材料表面工程技术-2基础理论及概念ppt课件

第二章表面工程技术的基本概念和基础理论,固体材料及其表面材料磨损原理及其耐磨性金属腐蚀原理与防护技术,1,1固体材料及其表面,表面：将固相和气相之间的分界面界面：把固相之间的分界面相界面：不同凝聚相之间的分界面晶界：同一相之间的分界面称为微晶：晶粒尺寸小到微米级以下的晶粒非晶态：当晶粒尺寸小到1nm数量级时，则晶体结构的远程有序消失,2,一、典型固体表面理想表面可以想象为无限晶体中插进一个平面，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电子密度都和原来的无限晶体一样。,3,洁净表面：材料表层化学成分仍与体内相同。气相沉积和微细加工。清洁表面：指零件经过清洗后的表面，与洁净表面相比较易实现。涂层和镀膜。机械加工过的表面：波纹度、粗糙度一般表面：除金以外，零件经过机械加工后，表面上有各种氧化物覆盖。,4,5,二、典型固体界面基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面,6,基于固相组织或晶体结构差异形成的界面珠光体中铁素体和渗碳体表面淬火：表面淬火态（马氏体）、心部退火态基于固相宏观成分差异形成的界面冶金结合界面：激光熔覆、堆焊、喷焊扩散结合界面：热扩渗、离子注入外延生长界面：化学气相沉积、电镀化学键结合界面：物理和化学气相沉积、离子注入、热扩渗、化学转化膜、阳极氧化、化学氧化分子键结合界面：部分物理气相沉积、涂装机械结合界面：热喷涂、包镀,7,三、表面扩散：由于表面原子受约束程度比晶界或体内要低得多，原子在表面迁移时所需克服的能垒也就小得多。因此，表面扩散在表面工程技术中的薄膜形核、长大过程中发挥着十分关键的作用。四、表面能及表面张力表面能：指材料表面的内能，它包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能等。表面张力：是表面能的一种物理表现，是由于原子间的作用力以及在表面和内部的排列状态的差别而引起的。,8,五、固体表面的物理吸附和化学吸附吸附的基本特性物理吸附中固体表面与被吸附分子之间的力是范德华力。化学吸附中，吸附原子与固体表面之间的结合力和化合物中原子间形成化学键的力相似，比范德华力大得多。固体对气体的吸附：物理吸附、化学吸附、物理化学并存。气相沉积，热扩渗。固体对液体的吸附：物理吸附、化学吸附。电镀，润滑油。固体表面之间的吸附吸附对材料力学性能的影响莱宾杰尔效应,9,莱宾杰尔效应,由于环境介质的作用，材料的强度、塑性、耐磨性等力学性能大大降低。一种是不可逆物理过程与物理化学过程引起的效应，如各种形式的腐蚀等，它与化学、电化学过程及反应有关。腐蚀并不改变材料的力学性能，而是逐渐均匀地减小受载件的尺寸，结果使危险截面上的应力增大，当超过允许值时便发生断裂；另一种是可逆物理过程和可逆物理化学过程引起的效应，这些过程降低固体表面自由能，并不同程度地改变材料本身的力学性能。因环境介质的影响及表面自由能减少导致固体强度、塑性降低的现象，称为莱宾杰尔效应。,10,莱宾杰尔效应特征：环境介质的影响有很明显的化学特征。只要很少量的表面活性物质就可以产生莱宾杰尔效应。表面活性熔融物的作用十分迅速。表面活性物质的影响是可逆的，即从固体表面去除活性物质后，它的力学性能一般会完全恢复。莱宾杰尔效应的产生需要拉应力和表面活性物质同时起作用。莱宾杰尔效应的本质：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，改变了表面原子间的相互作用，使金属的表面强度降低。,11,六、固体表面的润湿润湿现象与机理铺展系数润湿理论的应用,12,润湿现象与机理液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。,13,90，不润湿。角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面上铺展开，并越容易收缩至接近呈圆球状。0和180，完全润湿和完全不润湿。角的大小，与界面张力有关。,14,SGSL，cos为正值，90，不润湿；SL越大或SG越小，角越大，不润湿程度越严重。表面能高的固体比表面能低的固体更易被液体所润湿。,15,分析润湿与否取决于液体分子间相互吸引力(内聚力)和液-固分子间吸引力(粘附力)的相对大小。若液-固粘附力较大，则液体在固体表面铺展，呈润湿；若液体内聚力占优势则不铺展，呈不润湿。,16,铺展系数表面热力学中，定义液体在固体表面的铺展系数为SL/S0，铺展。SL/S0，不铺展。粗糙表面的铺展系数远大于光滑表面。,17,润湿理论的应用在表面重熔、表面合金化、表面覆层及涂装等技术中，都希望得到大的铺展系数。利用润湿现象的另一个典型范例是不粘锅的表面“不粘”涂层。,18,2材料磨损原理及其耐磨性,磨损是材料三大主要失效形式之一(屈服、断裂)。耐磨性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，是一个系统性质。材料的磨损始于表面，表面性能是决定材料耐磨性的关键。而磨损失效过程和方式的不同，对材料表面所要求的性能相差很大。,19,一固体材料的摩擦与磨损,固体材料的摩擦与磨损粘着磨损、润滑和固体润滑磨粒磨损其他磨损,20,固体材料的摩擦与磨损相互接触的物体相对运动时产生的阻力，称为摩擦。摩擦存在于固体、气体和液体之间。材料的磨损则指相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象。摩擦学三“定律”摩擦力与两接触体之间的表观接触面积无关(第一定律)；摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比(第二定律)；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(第三定律)。F=N,21,摩擦与磨损的分类摩擦的分类干摩擦、边界润滑摩擦、流体润滑摩擦、滚动摩擦。,22,干摩擦，无润滑摩擦：经常发生于制动器、摩擦传动和纺织、食品、化工机械和在高温条件下工作的零部件中。在这些工况下，不允许使用润滑剂。边界润滑摩擦：两接触表面被一层很薄的油膜隔开(厚度可从一个分子层到0.1m)。该边界层或边界膜可使摩擦力降低210倍，并使表面磨损显著减少。流体润滑摩擦：对摩表面完全被油膜隔开，靠油膜的压力平衡外载荷。油膜厚度越大，固体表面对远离它的油分子影响越小。在流体润滑中，摩擦阻力决定于润滑油的内摩擦系数(粘度)。摩擦力大小与接触表面的状况无关。滚动摩擦：滚动摩擦与滑动摩擦状况和机理差别很大，摩擦系数也比滑动摩擦系数小得多。,23,磨损的分类粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、冲蚀(包括气蚀)磨损、高温磨损,24,25,二粘着磨损、润滑和固体润滑,粘着磨损机理机械加工过的零件表面存在一定的粗糙度，即在金属表面随机分布着大小不等的微凸体。当润滑油膜不能完全覆盖这些微凸体时，接触将在微凸体之间发生，而不会像理想光滑表面那样形成圆形、椭圆形或其它规则形状的接触面积，如图2-6所示。这样会导致接触应力产生调幅分布，即：一个较大范围的应力场，变成了很多分散的微观应力场，每一个应力峰对应一个微凸体的接触点，如图2-7所示。由于实际接触面积远小于名义接触面积，每一个微凸体上将承受更大载荷。,26,27,当接触表面相互压紧时，由于微凸体间的接触面积小，承受的压力很高，足以引起塑性变形和“冷焊”现象。这样形成的焊合点因表面的相对滑动而被剪断，相应的力量构成摩擦力的粘着分量。此外，较硬表面的微凸体对于较软材料会造成犁削作用，从而构成摩擦力的犁削分量。摩擦力可近似表示为:材料的正压力可表示为：摩擦系数为:,28,流体润滑和边界润滑单个微凸体，对摩材料表面微凸体简化为平面。粘着磨损：(1)硬金属和软金属摩擦副硬金属表面的微凸体将压人软金属表面，剪切断裂发生在软金属一侧。焊合点抗剪强度较低，接触面积较大，摩擦力亦较大，如图2-8a所示。(2)硬金属与硬金属摩擦副两者有较小的接触表面。剪切断裂发生在两种材料的界面附近区域。接触面积虽小，但抗剪强度很高，因此摩擦力也很大，如图2-8b所示。(3)润滑条件下的摩擦副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。达不到。如果在两种材料之间加入一层润滑油膜，则两个固体材料之间的剪切就可转变成油膜内部的“内摩擦”。当摩擦副表面的微凸体完全被油膜隔开，即处于流体润滑状态时(如图2-8c所示)，摩擦系数主要决定于润滑油的粘度，大约在0.001-0.01之间，因此可以大幅度减少磨损，延长零件使用寿命。流体润滑：流体动压润滑，弹流润滑。后者比前者的摩擦系数高得多。,29,30,如果油膜润滑零件承受的压力太大，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。,31,固体润滑许多机械零件要求在高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化、强辐射等苛刻条件下工作，一般流体润滑已无法满足要求。人们不得不寻找新的润滑材料和方法。固体润滑就是在这一背景下应运而生的。它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。固体润滑的方法大致可分为三类：使用固体粉末、固体覆膜和制成自润滑复合材料。,32,(1)固体粉末润滑固体润滑材料为粉末形式。它们可以作为润滑油的添加剂混入油中；或把固体粉末放在需要润滑部件的密封箱中，利用转动部件使粉末飞扬起来，再落到摩擦表面上，达到润滑的效果；或制成悬浮液(如用酒精)，浸渍在多孔的烧结材料中，作成具有自润滑性能的零件。也可把悬浮液喷涂或刷抹在零件表面进行润滑。,33,(2)固体润滑覆膜固体润滑覆膜有以下三类粘结固体润滑膜(简称干膜)。将固体润滑剂与粘结剂(可用各种树脂、无机物、金属或陶瓷)混合，用溶剂溶解，搅拌均匀，用喷枪喷涂或涂抹在零件表面，待干燥后即成干膜。化学反应法固体润滑膜。用化学反应法形成固体润滑膜，这类润滑膜种类很多，主要包括表面硫化处理、磷化处理和氧化处理等。处理后可在钢铁表面形成具有低抗剪强度的硫化铁膜、磷酸盐膜和氧化膜。电镀和气相沉积方法形成固体润滑膜。这类方法也很多，电镀包括槽镀和刷镀；气相沉积包括化学气相沉积和物理气相沉积。,34,(3)自润滑复合材料自润滑复合材料包括：金属基复合材料：将固体润滑剂粉末与金属粉相混合，经压制、烧结而成。塑料基复合材料：由各种塑料与固体润滑剂按比例组合，可以构成很多种塑料复合材料。塑料轻，耐腐蚀，易加工成型，具有润滑性和吸收冲击性等优点。碳基复合材料：用焦炭、石墨、碳墨为原料，混以沥青焦油、合成树脂等粘结剂，经挤压成形后烧结，形成多孔复合材料。,35,36,37,(4)影响固体材料粘着磨损性能的因素有：1)润滑条件或环境。在真空条件下大多数金属的磨损是极其严重的。除了金以外，在大气条件下，许多金属在经过切削或磨削后，洁净的表面在5min内就产生一层550分子层的氧化膜，它在防止粘着方面有重大作用。而良好的润滑条件更是降低粘着磨损的重要保障。2)硬度。严格地说，应该是对摩擦副材料的硬度而言。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。,38,3)晶体结构和晶体的互溶性。其它条件相同时，晶体结构为密排六方的材料摩擦系数最低，磨损率也最低，面心立方材料次之，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高。周期表上相距较远的元素不易互溶，也不易粘着。4)温度。温度对磨损的影响是间接的。例如，温度升高，材料硬度下降，摩擦副互溶性增加，磨损加剧；温度上升，材料的氧化速率增加，也可影响磨损性能。,39,三磨粒磨损,磨粒磨损过程中材料的去除机理如果将被磨损材料简化为一种不产生任何塑性变形的绝对刚体，将硬质磨粒简化为一个三角锥体，并将磨损过程视为简单的滑动过程，如图2-11a所示。则在该锥体作用下，滑动一定距离所磨损掉的材料体积V与所施加载荷P被磨材料的硬度H及滑动距离L的关系为磨粒磨损过程中存在塑性变形和断裂两种去除机理。当磨粒与塑性材料表面接触时，主要发生显微切削、显微犁沟两种塑性变形的磨损方式。当磨粒和脆性材料表面(如玻璃、陶瓷和碳化物等)接触时，主要以表面断裂破坏为主。,40,41,磨粒磨损过程的影响因素(1)磨粒特性的影响磨粒的硬度、形状和粒度对材料的磨损过程均有影响。(2)材料力学性能与微观组织的影响材料耐磨粒磨损性能主要决定于其硬度，尤其是磨损后材料的表面硬度，而与其它力学性能无必然关系。(3)工况和环境条件的影响工况与环境条件的影响因素主要指速度、载荷、磨损距离、磨粒冲击角，以及环境湿度、温度和腐蚀介质等。,42,四其他磨损,疲劳磨损腐蚀磨损冲蚀磨损,43,提高零件耐磨性的途径机械零件磨损失效过程复杂，受材料成分和性能、环境温度和介质、结构设计、制造过程和工艺、设备安装与使用等多种因素的影响。,44,工程结构的合理设计工程结构的合理设计是提高零件耐磨性的基础。产品内部结构设计必须合理。在满足工作条件的前提下，尽量降低对磨材料的交互作用力，否则，再优良的耐磨材料也无法有效提高其磨损寿命，当工程中发现某种零件的耐磨性很差时，首先要考虑的就是能否从设计原理上加以改进，降低摩擦力或减小摩擦系数。设计时应对零件的重要性、维修难易程度、产品成本、使用特点、环境特点等预先进行综合分析。,45,零件磨损机理预测、分析和耐磨材料的选择正确选材必须弄清影响产品寿命的基本因素和磨损过程是否始终以同样的磨损机理进行等情况；确定材料在使用方面是否存在工艺性能、使用环境、力学性能、理化性能等方面的限制；确定材料是否能经受住运行中的载荷如接触压力等而不变形或无过分变形；确定零件表面温度范围、防止材料在摩擦过程中软化与咬合；确定材料允许的最大载荷和滑动速度；确定机件工作循环特性；确定允许的磨损失效形式和机械表面的损伤程度。,46,材料表面耐磨与减摩处理通过表面工程技术提高耐磨性一般从两个方面着手：一是使表面具有良好的力学性能，如高硬度、高韧度等；二是设法降低材料表面的摩擦系数。,47,3金属腐蚀原理与防护技术,腐蚀就是材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。腐蚀对材料表面的损害不仅导致资源与能源的浪费，带来巨大的经济损失，而且容易造成污染与事故，严重影响人民生活，甚至危及生命安全。所有的腐蚀破坏都是从损坏材料的表面开始的。要提高材料表面的耐腐蚀能力，必须先对金属腐蚀原理与主要防护方式有一个基本了解。,48,一、化学腐蚀与电化学腐蚀原理,腐蚀的基本概念按照材料腐蚀原理的不同，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是金属在干燥的气体介质中或不导电的液体介质中(如酒精、石油等)发生的腐蚀，腐蚀过程中无电流产生。电化学腐蚀是指金属在导电的液态介质中因电化学作用导致的腐蚀，在腐蚀过程中有电流产生,49,按环境不同，可将腐蚀分成三类：湿蚀(包括水溶液腐蚀、大气腐蚀、土壤腐蚀和化学药品腐蚀)、干蚀(包括高温氧化、硫腐蚀、氢腐蚀、液态金属腐蚀、熔盐腐蚀、羧基腐蚀等)、微生物腐蚀(包括细菌腐蚀、真菌腐蚀、流化菌腐蚀、藻类腐蚀)。按腐蚀形态不同，可分为全面腐蚀和局部腐蚀两大类。,50,金属化学腐蚀的基本原理当裸金属表面与干燥的空气或氧气接触时，首先将在表面形成氧分子的物理吸附层，并迅速转化为一层较为稳定的化学吸附膜。随着氧化过程的继续进行，反应物质必须先通过膜层然后再与基体起反应，氧化速度往往由传质过程所控制。在低温和常温时热扩散不能发生，只可能发生离子电迁移，此时膜的生长速率较慢。在较高温度时膜的增长主要依靠热扩散.保持氧化膜完整的必要条件是：新生成的氧化物摩尔体积()必须大于氧化消耗掉的金属的摩尔体积()。亦即如果或者M/(xDM)的值大于1，则有可能生成比较完整致密的氧化膜，从而对金属表面产生一定的保护作用。当膜覆盖到一定程度时，可以对基体起到明显的保护作用，氧化速度几乎为零。另一方面，M/(xDM)的值不应该太高。膜太厚，导致内应力太大，容易导致膜层开裂，严重的甚至引起膜的鼓泡或剥落。,51,金属氧化的动力学过程有三种典型情况：(1)直线生长规律(2)氧化膜的抛物线生长规律(3)氧化膜的对数生长规律提高材料抗氧化能力的重要途径就是改变材料的表面成分，使其氧化动力学曲线呈对数变化。,52,金属电化学腐蚀原理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。这种金属电极与溶液界面之间存在的电位差就叫做金属的电极电位。腐蚀电位值越负的金属越容易腐蚀。,53,54,腐蚀原电池与腐蚀微电池如果把两种电极电位不同的金属同时放在同一种电解液中，并把它们用导线通过电流表连接起来，就组成了一个原电池。2H+2e2H2HH2Zn+2H+Zn2+H2,55,56,电化学腐蚀速率电流大小反映着腐蚀速度的大小。每一个步骤的电位降，反映着这一步骤阻滞作用的大小。根据各个步骤电压降的大小及其在总电位差中所占的份额，可判定腐蚀过程中哪个步骤对抑止腐蚀起重要作用，即为腐蚀的控制步骤。控制步骤不仅对过程的速度起着主要作用，而且在一定程度上反映腐蚀过程的实质。要减少腐蚀程度，最有效的方法就是设法影响其控制因素。,57,金属作为阳极腐蚀时，失去的电子数越多，即流出的电量越大，金属溶解或腐蚀程度就越大。金属溶解量或腐蚀量与电量之间的关系服从法拉第定律：腐蚀速率K指金属在单位时间、单位面积上所损失的质量，若单位为g/(m2h)，则,58,二、金属表面的极化、钝化及活化,金属表面的极化现象如果采用阴极和阳极的初始电位计算腐蚀速度，要比实际体系的腐蚀速度大几十倍甚至几百倍。腐蚀电池工作时，阴、阳极之间有电流通过，使得其电极电位值与初始电位值有一定的偏离，使阴、阳极之间的电位差比初始电位差要小得多，这种现象就称为极化现象或极化作用。阴极极化时，随着电流密度的增大，电极电位向负的方向变化；而阳极极化时，电极电位随电流密度增大而向正的方向变化。,59,60,产生极化的机理总共有三种：即电化学极化、浓差极化和电阻极化。电化学极化由于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。以阳极为例，如果金属失去电子变为金属离子而进入溶液的速度小于电子从阳极流出的速度，则在阳极上就会有过多的正电荷积累起来，导致电极表面金属一侧负电荷减少，即阳极电位向正方向变化，发生了阳极极化。电流密度越大，则在相同时间内阳极上积累的正电荷就越多，电位越正，电极极化越大。,61,浓差极化由于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。仍以阳极为例，金属溶解变为离子后，首先进入阳极表面附近的液体中，然后通过扩散作用进入溶液本体。如果离子向溶液本体中的扩散速度小于电化学反应生成离子的速度，那么在电极表面附近的液层中金属离子浓度就会变大，由能斯特方程式(2-18)可知，金属的电极电位必然会变正，即发生阳极极化。电流密度越大，电极反应速度越快，则电极表面附近的离子浓度越高，阳极极化程度越大。,62,电阻极化由于在电极表面生成了具有保护作用的氧化膜、钝化膜或不溶性的腐蚀产物等，它们的存在相当于增大了体系的电阻，使电极反应的进行受到阻碍，因而使电极电位发生变化，即产生极化作用。电阻极化主要发生在阳极上，由于氧化膜或钝化膜等的存在，使得在金属表面积累了过多的正电荷，使电极电位向正方向变化，即发生阳极极化。,63,金属表面的钝化现象从热力学上讲，绝大多数金属在一般环境下都会自发地发生腐蚀，可是在某些介质环境下金属表面会发生一种阳极反应受阻的现象。这种由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应(如金属在酸中的溶解或在空气中的腐蚀)速度急剧降低的现象，就称为钝化。,64,金属与钝化剂间自然作用而产生的钝化现象，称为自然钝化或化学钝化。如铬、铝、钛等金属在空气中与氧作用而形成钝态。如果在金属表面上沉积出盐层时，将对进一步的表面反应产生机械阻隔作用，使表面反应速度降低，这一现象被称为机械钝