表面工程学(1-2)

1、主讲人：朱主讲人：朱 芠芠Tel:mail: 表面工程学表面工程学曾晓雁，吴懿平曾晓雁，吴懿平 主编主编 机械工业出版社，机械工业出版社， 20012001材料表面工程材料表面工程徐滨士，朱绍华，刘世参徐滨士，朱绍华，刘世参编著编著 哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨工业大学出版社， 20052005参考教材参考教材1. 1 表面工程学的定义与内涵表面工程学的定义与内涵1. 2 表面工程的特点与意义表面工程的特点与意义1. 3 表面工程技术的分类表面工程技术的分类第一节：表面工程学的定义与内涵第一节：表面工程学的定义与内涵1.1、表面工程技术发展概况、表面工程技术发展概况

2、磨损、腐蚀、断裂是机械零件工程构建的三大主要磨损、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。破坏形式。前二者造成经济损失占很大比重。数数 据据磨磨损损美国：美国国家材料政策委员会向美国国美国：美国国家材料政策委员会向美国国 会提出的一份报告：会提出的一份报告： 摩擦磨损引起的损失摩擦磨损引起的损失10001000亿美元亿美元/ /年；年；德国：德国：19831983年，前联邦德国调查，摩擦磨年，前联邦德国调查，摩擦磨损损失损损失287287亿马克；亿马克；英国：摩擦磨损损失英国：摩擦磨损损失5150051500英镑英镑/ /年；年；腐腐蚀蚀美国：国家标准局美

3、国：国家标准局19781978年调查：年调查： 19751975年腐蚀损失达年腐蚀损失达820820亿美元，占亿美元，占国民生产总值的国民生产总值的4.9%4.9%； 19951995年腐蚀损失达年腐蚀损失达30003000亿美元；亿美元；中国：中国：19831983年调查：腐蚀损失年调查：腐蚀损失400400亿元亿元/ /年年腐蚀和磨损均是腐蚀和磨损均是发生于机件表面发生于机件表面的材料流失过程，的材料流失过程，其他形式的失效其他形式的失效过程有许多也是过程有许多也是从表面开始从表面开始延缓和延缓和控制表控制表面破坏面破坏的方法的方法促进促进了表了表面工面工程学程学的发的发展与展与形成形成1

4、.2、表面工程学的定义、表面工程学的定义表面工程学围绕表面工程学围绕腐蚀腐蚀、摩擦与磨损摩擦与磨损和和功能功能特性特性（声，光，磁，电的转换）三大因素（声，光，磁，电的转换）三大因素，成为，成为80年代后期重点发展的关键技术之年代后期重点发展的关键技术之一，形成表面工程学。一，形成表面工程学。定义定义为满足特定的工程需求，使材料表面或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，结构和性零部件表面具有特殊的成分，结构和性能能(或功能或功能)的化学，物理方法与工艺。的化学，物理方法与工艺。1.3、表面工程学的内涵、表面工程学的内涵表面改性技术；表面改性技术；1表面合成材料技术；表面

5、合成材料技术；3表面加工技术；表面加工技术；2u提高耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能、装提高耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能、装饰性，或具有特殊功能（如电性能、磁性能和饰性，或具有特殊功能（如电性能、磁性能和光电性能等）光电性能等）u能够在材料表面加工或制作各种功能结构元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、离子刻蚀技术器件的有关技术。如光刻技术、离子刻蚀技术等等 表面加工三维合成技术；表面加工三维合成技术；4u即借助各种手段在材料表面合成新材料的技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、术，如纳米粒子制备过程中的表面工程技术、离子

6、注入等离子注入等u快速成型制造快速成型制造上述几个要点的组合或综合；上述几个要点的组合或综合；5内涵扩展内涵扩展表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工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。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的表面改性扩展到表面加工和合成新材料等领域，涵盖领域，涵盖材料科学、物

7、理、化学、冶金、材料科学、物理、化学、冶金、机械、电子与生物机械、电子与生物等领域，成为新型的、名等领域，成为新型的、名副其实的交叉学科。副其实的交叉学科。1.4、学习本课程的目的和要求、学习本课程的目的和要求1. 学习掌握表面工程技术的基本理论和基本特学习掌握表面工程技术的基本理论和基本特点。点。2. 能够根据工程的需要选择相应的表面工程技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。最佳工艺，解决工程问题。3. 具备基本的研究与开发表面工程新技术的能具备基本的研究与开发表面工程新技术的能力。力。3）

8、兼有装饰和防护功能；）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）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；路的基础；5）生成型制造法是以表面加工为基础；）生成型制造法是以表面加工为基础； 1 1）作用于表面，对基材组织与性能影响不大；）作用于表面，对基材组织与性能影响不大； 2 2）采用表面技术替代整体合金化；）采用表面技术替代整体合金化；第二节第二节 表面工程的特点与意义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）可以在表面制备整体合金化难

9、以做到的特殊性能合金金。第三节第三节 表面工程技术的分类表面工程技术的分类按学科特点：按学科特点： 1 1）表面合金化技术）表面合金化技术 u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。加材料的表面新材料。喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆、热渗镀。喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆、热渗镀。 2 2）表面覆盖和覆膜技术）表面覆盖和覆膜技术3）表面组织转化）表面组织转化u不改变基材的成分，利用外加涂层或镀不改变基材的成分，利用外加涂层或镀层的性能使基材表面性能优化。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

10、学镀、气相沉积、涂装、热喷镀、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、金属染色。金属染色。u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。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。激光表面淬火、电子束热处理、喷丸、滚压。引引 言言表面工程技术实施的对象是固体材料的表面，表面工程技术实施的对象是固体材料的表面，因此掌握材料因此掌握材料表面表面与与界面界面的基础知识是正确选的基础知识是正确选择与运用表面工程技术的基础。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：成功运用表面

11、工程技术的两个要素是： 掌握各种表面工程技术的特点。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，其了解和掌握影响材料表面性能的主要因素，其中，材料的中，材料的耐磨性耐磨性和和抗蚀性抗蚀性影响因素众多，本影响因素众多，本章将重点进行介绍。章将重点进行介绍。第一节第一节 固体的表面与界面固体的表面与界面表面表面固相与气相的分界面。固相与气相的分界面。界面界面固相之间的分界面。固相之间的分界面。相界面相界面不同凝聚相之间的分界面，不同凝聚相之间的分界面， 如：如：A A与与M M，F F与与M M同相中晶粒之间的分界面称为晶界同相中晶粒之间的分界面称为晶界 微晶微晶 m m；

12、非晶；非晶1nm1nm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。一样。显然自然界很难获得理想表面。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。料的表面能。表面能表面能1.1、典型的固体表面、典型的固体表面允许有吸附物

13、，只有经过特殊处理方法得到，如高温处允许有吸附物，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。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。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。指表面附近的点阵常数在垂直指表面附近的点阵常数在垂直方向上较晶体内部发生明显的方向上较晶体内部发生明显的变化。变化。指表面原子在水平方向的周期性不指表面原子在水平方向的周期性不同于体内的晶面同于体内的晶面。台阶化是指实际晶体的外台阶

14、化是指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶表面由许多密排面的台阶构成构成是指化学组分在表面是指化学组分在表面区的变化区的变化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；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。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：的结构和成分的变化：指经过清洗（脱脂，浸湿）以指经过清洗（脱脂，浸湿）以 后的表面。后的表面。波纹度：指在一段较长距离内出现一个峰和谷的波纹度：指在一段较

15、长距离内出现一个峰和谷的 周期。周期。粗糙度：在较短距离内（粗糙度：在较短距离内（2800m）出现的凹凸）出现的凹凸 不平（不平（0.03400m）的程度。）的程度。实际零件表面不可能绝对平滑光整，微观上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。由不规则的起伏不平的峰谷组成。表面的不平整性包括表面的不平整性包括波纹度波纹度和和粗糙度粗糙度两个概念。两个概念。) 12(11niiynRa)22(/liAAi材料表面粗糙度与加工方法相关，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。最后一道加工工序起决定作用。粗糙度的表示方法：粗糙度的表示方法：轮廓的算术平均

16、偏差轮廓的算术平均偏差RaRa：yi为峰或谷的绝对值，为峰或谷的绝对值，n为测量个数。为测量个数。真实面积与投影面积的比值真实面积与投影面积的比值i i：Ai为真实面积，为真实面积，Al为为Ai的投影面积。的投影面积。p除除Au以外，金属经机械加工后，在常温常压下会以外，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发生氧化。因此，在固体表面会吸附一层外来原子。子。氧化皮氧化皮p大部分表面覆层技术在工艺实施之前，都要求对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

17、。高覆层与基材的结合强度。由于表面原子的能量处于非平衡状态，一般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。会在固体表面吸附一层外来原子。1 1 基于固相晶体尺寸和微观结构差异形成的界面；基于固相晶体尺寸和微观结构差异形成的界面；2 2 基于固相组织或晶体结构形成的界面；基于固相组织或晶体结构形成的界面；3 3 基于固相宏观成分差异形成的界面；基于固相宏观成分差异形成的界面；1.2、典型的固体界面、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；其状态决决定于原子间力作用影响范围的大小；

18、其状态决定于材料和环境条件特性。定于材料和环境条件特性。最为常见的界面类型有：最为常见的界面类型有：u600#SiC砂纸研磨黄铜砂纸研磨黄铜,深度可达深度可达1-10um;u单晶塑变层单晶塑变层多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：抛光金属的表面组织：微晶层微晶层具有粘性液体膜似的非晶具有粘性液体膜似的非晶态外观态外观, ,不仅能将表面覆盖不仅能将表面覆盖得很平滑得很平滑, ,而且能流入裂纹而且能流入裂纹划痕等表面不规则处划痕等表面不规则处; ;塑性流塑性流变层变层塑变程度与深度有关塑变程度与深度有关

19、; ;与与硬度成反比硬度成反比; ; 钢中珠光体钢中珠光体: F: F和渗和渗C C体体; ; 钢表面淬火钢表面淬火: : 表面为表面为M,M,心部仍为原始组织心部仍为原始组织, ,存在过渡区。它存在过渡区。它由部分马氏体和部分铁素体、珠光体混合而成。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基于固相组织或晶体结构形成的界面两相之间微观成分和组织存在很大两相之间微观成分和组织存在很大差异差异; ;无宏观成分的明显区别无宏观成分的明显区别. .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

20、观来看，组织的变化存在一个渐变区域。因此，材料在从宏观来看，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。服役过程中不存在表面层剥落等情况。1.2.3 基于固相宏观成分差异形成的界面基于固相宏观成分差异形成的界面覆层与基材是通过处于熔融状态的覆层材料沿半熔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。化状态的基材表面向外凝固结晶而形成的。特点特点结合强度高，金属键结合，承结合强度高，金属键结合，承载大，不易剥落载大，不易剥落典型工艺典型工艺堆焊；喷焊；激光熔覆等技术堆焊；喷焊；激光熔覆等技术两个固体直接接触，通过抽真空、加热、加压

21、、界两个固体直接接触，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。面扩散和反应等途径所形成的结合界面。特点特点覆层与基材之间成分梯度变化。覆层与基材之间成分梯度变化。典型工艺典型工艺扩散焊，热扩渗等工艺扩散焊，热扩渗等工艺 在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完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。整的新单晶层的工艺过程，称为外延生长。特点特点外延的程度取决于基体与外延层的晶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、离结合键的类型，如分子

22、键、共价键、离子键或金属键等。子键或金属键等。典型工艺典型工艺气相外延，如化学气相沉积技术；气相外延，如化学气相沉积技术；液相外延，如电化学等。液相外延，如电化学等。覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定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的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界面。如面。如Ti合金表面气相沉积形成合金表面气相沉积形成TiN和和TiC薄膜。薄膜。特点特点结合强度较高，但界面的韧性较差，结合强度较高，但界面的韧性较差，易发生脆性断裂或剥落。易发生脆性断裂或剥落。典型工艺典型工艺物理和化学气相沉积、离子注入、物理和化学气

23、相沉积、离子注入、化学转化膜等技术化学转化膜等技术 以范德华力结合的覆层与基体的界面以范德华力结合的覆层与基体的界面特点特点界面特征为未发生扩散和化学作用。界面特征为未发生扩散和化学作用。典型工艺典型工艺部分物理气相沉积层、涂装技术中有部分物理气相沉积层、涂装技术中有机粘结涂层机粘结涂层两种材料相互镶嵌的机械连接作用形成的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典型工艺热喷涂，包镀，钎焊热喷涂，包镀，钎焊1.3、表面晶体结构、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都可用一个二维布拉菲晶格(点阵点阵)加

24、上结点加上结点(阵点阵点)来描述。来描述。实际表面结构并不是完整无缺的，存在着很多缺实际表面结构并不是完整无缺的，存在着很多缺陷。陷。典型的典型的TLKTLK模型分析：模型分析：平台平台(Terrace)-台阶台阶(Ledge)扭折扭折(Kink)模型模型表面区的每个原子都可以用最近邻数来描述表面区的每个原子都可以用最近邻数来描述根据根据TLKTLK模型，台阶一般比较光滑，但温度模型，台阶一般比较光滑，但温度，扭折数会增加，扭折间距扭折数会增加，扭折间距0 0和温度及晶面指数和温度及晶面指数k k有关，可由下式描述：有关，可由下式描述：32exp20kTEaL-原子间距；原子间距； E EL

25、L台阶生成能台阶生成能面心立方（面心立方（111111）面上台阶的）面上台阶的 0 0约为约为4.4. 简单立方（简单立方（100100）晶面上台阶的）晶面上台阶的 0 0约为约为3030实际中，表面会存在大量缺陷，如空位、位错实际中，表面会存在大量缺陷，如空位、位错露头、晶界痕迹等。露头、晶界痕迹等。据分析据分析1.4、表面扩散、表面扩散扩散扩散扩扩散散激激活活能能。几几何何因因素素决决定定的的常常数数扩扩散散系系数数；扩扩散散时时间间；QRTQDDCDtDtcX)52(exp)42(0_扩散途径扩散途径体体扩散扩散表面扩散表面扩散晶界扩散晶界扩散位错扩散位错扩散1.5、固体表面的物理吸附和

26、化学吸附、固体表面的物理吸附和化学吸附1.5.1 吸附的基本特性吸附的基本特性物体表面上的原子或分子力场不饱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和，有吸附周围其他物质分子的能力，即所谓吸附作用力，即所谓吸附作用有二类：有二类：物理吸附物理吸附-范得华力范得华力化学吸附化学吸附-化学键化学键1.5.2 固体对气体的吸附固体对气体的吸附任何气体在其临界任何气体在其临界下，都会吸附于固体表面，即下，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只有电子云中心的变动物理吸附容易解吸，为可逆过程；物理

27、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；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并不是任何气体在任何表面都可以发生化学吸附。如附。如H2可以在可以在Ni的表面发生化学吸附，而在的表面发生化学吸附，而在Al 上则不能。上则不能。1.5.3 固体对液体的吸附固体对液体的吸附电解质吸附电解质吸附使固体表面带电使固体表面带电oror双电层的组双电层的组 织发生变化，也可以产生离子交织发生变化，也可以产生离子交换。换。电镀电镀非电解质吸附非电解质吸附单分子层吸附，吸附层以外就单分子层吸附，吸附层以外就是本体相溶液。是本体相溶液。吸附热很小，相吸附热很小

28、，相当于溶解热。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。固体对液体的吸附也分为物理吸附和化学吸附。普通润滑油，极化了普通润滑油，极化了的长链油分子与金属的长链油分子与金属表面发生较弱的分子表面发生较弱的分子引力结合形成物理吸引力结合形成物理吸附膜。附膜。16烷烷化学吸附往往是首先化学吸附往往是首先形成物理吸附，然后形成物理吸附，然后在界面发生化学反应在界面发生化学反应转化成化学吸附。结转化成化学吸附。结合能高，不可逆。合能高，不可逆。 硬酸脂与硬酸脂与FeO作用生作用生成硬脂酸铁皂膜成硬脂酸铁皂膜1.5.4 固体表面之间的吸附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

29、能产生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。固体表面吸附。用粘附功描述粘附程度：用粘附功描述粘附程度：ABBAABW 表面污染影响很大。如铁若在水银中断裂，裂表面污染影响很大。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。开面可以再粘合起来，而在空气中就不行。1.5.5 吸附对材料力学性能的影响吸附对材料力学性能的影响莱宾杰尔效应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。等力学性能会下降。原原 因因1. 1. 不可逆物理过程效应不可逆物理过程效应 如：腐蚀不改变力学性能，通如：腐蚀不改变

30、力学性能，通过减小尺寸使性能下降过减小尺寸使性能下降2. 2. 可逆物理和化学过程效应可逆物理和化学过程效应 使表面自由能下降，力学性能发使表面自由能下降，力学性能发生变化莱宾杰尔效应生变化莱宾杰尔效应例：玻璃、石膏吸附水蒸气后，强度下降；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。铜表面覆盖熔融薄膜后，使塑性大大下降。环境介质的影响有很明显的化学特征；环境介质的影响有很明显的化学特征；1表面活性熔融物的作用十分迅速；表面活性熔融物的作用十分迅速；3只要很少量的表面活性物质就可以产生莱氏效应；只要很少量的表面活性物质就可以产生莱氏效应；2u只有对该金属为表面活

31、性的液态金属才能产只有对该金属为表面活性的液态金属才能产生影响。如水银降低生影响。如水银降低Zn的强度和塑性，但对镉的强度和塑性，但对镉无影响无影响u微米级的薄膜就可导致脆性破坏，与溶解和微米级的薄膜就可导致脆性破坏，与溶解和腐蚀不同；腐蚀不同；u几滴活性熔融金属就能引起低应力解理脆性几滴活性熔融金属就能引起低应力解理脆性断裂；断裂；表面活性物的作用是可逆的；表面活性物的作用是可逆的；4u但熔融物在无应力试样中沿晶界扩但熔融物在无应力试样中沿晶界扩散的情况例外。散的情况例外。莱氏效应的产生需要拉应力与活性物质同时起作用；莱氏效应的产生需要拉应力与活性物质同时起作用；5是金属表面对活性是金属表面

32、对活性介质的吸附，使表介质的吸附，使表面原子的不饱和键面原子的不饱和键得到补偿，使表面得到补偿，使表面能降低，改变了表能降低，改变了表面原子之间的相互面原子之间的相互作用，使金属的表作用，使金属的表面强度降低。面强度降低。1.6、固体表面润湿、固体表面润湿1.6.1 润湿现象与机理润湿现象与机理润湿润湿液体在固体表面铺展的现象液体在固体表面铺展的现象u水滴与玻璃，能被水润湿亲水，如玻璃、石英、方水滴与玻璃，能被水润湿亲水，如玻璃、石英、方解石、长石等。解石、长石等。 u水滴与石蜡，不能被水润湿疏水，如石蜡、石墨、水滴与石蜡，不能被水润湿疏水，如石蜡、石墨、硫磺等。硫磺等。(TiO2光致亲水光致

33、亲水)用润湿角用润湿角 来描述润湿程度来描述润湿程度 90 90 为润湿，为润湿， 越小，润湿越好；越小，润湿越好； 9090 为不润湿；为不润湿；=0=0 和和 =180 =180 时，则称为完全润湿和完全不润湿。时，则称为完全润湿和完全不润湿。三力互相平衡，合力为三力互相平衡，合力为0 0，有：，有：不不润润湿湿，为为时时，润润湿湿，为为时时，方方程程。90cos90cos)82(/cos:)72(cos LSGSLSGSGLLSGSGLLSGSYoungOR润湿与否取决于液体的内聚力和液润湿与否取决于液体的内聚力和液- -固分子间的粘附固分子间的粘附力的相对大小。若后者大，则润湿；反之则

34、不润湿。力的相对大小。若后者大，则润湿；反之则不润湿。1.6.2 铺展系数铺展系数铺铺展展。在在粗粗糙糙表表面面上上可可能能自自发发不不能能自自发发铺铺展展的的液液体体，在在光光滑滑表表面面大大于于光光滑滑表表面面。换换言言之之粗粗糙糙表表面面的的铺铺展展系系数数远远）（）（）可可修修正正为为：时时，式式（当当固固体体表表面面粗粗糙糙度度为为时时，液液在在固固上上不不铺铺展展。标标准准。了了，铺铺展展是是润润湿湿的的最最高高或或者者说说润润湿湿角角已已不不存存在在，即即：表表面面自自动动展展开开；在在时时，当当1021cos9200/ iSiSSLSGLSLSLGLLSGSSL) 92() 1

35、(cos/ GLGLLSGSSLS定义为：定义为：1.6.3 润湿理论的应用润湿理论的应用a.a.通过改变通过改变 来调整来调整 ，加入表面活性物质来减，加入表面活性物质来减 小小 ，使润湿程度增大；或加入表面惰性物质，使润湿程度增大；或加入表面惰性物质来增大来增大 ，使润湿程度降低。，使润湿程度降低。（透析膜）（透析膜）b.b.改变铺展系数来增加润湿性，如增加粗糙度或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）增加中间过渡层（自熔合金）c.c.不粘锅，在最表面上涂覆一层憎水性的高分子不粘锅，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。材料，如聚四氟乙烯等。第二

36、节第二节 材料磨损原理及其耐磨性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。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。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。确选择或设计表面工程技术与材料的基础。引引子子2.1、固体材料的摩擦与磨损、固体

37、材料的摩擦与磨损摩摩擦擦相互接触的物体相对运动时产生的阻力。相互接触的物体相对运动时产生的阻力。磨磨损损相互接触的物体相对运动时产生的物体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。失或残余变形。 摩擦力与两接触体之间的表面接触面摩擦力与两接触体之间的表面接触面积无关；积无关； 摩擦力与两接触体之间的法向载荷成摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比；正比； 两个相对运动物体表面的界面滑动摩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。擦阻力与滑动速度无关。 F= F= N N摩擦三定律摩擦三定律摩擦摩擦干摩擦干摩擦边界润滑摩擦边界润滑摩擦流体润滑摩擦流体润滑摩擦滚动摩擦滚动摩擦干

38、摩擦干摩擦 无润滑摩擦无润滑摩擦 制动，传动制动，传动边界润滑边界润滑摩擦摩擦 接触面之间存在油膜（接触面之间存在油膜（1个分子个分子0.1m厚），使厚），使F增加增加2-10倍；倍；流体润滑摩擦流体润滑摩擦 对磨表面完全被油膜隔开，靠油膜的压力对磨表面完全被油膜隔开，靠油膜的压力平衡外载，平衡外载，F 取决于润滑油的内摩擦系数，取决于润滑油的内摩擦系数，最小，最小，F与接与接触表面无关；触表面无关；滚动摩擦滚动摩擦 磨损磨损磨粒磨损磨粒磨损疲劳疲劳磨损磨损冲蚀磨损冲蚀磨损腐蚀腐蚀磨损磨损粘着粘着磨损磨损高温磨损高温磨损微动磨损微动磨损2.2、粘着磨损、润滑和固体润滑、粘着磨损、润滑和固体润滑

39、2.2.1 粘着磨损机理粘着磨损机理摩擦面摩擦面的名义的名义接触面接触面积与实积与实际接触际接触面积面积2.2.2 流体润滑和边界润滑流体润滑和边界润滑几种可能发生粘着磨损的典型情况：几种可能发生粘着磨损的典型情况：边界边界润滑润滑如果压力太大，零件运行速度太低，或表面粗如果压力太大，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。此时的磨凸体之间的接触而导致磨损的增加。此时的磨损状态称为损状态称为边界润滑边界润滑。2.2.3 固体润滑固体润滑航空、航天等领域要求在高负荷，超低温，强氧化，航空、航天等领域

40、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。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。大致可分为以面之间摩擦与磨损的一种润滑方式。大致可分为以下三类：下三类：固体粉末润滑固体粉末润滑固体润滑薄膜固体润滑薄膜自润滑复合材料自润滑复合材料与润滑油混合与润滑油混合, ,利用转动部件使粉末飞扬；或制成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悬浮液，浸渍在多孔材料润滑 粘接固体润滑膜（简称干膜）

41、：将固体润滑粘接固体润滑膜（简称干膜）：将固体润滑剂与粘结剂混合后涂抹剂与粘结剂混合后涂抹 化学反应润滑膜化学反应润滑膜 化化化化化化 电镀和气相沉积电镀和气相沉积金属基复合材料金属基复合材料 润滑粉与金属粉压制烧结润滑粉与金属粉压制烧结塑料基复合材料塑料基复合材料 固润与塑料组合，构成塑料复合材料固润与塑料组合，构成塑料复合材料基复合材料基复合材料 焦碳，石墨，碳墨等与沥青焦油，合成焦碳，石墨，碳墨等与沥青焦油，合成 树脂挤压成型烧结，形成多孔复合材料树脂挤压成型烧结，形成多孔复合材料钢铁零件中几种典型固体润滑材料的摩擦系数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

42、有关固体润滑的摩擦系数与工作环境有关2.2.4 影响固体材料粘着磨损性能的因素影响固体材料粘着磨损性能的因素真空条件下大多数金属的磨损严重，而在大气条件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。下，许多金属表面能生成氧化膜，有效防止粘着。材料的硬度越高，耐磨性越好。材料体系一定时，可材料的硬度越高，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。采用涂层或其它表面处理工艺增加表面硬度。：密排六方面心体心；冶金上互熔性好的一对金属摩：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

43、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。熔，也不易粘着。一方面，一方面，增加，硬度降低，互溶性增强，磨损严重；增加，硬度降低，互溶性增强，磨损严重；另一方面，另一方面，增加，增加， 氧化增加，也可影响磨损性能氧化增加，也可影响磨损性能。2.3、磨粒磨损、磨粒磨损2.3.1 磨粒磨损过程中材料去除机理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：简化为一个三角锥体，磨损过程如下：材料的磨损体积与载荷，材料硬度材料的磨损体积与载荷，材料硬度以及滑动距离有关以及滑动距离有关：

44、)132(1LKPHVK K 为比例系数，与多因素有关为比例系数，与多因素有关磨料直径断裂韧性；dKLHKdKPVcC)142(214321452.3.2 磨粒磨损过程的影响因素磨粒磨损过程的影响因素磨粒特性的影响磨粒特性的影响1硬度、形状、粒度硬度、形状、粒度a a）磨粒硬度的影响）磨粒硬度的影响Ha-磨粒硬度，磨粒硬度， Hm-材料硬度；材料硬度； Ha/Hm1.2 硬磨粒磨损，硬度增加对磨损影响不大；硬磨粒磨损，硬度增加对磨损影响不大； 但：但：1Ha/Hm 多角多角 圆粒圆粒c c）磨粒粒度的影响）磨粒粒度的影响磨粒在临界尺寸以下时，磨损随尺寸磨粒在临界尺寸以下时，磨损随尺寸增加急剧增加；超过这一尺寸时，其增加急剧增加；超过这一尺寸时，其增大的幅度显著降低