表面工程学第二次课

1、121.4 表面扩散表面扩散1.5 表面能及表面张力表面能及表面张力1.6 固体表面的物理吸附和化学吸附固体表面的物理吸附和化学吸附1.7 固体表面的润湿固体表面的润湿第一节第一节 固体的表面与界面固体的表面与界面31.4：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_4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51.5：表面能及表面张力：表面能及表面张力一、表面能一、表面能常用表面自由能来描述材料表面能量的变化常用表面自由能来描述材料

2、表面能量的变化6表示产生单位面积新表面使体系自由能的增加。表示产生单位面积新表面使体系自由能的增加。若不考虑重力，一定体积的液体平衡时总取圆若不考虑重力，一定体积的液体平衡时总取圆球状，因为这样表面积最小，表面能最低。球状，因为这样表面积最小，表面能最低。固体的外表面总是由若干种原子排列不同的晶固体的外表面总是由若干种原子排列不同的晶面组成的，一定体积的固体必然要构成总的表面组成的，一定体积的固体必然要构成总的表面自由能最低的形状。面自由能最低的形状。表面自由能表面自由能 产生产生1cm1cm2 2新表面需消耗的新表面需消耗的等温可逆功等温可逆功 7二、表面张力二、表面张力液体表面张力：液体表

3、面张力：反抗表面扩大的收缩力，是单位长度反抗表面扩大的收缩力，是单位长度上的作用力，单位为上的作用力，单位为N/m8三、表面能与表面张力的关系三、表面能与表面张力的关系 如果要把液体内部的原子或分子移动到液体表面，增大液如果要把液体内部的原子或分子移动到液体表面，增大液体的表面积，则必须对液体做功来克服指向液体内部的合力。体的表面积，则必须对液体做功来克服指向液体内部的合力。根据热力学第二定律，在等温等压可逆过程中，外界对体系所根据热力学第二定律，在等温等压可逆过程中，外界对体系所做的最大非体积功做的最大非体积功W可等于体系自由能的增加等于体系自由能的增加G ，即：，即：外界对液体体系做功示意

4、图外界对液体体系做功示意图 G= W可 W可 = f x W可 = 2 lx = S 即G = S dG = dS Sxfl C D AB9G表 = S = G表/S 一个液体体系表面自由能在数值一个液体体系表面自由能在数值上等于表面张力和表面积的乘积上等于表面张力和表面积的乘积 表面张力是单位表面积的表面自表面张力是单位表面积的表面自由能。所以液体的表面张力又被由能。所以液体的表面张力又被称为比表面自由能称为比表面自由能 一个液体体系在等温等压可逆条件下发生变化时，体系的表面一个液体体系在等温等压可逆条件下发生变化时，体系的表面积和表面张力都可能发生变化。根据热力学自由能最小原理，一个积和表

5、面张力都可能发生变化。根据热力学自由能最小原理，一个过程是否能够自发进行，取决于体系表面自由能的变化。即：过程是否能够自发进行，取决于体系表面自由能的变化。即： dG表 = dS + S d 由于液体具有很好的流动性，所以液体形状的改变不需要额由于液体具有很好的流动性，所以液体形状的改变不需要额外提供能量，因此可以认为这种体系自由能的增加主要是由于体外提供能量，因此可以认为这种体系自由能的增加主要是由于体系表面积增大而产生的，所以也可称之为表面自由能系表面积增大而产生的，所以也可称之为表面自由能G表表。即：。即： 10（1） 当当 一定时，一定时，d = 0，则，则 dG= dS。 若要若要d

6、G0，则必须，则必须dS0。所以。所以缩小表面积缩小表面积的过程是的过程是自发过自发过程程。如雨滴和露珠总是呈球形；结晶时，固相中的小晶粒合并。如雨滴和露珠总是呈球形；结晶时，固相中的小晶粒合并长大成大晶粒等。长大成大晶粒等。（2）当）当S一定时，一定时，dS= 0，则，则 dG= S d 。 若要若要dG0，则必须，则必须d S-L时，时，cos为正值，为正值，90，润湿润湿状态；状态；（2） 当当S-G90，不润湿不润湿状态状态;LGLSSGcosSGLSLGLiquid dropletSolid surface22二、铺展系数二、铺展系数S SWaWaWcWc = = A A+ + B

7、B ABAB 2 2 B B A A B B ABABWa 粘附功；粘附功；Wc 内聚功；内聚功；S铺展系数铺展系数S0S0时时，B B在在A A表面上会表面上会自动铺展自动铺展开，开，S S值越大，铺展越容易。值越大，铺展越容易。S0S0S0是铺展的基本条件，这时是铺展的基本条件，这时 A A B B ABAB00 对液相在固相表面的铺展：对液相在固相表面的铺展： A A s-gs-g， B B l-gl-g， ABAB= = l-sl-s，所以所以 s-gs-g l-sl-s l-gl-g 00，所以，所以 s-gs-g l-sl-s l-gl-g。这时润湿角方。这时润湿角方法已经不能再适

8、用。铺展是润湿的最高标准。法已经不能再适用。铺展是润湿的最高标准。 23三、润湿理论的应用三、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来增大使润湿程度增大；或加入表面惰性物质来增大 ，使，使润湿程度降低。润湿程度降低。b.b.改变铺展系数来增加润湿性，如增加粗糙度或增加中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）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材料，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。如聚四氟乙烯等。LGLS

9、SGcos2425引引言言机械零部件的失效机械零部件的失效磨损磨损 腐蚀腐蚀 粘着磨损粘着磨损 磨粒磨损磨粒磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 气蚀磨损气蚀磨损 化学腐蚀化学腐蚀 电化学腐蚀电化学腐蚀高温氧化腐蚀高温氧化腐蚀工程材料的表面失效方式工程材料的表面失效方式断裂断裂26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

10、。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。272.1 2.1 固体材料的摩擦与磨损固体材料的摩擦与磨损2.2 2.2 粘着磨损、润滑和固体润滑粘着磨损、润滑和固体润滑2.3 2.3 磨粒磨损磨粒磨损第二节第二节 材料磨损原理及其耐磨性材料磨损原理及其耐磨性282.1：固体材料的摩擦与磨损：固体材料的摩擦与磨损一、摩擦的定义一、摩擦的定义摩擦摩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。 摩擦力与两接触体之间的表面接触面积无关；摩擦力与两

11、接触体之间的表面接触面积无关； 摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比；摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比； 两个相对运动物体表面的界面滑动摩擦阻力与滑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动速度无关 F= F= N N 式中：式中：F摩擦力；摩擦力；N法向力；法向力；摩擦系数摩擦系数摩擦三定律摩擦三定律29二、摩擦的分类二、摩擦的分类滚动摩擦滚动摩擦干摩擦干摩擦 无润滑摩擦无润滑摩擦 制动，传动制动，传动1785年，法国的年，法国的库仑库仑用机械啮合概念解释干摩擦。用机械啮合概念解释干摩擦。1935年，英国的年，英国的鲍登鲍登等人开始用材料粘附概念研究干摩擦。等人开始用材料粘附

12、概念研究干摩擦。1950年，年，鲍登提出了粘附理论。鲍登提出了粘附理论。30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），厚），使使F降低降低2-10倍；倍；边界摩擦边界摩擦边界膜边界膜物理吸附膜物理吸附膜润滑油中的极性分子与金润滑油中的极性分子与金 属表面相互吸附而形成属表面相互吸附而形成化学吸附膜化学吸附膜润滑油中的分子靠分子键润滑油中的分子靠分子键 与金属表面形成化学吸附与金属表面形成化学吸附化学反应膜化学反应膜润滑油中的化学添加剂与金属润滑油中的化学添加剂与金属 进行化学反应而形成的膜进行化学反应而形成的膜滚动摩擦滚动摩擦 滚动摩擦的摩擦

13、系数比滑动摩擦系数小得多滚动摩擦的摩擦系数比滑动摩擦系数小得多31流体润滑摩擦流体润滑摩擦 对磨表面完全被油膜隔开，靠油膜的压力平衡对磨表面完全被油膜隔开，靠油膜的压力平衡外载，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与接触表面与接触表面无关；无关；根据根据流体膜流体膜形成原理，流体润滑可分为：形成原理，流体润滑可分为：流体静压润滑流体静压润滑人为的在两运动副表面间输入具有一定人为的在两运动副表面间输入具有一定 压力的润滑油，强迫形成润滑油膜。压力的润滑油，强迫形成润滑油膜。流体动压润滑流体动压润滑依靠依靠几何效应几何效应、速度效应速度效应、粘度效应粘度效应

14、及及供油量自动供油量自动形成油膜的润滑。形成油膜的润滑。该润滑不能在两平行表面间形成。该润滑不能在两平行表面间形成。32三、磨损的定义及分类三、磨损的定义及分类磨损磨损相互接触的物体相对运动时产生的物体损失相互接触的物体相对运动时产生的物体损失或残余变形。或残余变形。磨合阶段磨合阶段稳定磨损阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段机械磨损大致可分三个阶段机械磨损大致可分三个阶段33342.2：粘着磨损、润滑和固体润滑：粘着磨损、润滑和固体润滑一、粘着磨损机理一、粘着磨损机理35相互接触的粗糙表面微相互接触的粗糙表面微凸体之间的应力调幅分凸体之间的应力调幅分布布粘着点的剪切过程粘着点的剪切过程

15、当接触应力较大时，将引起材料微当接触应力较大时，将引起材料微凸体直径的凸体直径的塑性变形塑性变形和和“冷焊冷焊”现象。现象。此时若摩擦副相对滑动，焊合点被剪此时若摩擦副相对滑动，焊合点被剪断。若微凸体较硬，也会对较软的对断。若微凸体较硬，也会对较软的对磨材料造成磨材料造成犁削犁削作用。作用。 36 粘着摩擦力可近似表示为粘着摩擦力可近似表示为 Fr = Ab式中，式中，A剪切的微凸体总面积；剪切的微凸体总面积；b焊合点的平均抗剪强度焊合点的平均抗剪强度 因为材料的正压力因为材料的正压力F FN N = A = As s，s s材料的屈服强度材料的屈服强度摩擦系数摩擦系数 最合适的耐磨材料体系应

16、该同时具有最合适的耐磨材料体系应该同时具有高的硬度高的硬度和和低的抗低的抗剪强度剪强度。sbsbNrAAFFNF37二、流体润滑和边界润滑二、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： b低低,但接触面积但接触面积大大,故摩擦力大故摩擦力大硬度高硬度高, b也也高高,摩擦力也大摩擦力也大=0.001-0. 01间间,取取决于油的黏度决于油的黏度38rF润滑油或膜硬M硬M 流体润滑状态分为：流体润滑状态分为： 流体动压润滑流体动压润滑：摩擦表面之间由粘性流体产生油膜压力：摩擦表面之间由粘性流体产生油膜压力以平衡外载荷。此时的摩擦为润滑油之间的以平衡外载荷。

17、此时的摩擦为润滑油之间的“内摩擦内摩擦”。 弹流润滑弹流润滑：摩擦面接触压力较高，使油膜承载能力、油：摩擦面接触压力较高，使油膜承载能力、油膜厚度、摩擦力都发生变化，润滑条件变差。膜厚度、摩擦力都发生变化，润滑条件变差。 边界润滑边界润滑：摩擦面接触压力太大，表面太粗糙度，摩擦：摩擦面接触压力太大，表面太粗糙度，摩擦运动速度又太低，导致运动速度又太低，导致油膜被刺穿油膜被刺穿，微凸体发生，微凸体发生接触接触，使磨，使磨损增加。损增加。39 不同润滑状态对摩擦系数和磨损率的影响不同润滑状态对摩擦系数和磨损率的影响图图 润滑状态与磨损速率的关系润滑状态与磨损速率的关系图图 润滑状态与摩擦系数的关系

18、润滑状态与摩擦系数的关系40三、固体润滑三、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41与润滑油混合；利用转动部件使粉末飞扬；或制成悬与润滑

19、油混合；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浮液，浸渍在多孔材料润滑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 粘接固体润滑膜（简称干膜）：将固体润滑剂与粘接固体润滑膜（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

20、气相沉积42钢铁零件中典型固体润滑材料的摩擦系数钢铁零件中典型固体润滑材料的摩擦系数材料材料大气中稳定温度大气中稳定温度/真空中稳定温度真空中稳定温度/摩擦系数摩擦系数Pb0.12Ag0.14In0.10石墨石墨350不稳定不稳定0.20MoS235013500.18WS244013500.17NbN235013500.08Cu-Pb0.10聚四氟乙烯聚四氟乙烯0.080.20注注：固体润滑的摩擦系数与工作环境有关：固体润滑的摩擦系数与工作环境有关43四、影响固体材料粘着磨损性能的因素四、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，

21、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，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。可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擦：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熔，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。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

22、，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。442.3：磨粒磨损：磨粒磨损一、磨粒磨损过程中材料的去除机理一、磨粒磨损过程中材料的去除机理被磨材料 若磨粒是个若磨粒是个刚性三角锥体刚性三角锥体，被磨，被磨损材料呈损材料呈塑性塑性时，磨粒与材料之间会时，磨粒与材料之间会发生发生显微切削显微切削和和显微犁沟显微犁沟两种两种塑性变塑性变形形的磨损方式的磨损方式（图图），），磨粒锥体在滑动磨粒锥体在滑动一定距离所磨掉的材料体积一定距离所磨掉的材料体积 V = KPH-1L 式中，式中，K比例系数，比例系数，P施加载荷，施加载荷，H被磨被磨材料的硬度，材料的硬度，L滑

23、动距离。滑动距离。显微切削显微切削显微黎沟显微黎沟45 当磨粒和当磨粒和脆性脆性材料表面接触时，主要以表面材料表面接触时，主要以表面断裂破坏断裂破坏为为主主（图图）。此时材料的去除体积此时材料的去除体积 V = KP5/4d1/2KIC-3/4H-1/2L 式中，式中，KIC材料的断裂韧度；材料的断裂韧度；K是与磨粒形状及其分布是与磨粒形状及其分布状态有关的函数。状态有关的函数。显微裂纹显微裂纹46二、磨粒磨损过程的影响因素二、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1a 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

24、粒磨损，硬度增加硬磨粒磨损，硬度增加对磨损影响不大；对磨损影响不大； 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，磨磨粒在临界尺寸以下时，磨损率随尺寸增加急剧增加；损率随尺寸增加急剧增加；超过这一尺寸时，其增大的超过这一尺寸时，其增大的幅度显著降低。幅度显著降低。231磨粒尺寸磨粒尺寸,m磨损率磨损率mm3/kgm0 50 100 150 200 250 48材料力学性能的影响材料力学性能的影响2一些一些材料磨损与硬度间的关系材料磨损与硬度间的关系磨损前体性硬度磨损后表面硬度1钢(En8,HV100) ;212%Mn高锰钢(HV217)； 3Mn-Mo奥氏体