材料表面工程复习大纲

1、材料表面工程复习大纲1、 绪论1、 表面工程技术：是利用各种物理、化学和机械的方法，改变基材表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况而使其具有某种特殊性能，从而满足特定的使用要求的技术。2、 表面工程技术是表面工程学的核心和实质，其内涵为：表面涂镀技术；表面薄膜技术；表面改性技术；复合表面工程技术。3、 零件在服役过程中，主要失效的形式为：腐蚀、磨损、疲劳、断裂。2、 固体表面的物理化学特征1、 界面指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，或两种不同相之间的交界区称为界面。若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固

2、体的表面。2、 固体材料的界面有三种：表面、晶界和相界。3、 实际表面？清洁表面？理想表面？实际表面：一是所谓“内表面层”，它包括基体材料和加工硬化层；另一部分是所谓“外表面层”，它包括吸附层、氧化层等。清洁表面：清洁表面是经过特殊处理（即保证组成上的确定性）后，保持在超高真空下的表面（即保证表面不随时间而改变）。 理想表面：是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。4、 理想表面的前提条件：忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等；忽略了外界对表面的物理化学作用等。5、 清洁表面偏离三维周期性结构的主要特征应该是：表面台阶、表面弛豫、表面重

3、构。6、 台阶表面：台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶所组成。7、 最常见的表面重构有两种类型：缺列型重构和重组型重构。8、 表面粗糙度：指加工表面上具有的较小间距的波峰和波谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。表面粗糙度主要是由加工过程中刀具与工件表面间的摩擦、切削分离工件表面层材料的塑性变形、工艺系统的高频振动以及刀尖轮廓痕迹等原因形成。9、 残余应力按其作用范围分为：宏观内应力和微观内应力两类。宏观内应力：由于材料各部分变形不均匀而造成的宏观范围内的内应力。微观内应力：物体的各晶粒或亚晶粒之间不均匀的变形而产生的晶粒或亚晶粒间的内应力。10、 表面偏聚：合金的表面成

4、分一般不同于合金的整体平均成分，这种现象称为表面偏聚。表面偏聚有两种情况：一是溶质原子在表面富集，二是表面溶质原子减少（称为反偏聚）。又可分为平衡偏聚和非平衡偏聚两大类，平衡偏聚可用平衡热力学来描述，非平衡偏聚是动力学过程的结果。11、 吸附：由于物理或化学的作用力场，某物质分子附着或结合在两相界面上的浓度与两相本体浓度不同的现象。吸附量：达吸附平衡时，单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的数量（标准状况下的体积）。吸附热：在吸附过程中的热效应称为吸附热。习惯把吸附热都取成正值。物理吸附过程的热效应相当于气体凝聚热，很小；化学吸附过程的热效应相当于化学键能，比较大。12、 溶液中至少有两个组成部分，

5、即溶剂和溶质，它们都可能被固体吸附，但被吸附的程度不同，如果吸附层内溶质的浓度比体相大，称为正 吸附，反之称为负 吸附。15、 物理吸附力在所有的吸附剂与吸附质之间都存在，相当于液体内部分子间的内聚力。其产生力的因素有：色散力、诱导力和取向力，以色散力为主。16、 形成热扩渗层的基本条件：渗入金属必须能与基体金属 形成固溶体或者金属间化合物；渗入元素与基体金属必须有直接接触；被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度；对靠化学反应提供活性原子的热扩渗反应必须满足热力学条件：a. 产生活性原子；b. 反应平衡常数>1%。3、 表面摩擦、磨损与润滑1、 机件正常运行

6、的磨损过程一般分为3个阶段：跑合(磨合)阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。2、 根据不同磨损机理，分为四个主要类别：粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。3、 粘着磨损：指两个相对运动的表面发生相互焊合，在相互运动过程中焊合表面产生撕裂而发生的磨损。其过程就是粘着点不断形成又不断被损坏并脱落的过程。其磨损表面特征是机件表面有大小不等的结疤。4、 磨料磨损：是摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面间存在硬质粒子(从外界进入或从表面剥落)时产生的磨损。主要特征是摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。（犁沟）5、 表面疲劳磨损：是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用

7、使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的现象，故又称表面疲劳磨损或麻点磨损。是齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。宏观形态特征是：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑(麻坑)。6、 腐蚀磨损：在摩擦过程中，摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损称为腐蚀磨损。7、 磨损常用的评定方法有：磨损量、磨损率和耐磨性。磨损量分为长度磨损量、体积磨损量和质量磨损量。体积磨损量常用。磨损量愈小，耐磨性愈高。8、 磨损率：单位时间的磨损量、单位摩擦距离的磨损量。9、 凡是能减小摩擦阻力，减小磨损的物质都可作为润滑剂。润滑剂分为液体润滑剂、润滑脂、固体润滑剂和

8、气体润滑剂。4、 表面腐蚀基本理论1、 物质和金属发生化学作用或电化学作用引起金属的腐蚀。2、 化学腐蚀：金属跟接触到的物质直接发生化学反应而引起的腐蚀。 电化学腐蚀：不纯的金属或合金与电解质溶液接触，会发生原电池反应，比较活泼的金属失电子被氧化的腐蚀。本质为氧化还原反应，原理是原电池反应。电化学腐蚀分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。 相互关系：往往同时发生，电化腐蚀要比化学腐蚀普遍得多。3、 腐蚀原电池或腐蚀电池：指只能导致金属材料破坏不能对外做有用功的短路原电池。工作原理与一般原电池无本质区别，短路时电能以热量形式散失。4、 腐蚀电池分为大电池 (宏观腐蚀电池) 和微电池 (微观腐蚀电池)，大电池的

9、腐蚀形态是局部腐蚀，腐蚀破坏主要集中在阳极区。而如果微电池的阴、阳极位置不断变化，腐蚀形态是全面腐蚀；如果阴、阳极位置固定不变，腐蚀形态是局部腐蚀。5、 钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀比较：6、 钝态的特征：腐蚀速度大幅度下降。电位强烈正移。金属钝化以后，既使外界条件改变了，也可能在相当程度上保持钝态。钝化只是金属表面性质而非整体性质的改变。7、 某些腐蚀体系在自然腐蚀状态不能钝化，但通入外加阳极极化电流时能够使金属钝化(电位强烈正移，腐蚀速度大降低)。这称为阳极钝化，或电化学钝化。而金属在介质中依靠自身的作用实现的钝化则叫做化学钝化。阳极钝化和化学钝化的实质是一样的，两种方法得到的结果都使溶解着的

10、金属表面发生了某种突变。8、 阳极钝化的阳极极化曲线： 7、钝化参数：致钝电流密度（i致）：表示腐蚀体系钝化的难易程度，i致愈小体系愈容易钝化。致钝化电位（Ep）：阳极极化时，必须使极化电位超过Ep才能使金属钝化，Ep愈负，表明体系愈容易钝化。维钝电流密度（i维）：i维对应于金属钝化后的腐蚀速度。所以i维愈小，钝化膜的保护性能愈好。8、金属的自钝化是在没有任何外加极化情况下而产生的自然钝化。9、解释金属钝化现象的两种理论：成相膜理论和吸附理论。成相膜理论指的是表面上生成成相的保护性固体产物膜(多数为氧化物膜)，将金属和溶液机械隔离开。由于氧化物膜溶解速度很小，因而使金属腐蚀速度大大降低。支持成

11、相膜理论的实验事实：在浓硝酸中铁表面钝化膜是 g-Fe2O3。钝化膜厚度为2530A。吸附理论：金属表面(或部分表面)上形成了氧或含氧粒子的吸附层，使金属表面的化学结合力饱和，阳极反应活化能增大，因而金属溶解速度降低。即吸附理论强调了钝化是金属反应能力降低造成的，而不是膜的机械隔离。支持吸附理论的实验事实：对某些体系只需通入极小的电量，就可以使金属钝化，这些电量甚至不足以形成单原子吸附氧层。5、 电镀技术1、 电镀：是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。2、 按镀层的

12、性能可将其分为三类：防护性镀层；防护装饰性镀层：功能性镀层。3、 按镀层与基体金属的电化学活性可将电镀层分为阳极性镀层和阴极性镀层两大类。4、 电镀溶液的基本组成：主盐、络合剂、附加盐、缓冲剂、阳极活化剂和添加剂。5、 温度、压力、镀液的组成和浓度、电极和电解槽的材料、形状及溶剂的性质等都对该定律无任何影响，只要是电极上通过1法拉第电量，就一定能得到1克当量的产物。6、 电镀时，阴极上实际析出的物质的质量并不等于根据法拉第定律得到的计算结果，实际值总小于计算值。这是由于电镀存在副反应。7、 电镀镀层厚度均匀与否，实质上就是电流在阴极镀件表面上的分布是否均匀。8、 电镀液分散能力和覆盖能力不同，

13、前者是说明金属在阴极表面分布均匀程度的问题，它的前提是在阴极表面都有镀层；而后者是指金属在阴极表面的深凹处有无沉积层的问题。9、 影响镀层质量的因素：镀液的影响，包括主盐浓度和杂质离子电镀规范的影响，包括操作温度和阴极电流密度析氢的影响基体金属的影响：如果基体金属的电位负于镀层金属，若不用其它镀层过渡，就不容易获得结合力良好的镀层。10、 电镀的实施方式多种多样，最常见的有挂镀、滚镀、刷镀和高速连续电镀等。挂镀主要适用于外形尺寸较大的零件；滚镀主要适用于尺寸较小、批量较大的零件；刷镀一般用于局部修复；而连续电镀则用于线材、带材、板材的大批量生产。11、 电镀的工艺过程包括：镀前处理（抛光或打磨

14、、脱脂、除锈等）、电镀、镀后处理（钝化和浸膜）三大步。连续电镀有三种进行方式：垂直浸入式、水平运动式和盘绕式。12、 实现两种金属的共沉积，应具备以下两个基本条件：两种金属中至少有一种金属能单独从其盐的水溶液中沉积出来；要使两种金属共沉积。它们的析出电位要十分接近或相等。13、 两种金属能否共沉积与它们的标准电位、金属离子的浓度（或活度）、阴极极化程度有关。因此，为了实现金属的共沉积，一般采取以下措施：选择金属离子合适的价态；改变金属离子的浓度；加入适当的络合剂；加入添加剂。14、 根据合金镀层的特性及其应用范围，合金镀层一般被分为防护性合金镀层、装饰性合金镀层和功能性合金镀层三大类。15、

15、电刷镀原理和电镀原理基本相同，也是一种电化学沉积过程，都使用直流电。16、 化学镀的关键在于还原剂。实现化学镀过程有三种方式：置换沉积、接触沉积和还原沉积。17、 化学镀原理：是一个在催化条件下发生的氧化一还原（电化学）反应过程。化学镀能够顺利实施的必要条件是金属的沉积反应只发生在具有催化作用的工件表面。6、 化学转化膜1、 化学转化膜：使金属与特定的腐蚀液相接触，在一定条件下发生化学或电化学反应，在金属表面形成一层附着力良好的难溶的生成物膜层。2、 钢铁的氧化处理发蓝或发黑：钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理，使其表面生成一层均匀的蓝黑到黑色膜层的过程。高温化学氧化（碱性化学氧化），常温化学氧

16、化（酸性化学氧化）。3、 钢铁的氧化处理后还需进行皂化处理、浸油或在铬酸盐溶液里进行填充处理。4、 钢铁磷化：金属在含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中进行化学处理，使金属表面生成一层难溶于水的磷酸盐保护膜。为了提高磷化膜的防护能力，磷化后应对磷化膜进行填充和封闭处理。5、 磷化处理工艺分为：高温磷化、中温磷化和常温磷化。6、 阳极氧化：将铝或铝合金制件浸沉于酸性电解液中，在外电流作用下作为阳极，在制件表面上形成与基体牢固结合的氧化膜层。注：阳极氧化也称作电化学氧化。7、 氧化膜的生长过程就是其不断生成和不断溶解的过程。8、 氧化膜形成后孔隙率高，吸附性强，易污染，因此要进行氧化膜的封闭处理。分为沸水

17、和蒸气封闭法；水解盐封闭法；重铬酸盐封闭法；填充封闭法。9、 微弧氧化又称微等离子体氧化，是通过碱性电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。在微弧氧化过程中，化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化同时存在。10、 微弧氧化主要针对铝、镁、钛等阀金属（阀金属是指在电解液中起到电解阀门作用的金属）。其工艺流程：去油水洗微弧氧化纯水洗封闭。7、 表面涂覆技术1、 热喷涂技术是使用某种方式的热源，使喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，用高压气流将其雾化，并以一定速度喷射到经过预处理的零件表面，从而形成涂层的表面加工技术。2、

18、热喷涂涂层的结合机理：涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。涂层与基体的结合强度称为结合力；涂层内部的结合强度称为内聚力。涂层中颗粒与基体表面之间的结合以及颗粒之间的结合机理目前尚无定论，已提出几种类型： 机械结合（抛锚效应）  扩散结合 冶金结合 物理结合（范德华力）等。3、 热喷涂涂层特点：是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构。 颗粒与颗粒之间存在一定量的空隙和孔洞。其孔隙率一般在1-15之间。涂层中还伴有氧化物和夹杂。4、 热浸镀简称热镀，是将一种基体金属浸在熔融态的另一种低熔点金属中，在其表面形成一层金属保护膜的方法。热浸

19、镀层金属一般为锌、铝、锡、铅。钢铁是最广泛使用的基体材料。8、 表面改性技术1、 表面改性：采用某种工艺手段使材料表面获得与基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。2、 常用的材料表面处理预处理种类及方法：基体表面平整：磨光、滚光、抛光 、刷光、振动磨光；基体表面清洁：除油（有机溶剂除油、化学除油、电化学除油、超声除油）、除锈、除锈除油联合处理；基体表面抛光处理：化学抛光、电化学抛光； 基体表面喷砂与喷丸处理：喷砂、喷丸。3、 表面形变强化技术的主要用途和方法：喷丸技术，主要应用于那些需要改善疲劳强度和抗应力腐蚀能力的零件上；表面滚压技术，表面改性层的最大深度达5mm以上，

20、能较大幅度地改善材料表面的疲劳寿命、抗应力腐蚀能力，只适合一些形状简单的零件(平板类、轴类和沟槽类等）。4、 表面热处理：对零部件表面进行加热、冷却，改变表层组织和性能，不改变其表层成分的热处理工艺。也称作表面淬火技术。5、 表面淬火的原理：表面材料快速加热到相变临界点AC3（亚共析钢）或者AC1（过共析钢）以上而转变为细小的奥氏体组织，心部材料仍保持在相变临界点以下，保持原有组织。其后快速冷却，达到淬火目的，获得微细的马氏体组织，提高零件的表面硬度和耐磨性，零件心部未发生相变。6、 感应加热表面淬火表面组织是细小隐晶马氏体，表面硬度比普通淬火硬度高，硬化层深度总小于感应电流透入深度。7、 化

21、学热处理：利用元素扩散性能，通过加热使合金元素渗入金属表层的热处理工艺。8、 金属表面化学热处理包括渗碳、渗氮或碳氮共渗等，改变了表层成分，其目的：提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。提高材料疲劳强度。使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬合的能力和降低摩擦系数，如渗硫等。提高金属表面的耐蚀性，如渗氮、渗铝等。9、 通过辉光放电获得的等离子体，实际上是正离子、负离子、中性原子、电子等各种粒子的复合体，整体呈电中性，是与固、液、气态不同的第四态。10、 三束表面改性技术：是指将激光束、电子束和离子束(合称“三束”)等具有高能量密度的能源施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。9

22、、 气相沉积技术1、 薄膜材料的特点：尺寸效应、表面效应。2、 薄膜的生长模式：(a)岛状生长；(b)层状生长；(c)层状-岛状生长。3、 物理气相沉积：在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其离子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。包括三种基本方法：蒸镀、溅射和离子镀。4、 化学气相沉积：把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上的化学反应在基体上制得金属或化合物薄膜的方法。5、 分子束外延：在清洁的超高真空环境下，使具有一定热能的两种或两种以上的分子束流喷射到被加热的衬底上，在衬底表面进行反应生成单晶薄膜的过程。Ø 简

23、答题重点1、 分析金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。传质步骤：液相中的反应粒子向阴极表面传递的步骤，有电迁移、扩散及对流三种不同方式。前置化学步骤：直接参加阴极电化学还原反应的金属离子往往不是金属离子在电解液中的主要存在形式。在还原之前，离子在阴极附近或表面发生化学转化，然后才能放电还原为金属。电荷转移步骤：反应粒子在阴极表面得到电子形成吸附原子或吸附离子，又称为电化学步骤，主要发生电荷从阴极表面转移到反应粒子的过程，这是电沉积过程的重要步骤。结晶步骤: 吸附原子通过表面扩散到达生长点而进入晶格，或吸附原子相互碰撞形成新的晶核并长大成晶体。2、 电刷镀的原理及特点是什么？原理

24、： 直流电源的正极通过导线与镀笔相联，负极通过导线和工件相联，当电流方向由镀笔流向工件时为正向电流，正向电流接通时发生电沉积；电流方向从工件流向镀笔时为反向电流，反向电流接通时工件表面发生溶解。  特点： 设备工艺简单，操作方便，不需要大的渡槽设备。  镀层种类多，与基体结合力强，力学性能好。 沉积速度快，生产效率高。  刷镀液不含氰化物和剧毒药品，操作安全污染小。 但存在劳动强度大，消耗阳极包缠材料等缺点。3、 热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？热浸镀基本过程： 

25、（1）介质中发生化学反应，以提供界面反应所需要的反应物（2）反应物通过扩散输运至金属表面，此称为外扩散 （3）反应物中的某些粒子被金属表面吸附，并发生界面反应 （4）界面反应产生的活性原子为金属表面层吸收并向纵深迁移，达到一定的深度，此称内扩散  控制步骤：预镀件、前处理 、热浸镀 、后处理 、制品  定义： 热浸镀是将一种基体金属浸在熔融状态的另一种低熔点金属中，在其表面形成一层金属镀层的方法。4、 对比化学吸附和物理吸附的异同？物理吸附是指吸附剂与吸附质之间的作用力是范德华力，特点是吸附力弱

26、，易脱附，吸附速度快；化学吸附是指吸附剂与吸附质之间的作用力是化学键力，特点是吸附质在吸附剂表面上发生了化学反应，生成了络合物，吸附力强，不易脱附，吸附速度较慢。5、 热喷涂涂层的形成过程中经历了哪几个阶段？从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段：喷涂材料被加热、熔化；熔化的喷涂材料被雾化；熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行；粒子在基体表面发生碰撞、变形、凝固和堆积。6、 什么是化学镀？化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？化学镀也称为无电解镀，是一种不使用外电源、而是利用还原剂使溶液中的金属离子在基体表面上自催化还原沉积出镀层的化学处理方法。特点：工艺设备简单，不需外加电源、输电系统及辅助电极；镀层厚度非常均匀；结合力一般均优于电镀；可在金属、非金属以及有机物上沉积镀层。7、 感应加热淬火原理？什么是涡流、集肤效应？铁制零件在高频交变