表面工程学二、表面物理与化学(09)

1、第一节第一节 固体的外表与界面固体的外表与界面第二章第二章 外表工程技术的物理、化学根底外表工程技术的物理、化学根底 与固体材料相关的外表与界面 外表：固体材料与气相接触的面； 界面：固相之间的分界面； 相界面：固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面； 晶界：晶粒与晶粒之间的分界面； 微晶：尺寸在微米级以下的晶粒； 非晶态：尺寸小于纳米级的晶粒。1理想外表：将晶体切开后形成的外表；一、典型固体外表一、典型固体外表1理想外表 典型的固体外表有：理想外表、洁净外表、清洁外表、机加工外表和一般外表。在特殊条件下获得的固体外表，外表有极少量的吸附物。 几种获得洁净外表的方法:(1) 在超高真空的环境

2、下用简单的晶面劈开法获得清洁外表，如NaCl的100面；(2) 在复原气氛中加热，使沾圬物形成可挥发的化合物，如在氢气中加热复原氧化物。(3) 在真空中用惰性气体离子轰击溅射外表，(4) 通过真空蒸发法获得理想的单晶和多晶薄膜。2洁净外表洁净外表 零件经过去油、除锈等预处理后的外表。3 清洁外表清洁外表 机械加工后的外表，外表粗糙度取决于加工方法图21。4机加工外表机加工外表 机械加工面的外表粗糙度加工方法 Ram 珩磨 0.01 0.05 研磨 0.08 0.63 磨削 0.32 2.5 铣削 1.25 5 车削 0.63 5 钻削 1.25 10不同加工方法形成的材料外表轮廓曲线一般机加工

3、后金属外表示意图一般机加工后金属外表示意图l 毕氏层 Bilby层：l 因机械加工力引起的晶格点阵强烈畸变而形成的非晶态层，具有粘性液体膜似的非晶态外观，厚约510 nm。金属材料在工业环境中被污染的实际外表示意图金属外表的实际构成示意图5 一般外表实际外表一般外表实际外表 放置在大气中的材料外表。一般外表实际外表一般外表实际外表加热过的金属外表二、外表技术中的界面典型固体界面二、外表技术中的界面典型固体界面 外表改性处理后，新生成的外表层与基材之间结合的界面，按其结合状态可分为：1冶金结合：覆层与基材之间是通过熔化或熔融后重新凝固结晶而成，如堆焊。 冶金结合属于金属键结合，结合强度最高。 两

4、个固相平面在加热、加压等条件下，固相原子在界面处相互扩散并连接在一起，如扩散焊。 扩散结合属于原子级的冶金结合。2扩散结合扩散结合分子扩散焊软连接 沿单晶衬底的晶轴向外延伸，生成与原晶格相同的新单晶涂层。如电镀的初始阶段。 外延生长界面结合强度取决于结合键的类型，如分子键、共价键、离子键和金属键依次增强。3外延生长外延生长 涂层与基材之间发生化学反响形成化合物，如在Ti外表沉积TiN时，界面处的N和基体的Ti作用形成Ti-N化学键。 化学键的结合强度高，但界面韧性差。 4化学键结合化学键结合以范德华力结合的界面，界面上没有发生扩散或化学反响，如物理气相沉积。虽然分子键的结合力稍差，但可以满足某

5、些要求。5分子键结合分子键结合物理气相沉积TiN 涂层与基体之间靠相互镶嵌连接结合在一起，如喷涂。 机械结合的结合强度较差。6机械结合机械结合 单晶体洁净外表的晶体结构可以看作是由二维布拉菲晶格(点阵)加上结点(阵点)组成的二维周期排列形成的无限点阵。三、外表晶体结构三、外表晶体结构1五种可能的布拉维点阵外表晶体结构外表晶体结构2 由于单晶体外表外侧没有固体原子的键合，形成附加外表能。外表原子有向能量最低的稳定状态开展。 使外表原子处于稳定状态的方式：1 自行调整，使外表原子的排列与内部不同；2 依靠外表成分偏析或吸附外来原子或分子降低外表能。 为了使外表原子结构和体内原子晶格匹配，外表数个原

6、子层将发生重组排。 一般外表原子要经过46个原子层之后才与体内原子结构根本相似。外表原子的重组外表原子的重组1外表原子的重组外表原子的重组2 晶体外表的最外层往往不是一个原子级的平面，这样的熵值较小，自由能比较高，所以洁净外表必然存在各种类型的外表缺陷才能得到最小的外表能，如体内缺陷在外表的露头、点缺陷、台阶、弯折等。三、外表晶体结构三、外表晶体结构3 TLK模型平台(Terrace) ：低晶面指数平台；台阶(Ledge) ：单分子或单原子高度的平台 ；扭折(Kink) ：单分子或单原子尺度的扭折 。三、外表晶体结构三、外表晶体结构4 固体外表上的能量是不均匀的，有的部位高，有的部位低，这将导

7、致外表的吸附和化学反响是不均匀的。 D与温度T和扩散激活能Q的关系dxdCDJ222222zCDyCDxCDtCzyxDtcX )exp(0RTQDD四、外表原子扩散四、外表原子扩散1 Fick扩散第一定律： 扩散流量与浓度的关系Fick扩散第二定律：浓度与扩散时间的关系扩散过程中原子平均垂直扩散距离 式中， c常数； D扩散系数；t扩散时间。 固体外表原子或分子要从一个位置移到另一个位置，必须克服一定的位垒扩散激活能Q，而且要到达的位置是空着的有缺陷。外表扩散外表扩散2吸附原子在100面上的扩散路径外表吸附原子扩散能量 固体原子的活动能力按外表、界面、位错、体内依次下降，故激活能 Q表Q界Q

8、位D界D位D体。 外表扩散外表扩散31 外表张力1 液体外表张力：使液体外表向最小外表积趋向的力。2 固体外表张力。五、外表能及外表张力五、外表能及外表张力 2 外表能 因物质外表原子和内部原子排列差异引起的一种物理表现。其物理意义是指产生1cm2新外表需消耗的等温可逆功。 液态外表能与外表张力在数学上是相等的。外表自由能与外表张力的关系 Wf 因为f = 2l，所以W表2lA或 W表dA 由热力学第二定律：dG表W表dA积分 AdAdG00表表AG表外表能及外表张力的关系外表能及外表张力的关系1 在等温等压下，AB移动 ，液膜面积增加A，所以有：所以 G表=A外表能及外表张力的关系外表能及外

9、表张力的关系22当A一定时，dA= 0，那么 dG= A d。 假设要dG0，那么必须d0。即外表张力减小的过程是自发过程。如固体或液体物质外表发生的吸附现象，就是因为该吸附物质可以减小外表张力。 将上式微分得： dG= dA+ A d1 当一定时，d= 0，那么 dG= dA。 假设要dG0，那么必须dAS-L时，cos为正值，90，润湿状态；2 当S-G90，不润湿状态; 液体在固体外表的铺展系数定义为 当=0时，SL/S = 0，液体L在固体S外表上会自动展开； 当SL/S0时，液体在固体外表上不易铺展，负值越大越难铺展。 当固体外表粗糙度为i时，上式可修正为 所以粗糙外表的铺展系数远大

10、于光滑外表。) 1cos(/iSGLSL) 1(cos/GLGLLSGSSLS2铺展系数铺展系数 在金属炊具外表涂一层憎水的聚四氟乙烯(PTFE)。 参加使L-G和S-L 减小的外表活性物质，增加润湿程度，如清洗剂。 参加使L-G和S-L 增大的外表惰性物质，降低润湿程度，如防雨布。 钎焊的钎剂可提高钎料在高温液态下对基材的润湿能力。3润湿理论的应用实例润湿理论的应用实例 (1) 在液态金属中参加一些与液态金属之间界面张力小的杂质(如氧化物、氮化物等)，作为非自发形核起到细化晶粒的作用。 碱性电炉炼钢用镁砂(MgO)作炉衬，因钢水与镁砂的接触角=118136，可降低钢水对炉衬的浸蚀，延长炉体寿

11、命。润湿理论的应用实例润湿理论的应用实例 (2)机械零部件的失效磨损 腐蚀 粘着磨损 磨粒磨损 腐蚀磨损 气蚀磨损 化学腐蚀 电化学腐蚀高温氧化腐蚀工程材料的外表失效方式断裂第二节第二节 材料的磨损与耐磨性材料的磨损与耐磨性 1 摩擦的定义和分类 两个相互接触物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力，这一阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦。一、固体材料的摩擦与磨损一、固体材料的摩擦与磨损 摩擦的界面条件对摩擦系数有很大的影响。 1 按摩擦副的运动状态分类：1 静摩擦：一个物体沿另一个物体外表有相对运动趋势时产生的摩擦称为静摩擦，这种摩擦力称为静摩擦力。静摩擦

12、力随作用于物体上的外力变化而变化。2 动摩擦：一个物体沿另一个物体外表相对运动时产生的摩擦称为动摩擦，其阻碍物体运动的切向力称为动摩擦力。动摩擦力通常小于静摩擦力。摩擦的分类摩擦的分类12 按摩擦副的运动形式分类1 滑动摩擦：物体接触外表相对滑动时产生的摩擦称为滑动摩擦。2滚动摩擦：在力矩作用下，物体沿接触外表滚动时产生的摩擦称为滚动摩擦。滚动摩擦系数比滑动摩擦小得多。摩擦的分类摩擦的分类23 按摩擦副外表的润滑状况工作状态分类： 纯洁摩擦：摩擦外表没有任何吸附膜或化合物的摩擦，如在真空中的摩擦。 干摩擦无润滑摩擦：在大气条件下，摩擦外表之间不存在润滑剂时的摩擦。 边界润滑摩擦：摩擦面之间有一

13、层极薄的润滑膜存在时的润滑。这层膜称为边界膜，厚度小于0.01m。摩擦的分类摩擦的分类3 流体润滑摩擦：相对运动的两物体外表完全被流体隔开时的摩擦，流体可以是液体或气体。流体润滑时，摩擦发生在流体的内部，摩擦阻力取决于流体的性质如粘度。 固体润滑摩擦：相对运动的两物体外表间有固体润滑存在时的摩擦。按摩擦副外表的润滑状况工作状态分类按摩擦副外表的润滑状况工作状态分类2 摩擦学的三定律1 第一定律：摩擦力与两接触体之间的接触面积无关；2 第二定律：摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比； F=N 式中：F摩擦力；N法向力；摩擦系数。3 第三定律：两个相对运动物体外表的界面滑动摩擦阻力与滑动速度无关。

14、摩擦理论摩擦理论滑动摩擦理论滑动摩擦理论11机械啮合理论 摩擦的起因是由于外表上的微小凹凸不平造成两物体相互啮合，产生了阻碍两固体相对运动的阻力。外表越粗糙，摩擦系数就越大。滑动摩擦理论滑动摩擦理论23粘着理论 金属外表相互压紧时，仅有微凸体的顶端相互接触，接触面积小，压强大，造成接触点发生塑性变形和粘着冷焊。当外表相互运动时，冷焊点被切断，产生了摩擦力。2分子作用理论 摩擦力产生于两物体摩擦外表间的分子吸引力。摩擦是由于分子运动键的断裂过程所引起的。所以摩擦系数与接触面积成正比，与载荷的立方根成反比。磨损的定义和分类磨损的定义和分类 磨损的定义：物体相对运动时，相对运动的外表的物质不断损失或

15、产生剩余变形称为磨损。磨损的分类表22表22 典型磨损失效类型及提高耐磨性对材料外表的性能要求 机械零件的正常磨损过程可分为三个阶段：1 “跑合阶段0a段：粗糙外表逐渐磨平，接触面积逐渐增大，磨损速度开始很快，然后逐渐减慢。 磨损过程磨损过程 (1)3“急剧磨损阶段b点以后：由于摩擦条件发生较大的变化，磨损速度急剧增加。 磨损过程磨损过程 (2)2“稳定磨损阶段ab段：“跑合后摩擦外表加工硬化，微观几何形状改变，磨损开始趋于稳定，磨损量与时间成正比。1 磨损量： 尺寸磨损量Wl：磨损过程中材料外表尺寸的改变量； 体积磨损量Wv：磨损过程中材料外表被磨掉的体积； 重量磨损量Wg：在磨损过程中材料

16、的失重。 相对磨损量：材料在单位时间或单位距离内的磨损量。3 磨损评定参数磨损评定参数 (1)2 磨损系数： 式中：V磨损体积，P载荷，L距离LPVK磨损评定参数磨损评定参数 (2)3 耐磨性： 1相对耐磨性：A、B两种材料磨损量的比值 2绝对耐磨性：磨损量或体积磨损量的倒数BAAWW /WW11磨损评定参数磨损评定参数 (3)1粘着磨损机理焊合剪切理论 固体外表微凸体相接触时，在外作用下形成微观应力场图26,7。二、粘着磨损、润滑和固体润滑二、粘着磨损、润滑和固体润滑图27 相互接触的粗糙外表微凸体之间的应力调幅分布图26 摩擦面的名义接触 面积与实际接触面积 当接触应力较大时，将引起材料塑

17、性变形和“冷焊现象。此时假设摩擦副相对滑动，焊合点被剪断。假设微凸体较硬，也会对较软的对磨材料造成犁削作用。 粘着磨损粘着磨损 (1)粘着点的剪切过程 粘着摩擦力可近似表示为 Fr = Ab式中，A剪切的微凸体总面积；b焊合点的平均抗剪强度 因为材料的正压力FN = As，那么摩擦系数 最适宜的耐磨材料体系应该同时具有高的硬度和低的抗剪强度。粘着磨损粘着磨损 (2)sbsbNrAAFFNF 粘着磨损过程中的粘焊胶合： 第一类胶合：以塑性变形为主要原因引起的粘焊，分子吸引起重要作用。特点是相对滑动速度不高(0.5m/s)，表层温度较低(100)，金属摩擦表层没有相变和成分变化。 第二类胶合：由于

18、摩擦热引起接触外表温度升高而引起的粘焊。特点是接触压力高、相对滑动速度快，摩擦面温度超过临界点，有相变发生。 粘着磨损粘着磨损 (3) 根据粘着的程度，粘着磨损类型有： 轻微磨损：剪切发生在粘着结合面上，外表转移的材料极轻微，如缸套活塞环的正常磨损。 涂抹：剪切发生在软金属浅层里面，软金属转移到硬金属外表上，如重载蜗轮副的蜗杆的磨损。 擦伤：剪切发生在软金属表层，硬外表可能被软金属内的硬质点划伤，如内燃机铝活塞壁与缸体摩擦的“拉伤。粘着磨损粘着磨损 (4) 撕脱：剪切发生在摩擦副一方或两方金属较深的地方，如在主轴轴瓦摩擦副的轴承外表可见到这种现象。 咬死：假设摩擦副之间咬死，不能相对运动，如不

19、锈钢螺栓与不锈钢螺母在拧紧过程中常发生咬死的现象。粘着磨损粘着磨损 (5) 减小粘着摩擦最好措施是采用流体润滑(图28c)2流体润滑和边界润滑流体润滑和边界润滑 (1)图28 不同摩擦副条件下摩擦力的大小 流体润滑状态分为： 流体动压润滑：摩擦外表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“内摩擦。 弹流润滑：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。 边界润滑：摩擦面接触压力太大，外表太粗糙度，摩擦运动速度又太低，导致油膜被刺穿，微凸体发生接触，使磨损增加。流体润滑和边界润滑流体润滑和边界润滑 (2) 不同润滑状态对摩擦系数和磨损率的

20、影响图29，10 。流体润滑和边界润滑流体润滑和边界润滑 (3)图210 润滑状态与磨损速率的关系图29 润滑状态与摩擦系数的关系 固体润滑可分为：1固体粉末润滑：固体润滑材料以粉末形式参加润滑油中；2固体润滑膜 粘结固体润滑膜；将固体润滑剂与粘结剂混合并涂抹在摩擦面上，枯燥后即成干膜。 化学反响法固体润滑膜：用化学反响法形成的固体润滑膜，如Fe和S反响生成FeS； 电镀和气相沉积方法制备的固体润滑膜，如Ni-PTFE复合镀。 3固体润滑固体润滑 利用低剪切力的固体材料来制造摩擦副，以降低摩擦系数。 金属基复合材料：用粉末冶金的方法将金属粉末和固体润滑剂粉末混合，经压制、烧结而成。 塑料基复合

21、材料：将塑料与固体润滑剂按比例混合，制成的塑料复合材料。 碳基复合材料：用石墨为原料，和粘结剂混合挤压成形后烧结，制成的多孔复合材料。 3 自润滑复合材料自润滑复合材料1自润滑复合材料自润滑复合材料2表 23 钢铁零件中几种典型固体润滑材料的摩擦系数 材 料 稳定温度 (大气环境) 稳定温度 (真空环境) 摩擦系数 Pb 0.12 Ag 0.14 In 0.10 石墨 350 不稳定 0.20 MoS2 350 1350 0.18 WS2 440 1350 0.17 NbN 350 1350 0.08 Cu - Pb 0.10 聚四氟乙烯 0.080.20 注：固体润滑的摩擦系数与工作环境有关

22、。 1 润滑条件或环境：在真空条件下大多数金属材料的磨损十分严重。2 硬度：对摩擦副材料的硬度而言，材料越硬，耐磨性越好。3 晶体结构和晶体的互溶性：密排六方的材料摩擦系数最低，体心立方材料最高。冶金上互溶性好的一对金属摩擦副摩擦系数和磨损率都高。4 温度：温度升高，磨损加剧。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 根据磨损件相互位置 ，分为二体磨料磨损和三体磨料磨损。 三、磨粒磨损磨料磨损三、磨粒磨损磨料磨损 硬的颗粒或硬的突出物在摩擦过程中引起物体界面材料脱落的现象，称为磨料磨损。 磨料磨损的实质是一种“微观切削过程。 假设磨粒是个刚性三角锥体，被磨损材料呈塑性时，磨

23、粒与材料之间会发生显微切削和显微犁沟两种塑性变形的磨损方式图211a、b，磨粒锥体在滑动一定距离所磨掉的材料体积 V = KPH-1L 式中，K比例系数，P施加载荷，H被磨材料的硬度，L滑动距离。图211 材料磨粒磨损过程示意图a) 显微切削 b) 显微犁沟1磨粒磨损机理磨粒磨损机理1 当磨粒和脆性材料外表接触时，主要以外表断裂破坏为主图211c、d。此时材料去除体积 V = KP5/4d1/2KIC-3/4H-1/2L 式中，KIC材料的断裂韧度；K是与磨粒形状及其分布状态有关的函数。磨粒磨损磨粒磨损2图211 材料磨粒磨损过程示意图c) 显微疲劳 d) 显微裂纹(1) 磨粒特性的影响： 1

24、) 磨粒硬度：磨粒硬度Ha和材料硬度Hm的比Ha/Hm 当Ha/Hm 1.2时，为硬磨粒磨损，继续增加Ha对磨损速率的影响不大； 当1.0Ha/Hm1.2时，磨损速率与Ha/Hm成正比，磨损速率很高。2磨粒磨损过程的影响因素磨粒磨损过程的影响因素1图212 磨料硬度和材料硬度比值对材料耐磨性的影响规律3) 磨粒形状：磨粒越锋利，磨损速率越大。4 磨粒脆性：脆性的磨料磨粒可能碎裂，使磨粒边缘变得锐利，因而磨损率又可能增高。磨粒磨损过程的影响因素磨粒磨损过程的影响因素22) 磨粒粒度：当磨粒在某一临界尺寸以下，材料的磨损率随磨粒尺寸增加而大幅度增加；超过临界尺寸后，磨损增大的幅度显著降低。(2)

25、材料力学性能：材料耐磨粒磨损性能主要决定于其硬度，而与其它力学性能关系不大。磨粒磨损过程的影响因素磨粒磨损过程的影响因素3(4) 工况和环境条件：速度、载荷、磨粒冲击角、环境湿度、温度和腐蚀介质等工况和环境条件都会影响到材料的磨粒磨损性能。磨粒磨损过程的影响因素磨粒磨损过程的影响因素4(3) 材料微观组织：在同样硬度条件下，奥氏体、贝氏体的耐磨性优于珠光体和马氏体。夹杂物和内部缺陷会大大降低耐磨性。磨粒磨损过程的影响因素磨粒磨损过程的影响因素51疲劳磨损 当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，外表层将引发裂纹，并逐步扩展，最后裂纹以上的材料断裂剥落下来

26、的磨损过程。 四、其它磨损形式四、其它磨损形式 材料内部夹杂物的存在方式与数量； 材料外表粗糙度； 材料的硬度； 材料组织结构； 润滑状态和零件工作环境等。 对于一些要求疲劳磨损寿命较高的零件，应采用高纯度的钢材，尽量降低材料外表粗糙度，提高外表硬度，尽量使零件在良好润滑条件下工作。影响疲劳磨损因素影响疲劳磨损因素 摩擦时材料与周围介质发生化学或电化学相互作用的磨损叫做腐蚀磨损。 腐蚀磨损是材料同时受腐蚀和机械磨损的综合作用而产生的磨损过程。 腐蚀对磨损的影响：腐蚀使材料外表生成疏松或脆的腐蚀产物，在磨粒作用下容易破碎去除，导致材料磨损的增加； 磨损对腐蚀的影响：金属外表钝化膜可阻止材料进一步

27、腐蚀，假设钝化膜被磨掉，裸露出新鲜外表可加速电化学反响，所以磨损可以使腐蚀速度增加几个数量级。 2腐蚀磨损腐蚀磨损1 腐蚀磨损分为：1 氧化磨损：大多数金属外表都被氧化膜覆盖，氧化膜分：1 脆性氧化膜：氧化膜的磨损速度大于氧化速度，容易磨损，如氧化铁；腐蚀磨损腐蚀磨损2 影响氧化磨损的因素有滑动速度、接触载荷、氧化膜的硬度、介质的含氧量、润滑条件及材料性能等因素。 一般说来，氧化磨损率比其它磨损轻微得多。腐蚀磨损腐蚀磨损32 韧性氧化膜：氧化膜与基体结合牢固，磨损速度小于氧化速度，氧化膜可以起到保护作用，磨损率小，如氧化铝。2 特殊介质腐蚀磨损： 摩擦副在酸、碱、盐等特殊介质中发生的磨损叫特殊

28、介质腐蚀磨损。腐蚀磨损腐蚀磨损4 小而松散的流动粒子(固体或液体)高速冲击材料外表出现破坏的一类磨损现象 冲蚀磨损可以根据流动介质及第二相粒子分类(表29)。 3冲蚀磨损冲蚀磨损1 粒子冲击固体外表时发生能量交换，根据粒子的入射速度和材料的流动应力，固体外表可能发生弹性变形，也可能出现塑性压痕。冲蚀磨损机制冲蚀磨损机制1 (1) 脆性磨损机制：脆性材料受到粒子的冲击作用时，不发生塑性变形，而出现裂纹并很快脆断。脆性冲蚀时的磨损体积 V = v03.2r3.71.58 KIC-1.3H-0.25式中，KIC断裂韧度，H硬度，v0粒子速度，r粒度，密度(2) 延性磨损机制：当撞击角为90时冲蚀很小

29、，而在撞击角为20时冲蚀最大切削磨损。 冲蚀磨损机制冲蚀磨损机制2 气蚀： 流体高速运动时产生大量的气泡，不断生成、长大和破灭，在气泡破灭的瞬间可产生几千个大气压，足以使金属粒子脱离金属外表，在材料外表产生蚀坑。 材料的冲蚀率： 喷砂型冲蚀：单位重量粒子造成材料流失的重量或体积其量纲为mg/g或mm2/g； 液滴冲蚀或气蚀：除用单位时间的失重表示外，还可用减薄的厚度表示(材料冲蚀失重除以密度与冲蚀面积的乘积，单位为mm)。 冲蚀磨损冲蚀磨损3 冲蚀主要受三个方面因素的控制：1环境参数：如粒子的入射角、速度、浓度、冲蚀时间、环境温度等；冲蚀磨损冲蚀磨损4 入射角：粒子入射轨迹与固体外表的夹角。

30、材料冲蚀率随入射角变化：1塑性材料在2030入射角时冲蚀率出现最大值；2脆性材料最大冲蚀率出现在90入射角处。 2 速度：粒子速度对材料冲蚀率有很大的影响 = Kn 式中 粒子速度，n、K常数。 实验证明，粒子动能是造成材料冲蚀的主要原因。粒子入射速度低到某一下限时，只在冲击时出现弹性变形而无材料流失，称此速度下限为门坎速度值。这个速度值随粒子材质、形状及材料性能而变化。冲蚀磨损冲蚀磨损53冲蚀时间：冲蚀磨损存在较长的潜伏期或孕育期。首批粒子冲击外表时主要造成加工硬化和外表粗糙化，经过一定的累积损伤后才能逐渐过渡到稳定冲蚀阶段。 对于喷砂型冲蚀，冲蚀初期可能因粒子嵌入而呈现“增重。 冲蚀磨损冲

31、蚀磨损64 环境温度：一般随着温度增加，材料冲蚀率上升。但温度过高时，材料外表生成的氧化膜反而会提高材料的抗冲蚀能力。 2磨料性质：如硬度、粒度、可破碎性、固体还是液体等。冲蚀磨损冲蚀磨损7 入射粒子性能： 1固体粒子：固体粒子的形状和粒度对冲蚀有很大影响。当粒子超过临界尺寸后，冲蚀率趋于平稳。尖颗粒造成的破坏要比球形粒子严重；硬粒子产生的冲蚀破坏比软粒子严重。2液滴：冲蚀中液滴直径变大其冲蚀能力也增大。在滴径从1.02.5mm范围内，相对冲蚀率几乎不变。随着材料外表粗糙度的降低，其抗冲蚀能力增高。冲蚀磨损冲蚀磨损83材料性能：如热物理性能和材料强度等。(b) 磨损量与载荷的关系不同摩擦条件对

32、磨损机制的转换不同摩擦条件对磨损机制的转换(c) 磨粒尺寸对磨损机制的转换 (a) 磨损量与滑动速度的关系常用磨损实验机常用磨损实验机1常用磨损实验机常用磨损实验机2常用磨损实验机常用磨损实验机3常用磨损实验机常用磨损实验机41 材料选择 要根据不同的磨损类型来选择不同的耐磨材料。1 粘着磨损的选材原那么： 塑性材料比脆性材料容易产生粘着磨损。 相同金属或晶格类型、电化学性能相近的金属制造的摩擦副粘着倾向大。 金属与非金属材料组成的摩擦副粘着倾向小。五、提高零件耐磨性的途径五、提高零件耐磨性的途径12 磨料磨损的选材原那么： 一般是提高材料的硬度来提高它的耐磨性。3 疲劳磨损的选材原那么： 要

33、求钢材质量好，控制钢中有害的非金属夹杂物。提高零件耐磨性的途径提高零件耐磨性的途径2 2 润 滑 降低摩擦系数是减少磨损的有效方法，如液体润滑可使摩擦系数降到0.003以下。3 外表处理 提高材料的外表硬度：如外表淬火、渗碳、渗氮、涂覆硬涂层等。 降低外表摩擦系数：在材料摩擦外表形成低摩擦系数的化合物，如渗硫等。提高零件耐磨性的途径提高零件耐磨性的途径34 结构设计 正确设计摩擦副的结构。如有利于摩擦副间润滑膜的形成、摩擦热的散失、防止外界杂物的进入等。5 使用保养 机器的正确的使用和保养有利于提高机器的使用寿命。提高零件耐磨性的途径提高零件耐磨性的途径4第三节第三节 金属腐蚀原理与防护技术金

34、属腐蚀原理与防护技术一、化学腐蚀与电化学腐蚀原理 根据热力学第二定律一切自发过程都是不可逆的，产生金属腐蚀的驱动力是腐蚀过程中金属与环境介质组成系统总自由能的降低，是一个不可逆的过程，如纯金属材料向化合物状态转变。1腐蚀的根本概念分类腐蚀的根本概念分类1 按照腐蚀原理可分为(1) 化学腐蚀：金属在枯燥的气体介质中或不导电的液体介质中发生的腐蚀，腐蚀过程中无电流产生。如钢铁的高温氧化。 电化学腐蚀：金属在导电的液态介质中因电化学作用导致的腐蚀，在腐蚀过程中有电流产生。如金属在潮湿环境中的氧化。 电化学腐蚀的四个主要因素：阳极、阴极、电解质、电流通路。 按材料使用环境可分为(1) 湿蚀：在潮湿的环

35、境中发生的腐蚀；(2) 干蚀：在枯燥的环境中发生的腐蚀；(3) 微生物腐蚀：在有微生物环境中发生的腐蚀。腐蚀的根本概念分类腐蚀的根本概念分类2 按腐蚀形态可分为(1) 全面腐蚀：腐蚀均匀分布在整个金属外表上；(2) 局部腐蚀：腐蚀局限在金属的某一部位，而其余局部几乎没有发生腐蚀。腐蚀的根本概念分类腐蚀的根本概念分类3 保证氧化膜完整的必要条件是：即 或式中，V氧化物 氧化物摩尔体积；V金属氧化消耗掉的金属摩尔体积；M金属的摩尔质量，金属的密度，M1mol金属原子所生成氧化物的质量，x代表一个分子的氧化物中所含金属原子的个数，D表示氧化物的密度。 这样生成的氧化膜才能对金属外表产生一定的保护作用

36、，氧化速度几乎为零。MVxDMV金属氧化物1金属氧化物VV1xDMM2金属化学腐蚀的根本原理金属化学腐蚀的根本原理1 依照外表反响速度及氧化膜的致密程度不同，金属氧化的动力学过程有三种典型情况：(1) 直线生长规律图213中1： 氧化速度取决于金属外表化学反响的速度，是一个常数。氧化膜随时间的延长按直线规律增厚。此时金属易于腐蚀。金属化学腐蚀的根本原理金属化学腐蚀的根本原理2图213 金属材料的典型化学腐蚀动力学过程 (2) 抛物线生长规律图213中的2：膜的生长速度与膜的增厚成反比。膜厚与时间的关系 y2 = kt + B式中，y氧化膜厚度；k与温度有关的常数；t时间；B积分常数。(3) 对

37、数生长规律图213中的3：在氧化过程中容易生成致密的氧化膜时，膜的厚度与时间的关系 y = ln(kt)金属化学腐蚀的根本原理金属化学腐蚀的根本原理2图213 金属材料的典型化学腐蚀动力学过程 金属的电极电位：金属电极与溶液界面之间存在的电位差。 标准电极电位：以金属为阳极，标准氢电极为负极构成原电池所测得原电池的电动势。 可逆电极：电极上的氧化复原反响为可逆反响时的电极。3金属电化学腐蚀原理金属电化学腐蚀原理1 金属材料与电解质接触，将发生电化学反响，在界面处形成双电层并建立相应的电位。 平衡电位：没有电流通过时，可逆电极所具有的电位 式中，平平衡电极电位；0标准电极电位；R气体常数；T电解

38、质温度；Z参加反响的电子数；F法拉第参数；a金属离子活度。 标准电位序：将金属的标准电极电位按其代数值增大顺序排列。aZFRTln0平金属电化学腐蚀原理金属电化学腐蚀原理2 腐蚀电位序：将金属在某种介质中的稳定电位值按其代数值大小排列的顺序。腐蚀电位值越负的金属越容易腐蚀。 表2-4是局部金属的标准电极电位及其在3NaCl溶液中的腐蚀电位。由表可见，一些标准电极电位低的金属如A1、Cr等，在3NaCI溶液中的腐蚀电极电位要高得多。金属电化学腐蚀原理金属电化学腐蚀原理3 在Cu-Zn构成的原电池中图214，Zn阳极发生氧化反响 Zn 2e Zn 2+Cu负极发生的复原反响 2H+ 2e 2H 2

39、H H2 腐蚀电池的总反响为 Zn + 2H+ Zn 2+ + H24腐蚀原电池与腐蚀微电池腐蚀原电池与腐蚀微电池1图214 Cu - Zn 腐蚀原电池 两种直接接触的异种金属在电解液中组成的腐蚀原电池图2-15a。 材料中的不同组织和电解液一起构成的图2-15b。腐蚀原电池与腐蚀微电池腐蚀原电池与腐蚀微电池2图215 无需导线连接的腐蚀电池与腐蚀微电池a) Cu - Fe接触腐蚀电池示意图 b) Fe - Fe3C微腐蚀电池示意图 在电化学腐蚀过程中，腐蚀速度的大小取决于腐蚀电流的大小。金属溶解量与电量之间服从法拉第定律：式中，W金属腐蚀量；Q流过的电量；F法拉第常数；n金属的价数；A金属的

40、相对原子质量；J电流密度；t时间。 FnJAtFnQAW5电化学腐蚀速率电化学腐蚀速率1 腐蚀速率 g(m2h)式中，S为腐蚀面积。 腐蚀速率的其它表示方法 单位时间的腐蚀深度：通常用mm/年表示； 腐蚀电流密度Jc：在腐蚀原电池中，大阴极、小阳极是极其有害的。SFnJAStWK3600电化学腐蚀速率电化学腐蚀速率2 极化曲线：电极电位与电流密度J之间的变化规律绘成的曲线图2-16。二、金属外表的极化、钝化及活化二、金属外表的极化、钝化及活化b阴极极化曲线a阳极极化曲线1金属外表的极化现象 极化：阴、阳极之间的电位差比初始电位差小的现象。腐蚀电池接通前后阴、阳极电位变化 阳极极化曲线：阳极电位

41、随电流密度增大而向正的方向变化。 阴极极化曲线：阴极电位随电流密度增大而向负的方向变化。金属外表的极化现象金属外表的极化现象2a阳极极化曲线b阴极极化曲线 产生极化的机理：(1) 电化学极化：电极上的电化学反响速度小于电子运动速度而造成的极化。(2) 浓差极化：溶液中的物质扩散速度小于电化学反响速度而造成的极化。(3) 电阻极化：电极外表生成了具有保护作用的钝化膜或不溶性的腐蚀产物，阻碍电极反响，使电极电位发生变化。金属外表的极化现象金属外表的极化现象3 去极化作用：减少或消除电极极化的作用，如对电解液加强搅拌，使阳极附近金属离子快速扩散。 去极化剂：能减少或消除极化作用的物质。金属外表的极化

42、现象金属外表的极化现象4 机械钝化：在金属外表上沉积出盐层产生机械阻隔作用，使外表反响速度降低。2金属外表的钝化现象金属外表的钝化现象 由于金属外表状态的改变引起金属外表活性下降，使外表反响速度急剧降低的现象称为钝化现象。 钝化剂：能使金属钝化的物质，如铁、铝等金属不溶于浓硝酸。 自然钝化或化学钝化：金属与钝化剂间自然作用而产生的钝化现象，如铬、铝、钛等金属在空气中与氧作用而形成钝态。铁在硝酸中的溶解速度 成相膜理论与吸附理论的主要区别： 成相膜理论强调了钝化层的机械隔离作用，而吸附理论认为是吸附层改变了金属外表的能量状态，使不饱和键趋于饱和，降低了金属外表的化学活性，造成钝化。金属钝化理论金

43、属钝化理论 成相膜理论：介质中的金属外表生成一层致密的、覆盖良好的保护膜，使金属外表反响速度下降，金属外表转为钝态。 吸附理论：金属局部外表上形成氧原子的吸附层，使金属外表的自由键能趋于饱和，改变了金属与介质界面的结构及能量状态，降低了金属与介质间的反响速度。 金属外表的活化方法： 金属外表净化：用机械抛光、喷砂、酸洗等方法去除金属外表氧化膜，或在真空中进行离子溅射，减少金属外表的吸附，提高金属外表的化学活性； 机械法：用机械法或离子轰击法增加金属外表晶体缺陷，提高金属外表活性。3金属外表的活化金属外表的活化 活化目的：使基材外表处于活化状态，以加速外表反响过程，提高涂层结合强度。三、腐蚀的主

44、要形式三、腐蚀的主要形式 (1)腐蚀的主要形式腐蚀的主要形式 (2)腐蚀的主要形式腐蚀的主要形式 (3)2电化学保护 电化学保护方法分为(1) 阴极保护：被保护工件在工作条件下的电位移至平衡可逆电位以下，从而停止腐蚀的方法。 以被保护工件为阴极，施以外加电流阴极极化； 以被保护工件为阴极，用电位更负的金属与工件相连，成为原电池阳极，阳极被腐蚀溶解以保护工件牺牲阳极法。四、金属材料腐蚀控制及防护方法四、金属材料腐蚀控制及防护方法1产品合理设计与正确选材(2) 阳极保护：使腐蚀件的电位正移，在外表形成稳定的钝态而受到保护。(3) 在被保护的合金中参加可钝化的元素，使外表形成稳定的钝化膜，如不锈钢中

45、的Cr。(4) 向腐蚀介质中参加阳极性缓蚀剂。金属材料腐蚀控制及防护方法金属材料腐蚀控制及防护方法2不锈钢中Cr 含量与电极电位的关系3外表覆层及外表处理(1) 阳极性金属涂层：这种涂层可以作为阳极对基体金属起保护作用。即使涂层局部破坏裸露基材仍可作为阴极而受到涂层保护，如铁外表镀锌。(2) 阴极性金属及非金属涂层：这类覆层自身耐蚀性、稳定性良好，通过机械屏蔽作用，把金属和腐蚀环境介质隔离开，如铁外表镀铬。3外表覆层及外表处理外表覆层及外表处理 通过添加特殊的活性物质吸附到金属外表，使其外表钝化，从而到达减缓抑制腐蚀过程。4参加缓蚀剂参加缓蚀剂 固体的外表：理想外表、清洁外表、机械加工面、一般

46、外表。 固体的界面及其结合方式：冶金结合、扩散结合、外延生长、化学键结合、分子键结合、机械结合。 外表张力及外表能 固体外表的吸附本章重点本章重点1 固体外表的润湿：润湿角、亲水物质和疏水物质。 摩擦与润滑：干摩擦、边界润滑摩擦、流体润滑摩擦、滚动摩擦、固体润滑。 粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损的根本磨损方式、机理、影响因素和提高零件耐磨性的途径。 正常磨损过程的三个阶段：“跑合、“稳定磨损、“急剧磨损。本章重点本章重点2n9、静夜四无邻，荒居旧业贫。4月-224月-22Thursday, April 21, 2022n10、雨中黄叶树，灯下白头人。15:16:5815:16:5815:164/21/2022 3:16:58 PMn11、以我独沈久，愧君相见频。4月-2215:16:5815:16Apr-2221-Apr-22n12、故人江海别，几度隔山川。15:16:5815:16:5815:16Thursday, April 21