材料表面工程(一、二)ppt课件

.,1,材料表面工程,高海燕2015,.,2,总成绩=平时成绩（30%）+笔试（70%）平时成绩=课堂（20%）+作业(10%)出勤:每迟到一次或早退一次扣2分；请事假扣1分；每旷课一次扣3分，超过3次不能参加考试。课堂成绩：随堂回答上节课和随堂的问题（抢答+点名）根据回答或补充的质量打分（05分）作业:1.老师布置的作业（上周的作业下周交，过时不补交）；2.自己就某一表面技术写一篇综述考试方式：待定,课程考核规则,.,3,课程简介,较为全面系统地学习材料表面工程的理论与技术。在表面工程理论部分重点学习材料表面的物理、化学基础；在表面工程技术部分学习多种实用表面工程技术的基本原理、设备和工艺；在表面工程技术的测试分析部分重点学习材料表面的测试分析仪器、原理、方法等内容。本课程具有“综合、复合、交叉、系统”的特色，重视表面技术的应用，强调理论密切联系生产实际，着力提高学生分析和解决表面工程问题的能力。,.,4,教学目的,3.系统掌握现代材料表面处理技术的基本原理,5.能合理选择并运用表面处理技术对材料表面进行改性，解决工程中的实际问题,1.了解材料的表面结构,2.掌握材料表面工程的基础理论,4.掌握材料表面的测试分析技术,.,5,教材及参考资料,.,6,第一章绪论第二章表面工程的基础理论第三章材料表面预处理第四章表面形变强化技术第五章高能束表面改性技术第六章热喷涂与堆焊技术第七章电镀与化学镀第八章气相沉积技术第九章热扩散技术第十章测试与分析,总目录,.,7,第一章绪论,表面工程的定义：表面工程是指在不改变基体材料成分，不削弱基体强度的条件下，利用各种表面处理、表面涂层和表面改性技术作用于材料或工件的表面以获得预想的性能。表面工程包含了从设计、选材、表面工艺、表面质量控制与检测、工程应用以及失效分析等，是一个系统的工程。,.,8,表面工程是以表面科学为理论基础，将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。主要通过表面改性和表面涂覆技术来提高材料抵御环境作用能力和赋予材料表面某种功能特性。表面改性技术：用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。表面涂覆：主要采用各种涂层技术。,第一章绪论,.,9,人们对表面上可开展的工作形成的共识：（1）任何物体都包含表面。（2）任何工程，任何产品都不可能回避表面。（3）表面与基体是不可分割的。（4）表面工程技术可以对表面做有效的改进。（5）任何重大工程或产品的设计与制造都应将表面与基体作为一个系统进行设计与制造才能获得理想的结果。,第一章绪论,.,10,表面科学与工程学科的重要性,表面科学的进步是国家繁荣的象征表面工程的发展促进了产品质量的提高表面技术是高附加值的技术，能够产生巨大的经济效益表面技术的发展能够带动相关行业的技术进步,第一章绪论,.,11,表面工程的工程意义与科学价值,第一章绪论,.,12,工程意义*提高材料和工件的可靠性，延长其使用寿命*制备具有特殊功能的表面*对节能降耗与再制造的特殊贡献*满足人们精神文化生活的需要科学价值*材料制备与合成的新技术*为新技术发展提供工艺和材料支持*多学科交叉，促进新的学术研究课题,第一章绪论,.,13,19世纪工业革命以来，为适应高强度、高硬度和耐磨、耐蚀、耐高温等特殊要求，需不断开发各种特殊的合金材料，但这些材料往往价格昂贵。因此，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进行加工，改变其表面性能，以适应复杂的工作环境。另外，磨损、腐蚀等失效都是首先发生在材料表面，通过对材料表面进行有效处理，可极大地提高材料寿命。基于这样的背景，逐步形成了一门新兴学科表面工程学。,表面工程及其发展,背景,.,14,表面工程的发展,形成一门独立的学科,.,15,表面工程的发展,第一阶段：以单一表面工程技术的品种增加，工艺成熟为主要特征。,第二阶段：以复合表面工程技术的出现和协同创新为主要特征，即将两种或多种传统的表面技术复合应用，起到“1+12”的协同效果。,第三阶段：以微纳米材料和纳米技术与传统表面工程技术的结合与实用化为主要特征。,.,16,秦王剑的发现，在兵马俑出土的青铜剑两千年不折，从二号坑出土的青铜剑，长86厘米剑身上有8个棱面，极为对称均衡。秦王剑的发现历经两千多年年，从地下出土，却无蚀无锈，光洁如新。用现代科学方法检测分析，这些青铜剑表面竟涂有一层厚约10微米的氧化膜，其中含铬2%。秦王剑的发现立即震动了世界，因为这种铬盐氧化处理是近代才掌握的先进工艺。据说德国在1937年，美国在1950年才先后发明并申请专利，而且只有在一套比较复杂的设备和工艺流程下才得以实现。,表面工程的发展,.,17,古青铜镜是实用器物,也是珍贵的艺术品。在我国已出土的青铜镜中,有的表面漆黑发亮,少有锈蚀痕迹,具有很高的鉴赏价值,金石学家称之“黑漆古”。黑漆古之名在宋代的书籍中即已出现。对黑漆古表面层的研究,从宋代就已开始,历代学者都做了不少工作。分析发现过量锡及一定量硅富集于表面,形成的氧化物层以超微细多晶颗粒存在,因此极耐腐蚀,而且成功地保护了青铜合金基体。,表面工程的发展,.,18,表面工程的发展,.,19,表面工程的发展,表面工程的发展,.,20,表面工程的简单分类,.,21,表面改性(通过改变基质材料成分，达到改善性能的目的，不附加膜层）2.表面处理（不改变表面材质成分，只改变基质材料的组织结构及应力，达到改善性能的目的，不附加膜层。）3.表面涂覆（在基质材料表面上制备涂覆层，涂覆层的材料成分、组织、应力按照需要制备。）4.复合表面技术（综合运用多种表面工程技术，通过发挥各表面工程技术的协同效应达到改善表面性能的目的。）5.纳米表面工程（以传统表面工程技术为基础，通过引入纳米材料、纳米技术达到进一步提升表面性能的目的。）,.,22,表面工程技术的分类,表面改性技术,扩散渗入,离子注入,转化膜技术,非金属元素表面扩渗,金属元素表面扩渗,复合元素表面扩渗,非金属离子注入,金属离子注入,复合金属离子注入,电化学转化膜,化学转化膜,金属着色技术,.,23,表面工程技术的分类,表面处理技术,表面淬火处理,表面变形处理,表面纳米化加工技术,感应加热表面淬火,激光加热表面淬火,电子束加热表面淬火,喷丸,辊压,孔挤,.,24,3、表面涂覆技术：电镀、化学镀、气相沉积、热喷涂、堆焊、熔覆、热浸镀、黏涂、涂装,4、复合表面工程技术：是对上述三类技术的综合应用，可以克服单一表面工程技术的局限性,5、纳米表面工程技术：在基质表面制备含纳米颗粒的复合涂层或具有纳米结构的表面,.,25,从材料科学的角度，按沉积物的尺寸，表面工程技术可以分为以下四种基本类型：（1）原子沉积。以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在基体上凝聚，然后成核、长大，最终形成薄膜。被吸附的粒子处于快冷的非平衡态，沉积层中有大量结构缺陷。沉积层常和基体反应生成复杂的界面层。凝聚成核及长大的模式，决定着涂层的显微结构和晶型。电镀、化学镀、真空蒸镀、溅射、离子镀、物理气相沉积、化学气相沉积、等离子聚合、分子束外延等均属这类。,.,26,（2）颗粒沉积。以宏观尺度的熔化液滴或细小固体颗粒在外力作用下于基体材料表面凝聚、沉积或烧结。涂层的显微结构取决于颗粒的凝固或烧结情况。热喷涂、搪瓷涂敷等都属这类。,（3）整体覆盖。欲涂覆的材料于同一时间施加于基体表面。如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。,（4）表面改性。用离子处理、表面热处理、机械处理及化学处理等方法处理表面，改变材料表面的组成及性质。如化学转化膜、喷丸强化、激光表面处理、电子束表面处理、离子注入等。,.,27,表面工程技术的分类,基于材料分类,.,28,按工艺特点分类,.,29,实际上，表面工程技术有着广泛的涵义，综合来看，大致上可分为以下几个部分：（1）表面工程基础理论它主要有表面失效分析理论、表面摩擦与磨损理论、表面腐蚀与防护理论、表面(界面)结合与复合理论等。它对表面工程技术的发展和应用有着直接的、重要的影响。,.,30,（2）表面处理技术。它又包括表面覆盖技术、表面改性技术和复合表面处理技术三部分。表面覆盖技术主要有电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料涂敷、电火花涂敷、热浸镀、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化学气相沉积、分子束外延、离子束合成薄膜技术、化学转化膜、热烫印和暂时性覆盖处理等。表面改性技术主要有喷丸强化、表面扩渗、表面热处理、激光表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理和离子注入等。复合表面处理技术是综合运用两种或更多种表面处理技术。,.,31,（3）表面加工技术。它主要有表面预处理加工、表面层的机械加工和表面层的特种加工等。,（4）表面分析和测试技术。它主要有表面形貌和显微组织结构的分析、表面成分分析、表面原子排列结构分析、表面原子动态和受激态分析和表面的电子结构分析等。,（5）表面工程技术设计。它主要有表面层材料设计、表面层结构设计、表面工艺设计和表面工程经济分析等。,.,32,零件在服役过程中,主要失效的形式为：腐蚀(Corrosion)、磨损(Wear)、疲劳(Fatigue)、断裂(Fracture),背景：现代工业要求产品能在更高参数(如高温,高压,高速)、高度自动化和更恶劣的工况条件下更长期稳定运转.这就必然对工件表面的抗磨损、耐腐蚀等性能提出了更高的要求。,.,33,表面工程的功能,1.提高耐磨性、耐蚀性、耐疲劳、抗氧化、防辐射性能,硬质合金可用来制作凿岩工具、采掘工具、钻探工具等。碳化钛涂层刀具，刀具的基体是钨钛钴硬质合金或钨钴硬质合金，表面碳化钛涂层的厚度不过几微米，但是与同牌号的合金刀具相比，使用寿命延长了3倍，切削速度提高2550。20世纪70年代已出现第四代涂层工具，可用来切削很难加工的材料。,.,34,.,35,2.提高表面的自润滑性,自润滑轴承。以其独特的性能及其经济性在国内外广泛的运用。该铜套基体采用高强度高硬度铜合金，比普通铜套硬度，强度提高一倍多。表面钻孔镶嵌石墨为主的含油固体润滑剂，润滑面积约占25%，轴承运行时自身产生一层固体-液体混合润滑膜，起到减少摩擦的效果，大大的提升了铜套本身性能。,.,36,3.实现表面的自修复性（自适应、自补偿、自愈合）,.,37,4.实现表面的生物相容性,.,38,5.改善表面的传热性或隔热性,.,39,6.改善表面的导电性或绝缘性,7.改善表面的导磁性、磁记忆性或屏蔽性,8.改善表面的增光性、反光性或吸波性,9.改善表面的润湿性或憎水性,10.改善表面的黏着性或不黏性,11.改善表面的吸油性或干摩性,12.改善表面的摩擦因数,13.改善表面的装饰性或仿古做旧等,.,40,飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于具有几十倍的音速，并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达40005000：问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度。解决问题的方法：依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧蚀涂层。隔热防火涂层是热导率低的氧化物：氧化铝、氧化锆、氧化钍等。烧蚀涂层：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维。,应用实例,.,41,姿/轨控发动机推力室,嫦娥探月工程,实例-高温抗氧化涂层,.,42,航天飞机外壳防热材料和涂层：如美国洛克希德导弹与航天公司了一种LI-900全氧化硅绝热毡特性：1）重量轻，整个体积的95%都是空的。2）为防水、耐蚀、散热，表面加涂了一种碳化硅涂层，该涂层可把90%的入射热反射掉，而剩下10%几乎都被氧化硅毡所隔绝。,应用实例,.,43,在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收太阳光谱中所有波段的能量。如用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co-Al2O3作为太阳能吸热器，使对太阳能的吸收率可达95%,.,44,在单一表面技术发展的同时，综合运用两种或多种表面技术的复合表面技术（也称第二代表面技术）有了迅速的发展。复合表面技术通过最佳协同效益使工件材料表面体系在技术指标、可靠性、寿命、质量和经济性等方面获得最佳的效果，克服了单一表面技术存在的局限性，解决了一系列工业关键技术和高新技术发展中特殊的技术问题。强调多种表面工程技术的复合，是表面工程的重要特色之一。,表面工程的发展趋势,一、研究复合表面技术,.,45,成分复合、工艺复合是表面复合技术的主要特征目前，复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展，如热喷涂和激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合、表面涂覆强化与喷丸强化的复合、表面强化与固体润滑层的复合、多层薄膜技术的复合、金属材料基体与非金属表面复合、镀锌或磷化与有机漆的复合、渗碳与钛沉积的复合、物理和化学气相沉积同时进行离子注入等等。伴随复合表面工程技术的发展，梯度涂层技术也获得较大发展，以适应不同涂覆层之间的性能过渡。复合表面工程技术将在新世纪中不断得到发展，今后将根据产品的需要进一步综合研究运用各种表面工程技术的组合，解决工程中的难题，以期达到最佳的优化效果。,表面工程的发展趋势,.,46,表面工程技术设计是针对工程对象的工况条件和设备中零部件等寿命的要求，综合分析可能的失效形式与表面工程的进展水平，正确选择表面技术或多种表面技术的复合，合理确定涂层材料及工艺，预测使用寿命，评估技术经济性，必要时进行模拟实验，并编写表面工程技术设计书和工艺卡片。目前，表面工程技术设计仍基本停留在经验设计阶段。有些行业和企业针对自己的工程问题开发出了表面工程技术设计软件，但局限性很大。随着计算机技术、仿真技术和虚拟技术的发展，建立有我国特色的表面工程技术设计体系既有条件又迫在眉睫。,二、完善表面工程技术设计体系,.,47,表面工程大量的任务是使零件、构件的表面延缓腐蚀、减少磨损、延长疲劳寿命。随着工业的发展，在治理这三种失效之外提出了许多特殊的表面功能要求。例如舰船上甲板需要有防滑涂层，现代装备需要有隐身涂层，军队官兵需要防激光致盲的镀膜眼镜，太阳能取暖和发电设备中需要高效的吸热涂层和光电转换涂层，录音机中需要有磁记录镀膜、建筑业中的玻璃幕墙需要有阳光控制膜等等。此外，隔热涂层、导电涂层、减振涂层、降噪涂层、催化涂层、金属染色技术等也有广泛的用途。在制备功能涂层方面，表面工程也可大显身手。,三、开发多种功能涂层,.,48,四、研究开发新型涂层材料,表面涂层材料是表面技术解决工程问题的重要物质基础。当前发展的涂层新材料，有些是单独配制或熔炼而成的，有些则是在表面技术的加工过程中形成的，后一类涂层材料的诞生，进一步显示了表面工程的特殊功能。轿车涂装技术中新发展的第五代阴极电泳涂料（ED5），其泳透力比前几代进一步提高，有机溶剂、颜料含量降低，且不含有害金属铅，代表了阴极电泳涂料的发展趋势。,以聚氯乙烯树脂为主要基料与增塑剂配成的无溶剂涂料，构成了现代汽车涂装中所用的抗石击涂料和焊缝密封胶，有效地防止了车身底板和焊缝出现过早腐蚀，并保证了车身的密封性。粘结固体润滑涂层材料，在解决航空航天等军工高科技领域特殊工况条件下的机械磨损、润滑、粘着冷焊等摩擦学问题中发挥了重要作用，并在民用真空机械、低温设备上有广阔的用途。,.,49,五、深化表面工程基础理论和测试方法的研究,摩擦学是表面工程的重要基础理论之一，近10年来，针对具体的工程问题，摩擦学工作者作出了出色的成果，在摩擦副失效点判定、磨损失效的主要模式、磨损失效原因分析及对策等方面积累了丰富的经验，并在重大工程问题上作出了重要贡献。当前研究摩擦学问题的手段越来越齐全、先进，可以模拟各种条件进行试验研究，这些试验手段和已积累的研究方法、评估标准，有力地支持了表面工程的发展。,在腐蚀学研究方面，针对大气腐蚀、海洋环境腐蚀、化工储罐腐蚀、高温环境腐蚀、地下长输管线腐蚀、热交换设备腐蚀、建筑物中的钢筋水泥腐蚀等，应用各种现代材料进行了腐蚀机理和防护效果研究，提出了从结构到材料到维护一整套防腐治理措施。这些研究成果，对表面工程技术设计有很大的参考价值。,.,50,无论用什么表面技术在零件表面上制备涂覆层，必须掌握涂覆层与基体的结合强度、涂覆层的内应力等力学性能。这是表面工程技术设计的核心参数之一，也是研究和改进表面技术的重要依据。对于涂覆层厚度大于0.15mm的膜层（如热喷涂涂层），尚可用传统的机械方法进行测试，但是对于涂覆层厚度小于0.15mm的膜层（如气相沉积几微米的膜层），传统的机械方法已无能为力。而气相沉积技术又发展得很快，应用面越来越广，这就使研究新的测试方法更加紧迫。近10年，一些学者用划痕法、射线衍射法、纳米压痕法、基片弯曲法等思路和手段对薄膜的力学行为进行了深入研究，取得了长足的进步，但要达到形成相对严密自成体系的评价方法和技术指标尚有较大差距。,.,51,六、扩展表面工程的应用领域,表面工程已经在机械产品、信息产品、家电产品和建筑装饰中获得富有成效的应用。但是其深度广度仍很不够，不了解和不应用表面工程的单位和产品仍很普遍。表面工程的优越性和潜在效益仍未很好发挥，需要作大量的宣传推广工作。通过推广应用表面工程提高产品的质量和竞争力，也应是主要的举措之一。,.,52,七、积极为国家重大工程建设服务,在新型军用飞机的研制过程中，先进的胶粘技术、特种热处理技术、表面改性技术、薄膜技术以及涂层技术都发挥了重要作用。吸波材料的研制成功为装备隐形提供了重要的物质基础。离子注入、离子刻蚀和电子曝光技术的结合，形成了集成电路微细加工技术，成为制作超大规模集成电路的重要技术基础。在长江三峡大坝全长2309.47m中钢铁结构闸门就占全长的72。在三峡工程中，所有机械设备、金属结构、水工闸门以及隧洞、桥梁、公路、码头、储运设备都离不开表面工程。从表面技术和涂覆材料的选择、喷涂工艺的制定到表面电化学保护等，都在三峡重大装备研制项目中占有重要地位。,.,53,在表面处理时，自动化程度最高的是汽车行业和微电子行业。以神龙汽车公司的车身涂装线为例，涂装工艺采用三涂层体系（3C3B），即电泳低漆涂层、中间涂层、面漆涂层，涂层总厚度为110130m。涂装厂房为三层，一层为辅助设备层，二层为工艺层，三层为空调机组层。厂房是全封闭式，通过空调系统调节工艺层内的温度和湿度，并始终保持室内对环境的微正压，保持室内清洁度，各工序间自动控制，流水作业，确保涂装高质量。,八、向自动化、智能化的方向迈进,.,54,从宏观上讲，表面工程对节能、节材、环境保护有重大效能，但是对具体的表面技术，如涂装、电镀、热处理等均有“三废”的排放问题，仍会造成一定程度的污染。现在，有氰电镀已经基本上被无氰电镀所代替，一些有利于环保的镀液相继被研制出来。当前，在表面工程领域，提出了封闭循环，达到零排放目标。阴极电泳后的清洗，国际先进的做法是采用超滤系统（UF）与反渗透系统（RO）联合的全封闭清洗，为零排放奠定了基础。但国内使用这些设备的厂家尚少。磷化处理中的废渣，现在可以压滤成渣块，但还不能逆向处理为有用之物，只能填埋。至于一些中小企业，距上述目标，相距很远。因此，表面工程在降低对环保负面效应方面，仍是任务艰巨。,九、降低对环保的负面效应,.,55,表面工程的发展,专家预测：表面工程将成为主导21世纪工业发展的关键技术。,.,56,1、固体材料的表面特征,2、材料表面腐蚀基础,3、材料表面的摩擦与磨损基础,.,57,表面：固体材料与液体或气体接触的面。界面：固相之间或不相容的液体之间的分界面。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。,与固体材料相关的表面与界面,.,58,2.1固体材料的表面特征,第二章表面工程的基础理论,固体材料：晶体，非晶,表面的定义：一般地，固体-气体或固体-液体的分界面称为表面。,固体的表面能：固体表面的原子与内部原子所处的环境不同。表面原子处于不均匀的力场中，能量较内部大大升，高出的能量称为表面能。表面能的存在使得材料表面易于吸附其他物质。,.,59,晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子健合，形成了附加表面能。从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态。达到这个稳定态的方式有两种：1）自行调整，原子排列情况与材料内部明显不同；2）依靠表面的成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附以及这两者的相互作用而趋向稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。,2.1固体材料的表面特征,.,60,表面工程研究的对象：固体材料表面固体材料表面分类：理想表面、清洁表面、实际表面,忽略：1）晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；2）表面上原子的热运动及出现的缺陷和扩散现象；3）表面外界环境的作用。,理想表面：是一种理论上结构完整的二维点阵平面。它可以设想成将一块无限大的完整晶体，从中间剖开，将其分成两部分后所形成的表面。并认为半无限晶体中的原子位置和结构的周期性都和分割前一样，那么这个分割面就称为理想表面。,不存在,.,61,清洁表面：,清洁表面是指经过特殊处理后，保持在超高真空条件下，使外来污染少到不能用一般表面分析方法探测的表面。,晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般要经过46个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原子层范围。,晶体表面的最外层也不是一个原子级的平整表面，因为这样的熵值较小，尽管原子排列作了调整，但是自由能仍较高，所以清洁表面必然存在各种类型的表面缺陷。,.,62,固体表面与内部的不同之处：,清洁表面的结构类型：,弛豫、重构、偏析、台阶、化学吸附、化合物,.,63,几种清洁表面的结构和特点,表面弛豫：晶体的三维周期性在表面处突然中断，表面上原子的配位情况发生变化，并且表面原子附近的电荷分布也有改变，是表面原子所处的力场与体内原子不同，因此，表面上的原子会发生相对与正常位置的上、下位移以降低体系能量。表面上原子的这种位移（压缩或膨胀）称为表面弛豫。,结构示意图,特点：表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同于体内原子距离（缩小或增大，也可以是有些原子间距增大，有些减小。,.,64,表面重构：,特点,.,65,.,66,表面偏析：,结构示意图,特点：表面原子是从内部迁移出来的外来原子。,.,67,化学吸附：,结构示意图,特点：,.,68,化合物：,结构示意图,特点：,.,69,台阶：,结构示意图,特点：表面原子为台阶结构。,.,70,晶体的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，如体内缺陷在表面吸附、点缺陷、台阶、弯折等。,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。,.,71,表面晶体结构模型,单晶体表面原子结构的TLK模型,.,72,.,73,D与温度T和扩散激活能Q的关系,Fick扩散第一定律：（扩散流量与浓度的关系）,Fick扩散第二定律：（浓度与扩散时间的关系）,扩散过程中原子平均（垂直）扩散距离式中，c常数；D扩散系数；t扩散时间。,表面原子扩散（1）,.,74,固体表面原子或分子要从一个位置移到另一个位置，必须克服一定的位垒（扩散激活能Q），而且要达到的位置是空着的（有缺陷）。,吸附原子在（100）面上的扩散路径,表面吸附原子扩散能量,表面原子扩散（2）,.,75,固体原子的活动能力按表面、界面、位错、体内依次下降，故激活能Q表D界D位D体。,表面原子扩散（3）,.,76,实际表面：,.,77,不同加工方法形成的材料表面轮廓曲线,实际表面：,理想表面块规表面研磨表面磨削表面铣削表面车削表面钻削表面,.,78,2.1.2固体表面的吸附现象,吸附是固体表面最重要的特征之一。由于固体表面上原子或分子的力场是不饱和的，有吸引其他物质分子的能力，从而使环境介质在固体表面上的浓度大于体相中的浓度，这种现象称为吸附。,.,79,金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图,.,80,在表层的一薄层与体内性质有明显差别的非晶态层，称为贝尔比层，其厚度为5-10nm。在距表面1m内，晶粒尺寸与体内显著不同。离表面越近，晶粒尺寸越细。,贝尔比层,成分及作用：对于金属与合金来说，它们的抛光面大都有一层贝尔比层，其成分是金属和它的氧化物的混合。贝尔比层可起到耐蚀、强化的作用。,第二章表面工程的基础理论,.,81,表面改性处理后，新生成的表面层与基材之间结合的界面，按其结合状态可分为：,（1）冶金结合：覆层与基材之间是通过熔化或熔融后重新凝固结晶而成，如堆焊。冶金结合属于金属键结合，结合强度最高。,二、表面技术中的界面（典型固体界面）,.,82,两个固相平面在加热、加压等条件下，固相原子在界面处相互扩散并连接在一起，如扩散焊。扩散结合属于原子级的冶金结合。,（2）扩散结合,分子扩散焊软连接,.,83,（3）外延生长,沿单晶衬底的晶轴向外延伸，生成与原晶格相同的新单晶涂层。如电镀的初始阶段。外延生长界面结合强度取决于结合键的类型，如分子键、共价键、离子键和金属键（依次增强）。,.,84,（4）化学键结合,涂层与基材之间发生化学反应形成化合物，如在Ti表面沉积TiN时，界面处的N和基体的Ti作用形成Ti-N化学键。化学键的结合强度高，但界面韧性差。,刀具涂层,.,85,（5）分子键结合,以范德华力结合的界面，界面上没有发生扩散或化学反应，如物理气相沉积。虽然分子键的结合力稍差，但可以满足某些要求。,物理气相沉积TiN,.,86,（6）机械结合,涂层与基体之间靠相互镶嵌连接结合在一起，如喷涂。机械结合的结合强度较差。,.,87,（1）固体对气体的吸附,2.1.2固体表面的吸附现象,.,88,2.1.2固体表面的吸附现象,物理吸附与化学吸附的区别,(80400kj.mol-1),（1）固体对气体的吸附,.,89,（2）固体对液体的吸附,2.1.2固体表面的吸附现象,一般通过液体对固体表面的润湿与铺展来实现。,润湿作用：指液体对固体表面浸润、附着的能力。,液体对固体的润湿能力常用润湿角来衡量。润湿角指气、液、固三相接触点上液面与固-液界面之间的夹角。根据的大小，可以判断固体能否被液体润湿及润湿的程度。,.,90,.,91,通过增大固-气界面张力sv、降低固-液界面张力SL和液-气界面张力LV能够有效地提高润湿性，促进固体对液体的吸附。,.,92,铺展系数,表面热力学中，液体在固体表面上的展开能力常用铺展系数S的大小来表示：Sv/S=sv-SL-LV=Lv（cos-1）当Sv/S0时，液体在固体表面会自动铺开；（杨氏方程不适用，润湿角已经不存在）当Sv/S0时，液体在固体表面不铺展；铺展是润湿的最高标准，极限情况下，可得到一个分子层厚度的铺展膜层。,.,93,以上所述的表面润湿都是以理想的平滑表面为基础的，当表面粗糙度为i时，上述各公式必须修正，铺展系数公式修正为：Sv/S=Lv（icos-1）可见：粗糙表面的铺展系数远大于光滑表面。即，在光滑表面上不能自发铺展的液体，在粗糙表面上可能自发铺展。,.,94,日常生活中利用润湿理论的典型例子,在内表面涂覆一层憎水性的高分子材料，如聚四氟乙烯等。由于水在该憎水性涂层表面不能润湿，在干燥后饭粒等也不会与基体紧密黏附而形成锅巴。,.,95,（3）固体对固体的吸附,2.1.2固体表面的吸附现象,.,96,2.1.2固体表面的吸附现象,（4）固体表面的反应,氧化膜的形成：表面化学反应是指吸附物质与固体表面相互作用形成了一种新的化合物，这时无论是吸附还是吸附物质的特性都发生了根本变化。,试验证明：在常温常压下，大多数金属表面都覆盖着一层约20个分子层厚的氧化膜。,金属表面的反应：是各种金属表面处理工艺中的一个重要过程，是一种多相反应。多相反应的特点是反应在界面上进行，或反应物质通过界面进入到相内进行。,.,97,金属在高温下的氧化也是一种典型的腐蚀现象。,1）不稳定的氧化物，如金、铂等的氧化物；2）挥发性的氧化物，如氧化钼等；3）形成一层或多层氧化物，最常见。如Fe的表面可形成几种铁的氧化物。,.,98,工程材料的表面失效方式,.,99,材料腐蚀：是与环境有关的一种材料失效现象。,2.2材料表面腐蚀基础,.,100,2.2材料表面腐蚀基础,（1）金属材料的腐蚀,（2）无机非金属材料的腐蚀,受化学和机械作用引起的失效现象（玻璃，陶瓷，水泥）,.,101,2.2材料表面腐蚀基础,（3）有机材料的腐蚀,.,102,2.2材料表面腐蚀基础,按腐蚀形态分类：,按腐蚀机理分类：,.,103,.,104,.,105,.,106,致密的氧化膜能对金属表面产生一定的保护作用，可使氧化速度几乎为零。保证氧化膜完整的必要条件是：即或式中，V氧化物氧化物摩尔体积；V金属氧化消耗掉的金属摩尔体积；M金属的摩尔质量，金属的密度，M1mol金属原子所生成氧化物的质量，x代表一个分子的氧化物中所含金属原子的个数，D表示氧化物的密度。,2.2.1金属化学腐蚀的基本原理,.,107,依照表面反应速度及氧化膜的致密程度不同，金属氧化的动力学过程有三种典型情况：(1)直线生长规律（图中1）：氧化速度取决于金属表面化学反应的速度，是一个常数。氧化膜随时间的延长按直线规律增厚。此时金属易于腐蚀。,金属材料的典型化学腐蚀动力学过程,.,108,(2)抛物线生长规律（图的2）：膜的生长速度与膜的增厚成反比。膜厚与时间的关系y2=kt+B式中，y氧化膜厚度；k与温度有关的常数；t时间；B积分常数。(3)对数生长规律（图的3）：在氧化过程中容易生成致密的氧化膜时，膜的厚度与时间的关系y=ln(kt),金属材料的典型化学腐蚀动力学过程,.,109,金属材料与电解质接触，将发生电化学反应，在界面处形成双电层并建立相应的电位。,2.2.2金属电化学腐蚀原理,金属的电极电位：金属电极与溶液界面之间存在的电位差。标准电极电位：以金属为阳极，标准氢电极为负极构成原电池所测得原电池的电动势。可逆电极：电极上的氧化还原反应为可逆反应时的电极。,.,110,平衡电位：没有电流通过时，可逆电极所具有的电位式中，平平衡电极电位；0标准电极电位；R气体常数；T电解质温度；Z参加反应的电子数；F法拉第参数；a金属离子活度。标准电位序：将金属的标准电极电位按其代数值增大顺序排列。,.,111,腐蚀电位序：将金属在某种介质中的稳定电位值按其代数值大小排列的顺序。腐蚀电位值越负的金属越容易腐蚀。表2-4是部分金属的标准电极电位及其在3NaCl溶液中的腐蚀电位。由表可见，一些标准电极电位低的金属如A1、Cr等，在3NaCI溶液中的腐蚀电极电位要高得多。,.,112,2.2.3腐蚀原电池与腐蚀微电池,在Cu-Zn构成的原电池中，Zn阳极发生氧化反应Zn2eZn2+Cu阴极发生的还原反应2H+2e2H2HH2腐蚀电池的总反应为Zn+2H+Zn2+H2,Cu-Zn腐蚀原电池,.,113,1）接触腐蚀电池：两种直接接触的异种金属在电解液中组成的腐蚀原电池（图a）。2）微腐蚀电池：材料中的不同组织和电解液一起构成的（图b）。,无需导线连接的腐蚀电池与腐蚀微电池a)Cu-Fe接触腐蚀电池示意图b)Fe-Fe3C微腐蚀电池示意图,.,114,在电化学腐蚀过程中，腐蚀速度的大小取决于腐蚀电流的大小。金属溶解量与电量之间服从法拉第定律：式中，W金属腐蚀量；Q流过的电量；F法拉第常数；n金属的价数；A金属的相对原子质量；J电流密度；t时间。,2.2.4电化学腐蚀速率,.,115,腐蚀速率g(m2h)式中，S为腐蚀面积。腐蚀速率的其它表示方法：重量法、深度法单位时间的腐蚀深度：通常用mm/年表示；腐蚀电流密度Jc：在腐蚀原电池中，大阴极、小阳极是极其有害的。,.,116,2.2.5金属表面的极化、钝化及活化,1金属表面的极化现象极化：阴、阳极之间的电位差比初始电位差小的现象。,极化曲线：电极电位与电流密度之间的变化规律绘成的曲线。,腐蚀电池接通前后阴、阳极电位变化,.,117,阳极极化曲线：阳极电位随电流密度增大而向正的方向变化。阴极极化曲线：阴极电位随电流密度增大而向负的方向变化。,a）阳极极化曲线,b）阴极极化曲线,.,118,产生极化的机理：(1)电化学极化：电极上的电化学反应速度小于电子运动速度而造成的极化。(2)浓差极化：溶液中的物质扩散速度小于电化学反应速度而造成的极化。电阻极化：电极表面生成了具有保护作用的钝化膜或不溶性的腐蚀产物，阻碍电极反应，使电极电位发生变化。,去极化作用：减少或消除电极极化的作用，如对电解液加强搅拌，使阳极附近金属离子快速扩散。去极化剂：能减少或消除极化作用的物质。,.,119,极化曲线,Ca-P-La生物涂层,.,120,2金属表面的钝化现象,由于金属表面状态的改变引起金属表面活性下降，使表面反应速度急剧降低的现象称为钝化现象。,钝化剂：能使金属钝化的物质，如铁、铝等金属不溶于浓硝酸。自然钝化或化学钝化：金属与钝化剂间自然作用而产生的钝化现象，如铬、铝、钛等金属在空气中与氧作用而形成钝态。,机械钝化：在金属表面上沉积出盐层产生机械阻隔作用，使表面反应速度降低。,铁在硝酸中的溶解速度,.,121,金属钝化理论,成相膜理论：介质中的金属表面生成一层致密的、覆盖良好的保护膜，使金属表面反应速度下降，金属表面转为钝态。吸附理论：金属部分表面上形成氧原子的吸附层，使金属表面的自由键能趋于饱和，改变了金属与介质界面的结构及能量状态，降低了金属与介质间的反应速度。,成相膜理论与吸附理论的主要区别：成相膜理论强调了钝化层的机械隔离作用，而吸附理论认为是吸附层改变了金属表面的能量状态，使不饱和键趋于饱和，降低了金属表面的化学活性，造成钝化。,.,122,3金属表面的活化,活化目的：使基材表面处于活化状态，以加速表面反应过程，提高涂层结合强度。,金属表面的活化方法：金属表面净化：用机械抛光、喷砂、酸洗等方法去除金属表面氧化膜，或在真空中进行离子溅射，减少金属表面的吸附，提高金属表面的化学活性；机械法：用机械法或离子轰击法增加金属表面晶体缺陷，提高金属表面活性。,.,123,2电化学保护阴极保护阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属表面施加一个外加电流，被保护金属成为阴极，从而使金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，减弱或避免腐蚀的发生。以被保护工件为阴极，施以外加电流（阴极极化）；以被保护工件为阴极，用电位更负的金属与工件相连，成为原电池阳极，阳极被腐蚀溶解以保护工件（牺牲阳极法）。,金属材料腐蚀控制及防护方法,1产品合理设计与正确选材,.,124,阳极保护：使腐蚀件的电位正移，在表面形成稳定的钝态而受到保护。在被保护的合金中加入可钝化的元素，使表面形成稳定的钝化膜，如不锈钢中的Cr。向腐蚀介质中加入阳极性缓蚀剂。,不锈钢中Cr含量与电极电位的关系,.,125,3表面覆层及表面处理(1)阳极性金属涂层：这种涂层可以作为阳极对基体金属起保护作用。即使涂层局部破坏裸露基材仍可作为阴极而受到涂层保护，如铁表面镀锌。(2)阴极性金属及非金属涂层：这类覆层自身耐蚀性、稳定性良好，通过机械屏蔽作用，把金属和腐蚀环境介质隔离开，如铁表面镀铬。,通过添加特殊的活性物质吸附到金属表面，使其表面钝化，从而达到减缓抑制腐蚀过程。,4加入缓蚀剂,.,126,2.2材料表面摩擦与磨损基础,摩擦是自然界存在的一种普遍现象，只要有相对运动，就一定有摩擦。然而，有摩擦就必有磨损，由摩擦引起的磨损所造成的巨大经济损失不容忽视。据不完全统计，世界上使用的能源大约有1/31/2消耗于摩擦，大约80%的机器零件失效是有各种形式的磨损引起的。材料的磨损失效已经成为机械零件三大失效方式（腐蚀、磨损、疲劳）之一。,.,127,摩擦的定义：,两相互接触的物体有相对运动或有相对运动趋势时在接触处产生阻力的现象。因摩擦而产生的阻力称为摩擦力，相互摩擦的两物体称为摩擦副。,摩擦不仅会使材料损耗，而且还会发热，导致接触表面瞬时温度升高，降低工件的机械效率，加重材料损耗，故生产中总是力图减少摩擦，降低摩擦系数。只有某些情况才需要增大摩擦力，如车辆制动器，摩擦离合器等。,.,128,摩擦时的名义接触与实际接触,.,129,磨损的定义：,材料接触表面在相对运动中由于机械作用、间或伴有化学作用而产生的材料损失或转移现象。,.,130,磨损的分类：（1）粘着磨损：又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，由于局部的粘着作用，两相对运动件接触表面材料从一表面转移到另一表面的一种磨损。,粘着磨损的发生和发展都非常迅速，容易使零件或机器发生突然事故，造成巨大损失。约占磨损失效的15%。,表面微凸体接触面小压应力大塑性变形粘着（接触面洁净）粘着点被剪断脱落磨屑,粘着剪断转移再粘着（循环）,.,131,当接触应力较大时，将引起材料塑性变形和“冷焊”现象。此时若摩擦副相对滑动，焊合点被剪断。若微凸体较硬，也会对较软的对磨材料造成犁削作用。,粘着点的剪切过程,.,132,粘着摩擦力可近似表示为Fr=Ab式中，A剪切的微凸体总面积；b焊合点的平均抗剪强度因为材料的正压力FN=As，则摩擦系数最合适的耐磨材料体系应该同时具有高的硬度和低的抗剪强度。,.,133,粘着磨损过程中的粘焊（胶合）：第一类胶合：以塑性变形为主要原因引起的粘焊，分子吸引起重要作用。特点是相对滑动速度不高(0.5m/s)，表层温度较低(100)，金属摩擦表层没有相变和成分变化。第二类胶合：由于摩擦热引起接触表面温度升高而引起的粘焊。特点是接触压力高、相对滑动速度快，摩擦面温度超过临界点，有相变发生。,.,134,根据粘着的程度，粘着磨损类型有：轻微磨损：剪切发生在粘着结合面上，表面转移的材料极轻微，如缸套活塞环的正常磨损。涂抹：剪切发生在软金属浅层里面，软金属转移到硬金属表面上，如重载蜗轮副的蜗杆的磨损。擦伤：剪切发生在软金属表层，硬表面可能被软金属内的硬质点划伤，如内燃机铝活塞壁与缸体摩擦的“拉伤”。,撕脱：剪切发生在摩擦副一方或两方金属较深的地方，如在主轴轴瓦摩擦副的轴承表面可见到这种现象。咬死：若摩擦副之间咬死，不能相对运动，如不锈钢螺栓与不锈钢螺母在拧紧过程中常发生咬死的现象。,.,135,图28不同摩擦副条件下摩擦力的大小,减小粘着摩擦最好措施是采用流体润滑(图28c),.,136,流体润滑状态分为：流体动压润滑：摩擦表面之间由粘性流体产生油膜压力以平衡外载荷。此时的摩擦为润滑油之间的“内摩擦”。弹流润滑：摩擦面接触压力较高，使油膜承载能力、油膜厚度、摩擦力都发生变化，润滑条件变差。边界润滑：摩擦面接触压力太大，表面太粗糙度，摩擦运动速度又太低，导致油膜被刺穿，微凸体发生接触，使磨损增加。,流体润滑和边界润滑,.,137,图210润滑状态与磨损速率的关系,图29润滑状态与摩擦系数的关系,不同润滑状态对摩擦系数和磨损率的影响（图29，10）。,.,138,固体润滑,利用低剪切力的固体材料来制造摩擦副，以降低摩擦系数。,固体润滑可分为：（1）固体粉末润滑：固体润滑材料以粉末形式加入润滑油中；（2）固体润滑膜粘结固体润滑膜；将固体润滑剂与粘结剂混合并涂抹在摩擦面上，干燥后即成干膜。化学反应法固体润滑膜：用化学反应法形成的固体润滑膜，如Fe和S反应生成FeS；电镀和气相沉积方法制备的固体润滑膜，如Ni-PTFE复合镀。,.,139,自润滑复合材料,金属基复合材料：用粉末冶金的办法将金属粉末和固体润滑剂粉末混合，经压制、烧结而成。塑料基复合材料：将塑料与固体润滑剂按比例混合，制成的塑料复合材料。碳基复合材料：用石墨为原料，和粘结剂混合挤压成形后烧结，制成的多孔复合材料。,.,140,.,141,（1）润滑条件或环境：在真空条件下大多数金属材料的磨损十分严重。（2）硬度：对摩擦副材料的硬度而言，材料越硬，耐磨性越好。（3）晶体结构和晶体的互溶性：密排六方的材料摩擦系数最低，体心立方材料最高。冶金上互溶性好的一对金属摩擦副摩擦系数和磨损率都高。（4）温度：温度升高，磨损加剧。,影响固体材料粘着磨损性能的因素,.,142,（2）磨粒磨损：由外界硬质颗粒或硬表面的微凸起在摩擦副对偶表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动方向形成划痕。,工业领域中，磨粒磨损是最主要的一种磨损类型，约占磨损失效的50%。,.,143,(1)磨粒特性的影响：1)磨粒硬度：磨粒硬度Ha和材料硬度Hm的比Ha/Hm当Ha/Hm1.2时，为硬磨粒磨损，继续增加Ha对磨损速率的影响不大；当1.0Ha/Hm1.2时，磨损速率与Ha/Hm成正比，磨损速率很高。,磨粒磨损过程的影响因素,磨料硬度和材料硬度比值对材料耐磨性的影响规律,.,144,2)磨粒粒度：当磨粒在某一临界尺寸以下，材料的磨损率随磨粒尺寸增加而大幅度增加；超过临界尺寸后，磨损增大的幅度显著降低。,3)磨粒形状：磨粒越尖锐，磨损速率越大。4）磨粒脆性：脆性的磨料磨粒可能碎裂，使磨粒边缘变得锐利，因而磨损率又可能增高。,.,145,(2)材料力学性能：材料耐磨粒磨损性能主要决定于其硬度，而与其它力学性能关系不大。,.,146,(3)材料微观组织：在同样硬度条件下，奥氏体、贝氏体的耐磨性优于珠光体和马氏体。夹杂物和内部缺陷会大大降低耐磨性。,(4)工况和环境条件：速度、载荷、磨粒冲击角、环境湿度、温度和腐蚀介质等工况和环境条件都会影响到材料的磨粒磨损性能。,.,147,.,148,其它磨损形式,1疲劳磨损当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，表面层将引发裂纹，并逐步扩展，最后裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过程。,.,149,影响疲劳磨损因素,材料内部夹杂物的存在方式与数量；材料表面粗糙度；材料的硬度；材料组织结构；润滑状态和零件工作环境等。对于一些要求疲劳磨损寿命较高的零件，应采用高纯度的钢材，尽量降低材料表面粗糙度，提高表面硬度，尽量使零件在良好润滑条件下工作。,.,150,磨损的分类：（3）磨蚀磨损：摩擦过程中，金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生的表面损伤。是材料受腐蚀和磨损综合作用的一种复杂过程。,.,151,摩擦时材料与周围介质发生化学或电化学相互作用的磨损叫做腐蚀磨损。腐蚀磨损是材料同时受腐蚀和机械磨损的综合作用而产生的磨损过程。腐蚀对磨损的影响：腐蚀使材料表面生成疏松或脆的腐蚀产物，在磨粒作用下容易破碎去除，导致材料磨损的增加；磨损对腐蚀的影响：金属表面钝化膜可阻止材料进一步腐蚀，若钝化膜被磨掉，裸露出新鲜表面可加速电化学反应，所以磨损可以使腐蚀速度增加几个数量级。,.,152,腐蚀磨损分为：（1）氧化磨损：大多数金属表面都被氧化膜覆盖，氧化膜分：1）脆性氧化膜：氧化膜的磨损速度大于氧化速度，容易磨损，如氧化铁；,.,153,2）韧性氧化膜：氧化膜与基体结合牢固，磨损速度小于氧化速度，氧化膜可以起到保护作用，磨损率小，如氧