌握影響材料表面性能的主要因素，其中，材料的中，材料的耐磨性耐磨性和和抗蝕性抗蝕性影響因素眾多，本影響因素眾多，本章將重點(diǎn)進(jìn)行介紹。章將重點(diǎn)進(jìn)行介紹。第一節(jié)第一節(jié) 固體的表面與界面固體的表面與界面表面表面固相與氣相的分界面。固相與氣相的分界面。界面界面固相之間的分界面。固相之間的分界面。相界面相界面不同凝聚相之間的分界面，不同凝聚相之間的分界面， 如：如：A A與與M M，F(xiàn) F與與M M同相中晶粒之間的分界面稱為晶界同相中晶粒之間的分界面稱為晶界 微晶微晶 m m；非晶；非晶1nm1nm認(rèn)為半無限晶體中的原子位置

12、和電子密度都和原無限晶體認(rèn)為半無限晶體中的原子位置和電子密度都和原無限晶體一樣。顯然自然界很難獲得理想表面。一樣。顯然自然界很難獲得理想表面。由于在垂直于表面方向上，晶內(nèi)原子排列呈周期性變化，而表由于在垂直于表面方向上，晶內(nèi)原子排列呈周期性變化，而表面原子的近鄰原子數(shù)減少，使得其擁有的能量大于晶體內(nèi)部原面原子的近鄰原子數(shù)減少，使得其擁有的能量大于晶體內(nèi)部原子的能量，超出的能量正比于減少的鍵數(shù)，該部分能量即為材子的能量，超出的能量正比于減少的鍵數(shù)，該部分能量即為材料的表面能。料的表面能。表面能表面能1.1、典型的固體表面、典型的固體表面允許有吸附物，只有經(jīng)過特殊處理方法得到，如高溫處允許有吸附物

13、，只有經(jīng)過特殊處理方法得到，如高溫處理、離子轟擊加熱退火等。理、離子轟擊加熱退火等。材料表層原子結(jié)構(gòu)的周期性不同于體內(nèi)，但化學(xué)成分與體內(nèi)相同，這材料表層原子結(jié)構(gòu)的周期性不同于體內(nèi)，但化學(xué)成分與體內(nèi)相同，這種表面稱為潔凈表面。相對于表面受污染程度和理想表面而言的。種表面稱為潔凈表面。相對于表面受污染程度和理想表面而言的。指表面附近的點(diǎn)陣常數(shù)在垂直指表面附近的點(diǎn)陣常數(shù)在垂直方向上較晶體內(nèi)部發(fā)生明顯的方向上較晶體內(nèi)部發(fā)生明顯的變化。變化。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的周期性不同于體內(nèi)的晶面同于體內(nèi)的晶面。臺階化是指實(shí)際晶體的外臺階化是指實(shí)際晶體的外表面由許多密排面的臺階表面由許

14、多密排面的臺階構(gòu)成構(gòu)成是指化學(xué)組分在表面是指化學(xué)組分在表面區(qū)的變化區(qū)的變化在獲得的各種涂層或鍍膜之前，常需采用各種預(yù)處理工藝獲得清潔表面；在獲得的各種涂層或鍍膜之前，常需采用各種預(yù)處理工藝獲得清潔表面；微電子工業(yè)中氣相沉積和微細(xì)加工則需要超潔凈表面。微電子工業(yè)中氣相沉積和微細(xì)加工則需要超潔凈表面。在高潔凈度的表面上可以發(fā)生多種與體內(nèi)不同在高潔凈度的表面上可以發(fā)生多種與體內(nèi)不同的結(jié)構(gòu)和成分的變化：的結(jié)構(gòu)和成分的變化：指經(jīng)過清洗（脫脂，浸濕）以指經(jīng)過清洗（脫脂，浸濕）以 后的表面。后的表面。波紋度：指在一段較長距離內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)峰和谷的波紋度：指在一段較長距離內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)峰和谷的 周期。周期。粗糙度：在

15、較短距離內(nèi)（粗糙度：在較短距離內(nèi)（2800m）出現(xiàn)的凹凸）出現(xiàn)的凹凸 不平（不平（0.03400m）的程度。）的程度。實(shí)際零件表面不可能絕對平滑光整，微觀上實(shí)際零件表面不可能絕對平滑光整，微觀上由不規(guī)則的起伏不平的峰谷組成。由不規(guī)則的起伏不平的峰谷組成。表面的不平整性包括表面的不平整性包括波紋度波紋度和和粗糙度粗糙度兩個(gè)概念。兩個(gè)概念。) 12(11niiynRa)22(/liAAi材料表面粗糙度與加工方法相關(guān)，材料表面粗糙度與加工方法相關(guān)，最后一道加工工序起決定作用。最后一道加工工序起決定作用。粗糙度的表示方法：粗糙度的表示方法：輪廓的算術(shù)平均偏差輪廓的算術(shù)平均偏差RaRa：yi為峰或谷的絕

16、對值，為峰或谷的絕對值，n為測量個(gè)數(shù)。為測量個(gè)數(shù)。真實(shí)面積與投影面積的比值真實(shí)面積與投影面積的比值i i：Ai為真實(shí)面積，為真實(shí)面積，Al為為Ai的投影面積。的投影面積。p除除Au以外，金屬經(jīng)機(jī)械加工后，在常溫常壓下會(huì)以外，金屬經(jīng)機(jī)械加工后，在常溫常壓下會(huì)發(fā)生氧化。因此，在固體表面會(huì)吸附一層外來原發(fā)生氧化。因此，在固體表面會(huì)吸附一層外來原子。子。氧化皮氧化皮p大部分表面覆層技術(shù)在工藝實(shí)施之前，都要求對大部分表面覆層技術(shù)在工藝實(shí)施之前，都要求對表面進(jìn)行預(yù)處理，清除掉表面的氧化皮，以便提表面進(jìn)行預(yù)處理，清除掉表面的氧化皮，以便提高覆層與基材的結(jié)合強(qiáng)度。高覆層與基材的結(jié)合強(qiáng)度。由于表面原子的能量處于

17、非平衡狀態(tài)，一般由于表面原子的能量處于非平衡狀態(tài)，一般會(huì)在固體表面吸附一層外來原子。會(huì)在固體表面吸附一層外來原子。1 1 基于固相晶體尺寸和微觀結(jié)構(gòu)差異形成的界面；基于固相晶體尺寸和微觀結(jié)構(gòu)差異形成的界面；2 2 基于固相組織或晶體結(jié)構(gòu)形成的界面；基于固相組織或晶體結(jié)構(gòu)形成的界面；3 3 基于固相宏觀成分差異形成的界面；基于固相宏觀成分差異形成的界面；1.2、典型的固體界面、典型的固體界面界面通常指兩個(gè)塊體之間的過渡區(qū)，其空間尺度界面通常指兩個(gè)塊體之間的過渡區(qū)，其空間尺度決定于原子間力作用影響范圍的大?。黄錉顟B(tài)決決定于原子間力作用影響范圍的大??；其狀態(tài)決定于材料和環(huán)境條件特性。定于材料和環(huán)境條

18、件特性。最為常見的界面類型有：最為常見的界面類型有：u600#SiC砂紙研磨黃銅砂紙研磨黃銅,深度可達(dá)深度可達(dá)1-10um;u單晶塑變層單晶塑變層多晶塑變層多晶塑變層1.2.1 基于固相晶體尺寸和微觀結(jié)構(gòu)差異形成的界面基于固相晶體尺寸和微觀結(jié)構(gòu)差異形成的界面拋光金屬的表面組織：拋光金屬的表面組織：微晶層微晶層具有粘性液體膜似的非晶具有粘性液體膜似的非晶態(tài)外觀態(tài)外觀, ,不僅能將表面覆蓋不僅能將表面覆蓋得很平滑得很平滑, ,而且能流入裂紋而且能流入裂紋劃痕等表面不規(guī)則處劃痕等表面不規(guī)則處; ;塑性流塑性流變層變層塑變程度與深度有關(guān)塑變程度與深度有關(guān); ;與與硬度成反比硬度成反比; ; 鋼中珠光體

19、鋼中珠光體: F: F和滲和滲C C體體; ; 鋼表面淬火鋼表面淬火: : 表面為表面為M,M,心部仍為原始組織心部仍為原始組織, ,存在過渡區(qū)。它存在過渡區(qū)。它由部分馬氏體和部分鐵素體、珠光體混合而成。由部分馬氏體和部分鐵素體、珠光體混合而成。 1.2.2 基于固相組織或晶體結(jié)構(gòu)形成的界面基于固相組織或晶體結(jié)構(gòu)形成的界面兩相之間微觀成分和組織存在很大兩相之間微觀成分和組織存在很大差異差異; ;無宏觀成分的明顯區(qū)別無宏觀成分的明顯區(qū)別. .這種相界面雖然在微觀尺度的晶體結(jié)構(gòu)上有明顯的突變，但這種相界面雖然在微觀尺度的晶體結(jié)構(gòu)上有明顯的突變，但從宏觀來看，組織的變化存在一個(gè)漸變區(qū)域。因此，材料在

20、從宏觀來看，組織的變化存在一個(gè)漸變區(qū)域。因此，材料在服役過程中不存在表面層剝落等情況。服役過程中不存在表面層剝落等情況。1.2.3 基于固相宏觀成分差異形成的界面基于固相宏觀成分差異形成的界面覆層與基材是通過處于熔融狀態(tài)的覆層材料沿半熔覆層與基材是通過處于熔融狀態(tài)的覆層材料沿半熔化狀態(tài)的基材表面向外凝固結(jié)晶而形成的?；癄顟B(tài)的基材表面向外凝固結(jié)晶而形成的。特點(diǎn)特點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度高，金屬鍵結(jié)合，承結(jié)合強(qiáng)度高，金屬鍵結(jié)合，承載大，不易剝落載大，不易剝落典型工藝典型工藝堆焊；噴焊；激光熔覆等技術(shù)堆焊；噴焊；激光熔覆等技術(shù)兩個(gè)固體直接接觸，通過抽真空、加熱、加壓、界兩個(gè)固體直接接觸，通過抽真空、加熱、加壓、界

21、面擴(kuò)散和反應(yīng)等途徑所形成的結(jié)合界面。面擴(kuò)散和反應(yīng)等途徑所形成的結(jié)合界面。特點(diǎn)特點(diǎn)覆層與基材之間成分梯度變化。覆層與基材之間成分梯度變化。典型工藝典型工藝擴(kuò)散焊，熱擴(kuò)滲等工藝擴(kuò)散焊，熱擴(kuò)滲等工藝 在單晶襯底表面沿原來的結(jié)晶軸向生成一層晶格完在單晶襯底表面沿原來的結(jié)晶軸向生成一層晶格完整的新單晶層的工藝過程，稱為外延生長。整的新單晶層的工藝過程，稱為外延生長。特點(diǎn)特點(diǎn)外延的程度取決于基體與外延層的晶外延的程度取決于基體與外延層的晶格類型和常數(shù)。具體的結(jié)合強(qiáng)度取決于格類型和常數(shù)。具體的結(jié)合強(qiáng)度取決于結(jié)合鍵的類型，如分子鍵、共價(jià)鍵、離結(jié)合鍵的類型，如分子鍵、共價(jià)鍵、離子鍵或金屬鍵等。子鍵或金屬鍵等。典

22、型工藝典型工藝氣相外延，如化學(xué)氣相沉積技術(shù)；氣相外延，如化學(xué)氣相沉積技術(shù)；液相外延，如電化學(xué)等。液相外延，如電化學(xué)等。覆層材料與基材之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成成分固定覆層材料與基材之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成成分固定的化合物時(shí)，兩種材料的界面就稱為化學(xué)鍵結(jié)合界的化合物時(shí)，兩種材料的界面就稱為化學(xué)鍵結(jié)合界面。如面。如Ti合金表面氣相沉積形成合金表面氣相沉積形成TiN和和TiC薄膜。薄膜。特點(diǎn)特點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度較高，但界面的韌性較差，結(jié)合強(qiáng)度較高，但界面的韌性較差，易發(fā)生脆性斷裂或剝落。易發(fā)生脆性斷裂或剝落。典型工藝典型工藝物理和化學(xué)氣相沉積、離子注入、物理和化學(xué)氣相沉積、離子注入、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜等技術(shù)化學(xué)轉(zhuǎn)化膜等技

23、術(shù) 以范德華力結(jié)合的覆層與基體的界面以范德華力結(jié)合的覆層與基體的界面特點(diǎn)特點(diǎn)界面特征為未發(fā)生擴(kuò)散和化學(xué)作用。界面特征為未發(fā)生擴(kuò)散和化學(xué)作用。典型工藝典型工藝部分物理氣相沉積層、涂裝技術(shù)中有部分物理氣相沉積層、涂裝技術(shù)中有機(jī)粘結(jié)涂層機(jī)粘結(jié)涂層兩種材料相互鑲嵌的機(jī)械連接作用形成的界面兩種材料相互鑲嵌的機(jī)械連接作用形成的界面典型工藝典型工藝熱噴涂，包鍍，釬焊熱噴涂，包鍍，釬焊1.3、表面晶體結(jié)構(gòu)、表面晶體結(jié)構(gòu)在表面科學(xué)中，任何一個(gè)二維周期結(jié)構(gòu)的重復(fù)性在表面科學(xué)中，任何一個(gè)二維周期結(jié)構(gòu)的重復(fù)性都可用一個(gè)二維布拉菲晶格都可用一個(gè)二維布拉菲晶格(點(diǎn)陣點(diǎn)陣)加上結(jié)點(diǎn)加上結(jié)點(diǎn)(陣點(diǎn)陣點(diǎn))來描述。來描述。實(shí)際表

24、面結(jié)構(gòu)并不是完整無缺的，存在著很多缺實(shí)際表面結(jié)構(gòu)并不是完整無缺的，存在著很多缺陷。陷。典型的典型的TLKTLK模型分析：模型分析：平臺平臺(Terrace)-臺階臺階(Ledge)扭折扭折(Kink)模型模型表面區(qū)的每個(gè)原子都可以用最近鄰數(shù)來描述表面區(qū)的每個(gè)原子都可以用最近鄰數(shù)來描述根據(jù)根據(jù)TLKTLK模型，臺階一般比較光滑，但溫度模型，臺階一般比較光滑，但溫度，扭折數(shù)會(huì)增加，扭折間距扭折數(shù)會(huì)增加，扭折間距0 0和溫度及晶面指數(shù)和溫度及晶面指數(shù)k k有關(guān)，可由下式描述：有關(guān)，可由下式描述：32exp20kTEaL-原子間距；原子間距； E EL L臺階生成能臺階生成能面心立方（面心立方（111

25、111）面上臺階的）面上臺階的 0 0約為約為4.4. 簡單立方（簡單立方（100100）晶面上臺階的）晶面上臺階的 0 0約為約為3030實(shí)際中，表面會(huì)存在大量缺陷，如空位、位錯(cuò)實(shí)際中，表面會(huì)存在大量缺陷，如空位、位錯(cuò)露頭、晶界痕跡等。露頭、晶界痕跡等。據(jù)分析據(jù)分析1.4、表面擴(kuò)散、表面擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)擴(kuò)散散激激活活能能。幾幾何何因因素素決決定定的的常常數(shù)數(shù)擴(kuò)擴(kuò)散散系系數(shù)數(shù)；擴(kuò)擴(kuò)散散時(shí)時(shí)間間；QRTQDDCDtDtcX)52(exp)42(0_擴(kuò)散途徑擴(kuò)散途徑體體擴(kuò)散擴(kuò)散表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散晶界擴(kuò)散晶界擴(kuò)散位錯(cuò)擴(kuò)散位錯(cuò)擴(kuò)散1.5、固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附、固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附1.5.1

26、 吸附的基本特性吸附的基本特性物體表面上的原子或分子力場不飽物體表面上的原子或分子力場不飽和，有吸附周圍其他物質(zhì)分子的能和，有吸附周圍其他物質(zhì)分子的能力，即所謂吸附作用力，即所謂吸附作用有二類：有二類：物理吸附物理吸附-范得華力范得華力化學(xué)吸附化學(xué)吸附-化學(xué)鍵化學(xué)鍵1.5.2 固體對氣體的吸附固體對氣體的吸附任何氣體在其臨界任何氣體在其臨界下，都會(huì)吸附于固體表面，即下，都會(huì)吸附于固體表面，即發(fā)生物理吸附物理吸附不發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，最多發(fā)生物理吸附物理吸附不發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，最多只有電子云中心的變動(dòng)只有電子云中心的變動(dòng)物理吸附容易解吸，為可逆過程；物理吸附容易解吸，為可逆過程； 化學(xué)吸附很難解吸，為

27、不可逆過程；化學(xué)吸附很難解吸，為不可逆過程；并不是任何氣體在任何表面都可以發(fā)生化學(xué)吸并不是任何氣體在任何表面都可以發(fā)生化學(xué)吸附。如附。如H2可以在可以在Ni的表面發(fā)生化學(xué)吸附，而在的表面發(fā)生化學(xué)吸附，而在Al 上則不能。上則不能。1.5.3 固體對液體的吸附固體對液體的吸附電解質(zhì)吸附電解質(zhì)吸附使固體表面帶電使固體表面帶電oror雙電層的組雙電層的組 織發(fā)生變化，也可以產(chǎn)生離子交織發(fā)生變化，也可以產(chǎn)生離子交換。換。電鍍電鍍非電解質(zhì)吸附非電解質(zhì)吸附單分子層吸附，吸附層以外就單分子層吸附，吸附層以外就是本體相溶液。是本體相溶液。吸附熱很小，相吸附熱很小，相當(dāng)于溶解熱。當(dāng)于溶解熱。固體對液體的吸附也分

28、為物理吸附和化學(xué)吸附。固體對液體的吸附也分為物理吸附和化學(xué)吸附。普通潤滑油，極化了普通潤滑油，極化了的長鏈油分子與金屬的長鏈油分子與金屬表面發(fā)生較弱的分子表面發(fā)生較弱的分子引力結(jié)合形成物理吸引力結(jié)合形成物理吸附膜。附膜。16烷烷化學(xué)吸附往往是首先化學(xué)吸附往往是首先形成物理吸附，然后形成物理吸附，然后在界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成化學(xué)吸附。結(jié)轉(zhuǎn)化成化學(xué)吸附。結(jié)合能高，不可逆。合能高，不可逆。 硬酸脂與硬酸脂與FeO作用生作用生成硬脂酸鐵皂膜成硬脂酸鐵皂膜1.5.4 固體表面之間的吸附固體表面之間的吸附兩表面必須靠近到原子間距的范圍內(nèi)，才能產(chǎn)生兩表面必須靠近到原子間距的范圍內(nèi)，才能產(chǎn)生

29、固體表面吸附。固體表面吸附。用粘附功描述粘附程度：用粘附功描述粘附程度：ABBAABW 表面污染影響很大。如鐵若在水銀中斷裂，裂表面污染影響很大。如鐵若在水銀中斷裂，裂開面可以再粘合起來，而在空氣中就不行。開面可以再粘合起來，而在空氣中就不行。1.5.5 吸附對材料力學(xué)性能的影響吸附對材料力學(xué)性能的影響萊賓杰爾效應(yīng)萊賓杰爾效應(yīng)由于環(huán)境介質(zhì)的作用，材料的強(qiáng)度、塑性、耐磨性由于環(huán)境介質(zhì)的作用，材料的強(qiáng)度、塑性、耐磨性等力學(xué)性能會(huì)下降。等力學(xué)性能會(huì)下降。原原 因因1. 1. 不可逆物理過程效應(yīng)不可逆物理過程效應(yīng) 如：腐蝕不改變力學(xué)性能，通如：腐蝕不改變力學(xué)性能，通過減小尺寸使性能下降過減小尺寸使性能

30、下降2. 2. 可逆物理和化學(xué)過程效應(yīng)可逆物理和化學(xué)過程效應(yīng) 使表面自由能下降，力學(xué)性能發(fā)使表面自由能下降，力學(xué)性能發(fā)生變化萊賓杰爾效應(yīng)生變化萊賓杰爾效應(yīng)例：玻璃、石膏吸附水蒸氣后，強(qiáng)度下降；例：玻璃、石膏吸附水蒸氣后，強(qiáng)度下降； 銅表面覆蓋熔融薄膜后，使塑性大大下降。銅表面覆蓋熔融薄膜后，使塑性大大下降。環(huán)境介質(zhì)的影響有很明顯的化學(xué)特征；環(huán)境介質(zhì)的影響有很明顯的化學(xué)特征；1表面活性熔融物的作用十分迅速；表面活性熔融物的作用十分迅速；3只要很少量的表面活性物質(zhì)就可以產(chǎn)生萊氏效應(yīng)；只要很少量的表面活性物質(zhì)就可以產(chǎn)生萊氏效應(yīng)；2u只有對該金屬為表面活性的液態(tài)金屬才能產(chǎn)只有對該金屬為表面活性的液態(tài)金

31、屬才能產(chǎn)生影響。如水銀降低生影響。如水銀降低Zn的強(qiáng)度和塑性，但對鎘的強(qiáng)度和塑性，但對鎘無影響無影響u微米級的薄膜就可導(dǎo)致脆性破壞，與溶解和微米級的薄膜就可導(dǎo)致脆性破壞，與溶解和腐蝕不同；腐蝕不同；u幾滴活性熔融金屬就能引起低應(yīng)力解理脆性幾滴活性熔融金屬就能引起低應(yīng)力解理脆性斷裂；斷裂；表面活性物的作用是可逆的；表面活性物的作用是可逆的；4u但熔融物在無應(yīng)力試樣中沿晶界擴(kuò)但熔融物在無應(yīng)力試樣中沿晶界擴(kuò)散的情況例外。散的情況例外。萊氏效應(yīng)的產(chǎn)生需要拉應(yīng)力與活性物質(zhì)同時(shí)起作用；萊氏效應(yīng)的產(chǎn)生需要拉應(yīng)力與活性物質(zhì)同時(shí)起作用；5是金屬表面對活性是金屬表面對活性介質(zhì)的吸附，使表介質(zhì)的吸附，使表面原子的不

32、飽和鍵面原子的不飽和鍵得到補(bǔ)償，使表面得到補(bǔ)償，使表面能降低，改變了表能降低，改變了表面原子之間的相互面原子之間的相互作用，使金屬的表作用，使金屬的表面強(qiáng)度降低。面強(qiáng)度降低。1.6、固體表面潤濕、固體表面潤濕1.6.1 潤濕現(xiàn)象與機(jī)理潤濕現(xiàn)象與機(jī)理潤濕潤濕液體在固體表面鋪展的現(xiàn)象液體在固體表面鋪展的現(xiàn)象u水滴與玻璃，能被水潤濕親水，如玻璃、石英、方水滴與玻璃，能被水潤濕親水，如玻璃、石英、方解石、長石等。解石、長石等。 u水滴與石蠟，不能被水潤濕疏水，如石蠟、石墨、水滴與石蠟，不能被水潤濕疏水，如石蠟、石墨、硫磺等。硫磺等。(TiO2光致親水光致親水)用潤濕角用潤濕角 來描述潤濕程度來描述潤濕

33、程度 90 90 為潤濕，為潤濕， 越小，潤濕越好；越小，潤濕越好； 9090 為不潤濕；為不潤濕；=0=0 和和 =180 =180 時(shí)，則稱為完全潤濕和完全不潤濕。時(shí)，則稱為完全潤濕和完全不潤濕。三力互相平衡，合力為三力互相平衡，合力為0 0，有：，有：不不潤潤濕濕，為為時(shí)時(shí)，潤潤濕濕，為為時(shí)時(shí)，方方程程。90cos90cos)82(/cos:)72(cos LSGSLSGSGLLSGSGLLSGSYoungOR潤濕與否取決于液體的內(nèi)聚力和液潤濕與否取決于液體的內(nèi)聚力和液- -固分子間的粘附固分子間的粘附力的相對大小。若后者大，則潤濕；反之則不潤濕。力的相對大小。若后者大，則潤濕；反之則不

34、潤濕。1.6.2 鋪展系數(shù)鋪展系數(shù)鋪鋪展展。在在粗粗糙糙表表面面上上可可能能自自發(fā)發(fā)不不能能自自發(fā)發(fā)鋪鋪展展的的液液體體，在在光光滑滑表表面面大大于于光光滑滑表表面面。換換言言之之粗粗糙糙表表面面的的鋪鋪展展系系數(shù)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)）（）（）可可修修正正為為：時(shí)時(shí)，式式（當(dāng)當(dāng)固固體體表表面面粗粗糙糙度度為為時(shí)時(shí)，液液在在固固上上不不鋪鋪展展。標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。了了，鋪鋪展展是是潤潤濕濕的的最最高高或或者者說說潤潤濕濕角角已已不不存存在在，即即：表表面面自自動(dòng)動(dòng)展展開開；在在時(shí)時(shí)，當(dāng)當(dāng)1021cos9200/ iSiSSLSGLSLSLGLLSGSSL) 92() 1(cos/ GLGLLSGSSLS定義為：定義為

35、：1.6.3 潤濕理論的應(yīng)用潤濕理論的應(yīng)用a.a.通過改變通過改變 來調(diào)整來調(diào)整 ，加入表面活性物質(zhì)來減，加入表面活性物質(zhì)來減 小小 ，使?jié)櫇癯潭仍龃螅换蚣尤氡砻娑栊晕镔|(zhì)，使?jié)櫇癯潭仍龃?；或加入表面惰性物質(zhì)來增大來增大 ，使?jié)櫇癯潭冉档?。，使?jié)櫇癯潭冉档?。（透析膜）（透析膜）b.b.改變鋪展系數(shù)來增加潤濕性，如增加粗糙度或改變鋪展系數(shù)來增加潤濕性，如增加粗糙度或增加中間過渡層（自熔合金）增加中間過渡層（自熔合金）c.c.不粘鍋，在最表面上涂覆一層憎水性的高分子不粘鍋，在最表面上涂覆一層憎水性的高分子材料，如聚四氟乙烯等。材料，如聚四氟乙烯等。第二節(jié)第二節(jié) 材料磨損原理及其耐磨性材料磨損原理及其

36、耐磨性磨損不像力學(xué)性能那樣屬于材料的固有特性，它磨損不像力學(xué)性能那樣屬于材料的固有特性，它受到摩擦學(xué)系統(tǒng)中接觸條件、工況、環(huán)境、介質(zhì)受到摩擦學(xué)系統(tǒng)中接觸條件、工況、環(huán)境、介質(zhì)等多方面因素的影響，是一系統(tǒng)性質(zhì)。等多方面因素的影響，是一系統(tǒng)性質(zhì)。材料的磨損始于表面，材料表面性能是決定材料材料的磨損始于表面，材料表面性能是決定材料耐磨性的關(guān)鍵。耐磨性的關(guān)鍵。掌握材料摩擦與磨損的基本過程與規(guī)律，是正掌握材料摩擦與磨損的基本過程與規(guī)律，是正確選擇或設(shè)計(jì)表面工程技術(shù)與材料的基礎(chǔ)。確選擇或設(shè)計(jì)表面工程技術(shù)與材料的基礎(chǔ)。引引子子2.1、固體材料的摩擦與磨損、固體材料的摩擦與磨損摩摩擦擦相互接觸的物體相對運(yùn)動(dòng)時(shí)

37、產(chǎn)生的阻力。相互接觸的物體相對運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力。磨磨損損相互接觸的物體相對運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的物體損相互接觸的物體相對運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的物體損失或殘余變形。失或殘余變形。 摩擦力與兩接觸體之間的表面接觸面摩擦力與兩接觸體之間的表面接觸面積無關(guān)；積無關(guān)； 摩擦力與兩接觸體之間的法向載荷成摩擦力與兩接觸體之間的法向載荷成正比；正比； 兩個(gè)相對運(yùn)動(dòng)物體表面的界面滑動(dòng)摩兩個(gè)相對運(yùn)動(dòng)物體表面的界面滑動(dòng)摩擦阻力與滑動(dòng)速度無關(guān)。擦阻力與滑動(dòng)速度無關(guān)。 F= F= N N摩擦三定律摩擦三定律摩擦摩擦干摩擦干摩擦邊界潤滑摩擦邊界潤滑摩擦流體潤滑摩擦流體潤滑摩擦滾動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦干摩擦干摩擦 無潤滑摩擦無潤滑摩擦 制動(dòng)，傳動(dòng)制動(dòng)

38、，傳動(dòng)邊界潤滑邊界潤滑摩擦摩擦 接觸面之間存在油膜（接觸面之間存在油膜（1個(gè)分子個(gè)分子0.1m厚），使厚），使F增加增加2-10倍；倍；流體潤滑摩擦流體潤滑摩擦 對磨表面完全被油膜隔開，靠油膜的壓力對磨表面完全被油膜隔開，靠油膜的壓力平衡外載，平衡外載，F(xiàn) 取決于潤滑油的內(nèi)摩擦系數(shù)，取決于潤滑油的內(nèi)摩擦系數(shù)，最小，最小，F(xiàn)與接與接觸表面無關(guān)；觸表面無關(guān)；滾動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦 磨損磨損磨粒磨損磨粒磨損疲勞疲勞磨損磨損沖蝕磨損沖蝕磨損腐蝕腐蝕磨損磨損粘著粘著磨損磨損高溫磨損高溫磨損微動(dòng)磨損微動(dòng)磨損2.2、粘著磨損、潤滑和固體潤滑、粘著磨損、潤滑和固體潤滑2.2.1 粘著磨損機(jī)理粘著磨損機(jī)理摩擦面摩擦面

39、的名義的名義接觸面接觸面積與實(shí)積與實(shí)際接觸際接觸面積面積2.2.2 流體潤滑和邊界潤滑流體潤滑和邊界潤滑幾種可能發(fā)生粘著磨損的典型情況：幾種可能發(fā)生粘著磨損的典型情況：邊界邊界潤滑潤滑如果壓力太大，零件運(yùn)行速度太低，或表面粗如果壓力太大，零件運(yùn)行速度太低，或表面粗糙度太高，將會(huì)發(fā)生油膜刺穿現(xiàn)象，即發(fā)生微糙度太高，將會(huì)發(fā)生油膜刺穿現(xiàn)象，即發(fā)生微凸體之間的接觸而導(dǎo)致磨損的增加。此時(shí)的磨凸體之間的接觸而導(dǎo)致磨損的增加。此時(shí)的磨損狀態(tài)稱為損狀態(tài)稱為邊界潤滑邊界潤滑。2.2.3 固體潤滑固體潤滑航空、航天等領(lǐng)域要求在高負(fù)荷，超低溫，強(qiáng)氧化，航空、航天等領(lǐng)域要求在高負(fù)荷，超低溫，強(qiáng)氧化，強(qiáng)輻射，超高真空，

40、高溫，特殊極限環(huán)境下工作，一強(qiáng)輻射，超高真空，高溫，特殊極限環(huán)境下工作，一般流體潤滑無法滿足。般流體潤滑無法滿足。固體潤滑是利用剪切力低的固體材料來減少接觸表固體潤滑是利用剪切力低的固體材料來減少接觸表面之間摩擦與磨損的一種潤滑方式。大致可分為以面之間摩擦與磨損的一種潤滑方式。大致可分為以下三類：下三類：固體粉末潤滑固體粉末潤滑固體潤滑薄膜固體潤滑薄膜自潤滑復(fù)合材料自潤滑復(fù)合材料與潤滑油混合與潤滑油混合, ,利用轉(zhuǎn)動(dòng)部件使粉末飛揚(yáng)；或制成利用轉(zhuǎn)動(dòng)部件使粉末飛揚(yáng)；或制成懸浮液，浸漬在多孔材料潤滑懸浮液，浸漬在多孔材料潤滑 粘接固體潤滑膜（簡稱干膜）：將固體潤滑粘接固體潤滑膜（簡稱干膜）：將固體潤

41、滑劑與粘結(jié)劑混合后涂抹劑與粘結(jié)劑混合后涂抹 化學(xué)反應(yīng)潤滑膜化學(xué)反應(yīng)潤滑膜 化化化化化化 電鍍和氣相沉積電鍍和氣相沉積金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 潤滑粉與金屬粉壓制燒結(jié)潤滑粉與金屬粉壓制燒結(jié)塑料基復(fù)合材料塑料基復(fù)合材料 固潤與塑料組合，構(gòu)成塑料復(fù)合材料固潤與塑料組合，構(gòu)成塑料復(fù)合材料基復(fù)合材料基復(fù)合材料 焦碳，石墨，碳墨等與瀝青焦油，合成焦碳，石墨，碳墨等與瀝青焦油，合成 樹脂擠壓成型燒結(jié)，形成多孔復(fù)合材料樹脂擠壓成型燒結(jié)，形成多孔復(fù)合材料鋼鐵零件中幾種典型固體潤滑材料的摩擦系數(shù)鋼鐵零件中幾種典型固體潤滑材料的摩擦系數(shù)固體潤滑的摩擦系數(shù)與工作環(huán)境有關(guān)固體潤滑的摩擦系數(shù)與工作環(huán)境有關(guān)2.2.4

42、影響固體材料粘著磨損性能的因素影響固體材料粘著磨損性能的因素真空條件下大多數(shù)金屬的磨損嚴(yán)重，而在大氣條件真空條件下大多數(shù)金屬的磨損嚴(yán)重，而在大氣條件下，許多金屬表面能生成氧化膜，有效防止粘著。下，許多金屬表面能生成氧化膜，有效防止粘著。材料的硬度越高，耐磨性越好。材料體系一定時(shí)，可材料的硬度越高，耐磨性越好。材料體系一定時(shí)，可采用涂層或其它表面處理工藝增加表面硬度。采用涂層或其它表面處理工藝增加表面硬度。：密排六方面心體心；冶金上互熔性好的一對金屬摩：密排六方面心體心；冶金上互熔性好的一對金屬摩擦副摩擦系數(shù)和磨損率高。周期表上相距較遠(yuǎn)的元素不易互擦副摩擦系數(shù)和磨損率高。周期表上相距較遠(yuǎn)的元素不

43、易互熔，也不易粘著。熔，也不易粘著。一方面，一方面，增加，硬度降低，互溶性增強(qiáng)，磨損嚴(yán)重；增加，硬度降低，互溶性增強(qiáng)，磨損嚴(yán)重；另一方面，另一方面，增加，增加， 氧化增加，也可影響磨損性能氧化增加，也可影響磨損性能。2.3、磨粒磨損、磨粒磨損2.3.1 磨粒磨損過程中材料去除機(jī)理磨粒磨損過程中材料去除機(jī)理如果將被磨損材料簡化為絕對剛體，將硬質(zhì)磨粒如果將被磨損材料簡化為絕對剛體，將硬質(zhì)磨粒簡化為一個(gè)三角錐體，磨損過程如下：簡化為一個(gè)三角錐體，磨損過程如下：材料的磨損體積與載荷，材料硬度材料的磨損體積與載荷，材料硬度以及滑動(dòng)距離有關(guān)以及滑動(dòng)距離有關(guān)：)132(1LKPHVK K 為比例系數(shù)，與多因

44、素有關(guān)為比例系數(shù)，與多因素有關(guān)磨料直徑斷裂韌性；dKLHKdKPVcC)142(214321452.3.2 磨粒磨損過程的影響因素磨粒磨損過程的影響因素磨粒特性的影響磨粒特性的影響1硬度、形狀、粒度硬度、形狀、粒度a a）磨粒硬度的影響）磨粒硬度的影響Ha-磨粒硬度，磨粒硬度， Hm-材料硬度；材料硬度； Ha/Hm1.2 硬磨粒磨損，硬度增加對磨損影響不大；硬磨粒磨損，硬度增加對磨損影響不大； 但：但：1Ha/Hm 多角多角 圓粒圓粒c c）磨粒粒度的影響）磨粒粒度的影響磨粒在臨界尺寸以下時(shí)，磨損隨尺寸磨粒在臨界尺寸以下時(shí)，磨損隨尺寸增加急劇增加；超過這一尺寸時(shí)，其增加急劇增加；超過這一尺寸時(shí)，其增大的幅度顯著降低。增