表面科学与工程复习资料

1、表面科学与工程复习资料1、什么是清洁表面，清洁表面包括哪些？（P10）清洁表面指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化 学效应的表面。包括弛豫、重构、台阶化、吸附、偏析。2、固体表面有哪些特性？其中物理吸附与化学吸附有哪些区别？（P17-19）（1）、固体表面特性表现在以下几个方面：固体表面分子（原子）的运动受缚性；固体表面的不均一性；固体表面的吸附性；（2）、物理吸附与化学吸附的区别:吸附性质物理吸附化学吸附吸附力范德华力化学键力吸附热小，接近液化热大，接近反应热选择性无有吸附层单或多分子层单分子层吸附速度快，不需活化能慢，需活化能可逆性可逆不可逆发生吸附的温

2、度低于吸附质临界温度远高于吸附热沸点3、什么是贝尔比层？（P22倒数第三段）晶格畸变随深度变化，在最外的约510nm厚度可能会形成一种非晶态层，称为贝尔比层。4、金属的真实表面层有几层？（P24图）有3层：加工应变层、氧化层、吸附层。5、金属的表面处理的目的是什么？有哪些方法？（P28-P30）目的：去除表面氧化层、吸附层、锈、焊渣、毛刺等；获得表面粗糙度；获得清洁表面。方法：机械性清理包括机械磨光和抛光、滚光和刷光、喷砂获喷丸；脱脂包括化学脱脂、有机溶剂脱脂、水剂脱脂、电化学脱脂；除锈包括化学侵蚀、抛光和电化学抛光。6、磨损的分类？（P39）分类法类型说明举例以磨料固定形式分类自由磨料磨损磨

3、粒自动松散与零件表面接触， 磨粒可以在表面滑动或滚动， 磨料之间也有相对运动犁铧、刮板输送机溜槽固定磨料磨损磨料固定，并和零件表面作相对 滑动米煤机截齿、挖掘机斗止齿以磨料接触物体表面来分类两体磨料磨损磨料与一个零件表面接触，磨粒 为一物体，零件表面为另一物体犁铧、水轮机轮叶三体磨料磨损磨料介于两滑动表面之间滚动轴承间落入磨料磨粒介于两滚动表面之间齿轮、车轮间落入磨料以力的作用特点分类低应力划伤式磨料磨损磨粒作用于零件表面的应力不超 过磨料的压溃强度，材料表面被 轻微划伤犁铧、刮板输送机溜槽高应力划伤式磨料磨损磨料与零件表面接触处的最大应 力大于磨料的压溃强度破碎式滚筒、球磨机衬 板及磨球凿削

4、式磨料磨 损磨料对材料表面有高应力冲击式 运动，能从材料表面凿下较大颗 粒的磨削挖掘机斗齿、鄂式破碎 机齿板以相对硬度分 类硬磨料磨损当磨料的硬度大于材料表面的硬 度时，磨损量较大一般钢材受石英砂的磨 损软磨料磨损当磨料的硬度比材料表面的硬度 低时，磨损量急剧下降，耐磨性 迅速提高如煤或其他软矿石对钢零件的磨损以磨料的干湿状态分类干磨料磨损磨料是干的球磨机磨干料湿磨料磨损磨料中含有水分，有加速磨损作 用球磨机磨湿料流体磨料磨损气体或液体带着磨料冲刷零件表 面水轮机、泥浆机、风扇式磨煤机以工作环境分 类一般磨料磨损一般正常条件下的磨料磨损上述各机器及零件腐蚀磨料磨损在腐蚀介质中的磨料磨损，腐蚀

5、加速了磨料磨损的速度如含硫或有水介质中工 作的煤矿、选矿及化工 机械等热磨料磨损在高温下的磨料磨损，高温和氧化加速了磨损燃烧炉中的、沸腾炉及 粉煤锅炉中的管道及零 件7、用犁沟变形机制、微观切削模型解释磨料磨损过程？（P40-41）（1）犁沟变形机制模型如图所示，当磨粒的形状与位向不利于切削时，磨粒将使材料产生犁沟变形，即将材料推向前方或两侧并使沟底及沟槽附近的材料产生塑性变形。后继的磨粒可能把沟槽附近的材料压平，也可能使已经犁沟变形的材料遭受再一次的犁沟变形，如此反复，将导致材 料的加工硬化和其他强化作用，最后产生裂纹、断裂而形成磨损。（2）微观切削机理磨粒作用在材料表面的力可以分解为法向分

6、力（正压力）和切向分力（摩擦力）。在法向分立作用下，磨粒压入材料表面形成压痕，在切向分力作用下，磨粒向前推进。微观切削的基本形式如图所示，当具有锐利棱角和适当迎角的磨粒与材料表面发生相对运动时，就会像刀具一样对材料进行进行切削而形成切屑。虽然切屑磨损量在 总磨损量中所占的比例很大，但是，磨粒与表面接触发生切削的概率并不大，当磨粒形状较 圆钝时，当磨粒与被磨材料表面间的夹角（迎角）太小时，或者表面材料塑性很高时，往往 磨粒在表面滑过后只犁出一条沟来，把材料推向两边或前面，而不能切削出磨屑来。8、磨料特性对磨损的影响有哪些？（P42-43）（1）磨粒硬度的影响材料的耐磨性决定于材料硬度Hm和磨料硬

7、度Ha的比值。当Hm/Ha0.8时为软磨料磨损，此时增加材料的硬度能迅速地提高其耐磨性。当H：/H：在0.5-0.8之间时，要根据实际情况进行判断。当磨料的硬度比材料的硬度大得多时，材料的相对磨损与磨料硬度几乎无关，但较软材 料的相对的相对磨损比较硬材料的大些；当磨料的硬度接近或低于材料的硬度时，则材料的 相对磨损急剧下降，到某一定值时，相对磨损接近于零。直接决定材料耐磨性的是材料表面经受磨损后的最大硬度Hu （材料表面在磨损过程中 由于塑性变形和加工硬化等原因硬度进一步提高），而不是材料磨损前的硬度H。m磨损量与磨损前材料的硬度Hm之间不存在明显的关系（白口铁除外），而与磨损后材 料的表面硬

8、度Hu存在明显的线性关系。当Hu/Hm0.8时，材料的耐磨性将迅速提高。（2）磨料形状及尺寸的影响尖锐的、多角形的磨料比圆而钝的磨料磨损率大。只有迎角大于临界值的磨粒才能产生切削。所谓迎角是指磨料前面与材料表面间的夹角。磨料能否切削材料与迎角a有关，只有当迎角a大于临界迎角ac时，才能产生切削； 反之，如果迎角a小于临界迎角ac，则只能产生塑性犁沟，将材料推向沟槽的两侧及前缘。不同材料的临界角ac是不同的，一般在30-90之间。通常临界迎角随着材料硬度及摩 擦系数升高而减小，即更容易产生切屑。磨料颗粒大小对材料的磨损有影响，一般是随着磨粒直径的增加，磨损量增大。当磨 粒的直径达到某一临界尺寸后

9、，磨损量几乎不再增加，这个磨料颗粒的临界尺寸在100um 左右，与材料的成分、性能、加工方法、速度及载荷等有关。（3）磨料脆性的影响材料的磨料磨损往往需要多次反复才能完成，在这一过程中，磨料的状态将发生改变， 一种表现为尖角和锐边被破坏，即由原来尖锐的、多角形的磨料变成圆而钝的磨料，因此， 使得材料的磨损率下降。另一张表现为磨料破碎，重新生成尖角和锐边，使得材料的磨损率 增大。9、什么是粘着磨损（P45），粘着磨损的分类，什么是胶合（P46，表格）。（1）粘着磨损的定义是：两个接触表面相对运动时，由于接触点粘着和焊合而形成的粘着 结点被剪切断裂，被剪断的材料由一个表面转移到另一个表面，或脱落成

10、磨屑而产生的磨损。（2）粘着磨损的分类类型损坏现象损坏现象轻微磨损粘着结点的剪切破坏基本上发生在粘着面上。此时虽 然摩擦系数较大，但表面材料的转移很小，即磨损轻 微粘着结点强度彳氐于摩 擦副机体金属抗剪强 度涂抹粘着结点的剪切破坏发生在离粘着面不远的较软金属 的浅层内，较软金属黏附并涂抹在较硬金属的表面上粘着结点的强度虽比 较硬金属的低，但比较 软金属的高擦伤粘着结点的剪切破坏发主要发生在较软金属的浅层 内。有时硬金属表面也有划痕。转移到硬金属表面的 粘着物又擦伤软金属表面粘着结点的强度比软 金属和硬金属的抗剪 强度高划伤（胶合）其实质是固相的焊合及随后的撕脱。摩擦面温度低时 产生“冷焊”，温

11、度较高时则产生“热焊”（熔焊）。此时 粘着结点的剪切破坏发生在摩擦副一方或两方的较深 处，表面呈宽而深的划痕，磨损比较严重粘着结点的强度比两 基体金属的抗剪强度 都高咬死摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动粘着结点强度较高，粘 着面积较大，剪切应力 彳氐于剪切强度10、摩擦副材料对粘着磨损的影响有哪些方面？（P48）（1）金属互溶性的影响相同金属或互溶性大的金属摩擦副，具有较强的粘着倾向，因而抗粘着磨损能力低。（2）金属晶体结构的影响密排六方晶体结构的金属一般比面心立方晶体的金属抗粘着性能好，这是由于面心立方滑移 系数大的缘故。（3）金属组织的影响多相组织的金属比单相金属的抗粘着性能好，金属化

12、合物比单相固溶体的抗粘着性能好，金 属与非金属组成的摩擦副比金属与金属摩擦副抗粘着性能好，脆性材料比塑性材料抗粘着性 能好。11、什么是疲劳磨损（P48），疲劳磨损的形式有哪些（点蚀、剥落P48）（1）摩擦副材料微体积受循环接触应力影响，导致反复变形，产生裂纹和分离出微片或颗 粒的表面疲劳剥落现象，称为疲劳磨损或接触疲劳磨损。（2）接触疲劳磨损失效的主要形式是点蚀和剥落，即在原来光滑的接触表面上产生深浅不 同的凹坑（也称麻点）和较大面积的剥落坑。12、影响疲劳磨损的因素有哪些？（P51）载荷的影响材料组织及性能的影响材料冶金质量的影响其他因素的影响：表面状态、润滑剂、环境、温度等。13、什么是

13、腐蚀磨损？产生氧化磨损的条件是什么？（P53）腐蚀磨损跟腐蚀的相互作用表 现在（P53）（1）腐蚀磨损：摩擦副材料与周围介质发生的化学或电化学作用引起材料损失的过程，称为腐蚀磨损。产生氧化腐蚀的条件摩擦表面氧化法速率大于氧化膜被磨损去除的速率；氧化膜与金属基体的结合强度大于摩擦表面的剪切应力；氧化膜的厚度大于表面磨损破坏的深度。磨损和腐蚀的相互作用表现在以下几个方面：腐蚀对磨损的影响：腐蚀导致材料组织的恶化，使材料的耐磨性下降，从而导致磨损的增 加；腐蚀对材料去除的这种影响课占腐蚀磨损量的50%-70%。磨损对腐蚀的影响：腐蚀磨损的电化学试验表明，磨损过程可对腐蚀的阳极过程和阴极过 程产生极大

14、的影响，腐蚀速度平均可增加2-4个数量级，最大可增加6-8个数量级。14、掌握腐蚀原电池的构成，电极反应，(P59 Cu-Zn腐蚀原电池)Cu-Zn腐蚀原电池电极过程如下：Zn的电极电位较负，为阳极，发生氧化反应；Cu的电极电位较正，为阴极， 发生还原反应，溶液中的H离子与从Zn电极流过来的电子相结合放出氢气。反应过程为：阳极：ZnZn2+2e-阴极：2H+2eH2f腐蚀电池的总反应：Zn+2eZn2+H2 f15、腐蚀原电池的工作过程基本上包括几个部分？(P60)腐蚀原电池包括阳极、阴极、电解质溶液和电路等四个不可分割的组成部分，缺一不可。这 四个部分就构成了腐蚀原电池工作的基本过程，即：阳

15、极过程金属溶解，以离子形式进入溶液，并把等量电子留在金属上；电子转移过程 电子通过电路从阳极转移到阴极；阴极过程 溶液中的氧化剂接受从阳极流过来的电子后本身被还原。16、腐蚀原电池的类型，宏观、微观腐蚀原电池包括哪些？(P60)类型：宏观腐蚀电池、微观腐蚀电池、亚微观腐蚀电池宏观腐蚀电池包括浓差电池和温差电池两种不同金属构成的电偶电池浓差电池和温差电池微观腐蚀电池包括金属组织结构的不均匀性而构成的微观电池金属表面膜不完整形成的微观电池化学成分不均匀形成的微观电池金属组织结构的不均匀性而构成的微观电池金属表面膜不完整形成的微观电池物理状态的不均匀性形成的微观电池17、吸氧腐蚀与析氢腐蚀原电池的电

16、极反应？ (ppt)析氢腐蚀(酸性水溶液)正极：2H+2ef乩正极：2H+2ef乩f总反应：Fe+2H+=Fe2+H2 f吸氧腐蚀(中性水溶液)正极：O2+2H2O+4 e- =4OH-正极：O2+2H2O+4 e- =4OH-总反应：2Fe+2H2O+ O2=2Fe(OH) 218、什么叫阳极极化？什么叫浓差极化？(P63)阳极极化：原电池通过电流后，阳极电位正方向移动的现象，称为阳极极化。浓差极化：在腐蚀电池工作过程中，反应物或生成物在电极表面的浓度和溶液中整体 的浓度出现差异，形成浓度梯度，由此引起的电位的移动，称为浓差极化。19、什么是钝化？吸附理论与成相膜理论如何解释钝化？（P64）

17、（1）钝化：由于金属表面状态改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降 低的现象，称为钝化。（2）金属钝化理论成相膜理论：当金属阳极溶解时，在其表面上可生成一种致密的、覆盖性良好的固体产物 薄膜。该保护膜形成的独立相（成膜相）的厚度约几个分子层厚，在1-10nm之间，可把金 属表面和氧化介质隔离开来，阻碍阳极过程的继续进行，使金属表面的溶解速度明显下降。吸附钝化理论:在金属表面或部分表面上生成氧或含氧离子的吸附层，便能抑制阳极过程， 使金属钝化。20、小孔腐蚀包括几个阶段？其对环境中什么元素敏感？（P67）（1）小孔腐蚀包括小孔成核和小孔生长两个过程。（2）对环境中氯离子、PH值、介

18、质温度、介质的流动速率等元素敏感。21、应力腐蚀有什么特点？（P71）产生应力腐蚀必须同时具备下列三项条件：特定的合金成分、特定的腐蚀介质，以及足够 大的拉应力；应力腐蚀通常有一个潜伏期，破裂过程一般可分为三个阶段，第一阶段为即孕育期，裂纹 生核，第二阶段为腐蚀裂纹发展期，使裂纹扩展，第三阶段中，裂纹急剧扩展导致材料的破 坏；应力腐蚀的断裂速度远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯的力学因素引起的断裂 速度，断口一般为脆性断裂；应力腐蚀破裂断口呈现脆性断裂形貌。裂纹的形态有晶间型、穿晶型和混合型。裂纹的特 点是在主干裂纹延伸的同时，还有若干分支同时扩展。22、有哪些办法可以用于金属的防腐蚀？

19、（P82-85黑体字）正确使用金属材料；合理设计金属结构；改变环境成分，添加缓蚀剂；电化学保护；采用保护性覆盖层。23、什么是热喷涂（P86）？可以分几类，其中什么是爆炸喷涂（P99）？（1）热喷涂定义：是一种采用专用设备、利用各种不同类型的热源，将欲喷涂的各种材料 如金属、陶瓷、塑料等加热到熔化或半熔化状态，用高速气流将其吹成微小颗粒并喷射到机 件表面，形成覆盖层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐热等性能的新兴表面工程技术。（2）分类：根据所用热源的不同分为燃气法、气体放电法、电热法和激光热源法。（3）爆炸喷涂：利用脉冲式气体爆炸所产生的能量将被喷涂的粉末加热加速并轰击到工件 表面后形成坚固涂层的热喷涂方法。24、热喷涂涂层的形成过程有哪些？（P87）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；粒子在基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆积。25、热喷涂涂层的结合方式有几种（P88）机械结合冶金化学结合物理结合26、什么是喷焊（P100）喷焊是指在热喷涂过程中同时对基体加热，使涂层在基体表面熔化，形成熔敷层的方法