表面工程学（课堂PPT）

主讲人：朱芠Telmail:wennarhust,表面工程学,1,表面工程学曾晓雁，吴懿平主编机械工业出版社，2001材料表面工程徐滨士，朱绍华，刘世参编著哈尔滨工业大学出版社，2005,参考教材,2,第一章绪论,1.1表面工程学的定义与内涵1.2表面工程的特点与意义1.3表面工程技术的分类,3,第一节：表面工程学的定义与内涵,1.1、表面工程技术发展概况,磨损、腐蚀、断裂是机械零件工程构建的三大主要破坏形式。前二者造成经济损失占很大比重。,数据,磨损,美国：美国国家材料政策委员会向美国国会提出的一份报告：摩擦磨损引起的损失1000亿美元/年；,德国：1983年，前联邦德国调查，摩擦磨损损失287亿马克；,英国：摩擦磨损损失51500英镑/年；,4,腐蚀,美国：国家标准局1978年调查：1975年腐蚀损失达820亿美元，占国民生产总值的4.9%；1995年腐蚀损失达3000亿美元；,中国：1983年调查：腐蚀损失400亿元/年,腐蚀和磨损均是发生于机件表面的材料流失过程，其他形式的失效过程有许多也是从表面开始,延缓和控制表面破坏的方法,促进了表面工程学的发展与形成,5,1.2、表面工程学的定义,表面工程学围绕腐蚀、摩擦与磨损和功能特性（声，光，磁，电的转换）三大因素，成为80年代后期重点发展的关键技术之一，形成表面工程学。,定义,为满足特定的工程需求，使材料表面或零部件表面具有特殊的成分，结构和性能(或功能)的化学，物理方法与工艺。,6,1.3、表面工程学的内涵,提高耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能、装饰性，或具有特殊功能（如电性能、磁性能和光电性能等）,能够在材料表面加工或制作各种功能结构元器件的有关技术。如光刻技术、离子刻蚀技术等,即借助各种手段在材料表面合成新材料的技术，如纳米粒子制备过程中的表面工程技术、离子注入等,快速成型制造,7,内涵扩展,表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工程材料，如金属、陶瓷、半导体材料、高分子材料、混凝土、木材和各类复合材料等，所涉及的工艺方法数以百计，各具特点。,经过内涵扩展以后的表面工程技术，由单纯的表面改性扩展到表面加工和合成新材料等领域，涵盖材料科学、物理、化学、冶金、机械、电子与生物等领域，成为新型的、名副其实的交叉学科。,8,1.4、学习本课程的目的和要求,学习掌握表面工程技术的基本理论和基本特点。能够根据工程的需要选择相应的表面工程技术或几种技术的组合，选择所用材料和制定最佳工艺，解决工程问题。具备基本的研究与开发表面工程新技术的能力。,9,3）兼有装饰和防护功能；,4）化学气相沉积，物理气相沉积，掩模，光刻等表面薄膜沉积技术和表面细微加工是制造大规模集成电路的基础；,5）生成型制造法是以表面加工为基础；,1）作用于表面，对基材组织与性能影响不大；,2）采用表面技术替代整体合金化；,第二节表面工程的特点与意义,6）可以在表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金。,10,第三节表面工程技术的分类,按学科特点：,1）表面合金化技术,利用外来元素与基材元素相混合，形成成分不同于基材和添加材料的表面新材料。,喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆、热渗镀。,2）表面覆盖和覆膜技术,3）表面组织转化,不改变基材的成分，利用外加涂层或镀层的性能使基材表面性能优化。,热喷镀、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、金属染色。,不改变材料的表面成分，只是通过改变其组织结构特性或应力状况来改变材料的性能。,激光表面淬火、电子束热处理、喷丸、滚压。,11,第二章表面工程技术的物理化学基础,12,引言,表面工程技术实施的对象是固体材料的表面，因此掌握材料表面与界面的基础知识是正确选择与运用表面工程技术的基础。,成功运用表面工程技术的两个要素是：,掌握各种表面工程技术的特点。了解和掌握影响材料表面性能的主要因素，其中，材料的耐磨性和抗蚀性影响因素众多，本章将重点进行介绍。,13,第一节固体的表面与界面,表面,固相与气相的分界面。,界面,固相之间的分界面。,相界面,不同凝聚相之间的分界面，如：A与M，F与M,同相中晶粒之间的分界面称为晶界微晶m；非晶1nm,14,1理想表面,认为半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原无限晶体一样。显然自然界很难获得理想表面。,2洁净表面,由于在垂直于表面方向上，晶内原子排列呈周期性变化，而表面原子的近邻原子数减少，使得其拥有的能量大于晶体内部原子的能量，超出的能量正比于减少的键数，该部分能量即为材料的表面能。,表面能,1.1、典型的固体表面,允许有吸附物，只有经过特殊处理方法得到，如高温处理、离子轰击加热退火等。,材料表层原子结构的周期性不同于体内，但化学成分与体内相同，这种表面称为洁净表面。相对于表面受污染程度和理想表面而言的。,15,驰豫；,重构；,台阶化；,偏析和吸附,在获得的各种涂层或镀膜之前，常需采用各种预处理工艺获得清洁表面；微电子工业中气相沉积和微细加工则需要超洁净表面。,在高洁净度的表面上可以发生多种与体内不同的结构和成分的变化：,3清洁表面,指经过清洗（脱脂，浸湿）以后的表面。,16,波纹度：指在一段较长距离内出现一个峰和谷的周期。粗糙度：在较短距离内（2800m）出现的凹凸不平（0.03400m）的程度。,4机械加工过的表面,实际零件表面不可能绝对平滑光整，微观上由不规则的起伏不平的峰谷组成。,表面的不平整性包括波纹度和粗糙度两个概念。,17,材料表面粗糙度与加工方法相关，最后一道加工工序起决定作用。,粗糙度的表示方法：,轮廓的算术平均偏差Ra：,yi为峰或谷的绝对值，n为测量个数。,真实面积与投影面积的比值i：,Ai为真实面积，Al为Ai的投影面积。,18,除Au以外，金属经机械加工后，在常温常压下会发生氧化。因此，在固体表面会吸附一层外来原子。氧化皮大部分表面覆层技术在工艺实施之前，都要求对表面进行预处理，清除掉表面的氧化皮，以便提高覆层与基材的结合强度。,5一般表面,由于表面原子的能量处于非平衡状态，一般会在固体表面吸附一层外来原子。,19,1基于固相晶体尺寸和微观结构差异形成的界面；2基于固相组织或晶体结构形成的界面；3基于固相宏观成分差异形成的界面；,1.2、典型的固体界面,界面通常指两个块体之间的过渡区，其空间尺度决定于原子间力作用影响范围的大小；其状态决定于材料和环境条件特性。,最为常见的界面类型有：,20,600#SiC砂纸研磨黄铜,深度可达1-10um;单晶塑变层多晶塑变层,1.2.1基于固相晶体尺寸和微观结构差异形成的界面,抛光金属的表面组织：,微晶层,具有粘性液体膜似的非晶态外观,不仅能将表面覆盖得很平滑,而且能流入裂纹划痕等表面不规则处;,塑性流变层,塑变程度与深度有关;与硬度成反比;,21,钢中珠光体:F和渗C体;钢表面淬火:表面为M,心部仍为原始组织,存在过渡区。它由部分马氏体和部分铁素体、珠光体混合而成。,1.2.2基于固相组织或晶体结构形成的界面,典型特征:,两相之间微观成分和组织存在很大差异;无宏观成分的明显区别.,典型例子:,这种相界面虽然在微观尺度的晶体结构上有明显的突变，但从宏观来看，组织的变化存在一个渐变区域。因此，材料在服役过程中不存在表面层剥落等情况。,22,1.2.3基于固相宏观成分差异形成的界面,冶金结合界面,覆层与基材是通过处于熔融状态的覆层材料沿半熔化状态的基材表面向外凝固结晶而形成的。,特点,结合强度高，金属键结合，承载大，不易剥落,典型工艺,堆焊；喷焊；激光熔覆等技术,23,扩散结合界面,两个固体直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成的结合界面。,特点,覆层与基材之间成分梯度变化。,典型工艺,扩散焊，热扩渗等工艺,24,外延生长界面,在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的新单晶层的工艺过程，称为外延生长。,特点,外延的程度取决于基体与外延层的晶格类型和常数。具体的结合强度取决于结合键的类型，如分子键、共价键、离子键或金属键等。,典型工艺,气相外延，如化学气相沉积技术；液相外延，如电化学等。,25,化学键结合界面,覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界面。如Ti合金表面气相沉积形成TiN和TiC薄膜。,特点,结合强度较高，但界面的韧性较差，易发生脆性断裂或剥落。,典型工艺,物理和化学气相沉积、离子注入、化学转化膜等技术,26,分子键结合界面,以范德华力结合的覆层与基体的界面,特点,界面特征为未发生扩散和化学作用。,典型工艺,部分物理气相沉积层、涂装技术中有机粘结涂层,机械结合界面,两种材料相互镶嵌的机械连接作用形成的界面,典型工艺,热喷涂，包镀，钎焊,27,1.3、表面晶体结构,在表面科学中，任何一个二维周期结构的重复性都可用一个二维布拉菲晶格(点阵)加上结点(阵点)来描述。,实际表面结构并不是完整无缺的，存在着很多缺陷。,典型的TLK模型分析：,28,考塞尔(Kossel)斯特朗斯基(Stranski)表面晶体结构物理模型,平台(Terrace)-台阶(Ledge)扭折(Kink)模型,表面区的每个原子都可以用最近邻数来描述,29,根据TLK模型，台阶一般比较光滑，但温度，扭折数会增加，扭折间距0和温度及晶面指数k有关，可由下式描述：,-原子间距；EL台阶生成能,面心立方（111）面上台阶的0约为4.简单立方（100）晶面上台阶的0约为30,实际中，表面会存在大量缺陷，如空位、位错露头、晶界痕迹等。,据分析,30,1.4、表面扩散,扩散,物质中原子（分子）的迁移现象称为扩散,扩散过程中原子平均扩散距离为:,31,扩散激活能Q与扩散途径有关,扩散途径,体扩散,表面扩散,晶界扩散,位错扩散,其中，后三种扩散都比第一种扩散快，又称短路扩散。,表界位体；表界位体,32,1.5、固体表面的物理吸附和化学吸附,1.5.1吸附的基本特性,物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸附周围其他物质分子的能力，即所谓吸附作用,有二类：,物理吸附-范得华力化学吸附-化学键,33,1.5.2固体对气体的吸附,任何气体在其临界下，都会吸附于固体表面，即发生物理吸附物理吸附不发生电子的转移，最多只有电子云中心的变动,物理吸附容易解吸，为可逆过程；化学吸附很难解吸，为不可逆过程；,并不是任何气体在任何表面都可以发生化学吸附。如H2可以在Ni的表面发生化学吸附，而在Al上则不能。,34,1.5.3固体对液体的吸附,电解质吸附,使固体表面带电or双电层的组织发生变化，也可以产生离子交换。电镀,非电解质吸附,单分子层吸附，吸附层以外就是本体相溶液。吸附热很小，相当于溶解热。,固体对液体的吸附也分为物理吸附和化学吸附。,35,普通润滑油，极化了的长链油分子与金属表面发生较弱的分子引力结合形成物理吸附膜。16烷,化学吸附往往是首先形成物理吸附，然后在界面发生化学反应转化成化学吸附。结合能高，不可逆。硬酸脂与FeO作用生成硬脂酸铁皂膜,36,1.5.4固体表面之间的吸附,两表面必须靠近到原子间距的范围内，才能产生固体表面吸附。,用粘附功描述粘附程度：,表面污染影响很大。如铁若在水银中断裂，裂开面可以再粘合起来，而在空气中就不行。,37,1.5.5吸附对材料力学性能的影响莱宾杰尔效应,由于环境介质的作用，材料的强度、塑性、耐磨性等力学性能会下降。,原因,1.不可逆物理过程效应如：腐蚀不改变力学性能，通过减小尺寸使性能下降2.可逆物理和化学过程效应使表面自由能下降，力学性能发生变化莱宾杰尔效应,例：玻璃、石膏吸附水蒸气后，强度下降；铜表面覆盖熔融薄膜后，使塑性大大下降。,38,只有对该金属为表面活性的液态金属才能产生影响。如水银降低Zn的强度和塑性，但对镉无影响,微米级的薄膜就可导致脆性破坏，与溶解和腐蚀不同；几滴活性熔融金属就能引起低应力解理脆性断裂；,但熔融物在无应力试样中沿晶界扩散的情况例外。,莱宾杰尔效应具有如下显著特征：,39,莱宾杰尔效应的机理：,是金属表面对活性介质的吸附，使表面原子的不饱和键得到补偿，使表面能降低，改变了表面原子之间的相互作用，使金属的表面强度降低。,40,1.6、固体表面润湿,1.6.1润湿现象与机理,润湿,液体在固体表面铺展的现象,水滴与玻璃，能被水润湿亲水，如玻璃、石英、方解石、长石等。水滴与石蜡，不能被水润湿疏水，如石蜡、石墨、硫磺等。(TiO2光致亲水),41,用润湿角来描述润湿程度90为润湿，越小，润湿越好；90为不润湿；=0和=180时，则称为完全润湿和完全不润湿。,42,三力互相平衡，合力为0，有：,的大小与界面张力有关,润湿的大小与分子间的作用力相关,润湿与否取决于液体的内聚力和液-固分子间的粘附力的相对大小。若后者大，则润湿；反之则不润湿。,43,1.6.2铺展系数,定义为：,44,1.6.3润湿理论的应用,通过改变来调整，加入表面活性物质来减小，使润湿程度增大；或加入表面惰性物质来增大，使润湿程度降低。（透析膜）改变铺展系数来增加润湿性，如增加粗糙度或增加中间过渡层（自熔合金）不粘锅，在最表面上涂覆一层憎水性的高分子材料，如聚四氟乙烯等。,45,第二节材料磨损原理及其耐磨性,磨损不像力学性能那样属于材料的固有特性，它受到摩擦学系统中接触条件、工况、环境、介质等多方面因素的影响，是一系统性质。,材料的磨损始于表面，材料表面性能是决定材料耐磨性的关键。,掌握材料摩擦与磨损的基本过程与规律，是正确选择或设计表面工程技术与材料的基础。,引子,46,2.1、固体材料的摩擦与磨损,摩擦,相互接触的物体相对运动时产生的阻力。,磨损,相互接触的物体相对运动时产生的物体损失或残余变形。,摩擦力与两接触体之间的表面接触面积无关；摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比；两个相对运动物体表面的界面滑动摩擦阻力与滑动速度无关。F=N,摩擦三定律,47,摩擦与磨损的分类,摩擦,干摩擦,边界润滑摩擦,流体润滑摩擦,滚动摩擦,干摩擦无润滑摩擦制动，传动,边界润滑摩擦接触面之间存在油膜（1个分子0.1m厚），使F增加2-10倍；,流体润滑摩擦对磨表面完全被油膜隔开，靠油膜的压力平衡外载，F取决于润滑油的内摩擦系数，最小，F与接触表面无关；,滚动摩擦,48,磨损,磨粒磨损,疲劳磨损,冲蚀磨损,腐蚀磨损,粘着磨损,高温磨损,微动磨损,49,50,2.2、粘着磨损、润滑和固体润滑,2.2.1粘着磨损机理,摩擦面的名义接触面积与实际接触面积,51,Fr=AbA-剪切的微凸总面积；b-焊合点的平均抗剪强度。FN=As则摩擦系数：=Fr/FN=Ab/As=b/s,冷焊和犁削理论,52,2.2.2流体润滑和边界润滑,几种可能发生粘着磨损的典型情况：,边界润滑,如果压力太大，零件运行速度太低，或表面粗糙度太高，将会发生油膜刺穿现象，即发生微凸体之间的接触而导致磨损的增加。此时的磨损状态称为边界润滑。,53,54,55,2.2.3固体润滑,航空、航天等领域要求在高负荷，超低温，强氧化，强辐射，超高真空，高温，特殊极限环境下工作，一般流体润滑无法满足。,固体润滑是利用剪切力低的固体材料来减少接触表面之间摩擦与磨损的一种润滑方式。大致可分为以下三类：,固体粉末润滑,固体润滑薄膜,自润滑复合材料,56,）固体粉末润滑,与润滑油混合,利用转动部件使粉末飞扬；或制成悬浮液，浸渍在多孔材料润滑,）固体润滑薄膜,粘接固体润滑膜（简称干膜）：将固体润滑剂与粘结剂混合后涂抹化学反应润滑膜化化化电镀和气相沉积,）自润滑复合材料,金属基复合材料润滑粉与金属粉压制烧结塑料基复合材料固润与塑料组合，构成塑料复合材料基复合材料焦碳，石墨，碳墨等与沥青焦油，合成树脂挤压成型烧结，形成多孔复合材料,57,钢铁零件中几种典型固体润滑材料的摩擦系数,固体润滑的摩擦系数与工作环境有关,58,2.2.4影响固体材料粘着磨损性能的因素,润滑条件与环境,真空条件下大多数金属的磨损严重，而在大气条件下，许多金属表面能生成氧化膜，有效防止粘着。,硬度,材料的硬度越高，耐磨性越好。材料体系一定时，可采用涂层或其它表面处理工艺增加表面硬度。,晶体结构和晶体互溶性,：密排六方面心体心；冶金上互熔性好的一对金属摩擦副摩擦系数和磨损率高。周期表上相距较远的元素不易互熔，也不易粘着。,温度,一方面，增加，硬度降低，互溶性增强，磨损严重；另一方面，增加，氧化增加，也可影响磨损性能。,59,2.3、磨粒磨损,2.3.1磨粒磨损过程中材料去除机理,如果将被磨损材料简化为绝对刚体，将硬质磨粒简化为一个三角锥体，磨损过程如下：,60,塑性材料主要发生显微犁沟和显微切削,材料的磨损体积与载荷，材料硬度以及滑动距离有关：,K为比例系数，与多因素有关,脆性材料以断裂为主，则有：,61,2.3.2磨粒磨损过程的影响因素,硬度、形状、粒度,a）磨粒硬度的影响,Ha-磨粒硬度，Hm-材料硬度；Ha/Hm1.2硬磨粒磨损，硬度增加对磨损影响不大；但：1圆粒,c）磨粒粒度的影响,磨粒在临界尺寸以下时，磨损随尺寸增加急剧增加