金屬材料的表面

金屬材料的表面第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四一概述二金屬的表面反應(yīng)三常見氣體的吸附四金屬的表面腐蝕五金屬的表面改性第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四一概述金屬材料的特點(diǎn)：1、常溫下為固體（Hg除外）2、熔點(diǎn)較高也有較低的如：Sn、Pb、Zn、Al3、密度較大（Mg、Al除外，<3g/cm3）4、有光澤5、延展性、韌性、可加工性好6、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性好，Ag、Cu、Al7、易氧化第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四概述第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四杭州灣跨海鋼鐵大橋橋長36公里

第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四世界上最長的高原鐵路青藏鐵路1142公里第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四

1清潔表面

過渡區(qū)

金屬表面是指金屬晶體從三維的規(guī)整點(diǎn)陣到體外空間之間的過渡區(qū)，它只有幾個原子層的厚度，也稱為清潔表面

次表面介于清潔表面和金屬基體相之間的部分，厚度為數(shù)十個原子層第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2真實(shí)表面吸附層氧化層加工應(yīng)變層第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四二表面反應(yīng)1吸附吸附的本質(zhì)原因是：固體表面存在剩余鍵力，吸附是固體表面存在剩余鍵力與分子間的相互作用。

第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2擴(kuò)散吸附質(zhì)粒子首先在金屬表面某些活性最高的位點(diǎn)被吸附，然后沿金屬表面發(fā)生遷移，這稱為表面擴(kuò)散或表面流動。擴(kuò)散是由于表面位點(diǎn)能量的不均一性造成的。第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四3脫附脫附是指吸附粒子由于吸附鍵斷裂而離開表面升溫使脫附現(xiàn)象加強(qiáng)提高真空度脫附易進(jìn)行第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四表面吸附態(tài)結(jié)構(gòu)島狀結(jié)構(gòu)吸附質(zhì)原子間引力大于吸附質(zhì)與表面原子之間的引力，吸附質(zhì)粒子聚集在一起有序化超結(jié)構(gòu)吸附粒子間作用力表現(xiàn)為斥力，吸附質(zhì)粒子在金屬材料表面有序化排列

第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四表面反應(yīng)當(dāng)吸附質(zhì)粒子和金屬材料表面的原子電負(fù)性相差很大，化學(xué)親和力很強(qiáng)時，粒子在金屬表面形成吸附后，還可以和表面原子發(fā)生進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，形成表面結(jié)合物，或者說，形成新相。第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四真空中金屬的表面反應(yīng)金屬材料在真空中也會存在吸附、擴(kuò)散、脫附等現(xiàn)象。真空不是絕對的真空條件下，吸附質(zhì)氣體比氣相中的氣體分子多脫附是指從固體表面擴(kuò)散到外空間的的一切物質(zhì)，包括固體表面吸附質(zhì)的脫附，固體內(nèi)固有氣體分子的逸出，表面原子的增發(fā)第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四三常見氣體在金屬表面的吸附1H的吸附氫在很多金屬表面進(jìn)行化學(xué)吸附，并能和有些金屬形成表面化合物。氫在金屬表面的吸附能力的強(qiáng)弱由金屬材料的本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)決定第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2N的吸附氮在金屬表面的吸附能力大小也與金屬材料的結(jié)構(gòu)性能有關(guān)

根據(jù)吸附能力的大小?？梢詫⒔饘俨牧戏譃槿悾旱?7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四能和N發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)吸附作用，并形成氮化物，如Mn、Ti、V、Cr能發(fā)生較強(qiáng)的化學(xué)吸附，但是不能形成氮化物，如W、Mo只能發(fā)生微弱的化學(xué)吸附，且吸附過程十分緩慢。這類金屬主要是過渡金屬中的第ⅦB族和ⅧB族第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四3O的吸附除個別少數(shù)金屬元素外，氧在一般金屬材料表面都能形成較強(qiáng)的吸附作用，而且在常溫下也能很快形成吸附層第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四O元素在金屬表面吸附的特點(diǎn)1在吸附初期，已經(jīng)具有形成表面化合物的趨勢2金屬元素在吸附氧之后，或改變對其他氣體的吸附能力3氧在金屬材料表面形成完整的氧化物薄膜之后，在膜外仍可以繼續(xù)吸附氧第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四4CO的吸附由于碳端比氧端的活性大，一般情況下是碳端與金屬材料的表面原子結(jié)合形成吸附鍵，氧端不參與吸附過程第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四5CO?的吸附CO?分子結(jié)構(gòu)具有高度對稱性，活性較低。發(fā)生吸附作用時，CO?的其中一個C=O的一個鍵打開，碳和氧同時與表面原子形成吸附鍵。吸附所需的能量較大，吸附程度較低，吸附量也較少。

第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四6碳?xì)浠衔锏奈舰偻闊N的吸附烷烴與金屬材料一般大多數(shù)都是解離吸附鏈烴分子中的C-H鍵或是C-C鍵斷裂，然后碳原子與表面原子發(fā)生鍵合。飽和烷烴發(fā)生吸附作用以后一般會變成不飽和烴。第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四②烯烴的吸附乙烯一般有兩種吸附方式多碳烯烴可以與表面原子形成多種不同的吸附鍵。以丙烯的吸附為例，C-C鍵可以斷裂，形成CH3*和C2H3*兩個吸附單元；也可以不斷裂，只脫一個氫，形成烯丙基吸附單元第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四③炔烴的吸附炔烴的吸附能力比烯烴的強(qiáng)，在短時間內(nèi)，乙炔在金屬材料表面的吸附就能達(dá)到飽和。④芳香烴的吸附芳烴分子中的芳核很穩(wěn)定，無論形成怎樣的吸附態(tài)，均不會被拆開

第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四碳?xì)浠衔镌诮饘俦砻娴奈芥I形成之后，仍可以發(fā)生一系列后續(xù)反應(yīng)。其后續(xù)反應(yīng)程度取決于吸附體系的能量條件和反應(yīng)條件（溫度，氣相成分，表面狀態(tài)，吸附劑種類等等）一般而言，碳?xì)浠衔锏奶荚釉蕉?，解離越不容易進(jìn)行徹底。第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四四金屬的表面腐蝕通常在把金屬材料在使用時，摩擦表面出現(xiàn)的材料流失現(xiàn)象腐蝕磨損，即磨蝕；金屬受水分，氧氣及其他腐蝕性氣體等介質(zhì)的影響而引起的腐蝕現(xiàn)象稱為銹蝕在高溫下空氣對金屬的侵蝕叫做氧化；在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中引起的侵蝕叫做腐蝕。第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四1金屬的腐蝕第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四金屬的鈍化第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2腐蝕的分類第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)化學(xué)反應(yīng)分，可以分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕的介質(zhì)一般是高溫氣體或非導(dǎo)電液體?；瘜W(xué)反應(yīng)作用下不伴隨電流通過電化學(xué)腐蝕是金屬通過氧化還原反應(yīng)而被氧化的過程第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)腐蝕外觀分，可以分為均勻腐蝕和不均勻腐蝕均勻腐蝕沿整個材料表面均勻進(jìn)行，各處腐蝕速度基本一致不均勻腐蝕是在金屬表面很小的局部范圍內(nèi)發(fā)生的選擇性腐蝕現(xiàn)象在質(zhì)量損失相等時，不均勻腐蝕往往比均勻腐蝕先發(fā)生。第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)決定性因素分，可以分為應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕應(yīng)力腐蝕是指金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)和拉伸應(yīng)力同時作用下發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象疲勞腐蝕是在腐蝕介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力作用下引起的材料開裂現(xiàn)象第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四大氣腐蝕大氣腐蝕也屬于電化學(xué)腐蝕，腐蝕的機(jī)理和速度取決于大氣的特性，如相對濕度，pH，光照，SO2、H2S、HCI等組分的含量第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四土壤腐蝕和水腐蝕土壤腐蝕和水腐蝕的作用機(jī)理類似于大氣腐蝕，也是屬于電化學(xué)腐蝕。和大氣腐蝕不同的是，它們的腐蝕介質(zhì)中不含有氣體成分，而是含有各種鹽類、有機(jī)物、微生物生命活動的產(chǎn)物。第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四氣體腐蝕高溫干燥氣體腐蝕是屬于化學(xué)腐蝕濕潤氣體類似于被氣體所飽和的液體膜，引起的是電化學(xué)腐蝕第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四五金屬的表面改性第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四一般來說，金屬材料表面的改性處理方法有四種：

1激光表面改性

2離子注入表面改性

3表面鍍膜改性4化學(xué)熱處理第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四1激光表面改性第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四激光表面改性的理論基礎(chǔ)是激光與材料相互作用的一些規(guī)律，主要包括激光表面相變硬化、沖擊硬化、熔覆、合晶化。非晶化等。這些工藝的過程特點(diǎn)比較見課本P151表8-2第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2離子注入表面改性第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四第45頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四3表面鍍膜改性第46頁，共50頁，2023年，2月20日，星期四2）氣相沉積硬涂層又分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)