表面工程学2016纪秀林-01固体表面特性

1、第一章第一章 固体表面特性固体表面特性1.1 1.1 固体表面结构固体表面结构1.2 1.2 固体表面吸附固体表面吸附1.3 1.3 固体表面几何特性的表述固体表面几何特性的表述1.4 1.4 金属表面的接触金属表面的接触1.1 1.1 固体表面结构固体表面结构 一、固体表面结构一、固体表面结构 二、固体表面吸附二、固体表面吸附 三、固体表面几何特性及其表述三、固体表面几何特性及其表述第一章第一章 固体表面特性固体表面特性Ch1 固体表面特性固体表面特性一、固体的表面结构一、固体的表面结构 固体：晶体、非晶体。固体：晶体、非晶体。 从固体物理学的角度看，晶体从固体物理学的角度看，晶体表面是晶体

2、中原表面是晶体中原子周期性排列发生大面积突然中止的地方子周期性排列发生大面积突然中止的地方。在很多。在很多方面与周期性排列的内部原子有差别：方面与周期性排列的内部原子有差别： 结构上会出现重新调整和改变。结果会使结晶结构上会出现重新调整和改变。结果会使结晶学性质及能量发生变化；学性质及能量发生变化； 表面原子会与环境表面原子会与环境( (介质介质) )发生相互作用，产生发生相互作用，产生物理吸附、化学吸附或化学反应物理吸附、化学吸附或化学反应。1 1 固体的表面结构固体的表面结构Ch1 固体表面特性固体表面特性金属表面的实际构成金属表面的实际构成一、固体的表面结构一、固体的表面结构1 1 固体

3、的表面结构固体的表面结构Ch1 固体表面特性固体表面特性一、固体的表面结构一、固体的表面结构 不同晶面作表面时，断键数目不同，因而表面能不同。不同晶面作表面时，断键数目不同，因而表面能不同。即在单晶体中，表面能各向异性。即在单晶体中，表面能各向异性。1 1 固体的表面结构固体的表面结构 表表1-1 不同晶面的表面能不同晶面的表面能 （10-7J/cm2）面心立方面心立方体心立方体心立方面面Au、Ag、Cu、Ni面面W 1200KTa 1400K（111）1.00（110）1.001.00（100）1.047（100）1.0221.050（311）1.119（211）1.0191.068（110

4、）1.15（111）1.0251.083（210）1.16（310）1.0251.065（410）1.0381.070Ch1 固体表面特性固体表面特性表面偏聚：表面偏聚： 表面成分不同于合金的整表面成分不同于合金的整体平均成分的现象叫做表面体平均成分的现象叫做表面偏聚。偏聚。 一是溶质原子在表面富集一是溶质原子在表面富集( (表面偏聚多指这种情况表面偏聚多指这种情况) )； 二是表面溶质原子减少二是表面溶质原子减少( (也称此为反偏聚也称此为反偏聚) )。1 1 固体的表面结构固体的表面结构Ch1 固体表面特性固体表面特性二、固体表面吸附二、固体表面吸附 晶体表面原子或分子的力场不饱和，清洁的

5、固体表面处于晶体表面原子或分子的力场不饱和，清洁的固体表面处于不稳定的高能状态。如果某种物质能与表面作用，降低其表不稳定的高能状态。如果某种物质能与表面作用，降低其表面能，则这种物质就将吸附于固体表面，这是发生表面吸附面能，则这种物质就将吸附于固体表面，这是发生表面吸附的热力学依据。的热力学依据。 吸附是固体表面最重要的性质之一吸附是固体表面最重要的性质之一。 固体表面固体表面上气体的吸附上气体的吸附 固体表面固体表面上液体的吸附上液体的吸附 固体表面固体表面之间的吸附之间的吸附 固体表面化学反应固体表面化学反应氮化膜的形成氮化膜的形成2 2 固体的表面吸附固体的表面吸附Ch1 固体表面特性固

6、体表面特性2 2 固体的表面吸附固体的表面吸附固体表面化学反应固体表面化学反应氮化膜的形成氮化膜的形成Ch1 固体表面特性固体表面特性2 2 固体的表面吸附固体的表面吸附1515号钢渗碳空冷组织号钢渗碳空冷组织 Ch1 固体表面特性固体表面特性2 2 固体的表面吸附固体的表面吸附渗碳层的组织渗碳层的组织过共析组织过共析组织( (P+FeP+Fe3 3C C) ) 共析组织共析组织( (P) P) 过渡区亚共析组织过渡区亚共析组织( (P+F) P+F) 原始亚共析组织原始亚共析组织( (F+P) F+P) Ch1 固体表面特性固体表面特性比较项目比较项目物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附热吸

7、附热接近液化热接近液化热1 14040KJ/molKJ/mol接近反应热接近反应热4040400400KJ/molKJ/mol吸附力吸附力范德华力，弱范德华力，弱化学键，强化学键，强吸附层吸附层单或多分子层单或多分子层单分子层单分子层吸附选择性吸附选择性无无有有吸附速率吸附速率快快慢慢吸附活化能吸附活化能不需要不需要需要，较高需要，较高吸附温度吸附温度低温低温较高温度较高温度可逆性可逆性可逆可逆（脱附）（脱附）不可逆不可逆吸附层结构吸附层结构同吸附分子机构同吸附分子机构形成新的化合物形成新的化合物物理吸附与化学吸附的区别物理吸附与化学吸附的区别二、固体表面吸附二、固体表面吸附2 2 固体的表面

8、吸附固体的表面吸附Ch1 固体表面特性固体表面特性表面张力表面张力图图1-38 1-38 表面张力与接触角的关系表面张力与接触角的关系二、固体表面吸附二、固体表面吸附2 2 固体的表面吸附固体的表面吸附Ch1 固体表面特性固体表面特性材料表面润湿现象材料表面润湿现象润湿润湿9090不润湿不润湿9090二、固体表面吸附二、固体表面吸附2 2 固体的表面吸附固体的表面吸附Ch1 固体表面特性固体表面特性二、固体表面吸附二、固体表面吸附 晶体晶界、位错、台阶等部位晶体晶界、位错、台阶等部位 能量高能量高，氧化也，氧化也就往往从此处开始，然后逐渐向周围区域扩散，直到就往往从此处开始，然后逐渐向周围区域

9、扩散，直到将表面覆盖。另外，由于表面上各部位能量不同，形将表面覆盖。另外，由于表面上各部位能量不同，形成氧化物的厚度也不相同。成氧化物的厚度也不相同。2 2 固体的表面吸附固体的表面吸附图图1-20 1-20 金属镍表面上金属镍表面上“氧化物岛氧化物岛”形成示意图形成示意图第一章第一章 固体表面特性固体表面特性1.3 1.3 固体表面几何特性的表述固体表面几何特性的表述 1 1表面波纹度表面波纹度 2 2表面粗糙度表面粗糙度Ch1 固体表面特性固体表面特性固体的表面形貌固体的表面形貌 经加工的金属零经加工的金属零件表面宏观上似乎很件表面宏观上似乎很平整、光滑，但在显平整、光滑，但在显微镜下观察

10、就可发现微镜下观察就可发现很粗糙，呈现凹凸不很粗糙，呈现凹凸不平的波峰和波谷，凸平的波峰和波谷，凸起的波峰称微凸体。起的波峰称微凸体。 几何形状误差：几何形状误差：表面波纹度表面波纹度( (宏观粗糙度宏观粗糙度) )表面粗糙度表面粗糙度( (微观粗糙度微观粗糙度) )3 3 固体表面几何特性及其表述固体表面几何特性及其表述Ch1 固体表面特性固体表面特性不同加工方法形成的不同加工方法形成的表面粗糙度不同表面粗糙度不同1表面波纹度表面波纹度3 3 固体表面几何特性及其表述固体表面几何特性及其表述Ch1 固体表面特性固体表面特性1. 表面波纹度表面波纹度 表面波纹度是零件表面周期性重复出现的一种几

11、表面波纹度是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差。何形状误差。 波纹度的两个重要参数：波纹度的两个重要参数：波高波高h h和波距和波距s s。 波高波高h h表示波峰与波谷之间的距离；表示波峰与波谷之间的距离； 波距波距s s表示相邻两波形对应点的距离。表示相邻两波形对应点的距离。 波距一般为波距一般为1 110mm10mm，波高与波长之比约为，波高与波长之比约为1:401:40。 表面波纹度会减小零件表面波纹度会减小零件实际支承面积实际支承面积，在动配合，在动配合中会中会加剧零件磨损加剧零件磨损。3 3 固体表面几何特性及其表述固体表面几何特性及其表述Ch1 固体表面特性固体表面特性1.

12、 表面波纹度表面波纹度3 3 固体表面几何特性及其表述固体表面几何特性及其表述Ch1 固体表面特性固体表面特性2 2表面粗糙度表面粗糙度 评定指标：轮廓算术平均偏差评定指标：轮廓算术平均偏差RaRa。 表面粗糙度值越低，则表面越光亮。表面粗糙度值越低，则表面越光亮。3 3 固体表面几何特性及其表述固体表面几何特性及其表述n1iian1RCh1 固体表面特性固体表面特性具有相同具有相同RaRa的的不同表面不同表面2 2表面粗糙度表面粗糙度3 3 固体表面几何特性及其表述固体表面几何特性及其表述第一章第一章 固体表面特性固体表面特性1.4 1.4 金属表面的接触金属表面的接触 1.1.接触表面间微

13、凸体相互作用接触表面间微凸体相互作用2.2.接触面积接触面积Ch1 固体表面特性固体表面特性微凸体互嵌微凸体互嵌1.接触表面间微凸体相互作用接触表面间微凸体相互作用 当接触表面滑动开始时，进入磨合过程，随着此过程产当接触表面滑动开始时，进入磨合过程，随着此过程产生微观几何形状的改变。生微观几何形状的改变。4 4 金属表面的接触金属表面的接触Ch1 固体表面特性固体表面特性宏观位移宏观位移1.接触表面间微凸体相互作用接触表面间微凸体相互作用4 4 金属表面的接触金属表面的接触图图1-26 宏观位移宏观位移在运动中硬球在运动中硬球A压向较软的表面压向较软的表面B时引起材料时引起材料B的位移的位移C

14、h1 固体表面特性固体表面特性2.接触面积接触面积 几何学平面几何学平面_整个面接触整个面接触。 经加工的表面不是理想的光滑面，当两个表面相经加工的表面不是理想的光滑面，当两个表面相互接触时，只是某些微凸体相互接触，而不是整个固互接触时，只是某些微凸体相互接触，而不是整个固体表面的接触，其接触具有不连续性和不均匀性。体表面的接触，其接触具有不连续性和不均匀性。 接触面积：接触面积： 表观表观( (或名义或名义) )接触面积接触面积_接触表面的宏观面积，接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定，由接触物体的外部尺寸决定，以以AaAa表示表示； 轮廓轮廓接触面积接触面积_接触表面被压扁部分所形成的接触表面被压扁部分所形成的面积，面积，以以AcAc表示表示，其大小与表面承受的载荷有关：，其大小与表面承受的载荷有关： 实际实际接触面积接触面积_真实接触面积，真实接触面积，以以ArAr表示表示。4 4 金属表面的接触金属表面的接触Ch1 固体表面特性固体表面特性2.接触面积接触面积 将两个固体表面接触时：将两个固体表面接触时： 实际接触面积实际接触面积仅为表观接触面积的仅为表观接触面积的0.010.010.10.1； 微凸体微凸体变形形成的实际接触斑点直径为变形形成的实际接触斑点直径为3 350