材料表面工程考试题

材料表面工程考试题材料表面工程考试题 一 名词解释 1 材料表面工程表面工程是经表面预处理后 通过表 面涂覆 表面改性或多种表面技术复合处理 改变固体金属表面或 非金属表面的形态 化学成分 组织结构和应力状况 以获得所需 要表面性能的系统工程 2 高能量密度能源表面技术高能量密度能源表面处理是指将具有高 能量密度的能源 一般大于103W cm2 施加到材料表面 使之发生 物理 化学变化 获得特殊表面性能的方法 3 表面化学热处理化学热处理是在一定温度下 在不同的活性介质 中 向钢的表面渗入适当的元素 同时向钢的内部扩散 以获得预 期的组织和性能为目的的热处理过程 4 材料表面纳米化材料表面纳米化是采用常规的表面处理技术在材 料表面制备出一定厚度的纳米结构表层的技术 5 激光合金化激光表面合金化是一种用激光将合金化粉末和基材一 起熔化后迅速凝固 在表面获得合金层的方法 6 电刷镀电刷镀技术是采用一个专用的直流电源设备 电镀的正极 接镀笔 作为刷镀的阳极 电源的负极接工件 作为刷镀的阴极 刷镀时使浸满镀液的镀笔以一定的相对运动速度在工件表面移动 并保持适当的压力 使镀液中的金属离子被还原成原子并在工件表 面沉积结晶 形成镀层的技术 7 激光表面淬火激光表面淬火是金属材料在固态下受激光辐照 表 面被迅速加热到奥实体化温度以上 并在激光停止辐照后快速自冷 淬火得到马氏体组织的一种工艺方法 8 电火花表面强化电火花表面强化是通过电火花放电的作用把一种 导电材料涂覆渗到另一种导电材料的表面 从而改变后者表面物理 和化学等性能的工艺方法 9 自洁玻璃自洁玻璃是采用溶胶凝胶等表面涂覆技术在玻璃表面形 成纳米级半导体氧化物 主要是TiO2 的光催化薄膜 在阳光的作用 下 产生光催化效应 将玻璃表面的几乎所有的有机污染物完全氧 化并降解为相应的无害无机物 这种具有自洁 防雾和不易再被污 染的功能的玻璃成为自洁玻璃 10 电弧喷涂电弧喷涂是以电弧为热源 将金属丝熔化并用气流雾化 使熔融离子高速喷到工件表面形成涂层的一种工艺 11 仿古做旧仿古做旧是采用电镀等表面处理技术在材料表面制备上 一层涂层 使材料表面具有古代材料特色 特征 特性的技术 二 简答题 1 表面化学热处理的3个基本过程 1 化学介质的分解 在一定温度下 化学介质可发生分解反应 生成活性原子 通常为了增加化学介质的活性 还加入适量的催化剂或渗剂 来加 速反应过程 降低反应温度 缩短反应时间 例如 固体渗碳时加入碳酸盐 渗金属时用氯化铵作为催渗剂 此外 稀土元素的应用也具有很明显的催渗效果 例如NH3 N H 2 活性原子的吸收 介质分解生成活性原子 如 C N 等 为钢的表面所吸附 然后 溶入基体金属铁的晶格中 碳 氮等原子半径较小的非金属元素容易溶入 Fe中形成间隙固溶体 碳也可与钢中强碳化物元素直接形成碳化物 氮可溶于 Fe中形成过饱和固溶体 然后再形成氮化物 3 原子扩散 钢表面吸收活性原子后 该种元素的浓度大大提高 形成显著的浓 度梯度 在一定的温度条件下 原子就沿着浓度梯度下降的方向定向扩散 结果便能得到一定厚度的扩散层 表征扩散过程速度的一个重要参数是扩散系数D 它的物理意义是 在浓度梯度为1的情况下 在单位时间内 通过单 位面积的扩散物质量 扩散系数越大 则扩散速度越快 影响扩散速度的因素主要是温度和时间 扩散系数和温度的关系 可由下式表示D Ae Q RT 温度越高 扩散系数越大 当温度一定时 加热时间越长 扩散层的厚度越大 扩散层厚度与 时间的关系为 2 简述非平衡过程实现表面纳米化的两种方法的基本原理 1 表面机械加工处理在外加载荷的重复作用下 材料表面的粗晶 组织通过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐细化至纳米级 纳米化过程材料表面局部强烈塑性变形而产生大量的缺陷 如位错 孪晶 层错 剪切带 当位错密度增至一定的程度时 发生湮灭 重组 形成具有高形变储能的组织也会发生再结晶 形成纳米晶 此过程不断发展 最终形成晶体学取向呈随机分布的纳米晶组织 实现表面纳米化的两种机械加工方法 2 非平衡热力学法将材料快速加热 使材料的表面达到熔化或相 变的温度 再进行急剧冷却 通过动力学控制提高形核率 抑制晶 粒长大 可以在材料表面获得纳米晶组织 如激光加热和电子辐射 3 选择何种表面技术能有效提高飞机材料 Al alloy 表面疲劳强度 为什么 喷丸强化加工技术能有效提高飞机 材料的表面疲劳强度 研究表明 疲劳主要从表面开始 从零部件内部产生的疲劳只是个 别现象 喷丸强化的过程是将大量的高速运动的弹丸 钢丸 铸铁丸 玻璃 丸 硬质合金丸 喷射到零件的表面上 尤如无数的小锤反复锤击 金属表面 由此 金属表面产生极为强烈的塑性变形 这种变形使零件表面产生一定厚度的冷作硬化层 并在表层产生一 定的残余压缩应力 零件表面形成的强化层之所以会改善其疲劳性能 原因是在此层内 有着完全不同于基体的应力状态及组织结构 一般零件的疲劳破坏是由于其承受力反复或循环作用的拉应力引起 的 而且在给定应力范围内 拉应力越大 破坏的可能性越大 因此 在表面产生残余压应力 能大大推迟其疲劳破坏 而喷丸强化能造成相当高的表面压应力 在高温环境下 喷丸强化层内产生了回复 再结晶过程 表面残余 压应力消失 但再结晶使表层形成了一层细晶组织 也能有效提高 材料的高温疲劳强度 4 热喷涂层形成的过程和特点是什么 热喷涂层形成的过程 1 喷涂材料的加热 熔化对于线材 当端部进入热源高温区域时 全部被加入熔化 对于粉末 进入热源高温区域 在进行的过程 中被加热熔化或软化 2 熔化的喷涂材料被雾化线材端部熔化形成的熔滴在外加缩气流 或热源自身射流的作用下脱离线材并成微小熔滴向前喷射 粉末一 般不存在熔粒破碎和雾化的过程 而是被气流成热源射流推着向前 喷射 3 熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行在飞行过程中 颗粒首先被 加速形成粒子流 随着飞行距离增加 粒子运动速度逐渐减小 4 粒子在基材表面发生碰撞 变形 凝固和堆集当具有一定温度 和速度的微细颗粒与基材表面接触时 颗粒与基体表面产生强烈的 碰撞 颗粒的动能转化为热能并部分传递给基材 同时微细颗粒沿 凹凸不平表面产生变形 变形的颗粒迅速冷凝并生产收缩 扁平状 黏结在基材表面 喷涂的粒子仍需不断地运动并冲击表面 产生碰撞 变形 冷凝收缩过程 变形的颗粒与基材表面之间 以及颗粒与颗粒之间 互相黏结在一起 从而形成涂层 特点 1 涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起而形成的层 状组织结构 2 涂层由变形颗粒 气孔和氧化物组成 3 熔融颗粒在熔化 软化 加速 飞行及基材表面接触过程中与周 围介质发生了化学反应 使得材料经喷涂后出现氧化物 而且 由 于颗粒的陆续堆叠和部分颗粒的反弹散失 在颗粒之间存在一部分 气孔式空洞 从而使其具有气孔结构 4 机械结合 撞成扁平状并随基材表面起伏的颗粒 由于凹凸不平的表面互相嵌 合 形成机械的键而结合 5 举例说明实现飞机的表面红外隐身性能 选用改进的AI粉做填料 粘结剂采用由无水乙醇 二甲苯组成的聚 苯乙烯清漆和高氯化聚乙烯树脂 HCPE 充分混合 用研磨机研磨 过筛 用超声波解聚分散后就得到了红 外隐身涂层 具有地发射率 高发射率 在红外线福射频段具有良好的隐身性能 表面激光隐身性能 过渡元素掺杂SnO2激光隐身材料通过掺杂控制其载流子浓度 从而改 变掺杂半