《固体表面特征》ppt课件

1、第二章第二章 固体外表的特征固体外表的特征 教学目的与要求教学目的与要求n引见外表形貌的概念，掌握表征外表形貌的参引见外表形貌的概念，掌握表征外表形貌的参数及其计算方法，了解外表形貌的丈量方法；数及其计算方法，了解外表形貌的丈量方法；n引见金属外表的根本特性，了解金属外表的物引见金属外表的根本特性，了解金属外表的物理吸附和化学吸附景象；理吸附和化学吸附景象；教学重点、难点教学重点、难点外表粗糙度的表征和丈量外表粗糙度的表征和丈量2.1 外表的根本特性外表的根本特性 外表是一个笼统的概念，实践常把无厚度的笼统外表是一个笼统的概念，实践常把无厚度的笼统外表叫数学外表，把厚度在几个原子层内的外表叫作

2、外表叫数学外表，把厚度在几个原子层内的外表叫作物理外表，而把我们常说实践的固体外表叫工程外表。物理外表，而把我们常说实践的固体外表叫工程外表。 一、固体外表一、固体外表 理想的晶体由原胞组成，并具有三维周期性。理想的晶体由原胞组成，并具有三维周期性。但物质不是无限的，在晶体中原子或分子的周但物质不是无限的，在晶体中原子或分子的周期性陈列发生大面积忽然终止的地方就出现了期性陈列发生大面积忽然终止的地方就出现了界面，如固体液体、固体气体及固体固界面，如固体液体、固体气体及固体固体的界面，常把固体气体或真空、固体体的界面，常把固体气体或真空、固体液体的界面称为固体的外表。液体的界面称为固体的外表。

3、很多物理化学过程：催化、腐蚀、摩擦和电很多物理化学过程：催化、腐蚀、摩擦和电子发射等都发生在子发射等都发生在“外表，可见其重要性。外表，可见其重要性。1. 固体外表的特点固体外表的特点固体外表的不均一性。固体外表的不均一性。(1) 固体外表的凹凸不平固体外表的凹凸不平(2) 固体中晶体晶面的不均一性：固体中晶体晶面的不均一性： 各相异性、晶面不完好各相异性、晶面不完好(3) 外表被外来物质所污染，外表吸附外来杂质外表被外来物质所污染，外表吸附外来杂质(4) 制备和加工条件制备和加工条件表如今：表如今：金属外表的实践构成表示图金属外表的实践构成表示图 工程外表工程外表 对于给定条件下的外表，其实

4、践组成及各层的厚度对于给定条件下的外表，其实践组成及各层的厚度与外表制备过程、环境以及资料本身的性质有关。与外表制备过程、环境以及资料本身的性质有关。2. 固体外表力场固体外表力场定义：定义： 晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体内部，质点力场是对称的。但在固体外表，晶体内部，质点力场是对称的。但在固体外表，质点陈列的周期反复性中断，使处于外表边境上质点陈列的周期反复性中断，使处于外表边境上的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力， 称称之为固体外表力。之为固体外表力。固体中外表力分为哪几类？固体中外表力分为哪几

5、类？外表力的分类：外表力的分类：(2) 范得华力范得华力(分子引力分子引力)(1) 化学力长程力化学力长程力定向作用力定向作用力FK(静电力静电力) ：发生于极性分子之间：发生于极性分子之间诱导作用力诱导作用力FD ：发生于极性与非极性分子之间。：发生于极性与非极性分子之间。分散作用力分散作用力FL(色散力色散力) ：发生于非极性分子之间。：发生于非极性分子之间。 二、清洁外表二、清洁外表n是指不存在任何污染的化学纯外表，即不存在吸附、是指不存在任何污染的化学纯外表，即不存在吸附、催化反响或杂质分散等一系列物理、化学效应的外表。催化反响或杂质分散等一系列物理、化学效应的外表。n制备清洁外表对于

6、外表分析，特别是对外表构造的分制备清洁外表对于外表分析，特别是对外表构造的分析是非常重要的。析是非常重要的。n可以采用真空蒸发、磁控溅射、分子束外延等方法得可以采用真空蒸发、磁控溅射、分子束外延等方法得到比较纯真的薄膜资料，作为研讨清洁外表构造的试到比较纯真的薄膜资料，作为研讨清洁外表构造的试样。样。n三、外表构造三、外表构造n1. 1. 金属的晶格类型金属的晶格类型n金属及其合金都是由原子或分子所组成的金属及其合金都是由原子或分子所组成的一种物质的凝聚集态，金属的性能不仅取一种物质的凝聚集态，金属的性能不仅取决于其组成原子的本性和原子间结合键的决于其组成原子的本性和原子间结合键的类型，同时也

7、取决于原子规那么陈列的方类型，同时也取决于原子规那么陈列的方式。式。n固态金属规那么陈列的原子即称为晶体构固态金属规那么陈列的原子即称为晶体构造。造。n根本陈列方式有体心立方晶格、面心立方晶格和密排根本陈列方式有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。六方晶格。在常用金属中：在常用金属中：n体心立方晶格：铬体心立方晶格：铬(Cr)(Cr)、钼、钼(Mo)(Mo)、钨、钨(W)(W)、钒、钒(V)(V)、铁、铁(-Fe)(-Fe)等。等。n面心立方晶格：铝面心立方晶格：铝(Al)(Al)、铜、铜(Cu)(Cu)、镍、镍(Ni)(Ni)、铅、铅(Pb)(Pb)和和铁铁(-Fe)(-Fe)等。等。

8、n密排六方晶格：镁密排六方晶格：镁(Mg)(Mg)、镉、镉(Cd)(Cd)、铍、铍(Be)(Be)、锌、锌ZnZn等。等。2 2晶体构造变化晶体构造变化 n 晶体构造的变化可以改动金属外表的摩擦特性。如元素钴在加热时，晶体构造从常温的密排六方晶格转变为面心立方晶格，摩擦系数增大，而当温度降到室温时，摩擦系数将减小到原来的数字。而四氯化物在温度升高到222.5K时，摩擦系数大大降低。n 在摩擦力的作用下，表层反复变形，温度也随之变化，接触区的晶体构造和资料构造在不断变化，导致相互作用的两外表摩擦特性的改动。所以原子由有序陈列形状转化为无序陈列形状是资料构造变化的重要要素之一 面心立方外表原子的配

9、位数面心立方外表原子的配位数在外表的位置在外表的位置配位数配位数外表所处晶面外表所处晶面配位数配位数角上原子角上原子3原子在原子在(111)上上9边缘原子边缘原子5原子在原子在(100)上上8 外表原子外表原子M 的配位数的配位数为为 5。而基。而基体中的任一体中的任一个原子的配个原子的配位数为位数为 6。 3.3.外表构造外表构造n外表上方原子的空缺，必然导致晶体外表电荷分布的变化，外表上方原子的空缺，必然导致晶体外表电荷分布的变化，从而使外表原子陈列或多或少发生变化。不过，实验分析从而使外表原子陈列或多或少发生变化。不过，实验分析阐明，很多晶体资料的外表有着近乎理想的原子陈列。当阐明，很多

10、晶体资料的外表有着近乎理想的原子陈列。当然，也有很多例外。然，也有很多例外。n金属外表出现金属外表出现“断键，原子的能量会升高，为了到达一断键，原子的能量会升高，为了到达一个较稳定的形状，电子也要重新分布，也就是说电子与离个较稳定的形状，电子也要重新分布，也就是说电子与离子、电子与电子之间的交互作用都会发生变化，使外表与子、电子与电子之间的交互作用都会发生变化，使外表与体内的电子分布不同，普通要在外表构成一电偶层，可降体内的电子分布不同，普通要在外表构成一电偶层，可降低非常之几电子伏特的外表能。低非常之几电子伏特的外表能。n资料外表电子构造的不同，在很大程度决议外表的化学性资料外表电子构造的不

11、同，在很大程度决议外表的化学性质，对金属外表的吸附和粘着是非常重要的。质，对金属外表的吸附和粘着是非常重要的。四、外表缺陷四、外表缺陷n按照几何特征，晶体缺陷主要分为：按照几何特征，晶体缺陷主要分为：n1 1 点缺陷点缺陷n2 2 线缺陷线缺陷n3 3 面缺陷面缺陷杂 质 原 子 a 空位 b 间隙原子 c 置换原子 点缺陷 点缺陷破坏了原子的平衡形状，使晶格发生了扭曲点缺陷破坏了原子的平衡形状，使晶格发生了扭曲晶晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度添加，金属的密度发生格畸变，使金属的电阻率、屈服强度添加，金属的密度发生变化。变化。CDAB 位错破坏了原子的有序陈列，位错运动可使晶体产生弹性畸变

12、和塑性变形。位错的产生使金属接近外表处产生微孔隙，当微孔隙凝聚时就产生相平行的裂纹，当裂纹生长到极限长度时，资料就会以“薄瓣状剥落下来。加工硬化就是当位错密度随塑性变形添加而添加时，许多位错相互作用的结果。晶粒单晶体晶粒单晶体晶界晶界亚晶界亚晶界晶界对位错运动起妨碍作用，使金属的强度升高。晶界对位错运动起妨碍作用，使金属的强度升高。晶粒越细，那么晶界越多，强度和塑性越高。晶粒越细，那么晶界越多，强度和塑性越高。2.2 外表张力与外表能外表张力与外表能 在外表，晶格的周期性被切断，因此外表原子处在外表，晶格的周期性被切断，因此外表原子处于与固体内部不同的环境之中。其实，外表的组成和于与固体内部不

13、同的环境之中。其实，外表的组成和物理性质是由单一相渐渐地变化而来的领域，虽然很物理性质是由单一相渐渐地变化而来的领域，虽然很难把它当作原来的热力学相，但能作为一种由温度、难把它当作原来的热力学相，但能作为一种由温度、面积、曲率半径以及各组分原子的质量等决议的特殊面积、曲率半径以及各组分原子的质量等决议的特殊相来处置。总之，固体外表相的热力学性质必需与固相来处置。总之，固体外表相的热力学性质必需与固体内部区别开来思索。体内部区别开来思索。外表张力外表张力 在建立新的外表时，临近的原子丧失、键被切断。在建立新的外表时，临近的原子丧失、键被切断。为此，必需作某种功。在一定的温度、压力下，坚持为此，必

14、需作某种功。在一定的温度、压力下，坚持平衡条件，当外表积平衡条件，当外表积a只添加只添加da时，该系统也必需做时，该系统也必需做功。这个可逆的外表功功。这个可逆的外表功W S由下式给出：由下式给出： daWs假设没有任何非可逆过程，那么这个可逆功假设没有任何非可逆过程，那么这个可逆功 就就等于外表能量的变化。因此等于外表能量的变化。因此P ,TsW)aG(dWsP,TsdaaGaGdaa)aG(WP,TssP,TsP,Ts外表张力外表张力 高温时，在由解理而制得的新的外表的情况下，外高温时，在由解理而制得的新的外表的情况下，外表原子自在地在外表分散的时候，与面积无关，那么表原子自在地在外表分散

15、的时候，与面积无关，那么 0P,TsaGdaGWsP,Ts所以所以 sG外表张力与外表自在能相一致外表张力与外表自在能相一致 低温，解理外表的原子不能自在分散时，由于在外表低温，解理外表的原子不能自在分散时，由于在外表残留有畸变，因此残留有畸变，因此 P,TssaGaG外表能的物理图像外表能的物理图像 以面心立方金属的以面心立方金属的100面作为外表面作为外表 只需当每个原子有只需当每个原子有12个最近邻，能量才最低，构个最近邻，能量才最低，构造最稳定。当少了四个最近邻原子，出现了四个造最稳定。当少了四个最近邻原子，出现了四个“断断键时，外表原子的能量就会升高。和外表原子的这键时，外表原子的能

16、量就会升高。和外表原子的这种高出来的能量相连的就是外表能。种高出来的能量相连的就是外表能。 晶面的外表能晶面的外表能 不同晶面作外表时，断键数目不同，因此外表能不同。不同晶面作外表时，断键数目不同，因此外表能不同。 外表能外表能 还可以更直观地阐明外表能，设有一横截还可以更直观地阐明外表能，设有一横截面为面为1cm2的固体柱，在理想条件下真空中的固体柱，在理想条件下真空中将它分成两段时所作的功称为内聚功将它分成两段时所作的功称为内聚功Wc，它，它表征了一样物质间的吸引强度。拉断后的固表征了一样物质间的吸引强度。拉断后的固体柱添加了两个面积为体柱添加了两个面积为1cm2的新外表，相应的新外表，相

17、应添加的外表能为添加的外表能为2a，a为固体为固体a添加的外表添加的外表能。能。根据功能原理得根据功能原理得Wc2a 物质的外表能和界面能物质的外表能和界面能 假设柱的上段为物质假设柱的上段为物质a，下段为物质，下段为物质b，那么接触部分，那么接触部分的界面能为的界面能为ab。假设使柱在。假设使柱在a、b界面上断开，对柱所作界面上断开，对柱所作的功称为粘附功的功称为粘附功Wab。断开后柱添加外表能。断开后柱添加外表能a和和b。根。根据功能原理得据功能原理得 Wababab 界面能界面能 实验证明，界面能实验证明，界面能ab约为约为1/41/2(ab)。假设。假设a、b两物质能相互溶解或能构成金

18、属间化合物，其界两物质能相互溶解或能构成金属间化合物，其界面能较小，约为面能较小，约为 。假设。假设a、b 两物质不能两物质不能相相互溶解，其界面能较大，约为互溶解，其界面能较大，约为 。)(ba41)(ba21a、b为同一物质为同一物质 Wc2a 或或 Wc2b由上式可以看出，由上式可以看出，WcWab，即一样物质间的摩擦，即一样物质间的摩擦要大于不同物质间的摩擦。要大于不同物质间的摩擦。 )(Wbaab43a、b相互溶解相互溶解 )(Wbaab21a、b不能相互溶解不能相互溶解1.1.典型外表的构造组成典型外表的构造组成2.3 表层的根本特性表层的根本特性外表的组成与资料所处的形状有亲密关

19、系外表的组成与资料所处的形状有亲密关系 (1) 变形层n又称应变层或加工硬化层，它是资料外表区域的又称应变层或加工硬化层，它是资料外表区域的重要组成部分。摩擦过程也会构成变形层。重要组成部分。摩擦过程也会构成变形层。n2贝氏层贝氏层n贝氏层是加工过程中外表分子产生溶解和外表产贝氏层是加工过程中外表分子产生溶解和外表产生流动之后淬火硬化而堆积的表层，它属于非晶生流动之后淬火硬化而堆积的表层，它属于非晶或微晶构造。或微晶构造。(3) 外表吸附与化学反响层外表吸附与化学反响层 外表吸附是实践固体重要的外表景象，它的存在可外表吸附是实践固体重要的外表景象，它的存在可以显著降低外表的系统能量。以显著降低

20、外表的系统能量。 吸附作用是固体外表最重要的特征之一。被吸附吸附作用是固体外表最重要的特征之一。被吸附的分子称为吸附物质，固体作为吸附剂。外表吸的分子称为吸附物质，固体作为吸附剂。外表吸附按其作用力的性质可分为两类：物理吸附和化学吸附按其作用力的性质可分为两类：物理吸附和化学吸附。附。 在吸附过程中，一些能量较高的吸附分子，能够抑在吸附过程中，一些能量较高的吸附分子，能够抑制吸附势的束缚而脱离固体外表，称为制吸附势的束缚而脱离固体外表，称为“脱附或脱附或“解解吸。当吸附与解吸到达动态平衡时，固体外表保管着吸。当吸附与解吸到达动态平衡时，固体外表保管着一定数量的相对稳定的吸附分子，这种吸附，称为

21、平衡一定数量的相对稳定的吸附分子，这种吸附，称为平衡吸附。吸附。物理吸附物理吸附 物理吸附的作用力，是范得瓦尔斯物理吸附的作用力，是范得瓦尔斯Vander Waals分子力。范得瓦尔斯分子力是由于外表原分子力。范得瓦尔斯分子力是由于外表原子与吸附原子之间的极化作用而产生的。子与吸附原子之间的极化作用而产生的。 这是很弱的一种吸力，吸附层的厚度也非常薄这是很弱的一种吸力，吸附层的厚度也非常薄普通为一个分子层到几个分子层的厚度；分子普通为一个分子层到几个分子层的厚度；分子易被吸附也易脱吸。但是对任何固体液体都有能够易被吸附也易脱吸。但是对任何固体液体都有能够发生物理吸附。发生物理吸附。 物理吸附膜

22、对温度比较敏感。由物理吸附而产生的物理吸附膜对温度比较敏感。由物理吸附而产生的边境光滑，普通只适用于比较低的温度和摩擦热较边境光滑，普通只适用于比较低的温度和摩擦热较小，即低载荷、低滑动速度的情况。小，即低载荷、低滑动速度的情况。 硬脂酸在固体外表物理吸附硬脂酸在固体外表物理吸附化学吸附化学吸附 化学吸附，在吸附剂和吸附物的原子或分子间发生化学吸附，在吸附剂和吸附物的原子或分子间发生电子的转移，改动了吸附分子的构造。电子的转移，改动了吸附分子的构造。吸附剂和吸附物分子或原子之间的作用力，主要是吸附剂和吸附物分子或原子之间的作用力，主要是静电库仑力。比物理吸附结实，构成这种吸附所需静电库仑力。比

23、物理吸附结实，构成这种吸附所需的热量较大，普通为的热量较大，普通为4.2(10102)KJ/mol，而物，而物理吸附热为理吸附热为4.28.4KJ/mol,而且化学吸附只对某几而且化学吸附只对某几种能构成化学键的吸附物质才有吸附作用。由于化种能构成化学键的吸附物质才有吸附作用。由于化学键力的作用范围普通不超越学键力的作用范围普通不超越2310-10m，故化学吸附层总是单分子层为多。故化学吸附层总是单分子层为多。典型例子：典型例子：在边境光滑时，硬脂酸和氧化铁在有水存在在边境光滑时，硬脂酸和氧化铁在有水存在时所产生的吸附。吸附结果是外表上构成了一层时所产生的吸附。吸附结果是外表上构成了一层硬脂酸

24、硬脂酸“金属皂膜金属皂膜 。这种。这种“金属皂膜不仅有金属皂膜不仅有较低的切变强度，相对说来也有比较高的熔点。较低的切变强度，相对说来也有比较高的熔点。 例如，硬脂酸的熔点是例如，硬脂酸的熔点是69，而这种金属，而这种金属皂膜的熔点约为皂膜的熔点约为120。因此，这种化学吸附膜。因此，这种化学吸附膜作为光滑剂，可以在中等裁荷、中等温度及中作为光滑剂，可以在中等裁荷、中等温度及中等滑动速度下运用。等滑动速度下运用。 硬脂酸化学吸附硬脂酸化学吸附 吸附结果是外表上构成了一层硬脂酸吸附结果是外表上构成了一层硬脂酸“金属皂金属皂膜膜物理吸附和化学吸附的比较物理吸附和化学吸附的比较 用于判别化学吸附和物

25、理吸附的另一个判据是活化用于判别化学吸附和物理吸附的另一个判据是活化能。当产生化学吸附时，需求有一定的活化能。这能够能。当产生化学吸附时，需求有一定的活化能。这能够是由于存在一个温度界限的缘故，低于此界限就不会发是由于存在一个温度界限的缘故，低于此界限就不会发生化学吸附。生化学吸附。 物理吸附无需活化能，在任何温度下都会以一定的物理吸附无需活化能，在任何温度下都会以一定的速率，即以使吸附物布满固体外表的速率发生物理吸附。速率，即以使吸附物布满固体外表的速率发生物理吸附。 外表化学反响外表化学反响 外表化学反响是指吸附质与固体外表相互作用构成了一种新外表化学反响是指吸附质与固体外表相互作用构成了

26、一种新的化合物。的化合物。金属外表特别是多晶体金属外表往往包含有很多缺陷：晶界、金属外表特别是多晶体金属外表往往包含有很多缺陷：晶界、位错、台阶等，这些部位能量高，氧化也就往往从这些高能位错、台阶等，这些部位能量高，氧化也就往往从这些高能位置开场，不断到将外表覆盖。位置开场，不断到将外表覆盖。化学反响膜：普通是指金属外表与光滑油中中的添加剂化学反响膜：普通是指金属外表与光滑油中中的添加剂有时也包括气体介质相互作用产生的外表膜。有时也包括气体介质相互作用产生的外表膜。氧化膜有时也被以为是化学反响膜的一种，它是先发生氧氧化膜有时也被以为是化学反响膜的一种，它是先发生氧的物理吸附，然后在界面发生吸附

27、反响，而转换为化学吸附，的物理吸附，然后在界面发生吸附反响，而转换为化学吸附，最后在氧原子与金属之间发生化学反响，生成氧化膜。最后在氧原子与金属之间发生化学反响，生成氧化膜。n机械零件的外表形貌直接影响其磨损、疲劳与腐蚀，以及接触机械零件的外表形貌直接影响其磨损、疲劳与腐蚀，以及接触刚度和传热性能，影响界面间的导电性能与密封性能。刚度和传热性能，影响界面间的导电性能与密封性能。n磨具的外表形貌影响它的磨削性能；磨具的外表形貌影响它的磨削性能；n喷涂外表预处置后的形貌影响外表涂层喷涂外表预处置后的形貌影响外表涂层(如油漆如油漆)的质量与外观；的质量与外观；n飞机跑道的外表形貌影响飞机起降的平稳性

28、与飞机机件的寿命；飞机跑道的外表形貌影响飞机起降的平稳性与飞机机件的寿命；n公路路面的外表形貌影响汽车行驶的平稳性与汽车的寿命；公路路面的外表形貌影响汽车行驶的平稳性与汽车的寿命；n海洋外表的形貌直接同船舶航行有关，而电子的发射、电磁波海洋外表的形貌直接同船舶航行有关，而电子的发射、电磁波的反射也同器件的外表形貌有亲密的关系。的反射也同器件的外表形貌有亲密的关系。n所以，外表形貌越来越为工程技术界所注重。所以，外表形貌越来越为工程技术界所注重。2.4 外表形貌外表形貌机械抛光外表的SEM形貌1000机械加工的外表产生凹凸不平的缘由：机械加工的外表产生凹凸不平的缘由：1 1、切削加工过程刀具遗留

29、在工件外表上的痕、切削加工过程刀具遗留在工件外表上的痕迹；迹；2 2、切屑与外表分别断裂时引起不规那么的塑、切屑与外表分别断裂时引起不规那么的塑性变形；性变形；3 3、机床、机床工件系统的振动在工件外表上留工件系统的振动在工件外表上留下的波形，以及机床系统误差和工件在切削力下的波形，以及机床系统误差和工件在切削力与重力等作用下发生变形引起的误差。与重力等作用下发生变形引起的误差。外表形貌外表形貌外形误差：实践外表外形与理想外外形误差：实践外表外形与理想外表外形的宏观偏向表外形的宏观偏向 波纹度：外表周期性反复出现的几波纹度：外表周期性反复出现的几何外形误差何外形误差 外表粗糙度：外表微观几何外

30、形误外表粗糙度：外表微观几何外形误差差 波纹度和粗糙度的主要区别是波长不同 波纹度粗糙度外表粗糙度与摩擦磨损的关系较亲密，它对接外表粗糙度与摩擦磨损的关系较亲密，它对接触外表上的压力分布，接触变形的程度，摩擦触外表上的压力分布，接触变形的程度，摩擦阻力大小和摩擦成因等都有很大影响。阻力大小和摩擦成因等都有很大影响。 实践轮廓实践轮廓 2. 2.取样长度取样长度lrlr 取样长度是指用于判别具有外表粗糙度特取样长度是指用于判别具有外表粗糙度特征的一段基准线长度。征的一段基准线长度。 规范规定取样长度按外表粗糙程度合理取值，规范规定取样长度按外表粗糙程度合理取值，通常应包含至少通常应包含至少5 5

31、个轮廓峰和轮廓谷。个轮廓峰和轮廓谷。 取样长度和评定长度取样长度和评定长度 3. 3.评定长度评定长度lnln 评定长度是指评定轮廓外表粗糙度所必需的一段长度。评定长度是指评定轮廓外表粗糙度所必需的一段长度。 普通情况下，规范引荐普通情况下，规范引荐ln =5lr ln =5lr ， 4. 4.基准线中线基准线中线m m 基准线是用以评定外表粗糙度参数大小所规定的一条基准线是用以评定外表粗糙度参数大小所规定的一条参考线，据此来作为评定外表粗糙度参数大小的基准。参考线，据此来作为评定外表粗糙度参数大小的基准。 1 1轮廓的最小二乘中线轮廓的最小二乘中线 在取样长度内，使轮廓上各点至一条假想线间隔

32、的平在取样长度内，使轮廓上各点至一条假想线间隔的平方和为最小方和为最小 轮廓最小二乘中线轮廓最小二乘中线 2 2轮廓算术平均中线轮廓算术平均中线 在取样长度内，由一条假想线将实践轮廓分为上、在取样长度内，由一条假想线将实践轮廓分为上、下两部分，而且使上部分面积之和等于下部分面积之和下两部分，而且使上部分面积之和等于下部分面积之和 轮廓算术平均中线轮廓算术平均中线5.5.轮廓单元轮廓单元 即一个轮廓峰和其相邻的一个轮廓谷的组合。即一个轮廓峰和其相邻的一个轮廓谷的组合。 6.6.轮廓峰高轮廓峰高zpzp 轮廓峰高即轮廓最高点距中线的间隔轮廓峰高即轮廓最高点距中线的间隔 7.7.轮廓谷深轮廓谷深zv

33、zv 轮廓谷深即中线与轮廓最低点之间的间隔轮廓谷深即中线与轮廓最低点之间的间隔 轮廓算术平均中线轮廓算术平均中线轮廓单元轮廓单元8.8.轮廓单元的高度轮廓单元的高度ztzt 轮廓单元的高度即一个轮廓单元的峰高和谷深之和轮廓单元的高度即一个轮廓单元的峰高和谷深之和 9.9.轮廓单元的宽度轮廓单元的宽度xsxs 轮廓单元的宽度即中线与轮廓单元相交线段的长度轮廓单元的宽度即中线与轮廓单元相交线段的长度 10.10.在程度位置在程度位置c c上轮廓的实体资料长度上轮廓的实体资料长度MlMlc c 即在一个给定程度位置即在一个给定程度位置c c上用一条平行于中线上用一条平行于中线的线与轮廓单元相截所获得

34、的各段截线长度之和的线与轮廓单元相截所获得的各段截线长度之和 11.11.高度和间距区分力高度和间距区分力高度和间距区分力分别是指应计入被评定轮廓的轮廓峰高度和间距区分力分别是指应计入被评定轮廓的轮廓峰和轮廓谷的最小高度和最小间距。和轮廓谷的最小高度和最小间距。 一、固体的外表形貌一维表征一、固体的外表形貌一维表征 宏观和微观粗糙度宏观和微观粗糙度 1、外表轮廓高度方向一维表征、外表轮廓高度方向一维表征 1轮廓算术平均偏向或称中心线平均值轮廓算术平均偏向或称中心线平均值Ra 轮廓算术平均偏向轮廓算术平均偏向Ra，又称中位线算术平均偏，又称中位线算术平均偏向向CLA，Center line av

35、erage，定义为一个取样长，定义为一个取样长度内，外表轮廓线偏离其中位线的绝对值的算术平均值。度内，外表轮廓线偏离其中位线的绝对值的算术平均值。其数学表达式为其数学表达式为 dxxzlRla0)(1其离散化计算公式为其离散化计算公式为 niiaznR112轮廓均方根偏向轮廓均方根偏向Rq，简称，简称RMS,Root mean square 统计学以为，均方根偏向统计学以为，均方根偏向Rq，能比，能比Ra更好地描更好地描画外表轮廓的粗糙度特征。其定义为，在一个取样长度画外表轮廓的粗糙度特征。其定义为，在一个取样长度内，外表轮廓线偏离其中位线的间隔的平方的算术平均内，外表轮廓线偏离其中位线的间隔

36、的平方的算术平均值的平方根。其数学表达式为值的平方根。其数学表达式为 21201/lqdxxzlR 其离散化计算公式为其离散化计算公式为 21121/niiqznR 对绝大多数的固体外表而言，对绝大多数的固体外表而言，Ra与与Rq之间有如下的之间有如下的近似关系，即近似关系，即qaRR8 . 03微观不平度十点平均高度微观不平度十点平均高度Rz 定义为取样长度内，定义为取样长度内，5个最大的轮廓峰高的平均值与个最大的轮廓峰高的平均值与5个最深的轮廓谷深的平均值之和。其数学表达式为个最深的轮廓谷深的平均值之和。其数学表达式为 55151iivipizhhR4轮廓最大高度轮廓最大高度Ry定义为取样

37、长度内，轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间定义为取样长度内，轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间的间隔。的间隔。 Ra值一样的轮廓值一样的轮廓 Ra Rq2.29 2.542.29 2.542.29 2.642.29 2.682.29 2.682.29 2.592、外表轮廓程度方向的表征、外表轮廓程度方向的表征1 高点数高点数 所谓高点数，是指在评定长度内，高出中位线或与所谓高点数，是指在评定长度内，高出中位线或与中位线平行的某一预先设定高度的线的完好外表轮廓峰中位线平行的某一预先设定高度的线的完好外表轮廓峰的数目。如下图的外表轮廓，其高点数为的数目。如下图的外表轮廓，其高点数为7。 2轮廓微观不平度的平均间距

38、轮廓微观不平度的平均间距Sm 含有一个轮廓峰与中位线有交点的峰和相邻轮含有一个轮廓峰与中位线有交点的峰和相邻轮廓谷与中位线有交点的谷的一段中位线长度，称为廓谷与中位线有交点的谷的一段中位线长度，称为轮廓微观不平度间距。在取样长度内，轮廓微观不平度轮廓微观不平度间距。在取样长度内，轮廓微观不平度间距的平均值，称为轮廓微观不平度平均间距，用间距的平均值，称为轮廓微观不平度平均间距，用Sm表表示，示， nimnmiSS11轮廓的单峰平均间距也是反映外表微观几何外形上轮廓的单峰平均间距也是反映外表微观几何外形上峰谷间距特性方面的外表粗糙度参数，同样，其数值愈峰谷间距特性方面的外表粗糙度参数，同样，其数

39、值愈大，外表愈粗糙。大，外表愈粗糙。 二、固体外表形貌的二维表征二、固体外表形貌的二维表征 直至目前，几个相对成熟且有一定运用出直至目前，几个相对成熟且有一定运用出路的外表形貌特征的二维表征参数是：轮廓高路的外表形貌特征的二维表征参数是：轮廓高度分布的概率密度函数、轮廓的支承长度率及度分布的概率密度函数、轮廓的支承长度率及支承面积曲线、外表轮廓的自相关函数和功率支承面积曲线、外表轮廓的自相关函数和功率谱密度函数。谱密度函数。外表轮廓的自相关函数和功率谱密度函数外表轮廓的自相关函数和功率谱密度函数这两者是相互关联的，它们相互构成一对傅立这两者是相互关联的，它们相互构成一对傅立叶变换对。叶变换对。

40、 1.轮廓高度分布的概率密度函数轮廓高度分布的概率密度函数所谓轮廓高度分布的概率密度函数所谓轮廓高度分布的概率密度函数 f(z)，是指在一，是指在一个取样长度内，轮廓高度为个取样长度内，轮廓高度为 z 的概率，其数学表达式为的概率，其数学表达式为 lbzzzzxzzpzfniizz1001)()(limlim2.概率密度函数概率密度函数 常用的概率密度函数有：三角形分布、矩形分布、常用的概率密度函数有：三角形分布、矩形分布、高斯分布、韦布分布和伽玛分布等。高斯分布、韦布分布和伽玛分布等。常用高斯分布常用高斯分布(Gaussian distribution)，又称正态分，又称正态分布。布。 222)(21)(mzez