表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ)

1、第二章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ)1、固體的表面與界面 2、材料磨損原理及其耐磨性 3、金屬腐蝕原理與防護(hù)技術(shù)1.1表面和界面(surface and interface)相：物質(zhì)存在的某種狀態(tài)或結(jié)構(gòu)，通常稱為某一相。在一個非均勻的體系中,至少存在著兩個性質(zhì)不同的相。兩相共存必然有界面。可見，界面是體系不均勻性的結(jié)果。一般指兩相接觸的約幾個分子厚度的過渡區(qū)，若其中一相為氣體，這種界面通常稱為表面。 常見的界面有：氣-液界面，氣-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。 嚴(yán)格講表面應(yīng)是液體和固體與其飽和蒸氣之間的界面，但習(xí)慣上把液體或固體與空氣的界面稱為液體或固體的表面。表面和界面(sur

2、face and interface)常見的界面有：表面和界面(surface and interface)2.氣-固界面表面和界面(surface and interface)3.液-液界面表面和界面(surface and interface)4.液-固界面表面和界面(surface and interface)5.固-固界面我們研究的對象是表面。對于固體材料與氣體界面，又有兩種不同的對象：（1）清潔表面（2）實際表面清潔表面清潔表面經(jīng)過諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空中解理、蒸發(fā)薄膜、場效應(yīng)蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、分子束外延等特殊處理后，保持在106Pa109Pa超高真空下外來沾污少到不能用一般

3、表面分析方法探測的表面。實際表面實際表面暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經(jīng)過一定加工處理（如切割、研磨、拋光、清洗等），保持在常溫和常壓（也可能在低真空或高溫）下的表面。二、清潔表面結(jié)構(gòu)1清潔表面的一般情況依熱力學(xué)的觀點，表面附近的原子排列總是趨于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到這種穩(wěn)定態(tài)的方式有兩種：一是自行調(diào)整，原子排隊列情況與材料內(nèi)部明顯不同；二是依靠表面成分偏析和表面對外來原子或分子的吸附以及兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)，因而使表面組分與材料內(nèi)部不同。表2-3 幾種清潔表面的結(jié)構(gòu)和特點 表面晶體結(jié)構(gòu)：晶體表面的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，一般大約要經(jīng)過46個原子層之后才與體內(nèi)基本相似，

4、所以晶體表面實際上只有幾個原層子范圍。晶體表面的缺陷：平臺、臺階、扭折、表面吸附、表面空位、位錯。各種材料表面上的點缺陷類型和濃度都依一定條件而定，最為普遍的是吸附。TLK模型（Terrace,Ledge,Kink） 單晶表面的TLK模型已被低能電子衍射（LEED）等表面分析結(jié)果所證實實際表面結(jié)構(gòu)1表面粗糙度從宏觀看，經(jīng)過切削、研磨、拋光的固體表面似乎很平整，然而從微觀角度觀察會發(fā)現(xiàn)表面有明顯的起伏、同時不可能有裂縫、空洞等。（1） 輪廓算術(shù)平均偏差：Ra（2） 微觀不平度+點高度：Rz（3） 輪廓最大高度：Ry四.固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附吸附的基本特性物體表面上的原子或分子力場不飽和，有

5、吸附周圍其他物質(zhì)分子的能力，即所謂吸附作用吸附是固體表面最重要的性質(zhì)之一.有二類：物理吸附-范得華力. 作用力小. 化學(xué)吸附-化學(xué)鍵 作用力大.物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別比較項物理吸附化學(xué)吸附吸附熱接近液化熱1-40kJ.mol-1接近反應(yīng)熱40-400kJ.mol-1吸附力范德華力，弱化學(xué)鍵，強(qiáng)吸附層單分子層或多分子層僅單分子層吸附選擇性無有吸附速率快慢吸附活化能不需需要，且較高吸附溫度低溫較高溫度吸附層結(jié)構(gòu)基本等同吸附分子結(jié)構(gòu)形成新的化合態(tài)固體對氣體的吸附任何氣體在其臨界下，都會吸附于固體表面，即發(fā)生物理吸附物理吸附不發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，最多只有電子云中心的變動物理吸附容易解吸，為可逆過程；氣體

6、發(fā)生化學(xué)吸附則是有選擇性的. H2可以在Ni的表面發(fā)生化學(xué)吸附，而在Al 上則不能。對大多數(shù)金屬而言，吸附強(qiáng)度按下列排列： O2C2H2C2H4COH2CO2N2氣相沉積薄膜，氣體滲C，滲N等?；瘜W(xué)吸附很難解吸，為不可逆過程；3 固體對液體的吸附電解質(zhì)吸附：使表面帶電或帶電層的組織發(fā)生變化，產(chǎn)生離子交換。 電鍍非電解吸附：單分子吸附溶液正吸附（吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比本體相大）；反之溶液負(fù)吸附；固體對液體的吸附也分為物理吸附和化學(xué)吸附。 潤滑油普通潤滑油，極化了長鏈油分子與金屬表面發(fā)生較弱的分子引力結(jié)合形成物理吸附膜，16烷與T有關(guān)化學(xué)吸附往往是首先形成物理吸附，然后在界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成化學(xué)吸

7、附，結(jié)合能高，不可逆。 硬酸脂與FeO作用生成硬脂酸鐵皂膜適用于較高溫度4 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)生固體表面吸附。 新鮮玻璃絲用粘附功描述粘附程度：表面污染影響很大。 鐵在水銀，空氣中5 吸附對材料力學(xué)性能的影響萊賓杰爾效應(yīng)由于環(huán)境介質(zhì)的作用，材料的強(qiáng)度、塑性、耐磨性等力學(xué)性能下降的現(xiàn)象。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。萊賓杰爾效應(yīng)具有如下顯著特征：環(huán)境介質(zhì)的影響有很明顯的化學(xué)特征； 使表面活化的金屬 水降低Zn的和，但對鎘無影響，雖然同族，同晶格點陣。2. 只要很少量的表面活性物質(zhì)就可以產(chǎn)生萊氏效應(yīng)； 微米級

8、的薄膜就可導(dǎo)致脆性破壞，與溶解和腐蝕不同；幾滴活性熔融金屬就能引起低應(yīng)力解理脆性斷裂；3. 表面活性熔融物的作用十分迅速；4. 表面活性物的作用是可逆的；去除后性能 恢復(fù)5. 萊氏效應(yīng)的產(chǎn)生需要拉應(yīng)力與活性物質(zhì)同時起作用； 沿晶界擴(kuò)散例外6.固體表面潤濕潤濕現(xiàn)象與機(jī)理 液體在固體表面鋪展的現(xiàn)象，稱為潤濕。能被水潤濕的物質(zhì)叫親水物質(zhì)。（玻璃、石英等）不能被水潤濕的物質(zhì)叫疏水物質(zhì)。（石蠟、石墨、硫磺等）用潤濕角來描述潤濕程度90 為潤濕， 越小，潤濕越好；90為不潤濕；=0和=180 時，則稱為完全潤濕和完全不潤濕。7.固體表面潤濕的大小與界面張力有關(guān)：三力互相平衡，合力為0，有：引 言2材料磨損

9、原理及耐磨性 摩擦現(xiàn)象是自然界中普遍存在的物理現(xiàn)象。對于機(jī)器來講，摩擦?xí)剐式档?，溫度升高，表面磨損。過大的磨損會使機(jī)器喪失應(yīng)有的精度，進(jìn)而產(chǎn)生振動和噪音，縮短使用壽命。 世界上使用的能源大約有 1/31/2 消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。 機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢。 潤滑是減小摩擦、減小磨損、提高機(jī)械效率的最常用最有效方法。 關(guān)于摩擦、磨損與潤滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)。 本章主要介紹有關(guān)摩擦、磨損和潤滑的一些基礎(chǔ)知識。 3-1 摩 擦3-1摩 擦一、摩擦的分類靜 摩 擦動 摩 擦1 按運動的狀態(tài)不同分為：滑動摩擦滾動摩擦2 按運動的形式不

10、同分為：干摩擦邊界摩擦流體摩擦混合摩擦3 滑動摩擦按潤滑狀態(tài)不同分為：摩 擦2摩 擦二、滑動摩擦的四種摩擦狀態(tài) 1）干摩擦：是指表面間無任何潤滑劑或保護(hù)膜，表面金屬直接接觸時的摩擦。 2）邊界摩擦：是指兩摩擦面被吸附在表面的邊界膜隔開，摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面吸附性能的摩擦。 研究干摩擦的理論主要 有：“機(jī)械理論”、“分子理論”、“機(jī)械分子理論”等。 其摩擦阻力最大，磨損最嚴(yán)重。摩 擦 潤滑劑中的極性分子與金屬表面相互吸引，形成定向排列的分子?xùn)?，稱為物理吸附膜。 潤滑油靠物理吸附形成邊界膜的能力，稱為油性。 潤滑劑中的活性分子靠離子鍵吸附在金屬表面上形成的吸附膜，稱為化學(xué)吸附膜。 吸附膜反應(yīng)

11、膜邊界膜分為：物理吸附膜化學(xué)吸附膜 在潤滑劑中添加入硫、磷、氯等元素，它們與表面金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的邊界膜，稱為反應(yīng)膜。 邊界摩擦靠邊界膜起潤滑作用，邊界膜的類型如下： 摩 擦 ）流體摩擦：是指摩擦表面完全被流體膜隔開，摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦。 能生成反應(yīng)膜的潤滑油稱為極壓油。 注：溫度對邊界膜的影響很大。溫度越高，邊界膜越容易破壞。 反應(yīng)膜在高溫下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反應(yīng)膜，這種能力稱為極壓性。 其摩擦系數(shù)最小，且不會產(chǎn)生磨損，是理想的摩擦狀態(tài)。 邊界摩擦和混合摩擦在工程實際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱為邊界摩擦。4）混合摩擦：是指摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的

12、混合狀態(tài)。 混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系數(shù)比邊界摩擦?xí)r要小得多。摩 擦 磨損主要是運動副中的摩擦導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。磨損會影響機(jī)器的效率，降低工作的可靠性，促使機(jī)器提前報廢。2-2 磨 損 單位時間（或單位行程、轉(zhuǎn)等）材料的損失量，稱為磨損率。 耐磨性：是指材料抵抗脫落的能力。與磨損率成倒數(shù)關(guān)系。 一、典型宏觀磨損過程 磨損量時間磨合穩(wěn)定磨損劇烈磨損 一個機(jī)械零件的磨損過程大體可分為三個階段：1）磨合階段 磨合（跑合）：是指新零件在運轉(zhuǎn)初期的磨損。 新的摩擦副表面比較粗糙，真實微觀接觸面積比較小，壓強(qiáng)大，因此運轉(zhuǎn)初期的磨損比較快。但是，磨損以后表面的微觀凸峰降低，接觸面積

13、增大，壓強(qiáng)減小，磨損的速度逐漸減慢。 新摩擦表面的微觀形貌2）穩(wěn)定磨損階段 這個階段屬于零件的正常工作階段，磨損率穩(wěn)定且較低。這一階段的長短直接影響機(jī)器的壽命。 3）劇烈磨損階段 零件經(jīng)長時間工作磨損以后，表面精度下降，效率降低，溫度升高，沖擊振動加大，導(dǎo)致磨損加劇，最終導(dǎo)致零件報廢。磨 損注： 應(yīng)該力求縮短磨合期，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來。二、磨損的類型 磨 損 按磨損的機(jī)理不同，機(jī)械零件的磨損大體分為四種基本類型： 1）粘著磨損也稱膠合 2）疲勞磨損即疲勞點蝕 3）磨粒磨損也稱磨料磨損， 4）腐蝕磨損 摩擦表面的微觀凸峰粘在一起后，在相對運動中，材料從一個表面遷移到另一個表面，便

14、形成粘著磨損。 是外界的硬顆?；虼植诘挠脖砻嬖谙鄬\動中，對摩擦表面的擦傷所引起的磨損。 是高副（點、線接觸）機(jī)械零件的常件磨損形式。 摩擦表面在摩擦過程中，伴隨有表面材料被腐蝕的現(xiàn)象，這種情況下產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。 三、減小磨損的主要方法 （1）潤滑是減小摩擦、減小磨損的最有效的方法。 （2）合理選擇摩擦副材料 （3）進(jìn)行表面處理 （4）注意控制摩擦副的工作條件等磨 損 除了上述四種基本磨損類型以外，還有侵蝕磨損、微動磨損等其他形式。2-3 潤 滑潤滑：是指在兩個摩擦表面之間加入潤滑劑，以減小摩擦和磨損。 此外，潤滑還可起到散熱降溫，防銹、防塵，緩沖吸振等作用。 一、潤滑的分類 1）流體

15、動力潤滑： 靠兩摩擦表面的相對運動建立壓力油膜（稱 為動壓油膜），兩表面被壓力油膜完全分開，實現(xiàn)流體潤滑。 2）流體靜力潤滑： 兩摩擦表面被外部供油裝備輸入的壓力油完全分開，強(qiáng)迫形成壓力油膜，實現(xiàn)流體潤滑。 3）彈性流體動力潤滑： 是指理論上為點、線接觸的摩擦副， 在考慮表面的彈性變形等因素的基礎(chǔ)上建立的流體動力潤滑。4）邊界潤滑和混合潤滑 （即邊界摩擦和混合摩擦）。 三 金屬腐蝕原理及防護(hù)技術(shù)金屬材料腐蝕非金屬材料腐蝕化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕材料類型腐蝕機(jī)理分類依據(jù)（化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕）微生物腐蝕材料在腐蝕和一定應(yīng)力共同作用發(fā)生的破壞。 （1）金屬的化學(xué)腐蝕 指金屬與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用，生成金屬

16、化合物并使材料性能退化的現(xiàn)象。 金屬氧化和環(huán)境介質(zhì)的還原同時發(fā)生，它們之間的電子交換是直接進(jìn)行的，沒有電流的產(chǎn)生。 干燥氣體介質(zhì)腐蝕（氧化/硫化/氫蝕等），如鋼鐵高溫下被氧氣氧化。 液體介質(zhì)的腐蝕（沒有構(gòu)成原電池）3.2 腐蝕與防護(hù)基本原理（2）金屬的電化學(xué)腐蝕 金屬與電解質(zhì)溶液間產(chǎn)生電化學(xué)作用產(chǎn)生的腐蝕稱電化學(xué)腐蝕，特點是產(chǎn)生電流。 a)腐蝕原電池 b)微電池與宏電池 c)濃差電池微電池：金屬表面不同部分電位不同，構(gòu)成陽極和陰極，從而形成微電池。宏電池：不同金屬在同一種電解質(zhì)溶液中構(gòu)成的腐蝕電池。濃差電池：一種金屬盛有同一電解質(zhì)溶液，介質(zhì)在不同區(qū)域濃度不一，形成腐蝕電池。金屬材料被腐蝕破壞的

17、形態(tài) 金屬腐蝕破壞的形態(tài)（1）全面腐蝕（均勻腐蝕）定義：如果腐蝕是在整個金屬的表面上進(jìn)行的，則稱為全面腐蝕（2）局部腐蝕（非均勻腐蝕）：具體又分為區(qū)域腐蝕、點腐蝕（孔腐蝕）、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、表面下腐蝕，微生物腐蝕等局部腐蝕之電偶腐蝕1.電偶腐蝕的概念異種金屬彼此接觸或通過其它導(dǎo)體連通，處于同一介質(zhì)中，會造成接觸部分的局部腐蝕。其中電位較低的金屬，溶解速度增大，電位較高的金屬，溶解速度反而減小，這種腐蝕稱為電偶腐蝕，或稱接觸腐蝕、雙金屬腐蝕。加入中間金屬的結(jié)構(gòu)1.孔蝕的定義及其特征1.1 定義孔蝕又叫點蝕、坑蝕，是一種集中發(fā)生在某些點處并向金屬內(nèi)部發(fā)展的孔、坑狀腐蝕。1.2 點蝕的形貌特征（

18、a）窄深、（b）橢圓形、（c）寬淺、（d）表面下面、（e）底切形、（f）水平形（g）垂直形局部腐蝕之孔腐蝕 環(huán)境因素介質(zhì)的類型介質(zhì)濃度介質(zhì)中其他陰離子的作用介質(zhì)溫度的影響溶液pH值的影響5.防止措施：選擇耐點蝕能力好的材料;材料表面改性；添加緩蝕劑4. 影響孔蝕的因素1.1 定義：金屬部件在介質(zhì)中，由于金屬與金屬或金屬與非金屬之間形成特別小的縫隙，使縫隙內(nèi)的介質(zhì)處于滯流狀態(tài)，引起縫內(nèi)金屬的加速腐蝕，這種局部腐蝕稱為縫隙腐蝕。1.2 形成縫隙腐蝕條件1.2.1金屬結(jié)構(gòu)的連接。1.2.2金屬與非金屬間的連接。1.2.3金屬表面的沉積物，附著物。1. 縫隙腐蝕的概念縫隙腐蝕2.1 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.

19、2 電化學(xué)保護(hù)2.3 應(yīng)用緩蝕劑2.4 及時清理金屬表面的非金屬沉積物2. 防止縫隙腐蝕的措施 3.3 金屬材料腐蝕控制及防護(hù)方法：1、腐蝕防護(hù)設(shè)計（1）正確選材（根據(jù)前面材料的性能，選?。?）防蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計（3）防蝕強(qiáng)度設(shè)計（4）防蝕方法的選擇（電化學(xué)保護(hù)、涂層保護(hù)、緩蝕劑） 3.3 設(shè)備腐蝕設(shè)計（2）防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計原則： 構(gòu)件形狀盡量簡單、合理 簡單的結(jié)構(gòu)件易于采取防腐措施、排除故障，便于維修、保養(yǎng)和檢查。（2）防蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計 避免殘留液和沉積物造成腐蝕 應(yīng)力求將容器、設(shè)備內(nèi)部的液體排凈，避免滯留的液體、沉積物遺留在出口管及底部造成濃差腐蝕或沉積物腐蝕。（3）防蝕強(qiáng)度設(shè)計主要考慮材料的腐蝕裕量

20、、局部腐蝕強(qiáng)度和材料腐蝕強(qiáng)度變化。 腐蝕裕量的選擇：根據(jù)材料腐蝕速度取恰當(dāng)裕量。 局部腐蝕的強(qiáng)度設(shè)計 材料耐蝕強(qiáng)度特性的變化a電化學(xué)保護(hù)（陰極保護(hù); 陽極保護(hù)） （4）防止和減緩腐蝕的方法連接螺栓絕熱層腐蝕性介質(zhì)犧牲陽極被保護(hù)設(shè)備屏蔽層圖 犧牲陽極保護(hù)示意圖（箭頭表示電流方向）陰極保護(hù)a電化學(xué)保護(hù)（陰極保護(hù); 陽極保護(hù)） （4）防止和減緩腐蝕的方法輔助陽極被保護(hù)設(shè)備直流電源腐蝕性介質(zhì)圖 外加電流陰極保護(hù)示意圖（箭頭表示電流方向）陰極保護(hù) 這種方法是把要保護(hù)的鋼鐵設(shè)備作為陰極，用不溶性電極作為輔助陽極，在電解質(zhì)溶液里，接上直流電源，通電后，大量電子被強(qiáng)制流向被保護(hù)的陰極鋼鐵設(shè)備，使鋼鐵表面產(chǎn)生負(fù)電荷（電子）的積累.這樣抑制了鋼鐵失電子被氧化而腐蝕的反應(yīng). （4）防止和減緩腐蝕的方法 FeH2O體系的電位EpH簡圖 陽極保護(hù)（應(yīng)用不多）將被保護(hù)的金屬設(shè)備與外加的直流電流陽極相連，在一定的電解質(zhì)溶液中，把金屬的陽極電位極化到一定電位，使其由活化態(tài)轉(zhuǎn)入鈍化態(tài)，從而減輕或防止金屬設(shè)備腐蝕。陽極保護(hù)適用于那些電位正移時，金屬設(shè)備在所處的介質(zhì)中有鈍化行為的金屬-介質(zhì)體系。否則陽極極化將會加速腐蝕。被保護(hù)設(shè)備直流電源輔助陰極腐蝕性介質(zhì)圖 陽極保護(hù)示意圖（箭頭表示電流方