材料表面工程技术基础理论.ppt

1 第二章材料表面工程技术基础理论 固体材料的表面特性材料表面磨损基础材料表面腐蚀基础 2 2 1固体材料的表面特性 与固体材料相关的表面与界面表面 固体材料与气相或液相接触的面 界面 固相之间的分界面 相界面 固体材料中成分 结构不同的两相之间的界面 晶界 晶粒与晶粒之间的分界面 微晶 尺寸在微米级以下的晶粒 非晶态 尺寸小于纳米级的晶粒 3 1 理想表面 将晶体切开后形成的表面 2 1 1固体的表面结构 理想表面 典型的固体表面有 理想表面 洁净表面 清洁表面 机加工表面和一般表面 4 在特殊条件下获得的固体表面 表面有极少量的吸附物 几种获得洁净表面的方法 1 在超高真空的环境下用简单的晶面劈开法获得清洁表面 如nacl的 100 面 2 在还原气氛中加热 使沾圬物形成可挥发的化合物 如在氢气中加热还原氧化物 3 在真空中用惰性气体离子轰击溅射表面 4 通过真空蒸发法获得理想的单晶和多晶薄膜 2 洁净表面 5 单晶体洁净表面的晶体结构可以看作是由二维布拉菲晶格 点阵 加上结点 阵点 组成的二维周期排列形成的无限点阵 五种可能的布拉维点阵 6 由于单晶体表面外侧没有固体原子的键合 形成附加表面能 表面原子有向能量最低的稳定状态发展 使表面原子处于稳定状态的方式 1 自行调整 使表面原子的排列与内部不同 2 依靠表面成分偏析或吸附外来原子或分子降低表面能 为了使表面原子结构和体内原子晶格匹配 表面数个原子层将发生重组 排 7 一般表面原子要经过4 6个原子层之后才与体内原子结构基本相似 8 9 晶体表面的最外层往往不是一个原子级的平面 这样的熵值较小 自由能比较高 所以洁净表面必然存在各种类型的表面缺陷才能得到最小的表面能 如体内缺陷在表面的露头 点缺陷 台阶 弯折等 10 tlk模型平台 terrace 低晶面指数平台 台阶 ledge 单分子或单原子高度的平台 扭折 kink 单分子或单原子尺度的扭折 固体表面上的能量是不均匀的 有的部位高 有的部位低 这将导致表面的吸附和化学反应是不均匀的 11 零件经过去油 除锈等预处理后的表面 3 清洁表面 12 机械加工后的表面 表面粗糙度取决于加工方法 4 机加工表面 机械加工面的表面粗糙度加工方法ra m 珩磨0 01 0 05研磨0 08 0 63磨削0 32 2 5铣削1 25 5车削0 63 5钻削1 25 10 不同加工方法形成的材料表面轮廓曲线 13 一般机加工后金属表面示意图 毕氏层 bilby层 因机械加工力引起的晶格点阵强烈畸变而形成的非晶态层 具有粘性液体膜似的非晶态外观 厚约5 10nm 14 金属表面的实际构成示意图 5 一般表面 实际表面 放置在大气中的材料表面 金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图 15 一般表面 实际表面 加热过的金属表面 16 由于物质表面原子或分子力场不饱和 所以有吸引周围其它物质 主要是气体 液体 分子的能力 吸附可以减少物质表面某些过剩的自由能 物质表面因吸附物的存在而稳定 所以吸附是自发进行 2 1 2固体表面的吸附现象 17 化学吸附 吸附原子与固体表面原子之间有电子的转移 二者靠化学键力结合 从热力学角度讲 化学吸附的自由能减小要比物理吸附大得多 状态更稳定 而且是不可逆的过程 固体表面的吸附有物理吸附和化学吸附 物理吸附 固体表面与被吸附分子之间不发生电子的转移 它们之间靠范德华力结合 物理吸附对温度很敏感 提高温度容易解吸 所以物理吸附是可逆的 18 化学吸附往往是先形成物理吸附膜 然后在界面发生化学反应转化成化学吸附 结合牢固并不可逆 如氢在镍表面的吸附 19 1 润湿现象与机理液体在固体表面上铺展的现象 称为润湿 1 亲水物质 能被水润湿的材料 如玻璃 石英等 2 疏水材料 不能被水润湿的物质 如石蜡 石墨等 2 1 3固体表面的润湿 20 润湿角 或式中 s g 固 气之间的界面张力 s l 固 液之间的界面张力 l g 液 气之间的界面张力 21 3 当 0 和180 时 则相应地称为完全润湿和完全不润湿 1 当 s g s l时 cos 为正值 90 润湿状态 2 当 s g90 不润湿状态 22 液体在固体表面的铺展系数定义为当 0 时 sl s 0 液体l在固体s表面上会自动展开 当sl s 0时 液体在固体表面上不易铺展 负值越大越难铺展 当固体表面粗糙度为i时 上式可修正为所以粗糙表面的铺展系数远大于光滑表面 23 在金属炊具表面涂一层憎水的聚四氟乙烯 ptfe 加入使 l g和 s l减小的表面活性物质 增加润湿程度 如清洗剂 加入使 l g和 s l增大的表面惰性物质 降低润湿程度 如防雨布 钎焊的钎剂可提高钎料在高温液态下对基材的润湿能力 润湿理论的应用实例 24 相互接触的一对金属表面 在相对运动时不断发生损耗或产生塑性变形 使金属表面状态和尺寸发生改变的现象称为磨损 磨损表现为松脱的细小颗粒 磨屑 的出现 以及在摩擦载荷作用下 金属表面性质 金相组织 物理化学性能 力学性能 和形状的 形貌和尺寸 粗糙度 表面层厚度 变化 2 2材料表面磨损基础 25 在机械设备中磨损通常是有害的 它损伤零件工作表面 影响机械设备性能 消耗材料和能源 并使设备使用寿命缩短 据估算 中国主要支柱产业部门每年因机器磨损失效所造成的损失在400亿元人民币以上 但磨损有时却是有益的 如新机器的跑合 机械加工中的磨削 研磨等 26 27 金属磨损特性曲线 28 一 金属磨损的分类 目前人们公认的最重要的四种基本磨损类型 机理 是粘着磨损 磨料磨损 疲劳磨损和化学磨损 29 二 影响金属材料耐磨性的因素 一般认为金属材料的硬度越高 其耐磨性越好 如提高钢中碳的质量分数以及加入碳化物形成元素钨 铬 钒等 可以提高其耐磨性 但硬度并不是影响金属耐磨性的唯一因素 高锰钢 zgmn13 材料就是一个典型的例子 又如 在相同的硬度下 下贝氏体组织的耐磨性优于马氏体组织 金属材料抵抗磨损的能力称为耐磨性 是由材料成分 硬度 组织结构及形态等因素决定的 30 影响金属材料耐磨性的因素 晶体结构和晶体互溶性密排六方晶格的金属具有低摩擦系数 磨损率也低 冶金上互溶性差 指晶格类型 晶格常数 电子密度及电化学性能相差较大 的一对金属摩擦副可获得低摩擦系数和低磨损率 如铜铅合金 温度升高 金属的硬度下降 且互溶性增强 摩擦加剧 温度升高导致氧化速度加剧也可影响磨损性能 一般来说 在真空条件下 磨损严重 因为大气可在较短时间内在洁净表面形成一定厚度的氧化膜 从而有防止粘着的作用 此外在摩擦副间添加润滑剂 也是减小磨损的有效方法 31 三 耐磨表面处理 从金属材料表面来研究提高耐磨性问题 一般可从两个方面着手 使表面具有良好的力学性能 一般来说 在力学性能中最重要的是硬度 在实际生产中通过表面淬火 渗碳等提高零件的表面硬度 或通过一定方法在材料表面形成一层具有较高硬度的涂覆层 如电镀 热喷涂和堆焊等 设法形成具有非金属性质的摩擦面 非金属性质的摩擦面是通过物理或化学的作用来减少磨损的 如对钢材渗s 氮化 热喷涂层加mos2 物理气相沉积 化学气相沉积及离子注入等 使材料表面形成氮化物 氧化物 硫化物 碳化物以及它们的复合化合物的表面层 这些表面层可以抑制摩擦过程中摩擦副两个零件之间的粘附 熔附以及由此引起的金属转移现象 从而提高耐磨性 许多表面强化方法往往兼有上述两种特性 因而都可以明显提高材料的耐磨性 32 2 3材料表面腐蚀基础 金属材料表面在环境介质的作用下所引起的破坏或变质称为腐蚀 所谓环境介质是指和金属接触的物质 例如大气 海水 酸 碱 盐等等 这些物质和金属发生化学反应或电化学反应引起金属的腐蚀 发生生锈 开裂 穿孔 变脆等现象 金属腐蚀现象非常普遍 象金属制成的日用品 机器部件 船底舰壳 生产工具等保养不好 就会腐蚀 从而造成大量金属消耗 造成无法估量的损失 因此防腐意义非常重要 金属腐蚀的本质 33 34 一 金属腐蚀的分类 按腐蚀机理分 主要有化学腐蚀和电化学腐蚀 1 化学腐蚀 化学腐蚀是金属和环境介质直接发生化学作用而产生的损坏 在腐蚀过程中只有电子的得失 没有电流产生 引起金属化学腐蚀的环境介质不能导电 这种腐蚀的产物一般覆盖在金属的表面 例如金属的高温氧化 非电解质对金属的腐蚀等 35 2 电化学腐蚀电化学腐蚀是金属在电解质溶液中发生电化学作用而引起的损坏 在腐蚀过程中不仅有电子的得失 而且有电流产生 引起电化学腐蚀的介质都能导电 电化学腐蚀比化学腐蚀更为常见和普遍 金属在酸 碱 盐 土壤 海水 潮湿大气等介质中的腐蚀均属于电化学腐蚀的范畴 如钢在室温的氧化 铜表面生成铜绿等 36 电化学腐蚀产生的原因是不同金属之间或合金中的不同相之间电极电位不同 存在电位差 当存在电解质溶液时便在金属表面形成了原电池 电位低的部分 阳极 被腐蚀 电位高的部分 阴极 被保护 不同金属之间或合金中的电位差越大 原电池效应越明显 腐蚀速度越快 37 从上述原理可以看出 金属零件发生电化学腐蚀的基本条件是 零件是由二种不同金属组成 或使用的合金中不同区域或不同相的电极电位不同 不同电极电位的部分彼此是非绝缘的 可以有电子的流动 有电解质存在 38 在美空军目前装备的f 22战机中 有三分之二的机体已出现锈蚀问题 美空军f 22计划负责人认为 清理战机表面和除锈工作需耗费50万美元 而为一些f 22更换部件的费用则有可能高达数百万美元 导致f 22机体发生锈蚀的主要原因是用于制造机体板材 涂料和其他一些构件的材料不够匹配 导致其中的不同金属发生了电化反应 而解决这一问题的方法是将原先的铝制构件换为钛合金构件 39 二 金属腐蚀的防护正确选用金属材料 合理设计工件结构金属表面覆盖保护层牺牲阳极的阴极保护法 40 1 正确选用金属材料 合理设计工件结构 正确选择金属材料是防止金属腐蚀的最根本措施 应根据材料工作环境中介质的性质 产生腐蚀的类型及程度合理选择材料 在满足主要技术 工艺和经济指标的前提下 应尽可能使用在给定的腐蚀条件下稳定性好的材料 如在h2s04溶液贮槽中采用衬金属铅和陶瓷材料 在建户外结构时 在强度允许的情况下 使用铝及铝合金 因为铝在一般空气中不易腐蚀 表面有一层氧化膜保护层 不锈钢是工程中最常用的耐蚀材料 在不锈钢中含有大量的合金元素铬 镍 一方面铬有助于在金属表面生成钝化膜 并能提高钢基体的电极电位 减小电位差 提高钢的耐腐蚀性能 另一方面在不锈钢中加入铬或镍有助于获得单相奥氏体组织或铁素体组织 消除了电位差 避免出现原电池 提高了钢的耐蚀性 41 在设计方面 工件的结构和组合应该符合防腐蚀规律 要尽量避免电位差较大的金属直接搭接和铆接 例如铝 镁不应与钢铁 镍等材料相接触 另外 工件结构应尽量采用圆角 避免尖角 焊缝不宜太多 各部分受力要均匀 以防出现应力集中 42 2 金属表面覆盖保护层 在金属表面形成一层保护膜 隔绝金属和腐蚀介质 是防止金属腐蚀的一种有效方法 尤其是化学腐蚀 最常用 最简便的是在金属表面覆盖上防腐涂料 塑料 橡胶 搪瓷 陶瓷 玻璃 石材等非金属材料 此外 在金属表面可以化学镀 电镀 热喷涂 热浸镀一层耐腐性良好的金属或合金 如ni cr zn al sn cu等金属 金属覆盖保护可分为阴极覆盖保护和阳极覆盖保护 作为阳极覆盖层的金属 应比主体金属有更负的电极电位 例如在铁基合金上覆盖zn al等 阴极覆盖层金属的电极电位比被保护的主体金属更正 如在铁基合金上覆盖ni cu sn pb等 主体金属是阳极 覆盖层是阴极 所以覆盖层必须是