現(xiàn)代表面工程課件

1現(xiàn)代表面工程技術(shù)ModernSurfaceEngineeringandTechnology

1現(xiàn)代表面工程技術(shù)ModernSurfaceEngine第二章材料表面工程技術(shù)基本原理表面晶體學(xué)材料表面現(xiàn)象基體表面預(yù)處理第二章材料表面工程技術(shù)基本原理表面晶體學(xué)材料表面現(xiàn)象基體2.1表面晶體學(xué)理想表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)實際表面結(jié)構(gòu)2.1表面晶體學(xué)理想表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)實際表面結(jié)構(gòu)2.1.1理想表面結(jié)構(gòu)

理想表面是一種理論結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面。這里忽略了晶體內(nèi)部周期性勢場在晶體表面中斷的影響，同時也忽略了表面上原子的熱運(yùn)動以及出現(xiàn)的缺陷和擴(kuò)散現(xiàn)象，又忽略表面外界環(huán)境的作用等，因而把晶體的解理面認(rèn)為是理想表面。

由于表面界面的復(fù)雜多樣性，理想晶體表面可由二維晶格結(jié)構(gòu)描述，與三維情況不同的是，此時只可能存在5種布拉菲格子，9種點群和17種二維空間群。2.1.1理想表面結(jié)構(gòu)理想表面是一種理論結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)

從熱力學(xué)來看，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)到這個穩(wěn)定態(tài)的方式有兩種：

一、是自行調(diào)整，原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同。

二、是依靠表面的成分偏析和表面對外來原子或分子的吸附以及這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。2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)從熱力學(xué)來看，表面附近的原2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)

另一方面，晶體表面的最外一層也不是一個原子級的平整表面，因為這樣的熵值較小，盡管原子排列作了調(diào)整，但是自由能仍較高，所以清潔表面必然存在各種類型的表面缺陷。2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)另一方面，晶體表面的最2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)

制備清潔表面是困難的，在幾個原子范圍內(nèi)的清潔表面其偏離三維周期性結(jié)構(gòu)的主要特征，是表面弛豫、表面重構(gòu)和表面臺階結(jié)構(gòu)。2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)制備清潔表面是困難的，在2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)1）表面弛豫

表面馳豫實際上是原子的位移所引起的。晶體的三維周期性在表面處突然中斷，表面上原子的配位情況發(fā)生變化，并且表面原子附近的電荷分布也有改變，使表面原子所處的力場與體內(nèi)原子不同，因此表面上的原子會發(fā)生相對于正常位置的上、下位移以降低體系能量。表面上原子的這種位移（壓縮或膨脹）稱為表面弛豫。2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)1）表面弛豫2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)

表面弛豫的最明顯處是表面第一層原子與第二層之間距離的變化；體相越深弛豫效應(yīng)越弱，并且隨體相的加深而迅速消失。因此，通常只考慮第一層的弛豫效應(yīng)。在金屬、鹵化堿金屬化合物等離子晶體中，表面弛豫是普遍存在的。表面弛豫主要取決于表面斷鍵的情況，可以有壓縮效應(yīng)、弛豫效應(yīng)和起伏效應(yīng)。對于離子晶體，表層離子失去外層離子后破壞了靜電平衡，由于極化作用，可能會造成雙電層效應(yīng)。2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)表面弛豫的最明顯處是表2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2)表面重構(gòu)

在平行基底的表面原子的平移對稱性與體內(nèi)顯著不同，原子位置作了較大幅度的調(diào)整，這種表面結(jié)構(gòu)稱為重構(gòu)（或再構(gòu)）。3)表面臺階結(jié)構(gòu)

清潔表面實際上不會是完整表面，因為這種原子級的平整表面的熵很小，屬熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，故而清潔表面必然存在臺階結(jié)構(gòu)等表面缺陷。臺階的轉(zhuǎn)折處稱為扭折。實驗證實許多單晶體的表面有平臺、臺階和扭折。2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2)表面重構(gòu)2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)

理想的表面實際上是不存在的，純凈的清潔表面是很難制備的，特別在實際應(yīng)用中，經(jīng)常碰到的表面現(xiàn)象和表面過程也直接與表面弛豫有關(guān)。實際表面存在著缺陷、雜質(zhì)，其成分、濃度與體內(nèi)一般也不大相同。一般實際表面的情況又與許多重要過程密切相關(guān)。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)理想的表面實際上是不存在2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)1）表面粗糙度

從微觀水平看，即使宏觀看來非常光滑平整的表面實際上也是凹凸不平的，即表面是粗糙的。

表面粗糙度是指工件面上具有的較小間距的峰和谷所組成的微觀幾何形狀誤差，也稱微觀粗糙度。

表面粗糙度對材料的許多性能能有顯著的影響?？刂七@種微觀幾何形狀誤差，對于實現(xiàn)零件配合的可靠和穩(wěn)定、減小摩擦與磨損、提高接觸剛度和疲勞強(qiáng)度、降低振動與噪聲等有著不可低估的重要作用。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)1）表面粗糙度2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)2）貝爾比層和殘余應(yīng)力

貝爾比層是一種在固體材料表層5-10nm厚度因晶格格畸變等原因而產(chǎn)生的一種非晶態(tài)層，其成分為金屬和它的氧化物，其性能與體內(nèi)明顯不同。

例如金屬在研磨時，由于表面的不平整，接觸處實際上是“點”，其溫度可以遠(yuǎn)高于表面的平均溫度，但是由于作用時間短，而金屬導(dǎo)熱性又好，所以摩擦后該區(qū)域迅速冷卻下來，原子來不及回到平衡位置，造成一定程度的晶格畸變，深度可達(dá)幾十微米。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)2）貝爾比層和殘余應(yīng)力2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)

貝爾比層具有較高的耐磨性和耐蝕性，這在機(jī)械制造時可以利用。但是在其他許多場合，貝爾比層是有害的，例如在硅片上進(jìn)行外延、氧化和擴(kuò)散之前要用腐蝕法除掉貝爾比層，因為它會感生出位錯、層錯等缺陷而嚴(yán)重影響器件的性能。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)貝爾比層具有較高的耐磨2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)

殘余應(yīng)力是材料加工、處理后普遍存在的，它同樣影響著材料的各種性能。特別有一些表面加工處理，在材料表面產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。例如，焊接、過高溫度的熱處理所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。材料只要受熱不均勻，或各部分熱脹系數(shù)不同，在溫度變化過程中，材料內(nèi)都會產(chǎn)生熱應(yīng)力，這是一種內(nèi)應(yīng)力。

殘余內(nèi)應(yīng)力盡管對材料的各種性能有影響，但是在表面技術(shù)中，它也有可利用的一面。例如在沉積鍍膜過程中，沉積鍍膜層產(chǎn)生的壓應(yīng)力可顯著地提高沉積膜層與基休材料的結(jié)合強(qiáng)度(結(jié)合力)，也可提高零部件的抗疲勞強(qiáng)度和降低零部件的疲勞缺口敏感度。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力是材料加工、處理后2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)3)表面吸附和沾污

吸附、吸收和化學(xué)反應(yīng)是固體與氣體發(fā)生作用的三種表現(xiàn)。吸附是固體表面吸引氣體與之結(jié)合，以降低固體表面能的作用。吸收是固體的表面和內(nèi)部都容納氣體，使整個固體的能量發(fā)生變化?；瘜W(xué)反應(yīng)是固體與氣體的分子或離子間以化學(xué)鍵相互作用，形成新的物質(zhì)，整個固體的能量發(fā)生顯著的變化。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)3)表面吸附和沾污2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)

吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類。物理吸附中固體表面與被吸附分子之間的力稱范德華力，這種吸附只有在溫度低于吸附物質(zhì)臨界溫度時才顯得重要。在化學(xué)吸附中，二者之間的力和化合物中原子間形成化學(xué)鍵的力相似，這種力比范德華力大得多。因此，兩種吸附所放出的熱量也大小懸殊。在材料表面吸附中將詳述。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)吸附可分為物理吸附和化學(xué)2.2材料表面現(xiàn)象材料表面缺陷材料表面吸附材料表面潤濕材料表面擴(kuò)散2.2材料表面現(xiàn)象材料表面缺陷材料表面吸附材料表面潤濕材料2.2.1材料表面缺陷實際單晶體的表面并不是理想的平面，而是存在很多缺陷，如臺階、彎折、位錯露頭、空位等，由于這些部位的原子在和外界原子作用時，表面有不同于表面上其他位置原子的結(jié)合能，因此，在表面上發(fā)生的物理、化學(xué)過程如晶體生長、蒸發(fā)、表面偏聚、表面吸附等有著重要影響。2.2.1材料表面缺陷實際單晶體的表面并不是理想的平面，而2.2.1材料表面缺陷2.2.1材料表面缺陷2.2.1材料表面缺陷1)點缺陷

在三維方向上尺寸都很小的缺陷稱為點缺陷，如空位、間隙原子和置換原子等。

在一定溫度下，部分具有超額能量的原子有可能克服周圍原子對它的束縛，而離開原來位置，于是在點陣上產(chǎn)生空位。離開平衡位置的原子如果跑到晶體表面，這樣形成的空位稱為肖脫基空位；如果跑到點陣間隙位置，則形成的空位稱為弗蘭克爾空位。可見每形成一個弗蘭克爾空位的同時產(chǎn)生一個間隙原子。由于形成弗蘭克爾空位所需的能量比形成肖脫基空位大得多，所以在金屬晶體中最常見的是肖脫基空位。2.2.1材料表面缺陷1)點缺陷2.2.1材料表面缺陷

a)b)

點缺陷示意圖a）肖脫基空位

（b）弗蘭克爾空位2.2.1材料表面缺陷2.2.1材料表面缺陷2)線缺陷

晶體在結(jié)晶時受到雜質(zhì)、溫度變化或振動等產(chǎn)生的應(yīng)力作用，或者晶體在使用時受到打擊、切削、研磨等機(jī)械應(yīng)力作用或高能射線輻射作用，是晶體內(nèi)部質(zhì)點排列變形，原子行列間相互滑移，不再符合理想晶格的有秩序排列，形成線狀的缺陷，稱為線缺陷，如各種位錯。2.2.1材料表面缺陷2)線缺陷2.2.1材料表面缺陷

位錯從其幾何特征來看，它是在一個方向上尺寸較大，而在另外兩個方向上尺寸較小的線缺陷。但從原子尺度來看，它不是一條線，而是一個直徑為3～5個原子間距，長為幾千～幾萬個原子間距的管狀原子畸變區(qū)。這種缺陷的存在對晶體的生長、相變、形變、再結(jié)晶等一系列行為，以及對晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)都有十分重要的影響。

晶體中的位錯靠近自由表面時，自由表面將與此位錯產(chǎn)生相互作用。于是位錯在晶體中引起晶格畸變，產(chǎn)生應(yīng)變能。如果位錯由晶體內(nèi)部運(yùn)動到晶體表面，應(yīng)變能將會降低，故位錯由晶體內(nèi)部運(yùn)動到晶體表面是一種自發(fā)的過程，其結(jié)果將使表面層中位錯密度降低。2.2.1材料表面缺陷位錯從其幾何特征來看，它2.2.1材料表面缺陷3)面缺陷

晶體的缺陷若主要是沿二維方向伸展，而在另一維方向上的尺寸相對甚小，則稱為面缺陷。界面就是一種二維的面缺陷，它通常僅有一個至幾個原子層厚。由于界面特殊的結(jié)構(gòu)和界面能量，使得界面有很多與晶體內(nèi)部不同的性質(zhì)，如界面吸附、界面腐蝕等，對金屬材料的力學(xué)性能(如強(qiáng)度、韌度)以及對變形、再結(jié)晶和相變過程等都有重要影響。2.2.1材料表面缺陷3)面缺陷2.2.2材料表面吸附

在固態(tài)晶體表面上的原子或分子的應(yīng)力場是不飽和的，清潔的固體表面處于不穩(wěn)定的高能狀態(tài)。如果某種物質(zhì)能與表面作用，降低其表面能，則這種物質(zhì)就將吸附于固體表面，這便是發(fā)生表面吸附的熱力學(xué)依據(jù)。吸附是固體表面最重要的性質(zhì)之一。2.2.2材料表面吸附在固態(tài)晶體表面上的原子或分2.2.2材料表面吸附1)固體表面上氣體的吸附

當(dāng)固體表面暴露在一般的空氣中就會吸附氧或水蒸氣，甚至在一定的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成氧化物或氫氧化物。金屬在高溫下的氧化是一種典型的化學(xué)腐蝕，形成的氧化物大致有三種類型：一是不穩(wěn)定的氧化物，如金、鉑等的氧化物。二是揮發(fā)性的氧化物，如氧化鉬等，它以恒定的、相當(dāng)高的速率形成。三是在金屬表面上形成一層或多層的一種或多種氧化物。2.2.2材料表面吸附1)固體表面上氣體的吸附2.2.2材料表面吸附

在工業(yè)環(huán)境中，客觀上除氧和水蒸氣外．還可能有CO2、SO2、N02等各種污染的氣體，它們吸附于固體材料表面也會生成各種化合物。一些些污染氣體的化學(xué)吸附和物理吸附中的其他物質(zhì)，如有機(jī)物、鹽等，與固體材料表面接觸后，也會留下痕跡，造成污染。2.2.2材料表面吸附在工業(yè)環(huán)境中，客觀上除2.2.2材料表面吸附2)固體表面上液體的吸附固體表面對液體分子同樣有吸附作用，這種吸附包括對電解質(zhì)的吸附和非電解質(zhì)的吸附。對電解質(zhì)的吸附將使固體表面帶電或者雙電層中的組分發(fā)生變化，也可能是溶液中的某些離子被吸附到固體表面，而固體表面的離子則進(jìn)入溶液之中，產(chǎn)生離子交換。對非電解質(zhì)溶液的吸附，一般表現(xiàn)為單分子層吸附，吸附層以外就是本體相溶液。溶液吸附的吸附熱很小，差不多相當(dāng)于熔解熱。2.2.2材料表面吸附2)固體表面上液體的吸附2.2.2材料表面吸附3)固體表面之間的吸附

固體和固體表面之間同樣有吸附作用，但是兩個表面必須接近到表面力作用的范圍內(nèi)(即原子間距范圍內(nèi))。固體的粘附作用只有當(dāng)固體斷面很小并且很清潔時才能表現(xiàn)出來。這是因為粘附力的作用范圍僅限于分子間距，而任何固體表面從分子的尺度看總是粗糙的，因而它們在相互接觸時僅為幾點的接觸，雖然單位面積上的粘附力很大，但作用于兩固體間的總力卻很小。如果固體斷面相當(dāng)光滑，接合點就會多一些，兩固體的粘附作用就會明顯。或者使其中一固體很薄(薄膜)，它和另一固體容易吻合，也可表現(xiàn)出較大的吸附力。2.2.2材料表面吸附3)固體表面之間的吸附2.2.3材料表面的潤濕

潤濕是液體與固體表面接觸時產(chǎn)生的一種表面現(xiàn)象，液體對固體表面的潤濕程度可以用液滴在固體表面的散開程度來說明。水滴在玻璃表面可以迅速散開，但水滴在石蠟表面卻不易散開而趨于球狀，說明水對玻璃是潤濕的，對石蠟是不潤濕的。

潤濕現(xiàn)象在表面技術(shù)中有重要作用，如金屬表面覆層技術(shù)中，潤濕程度對覆層與基體的黏結(jié)強(qiáng)度有很大影響，在液體介質(zhì)化學(xué)熱處理中，熔鹽對金屬表面的潤濕性將影響傳熱傳質(zhì)過程。2.2.3材料表面的潤濕

潤濕是液體與固體表面接觸時2.2.4材料表面的擴(kuò)散

由前述表面缺陷可知，真實表面存在很多缺陷，因此有許多不同位置可以安置表面原子，在實際表面上預(yù)計會發(fā)生如下一些擴(kuò)散過程：

（1）單個吸附原子也許會在跳躍過幾個晶格常數(shù)長的距離后躍過一個平臺。

（2）吸附原子也許會沿著一個突緣的長度方向擴(kuò)散。

（3）空位也許會由于接連被表面原子所充填而向四周擴(kuò)散2.2.4材料表面的擴(kuò)散由前述表面缺陷可知，真實2.2.4材料表面的擴(kuò)散

表面擴(kuò)散不僅依賴于外界環(huán)境（溫度、氣壓等），還取決于晶體面的化學(xué)組分、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)及與之相關(guān)的表面勢。例如，表面再構(gòu)和表面馳豫效應(yīng)將改變晶體表面原子密度和電子密度，使表面勢相應(yīng)地變化，通過庫倫力相互作用而影響表面原子或離子的擴(kuò)散。2.2.4材料表面的擴(kuò)散表面擴(kuò)散不僅依賴于外界2.3基體表面預(yù)處理基體表面平整基體表面清潔基體表面拋光處理基體表面噴砂和噴丸處理2.3基體表面預(yù)處理基體表面平整基體表面清潔基體表面拋光處2.3.1基體表面平整

表面平整一般采用磨光、滾光、拋光及刷光和振動磨光。1)磨光

磨光是借助粘有磨料的特制磨光輪（或帶）的旋轉(zhuǎn)，以切削金屬零件表面的過程。磨光可去掉零件表面的毛刺、銹蝕、劃痕、焊瘤、焊縫、砂眼、氧化皮等宏觀缺陷，以提高零件的平整度和電鍍質(zhì)量。

2.3.1基體表面平整表面平整一般采用磨光、滾2.3.1基體表面平整

磨光可根據(jù)零件表面狀態(tài)和質(zhì)量要求高低進(jìn)行一次磨光和幾次（磨料粒度逐漸減?。┠ス?，磨光后零件表面粗糙度可達(dá)0.4μm，油磨效果更好。

磨光適用于加工一切金屬材料和部分非金屬材料。磨光效果主要取決于磨料的特性、磨料的質(zhì)量，磨光輪的剛性韌性和輪軸的旋轉(zhuǎn)速度。對于磨料的選用應(yīng)根據(jù)加工材質(zhì)而定2.3.1基體表面平整磨光可根據(jù)零件表面狀態(tài)和2.3.1基體表面平整2)滾光滾光是將成批零件與磨削介質(zhì)一起在滾筒中作低速旋轉(zhuǎn)，靠零件和磨料的相對運(yùn)動進(jìn)行光飾處理的過程。

常使用的濕法加工磨削介質(zhì)中含磨料、化學(xué)促進(jìn)劑和水。有時也用干法加工，滾筒中只有磨料和零件。零件各部位被磨削的順序是銳角>棱邊>外表面>內(nèi)表面。對于復(fù)雜零件的內(nèi)表面往往很難產(chǎn)生滾光作用。滾光設(shè)備成本低，但耗時較長，主要適用于小型零件。常用磨料有釘子頭、石英砂、皮革角、鐵砂、貝殼、浮石和陶瓷片等。2.3.1基體表面平整2)滾光2.3.1基體表面平整3)拋光拋光是用拋光輪和拋光膏或拋光液對零件表面進(jìn)一步輕微磨削以降低粗糙度、也可用于鍍后的精加工。拋光輪轉(zhuǎn)速較磨光輪快（圓周速率20-35m/s）。拋光輪分為非縫合式、縫合式和風(fēng)冷布輪。一般形狀復(fù)雜或最后精拋光的零件用非縫合式；形狀簡單或鍍層用縫合式；大型平面、大圓管零件用風(fēng)冷布輪。2.3.1基體表面平整3)拋光2.3.1基體表面平整常用拋光膏及用途拋光膏名稱用途白拋光膏鎳、銅、鋁及其合金等軟金屬、有機(jī)玻璃、膠木及要求低粗糙度的精拋光黃拋光膏鋼鐵紅拋光膏鉻、合金鋼等硬質(zhì)金屬綠拋光膏金、銀等貴金屬、鋼鐵2.3.1基體表面平整2.3.1基體表面平整4)刷光

刷光是把刷光輪裝在拋光機(jī)上，用刷光輪上的金屬絲（鋼絲、黃銅絲等）刷，同時用水或含某種鹽類，表面活性劑的水溶液連續(xù)沖洗去除零件表面銹斑、毛刺、氧化皮及其其他雜物，還可用于裝飾目的進(jìn)行絲紋刷光和緞面刷光等。2.3.1基體表面平整4)刷光2.3.1基體表面平整5)振動磨光

振動磨光是將零件與大量磨料和適量拋磨液置入容器中，在容器振動過程中使零件表面平整光潔。常用磨料有鵝卵石、石英砂、陶瓷、氧化鋁、碳化硅和鋼珠等。

拋磨液是表面活性劑、堿性化合物和水。振動磨光效率比滾光高得多密切不受零件形狀的限制，但不適宜于精密和脆性零件的加工。

2.3.1基體表面平整5)振動磨光2.3.2基體表面清潔

基體表面清潔的目的是：作為前序處理工藝的一部分，為下一涂裝或其他表面加工（如電鍍、熱噴涂等）打基礎(chǔ)；作為一項單獨(dú)表面處理技術(shù)，可提高工件壽命或恢復(fù)工件原狀態(tài)或節(jié)能需要（鍋爐清除水垢，提高熱效率）；消除工件（設(shè)備）隱患，提高安全性（如傳熱設(shè)備局部過熱可通過清洗來解決），消毒、滅菌，除放射性污染，有利于人體健康。表面清潔主要包括除油、除銹和除油除銹聯(lián)合處理。2.3.2基體表面清潔基體表面清潔的目的是：2.3.2基體表面清潔1)除油

工件上常見的油分為兩類：一類是皂化性油，即不同脂肪酸的甘油酯，能與堿發(fā)生皂化反應(yīng)，生成可溶于水的肥皂或甘油，如各種植物油大多屬此類；另一類是非皂化性油，是各種碳?xì)浠衔?，它們不能與堿發(fā)生皂化反應(yīng)，且不溶于堿溶液，各種礦物油如凡士林、柴油、機(jī)油、石蠟均屬此類，這兩類油均不溶于水。2.3.2基體表面清潔1)除油2.3.2基體表面清潔有機(jī)溶劑除油:浸沉法，噴淋發(fā)，蒸汽洗發(fā)，

聯(lián)合處理法

化學(xué)除油：皂化作用，乳化作用，常用除油除油

電化學(xué)除油：陰極除油，陽極除油，陰-陽極聯(lián)合

除油

超聲波除油：2.3.2基體表面清潔有機(jī)溶2.3.2基體表面清潔2)除銹

鋼鐵工件表面鐵銹最常見有：氧化亞鐵（FeO），灰色，易溶于酸；三氧化二鐵（Fe2O3），赤色，難溶于硫酸和室溫下的鹽酸，結(jié)構(gòu)較疏松；含水三氧化二鐵（Fe2O3．nH2O），橙黃色，易溶于酸；四氧化三鐵（Fe3O4）藍(lán)黑色（黑皮），難溶于硫酸和室溫下的鹽酸。

當(dāng)基體金屬被溶解時，由于析出氫，三氧化二鐵和四氧化三鐵可被氫還原成易與酸反應(yīng)的物質(zhì)而被溶解掉，或通過氫氣泡逸出時的機(jī)械作用，從工件表面剝離。為除去鐵銹與黑皮，常用硫酸和鹽酸。2.3.2基體表面清潔2)除銹2.3.2基體表面清潔3)除油除銹聯(lián)合處理為簡化工藝提高工效，近年來發(fā)展了除油除銹“二合一”、除油除銹磷化鈍化“四合一”等多種聯(lián)合處理技術(shù)，但都有一定的局限性。2.3.2基體表面清潔3)除油除銹聯(lián)合處理2.3.3基體表面拋光處理

基體表面拋光處理包括機(jī)械拋光、化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光等，這里只介紹化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光。1)化學(xué)拋光

在適當(dāng)?shù)娜芤褐?，工件僅靠化學(xué)浸蝕作用而達(dá)到拋光目的的過程稱為化學(xué)拋光。其優(yōu)點有，不用外接電源和導(dǎo)電掛具，工藝簡單；可拋光各種形狀復(fù)雜工件，生產(chǎn)率高。其缺點有，拋光液壽命短，溶液調(diào)整及再生困難，且拋光質(zhì)量不如電化學(xué)拋光；拋光時會產(chǎn)生一些有害氣體。2.3.3基體表面拋光處理基體表面拋光處理包括機(jī)2.3.3基體表面拋光處理2)電化學(xué)拋光電化學(xué)拋光（也稱電解拋光），指在適當(dāng)?shù)娜芤褐羞M(jìn)行陽極電解，令金屬工件表面平滑并產(chǎn)生金屬光澤的過程。其拋光過程是通電后，在工件（接陽極）表面會產(chǎn)生電阻率高的稠性黏膜，其厚度在工件表面為非均勻分布，表面微觀下凹處較厚，電流密度較小，金屬溶解較慢，表面微觀凸出部分較薄，電流密度較大，金屬溶解較快。正是由于稠性黏膜及電流密度的不均勻，工件表面微觀凹處溶解慢，凸出溶解快，隨著時間的推移，工件表面逐漸被拋光，表面粗糙度降低。2.3.3基體表面拋光處理2)電化學(xué)拋光2.3.3基體表面拋光處理與機(jī)械拋光比，電化學(xué)拋光有如下特點：①工件表面無冷作硬化層。②適用形狀復(fù)雜、薄板、線材和細(xì)小件的拋光。③生產(chǎn)率高，易操作。2.3.3基體表面拋光處理與機(jī)械拋光比，電化學(xué)拋光有如下特2.3.4基體表面噴砂和噴丸處理1.噴砂噴砂是用機(jī)械或凈化的壓縮空氣，將砂流強(qiáng)烈地噴向金屬制品表面，利用磨料強(qiáng)力的撞擊作用，打掉其上的污垢物，達(dá)到清理或修飾目的的過程。噴砂的主要用途有

①除掉零件表面的銹蝕、焊渣、積碳、舊油漆層和其它干燥了的油污；

②除去鑄件、鍛件或熱處理后零件表面的型砂及氧化皮；

③除去零件表面的毛刺或方向性磨痕；

④降低零件表面的粗糙度，以提高油漆和其它涂層的附著力；

⑤使零件呈漫反射的消光狀態(tài)。2.3.4基體表面噴砂和噴丸處理1.噴砂2.3.4基體表面噴砂和噴丸處理

噴砂分干噴砂和濕噴砂兩種。干噴砂加工的表面比較粗糙，濕噴砂的應(yīng)用與干噴砂相似，但主要用于較精密的加工。濕噴砂的優(yōu)點是污染小。（1）干噴砂。干噴砂又分機(jī)械噴砂與空氣壓力噴砂兩種類型。每中類型又可分為手工、半自動和自動等多種方式。采用的噴砂機(jī)有自流式、離心式、吸入式和壓力式等。生產(chǎn)上常用的是吸入式和壓力式。吸入式設(shè)備簡單，但效率低，適用于小零件。壓力式設(shè)備主要用于大、中型零件的大批量生產(chǎn)，適用性廣，效率高。國內(nèi)廣泛使用的是手工空氣壓力噴砂室，適用于各種形狀復(fù)雜的中小型零件。2.3.4基體表面噴砂和噴丸處理噴砂分干噴砂和濕噴2.3.4基體表面噴砂和噴丸處理

干噴砂常用的砂料是氧化鋁砂(含天然和人造兩種)、石英砂(二氧化硅)、碳化硅(人造金剛砂)等。以采用鋁釩土(氧化鋁砂)為最好，因其不易粉化，勞動條件好，砂料還可以循環(huán)使用。碳化硅砂雖也有上述優(yōu)點，但因過于昂貴很少使用。國內(nèi)應(yīng)用最多的還是石英砂，它雖易粉化，但不污染零件。2.3.4基體表面噴砂和噴丸處理干噴砂常用的砂2.3.4基體表面噴砂和噴丸處理（2）濕噴砂

濕噴砂是在砂料中加入定量的水，使之成為砂水混合物，以減少砂料對零件表面的沖擊作用，從而減少金屬材料的去除量，使零件表面更光潔。濕噴砂通常有霧化噴砂、水-氣噴砂和水噴砂三種類型，噴砂方式和噴砂機(jī)的結(jié)構(gòu)各不相同。生產(chǎn)上使用最多的是水-氣噴砂。2.3.4基體表面噴砂和噴丸處理（2）濕噴砂濕噴砂是在2.3.4基體表面噴砂和噴丸處理2.噴丸

噴丸的原理和設(shè)備與噴砂相似，只是采用的磨料不同。它是用鋼鐵丸、玻璃或陶瓷取代砂子。噴丸能使零件產(chǎn)生壓應(yīng)力，而且沒有含硅的粉塵污染，主要用于：

①使零件產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而提高零件的疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力及抗腐蝕能力；

②代替一般冷熱成型工藝，可對大型薄壁鋁制零件進(jìn)行成型加工，這樣可避免零件表面殘留的張應(yīng)力而形成有利的壓應(yīng)力。

③對扭曲的薄壁零件進(jìn)行校正。經(jīng)噴丸后的零件使用溫度不能太高，以防消除噴丸產(chǎn)生的壓應(yīng)力，使用溫度范圍因材料而定，一般鋼鐵件為260～290℃，鋁零件為170℃。2.3.4基體表面噴砂和噴丸處理2.噴丸58現(xiàn)代表面工程技術(shù)ModernSurfaceEngineeringandTechnology

1現(xiàn)代表面工程技術(shù)ModernSurfaceEngine第二章材料表面工程技術(shù)基本原理表面晶體學(xué)材料表面現(xiàn)象基體表面預(yù)處理第二章材料表面工程技術(shù)基本原理表面晶體學(xué)材料表面現(xiàn)象基體2.1表面晶體學(xué)理想表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)實際表面結(jié)構(gòu)2.1表面晶體學(xué)理想表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)實際表面結(jié)構(gòu)2.1.1理想表面結(jié)構(gòu)

理想表面是一種理論結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面。這里忽略了晶體內(nèi)部周期性勢場在晶體表面中斷的影響，同時也忽略了表面上原子的熱運(yùn)動以及出現(xiàn)的缺陷和擴(kuò)散現(xiàn)象，又忽略表面外界環(huán)境的作用等，因而把晶體的解理面認(rèn)為是理想表面。

由于表面界面的復(fù)雜多樣性，理想晶體表面可由二維晶格結(jié)構(gòu)描述，與三維情況不同的是，此時只可能存在5種布拉菲格子，9種點群和17種二維空間群。2.1.1理想表面結(jié)構(gòu)理想表面是一種理論結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)

從熱力學(xué)來看，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)到這個穩(wěn)定態(tài)的方式有兩種：

一、是自行調(diào)整，原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同。

二、是依靠表面的成分偏析和表面對外來原子或分子的吸附以及這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。2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)從熱力學(xué)來看，表面附近的原2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)

另一方面，晶體表面的最外一層也不是一個原子級的平整表面，因為這樣的熵值較小，盡管原子排列作了調(diào)整，但是自由能仍較高，所以清潔表面必然存在各種類型的表面缺陷。2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)另一方面，晶體表面的最2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)

制備清潔表面是困難的，在幾個原子范圍內(nèi)的清潔表面其偏離三維周期性結(jié)構(gòu)的主要特征，是表面弛豫、表面重構(gòu)和表面臺階結(jié)構(gòu)。2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)制備清潔表面是困難的，在2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)1）表面弛豫

表面馳豫實際上是原子的位移所引起的。晶體的三維周期性在表面處突然中斷，表面上原子的配位情況發(fā)生變化，并且表面原子附近的電荷分布也有改變，使表面原子所處的力場與體內(nèi)原子不同，因此表面上的原子會發(fā)生相對于正常位置的上、下位移以降低體系能量。表面上原子的這種位移（壓縮或膨脹）稱為表面弛豫。2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)1）表面弛豫2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)

表面弛豫的最明顯處是表面第一層原子與第二層之間距離的變化；體相越深弛豫效應(yīng)越弱，并且隨體相的加深而迅速消失。因此，通常只考慮第一層的弛豫效應(yīng)。在金屬、鹵化堿金屬化合物等離子晶體中，表面弛豫是普遍存在的。表面弛豫主要取決于表面斷鍵的情況，可以有壓縮效應(yīng)、弛豫效應(yīng)和起伏效應(yīng)。對于離子晶體，表層離子失去外層離子后破壞了靜電平衡，由于極化作用，可能會造成雙電層效應(yīng)。2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)表面弛豫的最明顯處是表2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2)表面重構(gòu)

在平行基底的表面原子的平移對稱性與體內(nèi)顯著不同，原子位置作了較大幅度的調(diào)整，這種表面結(jié)構(gòu)稱為重構(gòu)（或再構(gòu)）。3)表面臺階結(jié)構(gòu)

清潔表面實際上不會是完整表面，因為這種原子級的平整表面的熵很小，屬熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，故而清潔表面必然存在臺階結(jié)構(gòu)等表面缺陷。臺階的轉(zhuǎn)折處稱為扭折。實驗證實許多單晶體的表面有平臺、臺階和扭折。2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2)表面重構(gòu)2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)

理想的表面實際上是不存在的，純凈的清潔表面是很難制備的，特別在實際應(yīng)用中，經(jīng)常碰到的表面現(xiàn)象和表面過程也直接與表面弛豫有關(guān)。實際表面存在著缺陷、雜質(zhì)，其成分、濃度與體內(nèi)一般也不大相同。一般實際表面的情況又與許多重要過程密切相關(guān)。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)理想的表面實際上是不存在2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)1）表面粗糙度

從微觀水平看，即使宏觀看來非常光滑平整的表面實際上也是凹凸不平的，即表面是粗糙的。

表面粗糙度是指工件面上具有的較小間距的峰和谷所組成的微觀幾何形狀誤差，也稱微觀粗糙度。

表面粗糙度對材料的許多性能能有顯著的影響?？刂七@種微觀幾何形狀誤差，對于實現(xiàn)零件配合的可靠和穩(wěn)定、減小摩擦與磨損、提高接觸剛度和疲勞強(qiáng)度、降低振動與噪聲等有著不可低估的重要作用。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)1）表面粗糙度2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)2）貝爾比層和殘余應(yīng)力

貝爾比層是一種在固體材料表層5-10nm厚度因晶格格畸變等原因而產(chǎn)生的一種非晶態(tài)層，其成分為金屬和它的氧化物，其性能與體內(nèi)明顯不同。

例如金屬在研磨時，由于表面的不平整，接觸處實際上是“點”，其溫度可以遠(yuǎn)高于表面的平均溫度，但是由于作用時間短，而金屬導(dǎo)熱性又好，所以摩擦后該區(qū)域迅速冷卻下來，原子來不及回到平衡位置，造成一定程度的晶格畸變，深度可達(dá)幾十微米。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)2）貝爾比層和殘余應(yīng)力2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)

貝爾比層具有較高的耐磨性和耐蝕性，這在機(jī)械制造時可以利用。但是在其他許多場合，貝爾比層是有害的，例如在硅片上進(jìn)行外延、氧化和擴(kuò)散之前要用腐蝕法除掉貝爾比層，因為它會感生出位錯、層錯等缺陷而嚴(yán)重影響器件的性能。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)貝爾比層具有較高的耐磨2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)

殘余應(yīng)力是材料加工、處理后普遍存在的，它同樣影響著材料的各種性能。特別有一些表面加工處理，在材料表面產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。例如，焊接、過高溫度的熱處理所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。材料只要受熱不均勻，或各部分熱脹系數(shù)不同，在溫度變化過程中，材料內(nèi)都會產(chǎn)生熱應(yīng)力，這是一種內(nèi)應(yīng)力。

殘余內(nèi)應(yīng)力盡管對材料的各種性能有影響，但是在表面技術(shù)中，它也有可利用的一面。例如在沉積鍍膜過程中，沉積鍍膜層產(chǎn)生的壓應(yīng)力可顯著地提高沉積膜層與基休材料的結(jié)合強(qiáng)度(結(jié)合力)，也可提高零部件的抗疲勞強(qiáng)度和降低零部件的疲勞缺口敏感度。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力是材料加工、處理后2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)3)表面吸附和沾污

吸附、吸收和化學(xué)反應(yīng)是固體與氣體發(fā)生作用的三種表現(xiàn)。吸附是固體表面吸引氣體與之結(jié)合，以降低固體表面能的作用。吸收是固體的表面和內(nèi)部都容納氣體，使整個固體的能量發(fā)生變化?；瘜W(xué)反應(yīng)是固體與氣體的分子或離子間以化學(xué)鍵相互作用，形成新的物質(zhì)，整個固體的能量發(fā)生顯著的變化。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)3)表面吸附和沾污2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)

吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類。物理吸附中固體表面與被吸附分子之間的力稱范德華力，這種吸附只有在溫度低于吸附物質(zhì)臨界溫度時才顯得重要。在化學(xué)吸附中，二者之間的力和化合物中原子間形成化學(xué)鍵的力相似，這種力比范德華力大得多。因此，兩種吸附所放出的熱量也大小懸殊。在材料表面吸附中將詳述。2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)吸附可分為物理吸附和化學(xué)2.2材料表面現(xiàn)象材料表面缺陷材料表面吸附材料表面潤濕材料表面擴(kuò)散2.2材料表面現(xiàn)象材料表面缺陷材料表面吸附材料表面潤濕材料2.2.1材料表面缺陷實際單晶體的表面并不是理想的平面，而是存在很多缺陷，如臺階、彎折、位錯露頭、空位等，由于這些部位的原子在和外界原子作用時，表面有不同于表面上其他位置原子的結(jié)合能，因此，在表面上發(fā)生的物理、化學(xué)過程如晶體生長、蒸發(fā)、表面偏聚、表面吸附等有著重要影響。2.2.1材料表面缺陷實際單晶體的表面并不是理想的平面，而2.2.1材料表面缺陷2.2.1材料表面缺陷2.2.1材料表面缺陷1)點缺陷

在三維方向上尺寸都很小的缺陷稱為點缺陷，如空位、間隙原子和置換原子等。

在一定溫度下，部分具有超額能量的原子有可能克服周圍原子對它的束縛，而離開原來位置，于是在點陣上產(chǎn)生空位。離開平衡位置的原子如果跑到晶體表面，這樣形成的空位稱為肖脫基空位；如果跑到點陣間隙位置，則形成的空位稱為弗蘭克爾空位?？梢娒啃纬梢粋€弗蘭克爾空位的同時產(chǎn)生一個間隙原子。由于形成弗蘭克爾空位所需的能量比形成肖脫基空位大得多，所以在金屬晶體中最常見的是肖脫基空位。2.2.1材料表面缺陷1)點缺陷2.2.1材料表面缺陷

a)b)

點缺陷示意圖a）肖脫基空位

（b）弗蘭克爾空位2.2.1材料表面缺陷2.2.1材料表面缺陷2)線缺陷

晶體在結(jié)晶時受到雜質(zhì)、溫度變化或振動等產(chǎn)生的應(yīng)力作用，或者晶體在使用時受到打擊、切削、研磨等機(jī)械應(yīng)力作用或高能射線輻射作用，是晶體內(nèi)部質(zhì)點排列變形，原子行列間相互滑移，不再符合理想晶格的有秩序排列，形成線狀的缺陷，稱為線缺陷，如各種位錯。2.2.1材料表面缺陷2)線缺陷2.2.1材料表面缺陷

位錯從其幾何特征來看，它是在一個方向上尺寸較大，而在另外兩個方向上尺寸較小的線缺陷。但從原子尺度來看，它不是一條線，而是一個直徑為3～5個原子間距，長為幾千～幾萬個原子間距的管狀原子畸變區(qū)。這種缺陷的存在對晶體的生長、相變、形變、再結(jié)晶等一系列行為，以及對晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)都有十分重要的影響。

晶體中的位錯靠近自由表面時，自由表面將與此位錯產(chǎn)生相互作用。于是位錯在晶體中引起晶格畸變，產(chǎn)生應(yīng)變能。如果位錯由晶體內(nèi)部運(yùn)動到晶體表面，應(yīng)變能將會降低，故位錯由晶體內(nèi)部運(yùn)動到晶體表面是一種自發(fā)的過程，其結(jié)果將使表面層中位錯密度降低。2.2.1材料表面缺陷位錯從其幾何特征來看，它2.2.1材料表面缺陷3)面缺陷

晶體的缺陷若主要是沿二維方向伸展，而在另一維方向上的尺寸相對甚小，則稱為面缺陷。界面就是一種二維的面缺陷，它通常僅有一個至幾個原子層厚。由于界面特殊的結(jié)構(gòu)和界面能量，使得界面有很多與晶體內(nèi)部不同的性質(zhì)，如界面吸附、界面腐蝕等，對金屬材料的力學(xué)性能(如強(qiáng)度、韌度)以及對變形、再結(jié)晶和相變過程等都有重要影響。2.2.1材料表面缺陷3)面缺陷2.2.2材料表面吸附

在固態(tài)晶體表面上的原子或分子的應(yīng)力場是不飽和的，清潔的固體表面處于不穩(wěn)定的高能狀態(tài)。如果某種物質(zhì)能與表面作用，降低其表面能，則這種物質(zhì)就將吸附于固體表面，這便是發(fā)生表面吸附的熱力學(xué)依據(jù)。吸附是固體表面最重要的性質(zhì)之一。2.2.2材料表面吸附在固態(tài)晶體表面上的原子或分2.2.2材料表面吸附1)固體表面上氣體的吸附

當(dāng)固體表面暴露在一般的空氣中就會吸附氧或水蒸氣，甚至在一定的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成氧化物或氫氧化物。金屬在高溫下的氧化是一種典型的化學(xué)腐蝕，形成的氧化物大致有三種類型：一是不穩(wěn)定的氧化物，如金、鉑等的氧化物。二是揮發(fā)性的氧化物，如氧化鉬等，它以恒定的、相當(dāng)高的速率形成。三是在金屬表面上形成一層或多層的一種或多種氧化物。2.2.2材料表面吸附1)固體表面上氣體的吸附2.2.2材料表面吸附

在工業(yè)環(huán)境中，客觀上除氧和水蒸氣外．還可能有CO2、SO2、N02等各種污染的氣體，它們吸附于固體材料表面也會生成各種化合物。一些些污染氣體的化學(xué)吸附和物理吸附中的其他物質(zhì)，如有機(jī)物、鹽等，與固體材料表面接觸后，也會留下痕跡，造成污染。2.2.2材料表面吸附在工業(yè)環(huán)境中，客觀上除2.2.2材料表面吸附2)固體表面上液體的吸附固體表面對液體分子同樣有吸附作用，這種吸附包括對電解質(zhì)的吸附和非電解質(zhì)的吸附。對電解質(zhì)的吸附將使固體表面帶電或者雙電層中的組分發(fā)生變化，也可能是溶液中的某些離子被吸附到固體表面，而固體表面的離子則進(jìn)入溶液之中，產(chǎn)生離子交換。對非電解質(zhì)溶液的吸附，一般表現(xiàn)為單分子層吸附，吸附層以外就是本體相溶液。溶液吸附的吸附熱很小，差不多相當(dāng)于熔解熱。2.2.2材料表面吸附2)固體表面上液體的吸附2.2.2材料表面吸附3)固體表面之間的吸附

固體和固體表面之間同樣有吸附作用，但是兩個表面必須接近到表面力作用的范圍內(nèi)(即原子間距范圍內(nèi))。固體的粘附作用只有當(dāng)固體斷面很小并且很清潔時才能表現(xiàn)出來。這是因為粘附力的作用范圍僅限于分子間距，而任何固體表面從分子的尺度看總是粗糙的，因而它們在相互接觸時僅為幾點的接觸，雖然單位面積上的粘附力很大，但作用于兩固體間的總力卻很小。如果固體斷面相當(dāng)光滑，接合點就會多一些，兩固體的粘附作用就會明顯。或者使其中一固體很薄(薄膜)，它和另一固體容易吻合，也可表現(xiàn)出較大的吸附力。2.2.2材料表面吸附3)固體表面之間的吸附2.2.3材料表面的潤濕

潤濕是液體與固體表面接觸時產(chǎn)生的一種表面現(xiàn)象，液體對固體表面的潤濕程度可以用液滴在固體表面的散開程度來說明。水滴在玻璃表面可以迅速散開，但水滴在石蠟表面卻不易散開而趨于球狀，說明水對玻璃是潤濕的，對石蠟是不潤濕的。

潤濕現(xiàn)象在表面技術(shù)中有重要作用，如金屬表面覆層技術(shù)中，潤濕程度對覆層與基體的黏結(jié)強(qiáng)度有很大影響，在液體介質(zhì)化學(xué)熱處理中，熔鹽對金屬表面的潤濕性將影響傳熱傳質(zhì)過程。2.2.3材料表面的潤濕

潤濕是液體與固體表面接觸時2.2.4材料表面的擴(kuò)散

由前述表面缺陷可知，真實表面存在很多缺陷，因此有許多不同位置可以安置表面原子，在實際表面上預(yù)計會發(fā)生如下一些擴(kuò)散過程：

（1）單個吸附原子也許會在跳躍過幾個晶格常數(shù)長的距離后躍過一個平臺。

（2）吸附原子也許會沿著一個突緣的長度方向擴(kuò)散。

（3）空位也許會由于接連被表面原子所充填而向四周擴(kuò)散2.2.4材料表面的擴(kuò)散由前述表面缺陷可知，真實2.2.4材料表面的擴(kuò)散

表面擴(kuò)散不僅依賴于外界環(huán)境（溫度、氣壓等），還取決于晶體面的化學(xué)組分、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)及與之相關(guān)的表面勢。例如，表面再構(gòu)和表面馳豫效應(yīng)將改變晶體表面原子密度和電子密度，使表面勢相應(yīng)地變化，通過庫倫力相互作用而影響表面原子或離子的擴(kuò)散。2.2.4材料表面的擴(kuò)散表面擴(kuò)散不僅依賴于外界2.3基體表面預(yù)處理基體表面平整基體表面清潔基體表面拋光處理基體表面噴砂和噴丸處理2.3基體表面預(yù)處理基體表面平整基體表面清潔基體表面拋光處2.3.1基體表面平整

表面平整一般采用磨光、滾光、拋光及刷光和振動磨光。1)磨光

磨光是借助粘有磨料的特制磨光輪（或帶）的旋轉(zhuǎn)，以切削金屬零件表面的過程。磨光可去掉零件表面的毛刺、銹蝕、劃痕、焊瘤、焊縫、砂眼、氧化皮等宏觀缺陷，以提高零件的平整度和電鍍質(zhì)量。

2.3.1基體表面平整表面平整一般采用磨光、滾2.3.1基體表面平整

磨光可根據(jù)零件表面狀態(tài)和質(zhì)量要求高低進(jìn)行一次磨光和幾次（磨料粒度逐漸減小）磨光，磨光后零件表面粗糙度可達(dá)0.4μm，油磨效果更好。

磨光適用于加工一切金屬材料和部分非金屬材料。磨光效果主要取決于磨料的特性、磨料的質(zhì)量，磨光輪的剛性韌性和輪軸的旋轉(zhuǎn)速度。對于磨料的選用應(yīng)根據(jù)加工材質(zhì)而定2.3.1基體表面平整磨光可根據(jù)零件表面狀態(tài)和2.3.1基體表面平整2)滾光滾光是將成批零件與磨削介質(zhì)一起在滾筒中作低速旋轉(zhuǎn)，靠零件和磨料的相對運(yùn)動進(jìn)行光飾處理的過程。

常使用的濕法加工磨削介質(zhì)中含磨料、化學(xué)促進(jìn)劑和水。有時也用干法加工，滾筒中只有磨料和零件。零件各部位被磨削的順序是銳角>棱邊>外表面>內(nèi)表面。對于復(fù)雜零件的內(nèi)表面往往很難產(chǎn)生滾光作用。滾光設(shè)備成本低，但耗時較長，主要適用于小型零件。常用磨料有釘子頭、石英砂、皮革角、鐵砂、貝殼、浮石和陶瓷片等。2.3.1基體表面平整2)滾光2.3.1基體表面平整3)拋光拋光是用拋光輪和拋光膏或拋光液對零件表面進(jìn)一步輕微磨削以降低粗糙度、也可用于鍍后的精加工。拋光輪轉(zhuǎn)速較磨光輪快（圓周速率20-35m/s）。拋光輪分為非縫合式、縫合式和風(fēng)冷布輪。一般形狀復(fù)雜或最后精拋光的零件用非縫合式；形狀簡單或鍍層用縫合式；大型平面、大圓管零件用風(fēng)冷布輪。2.3.1基體表面平整3)拋光2.3.1基體表面平整常用拋光膏及用途拋光膏名稱用途白拋光膏鎳、銅、鋁及其合金等軟金屬、有機(jī)玻璃、膠木及要求低粗糙度的精拋光黃拋光膏鋼鐵紅拋光膏鉻、合金鋼等硬質(zhì)金屬綠拋光膏金、銀等貴金屬、鋼鐵2.3.1基體表面平整2.3.1基體表面平整4)刷光

刷光是把刷光輪裝在拋光機(jī)上，用刷光輪上的金屬絲（鋼絲、黃銅絲等）刷，同時用水或含某種鹽類，表面活性劑的水溶液連續(xù)沖洗去除零件表面銹斑、毛刺、氧化皮及其其他雜物，還可用于裝飾目的進(jìn)行絲紋刷光和緞面刷光等。2.3.1基體表面平整4)刷光2.3.1基體表面平整5)振動磨光

振動磨光是將零件與大量磨料和適量拋磨液置入容器中，在容器振動過程中使零件表面平整光潔。常用磨料有鵝卵石、石英砂、陶瓷、氧化鋁、碳化硅和鋼珠等。

拋磨液是表面活性劑、堿性化合物和水。振動磨光效率比滾光高得多密切不受零件形狀的限制，但不適宜于精密和脆性零件的加工。

2.3.1基體表面平整5)振動磨光2.3.2基體表面清潔

基體表面清潔的目的是：作為前序處理工藝的一部分，為下一涂裝或其他表面加工（如電鍍、熱噴涂等）打基礎(chǔ)；作為一項單獨(dú)表面處理技術(shù)，可提高工件壽命或恢復(fù)工件原狀態(tài)或節(jié)能需要（鍋爐清除水垢，提高熱效率）；消除工件（設(shè)備）隱患，提高安全性（如傳熱設(shè)備局部過熱可通過清洗來解決），消毒、滅菌，除放射性污染，有利于人體健康。表面清潔主要包括除油、除銹和除油除銹聯(lián)合處理。2.3.2基體表面清潔基體表面清潔的目的是：2.3.2基體表面清潔1)除油

工件上常見的油分為兩類：一類是皂化性油，即不同脂肪酸的甘油酯，能與堿發(fā)生皂化反應(yīng)，生成可溶于水的肥皂或甘油，如各種植物油大多屬此類；另一類是非皂化性油，是各種碳?xì)浠衔铮鼈儾荒芘c堿發(fā)生皂化反應(yīng)，且不溶于堿溶液，各種礦物油如凡士林、柴油、機(jī)油、石蠟均屬此類，這兩類油均不溶于水。2.3.2基體表面清潔1)除油2.3.2基體表面清潔有機(jī)溶劑除油:浸沉法，噴淋發(fā)，蒸汽洗發(fā)，

聯(lián)合處理法

化學(xué)除油：皂化作用，乳化作用，常用除油除油

電化學(xué)除油：陰極除油，陽極除油，陰-陽極聯(lián)合

除油

超聲波除油：2.3.2基體表面清潔有機(jī)溶2.3.2基體表面清潔2)除銹

鋼鐵工件表面鐵銹最常見有：氧化亞鐵（FeO），灰色，易溶于酸；三氧化二鐵（Fe2O3），赤色，難溶于硫酸和室溫下的鹽酸，結(jié)構(gòu)較疏松；