固体表面的物理化学特征

关于固体表面的物理化学特征1第1页，共112页，2023年，2月20日，星期三2主要内容2.1固体表面的结构

2.2固体表面的吸附

2.3固体表面原子的扩散2.4摩擦、磨损与润滑第2页，共112页，2023年，2月20日，星期三32.1固体表面的结构固体材料---工程技术中最普遍使用的材料。按材料特性分为：金属材料无机非金属材料有机高分子材料按所起的作用分为结构材料---以力学性能为主的工程材料，主要用来制造工程建筑中的构件，机械装备中的零件以及工具、模具等。功能材料—利用物质的各种物理和化学特性及其对外界环境敏感的反应，实现各种信息处理和能量转换的材料。第3页，共112页，2023年，2月20日，星期三4原子、离子或分子排列情况晶体非晶体---原子、离子或分子在三维空间呈周期性规则排列，即存在长程有序。---短程有序常见晶体结构面心立方密排立方体心立方---密排型，配位数是12---非密排型，配位数是8表面能---表面上方没有原子存在，出现“断键”，表面原子能量升高，这种高出来的能量就是~。第4页，共112页，2023年，2月20日，星期三5

物质存在的某种状态或结构，通常称为某一相。严格地说，相是系统中均匀的、与其他部分有界面分开的部分。复相系---在一定温度和压力下，含有多个相的系统为复相系。指这部分的成分和性质从给定范围或宏观来说是相同的，或是以一种连续的方式变化，也就是没有突然的变化。第5页，共112页，2023年，2月20日，星期三6界面---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。严格地讲，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体的表面。常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。第6页，共112页，2023年，2月20日，星期三7常见的界面气-液界面第7页，共112页，2023年，2月20日，星期三8气-固界面常见的界面第8页，共112页，2023年，2月20日，星期三9液-液界面常见的界面第9页，共112页，2023年，2月20日，星期三10液-固界面常见的界面第10页，共112页，2023年，2月20日，星期三11固-固界面第11页，共112页，2023年，2月20日，星期三12固体材料的界面有三种：（l）表面—固体材料与气体或液体的分界面。（2）晶界（或亚晶界）（3）相界—多晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。—固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。第12页，共112页，2023年，2月20日，星期三13（1）理想表面（实际上不存在）（2）清洁表面（3）实际表面2.1.1固体材料与气体界面第13页，共112页，2023年，2月20日，星期三14

理想表面理想表面——没有杂质的单晶，作为零级近似可将表面看作为一个理想表面。从理论上看，它是结构完整的二维点阵平面。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。第14页，共112页，2023年，2月20日，星期三15理想表面的特点：理想表面作为半无限的晶体，体内原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。图理想表面结构示意图第15页，共112页，2023年，2月20日，星期三16

清洁表面清洁表面——经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后，保持在10－6Pa－10－9Pa超高真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面不存在任何吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。第16页，共112页，2023年，2月20日，星期三17清洁表面的一般情况依热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态，达到这种稳定态的方式有两种：自行调整，原子排列情况与材料内部明显不同；依靠表面成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附以及两者的相互作用而趋向稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。第17页，共112页，2023年，2月20日，星期三18表2-3几种清洁表面的结构和特点第18页，共112页，2023年，2月20日，星期三19第19页，共112页，2023年，2月20日，星期三20第20页，共112页，2023年，2月20日，星期三21晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经过4～6个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原子层范围。晶体表面的缺陷：平台、台阶、扭折、表面吸附、表面空位、位错。各种材料表面上的点缺陷类型和浓度都依一定条件而定，最为普遍的是吸附。第21页，共112页，2023年，2月20日，星期三22严格地说，清洁表面是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一系列物理、化学效应的表面。因此制备清洁表面是很困难的，而在几个原子层范围内的清洁表面，其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、表面重构。第22页，共112页，2023年，2月20日，星期三23图Pt（557）有序原子台阶表面示意图

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。（1）台阶表面第23页，共112页，2023年，2月20日，星期三24图弛豫表面示意图

在固体表面处，由于固相的三维周期性突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。（2）弛豫表面LiF（001）弛豫表面示意图，LiF

第24页，共112页，2023年，2月20日，星期三25

重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间距则与体内相同。（3）重构（或再构）表面图重构表面示意图第25页，共112页，2023年，2月20日，星期三26缺列型重构---表面周期性地缺失原子列造成的超结构重组型重构---并不减少表面的原子数，但却显著地改变表面的原子排列方式。第26页，共112页，2023年，2月20日，星期三27

实际表面实际表面——暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。（也称吸附表面）图实际表面示意图内表层外表层基体材料层加工硬化层吸附层氧化层第27页，共112页，2023年，2月20日，星期三28实际表面与清洁表面相比有较大不同：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。相邻波峰与波谷的间距小于1mm，并且大体上呈周期性起伏，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。（1）

轮廓算术平均偏差：Ra（2）

微观不平度+点高度：Rz（3）

轮廓最大高度：Ry从宏观看，经过切削、研磨、抛光的固体表面似乎很平整，然而从微观角度观察会发现表面有明显的起伏、同时不可能有裂缝、空洞等。第28页，共112页，2023年，2月20日，星期三29贝尔比层和残余应力固体材料经过切削加工后，在几个微米或者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，既造成一定程度的晶格畸变。这种晶格的畸变随深度变化，而在最外的，约5nm-10nm厚度可能会形成一种非晶态层。这层非晶态称为贝尔比层。其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。贝尔比层具有效高的耐磨性和耐蚀性。第29页，共112页，2023年，2月20日，星期三30材料经各种加工、处理后普遍存在残余应力。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。残余应力宏观内应力---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第30页，共112页，2023年，2月20日，星期三312.1.2固体表面的成分偏聚

表面偏聚---合金的表面成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。溶质原子在表面富集表面溶质原子减少（称为反偏聚）平衡偏聚非平衡偏聚---整个系统中温度和组元的化学位都是不变的，可以用平衡热力学来描述。---动力学过程的结果第31页，共112页，2023年，2月20日，星期三322.2固体表面的吸附吸附剂（adsorbent）：表面上发生吸附作用的固体。吸附质（adsorbate）：被吸附的气体等物质。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。吸收：被吸附物质深入到固体体相中。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）。吸附平衡第32页，共112页，2023年，2月20日，星期三332.2.1吸附现象1．固体表面上气体的吸附物理吸附化学吸附---仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等。---相当与吸附剂表面分子与吸附质分子发生了化学反应，在红外、紫外-可见光谱中会出现新的特征吸收带。第33页，共112页，2023年，2月20日，星期三34物理吸附和化学吸附第34页，共112页，2023年，2月20日，星期三35吸附热：在吸附过程中的热效应称为吸附热。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。吸附热的取号：吸附是放热过程，但是习惯把吸附热都取成正值。第35页，共112页，2023年，2月20日，星期三36化学吸附速率决定于以下几个因素气体分子对固体表面的碰撞频率；必须碰撞在表面上空着的活性点上；吸附活化能第36页，共112页，2023年，2月20日，星期三372.2.1吸附现象2．固体表面上液体的吸附（1）固体表面对液体中溶质和溶剂的吸附正吸附负吸附---吸附层内溶质的浓度比液体中原溶质的浓度大---吸附层内溶质的浓度比液体中原溶质的浓度小第37页，共112页，2023年，2月20日，星期三38（2）固体表面对液体吸附的规律性和影响因素1）使固体表面自由能降低得越多的物质，越容易被吸附。2）与固体表面极性相近的物质较易被吸附。3）与固体表面有相同性质或与固体表面晶格大小适当的离子较易被吸附。4）溶解度小或吸附后生成化合物的物质，较易被吸附。5）固体表面带电时，较易吸附反电性离子或易被极化的离子。6）固体表面污染程度对吸附有很大影响。第38页，共112页，2023年，2月20日，星期三397）液体表面张力对吸附有重要的影响。F固液=λ（1+cosθ）F固液---固-液吸附粘结力，λ液体的表面张力，θ为液-固接触角。8）被吸附物质的浓度对吸附的影响。9）温度对吸附的影响。吸附是放热过程，故温度升高，吸附量应减少。但有时，吸附量反而随温度升高而增加。第39页，共112页，2023年，2月20日，星期三403．固体表面之间的吸附条件：当两固体表面之间接近到表面力作用范围内（即原子间距范围内）时，固体表面之间产生吸附作用。如：将两根新拉制的玻璃丝相互接触，它们就会相互粘附。粘附功：粘附程度的大小。第40页，共112页，2023年，2月20日，星期三41

固体的粘附作用只有当固体断面很小并且很清洁时才能表现出来。

两个固体表面的吸附力受材料的变形能力大小，即弹性模量大小的影响。第41页，共112页，2023年，2月20日，星期三422.2.3表面吸附力物理吸附力化学吸附力---物理吸附：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。---化学吸附第42页，共112页，2023年，2月20日，星期三43

物理吸附力色散力诱导力取向力---分子相互靠拢时，它们的瞬时偶极矩之间会产生很弱的吸引力，这种吸引力成为色散力。---一个分子的电荷分布要受到其他分子电场的影响。---具有偶极而无附加极化作用的两个不同分子的电偶极矩间有静电相互作用，此作用力称之为取向力。第43页，共112页，2023年，2月20日，星期三44

化学吸附力吸附键---吸附质与吸附剂之间发生了电子的转移或共有，形成的化学键。吸附键的特点：

吸附质粒子仅与一个或少数几个吸附剂表面原子相键合；吸附键的强度依赖于表面的结构，在一定程度上与底物整体电子性质也有关系。第44页，共112页，2023年，2月20日，星期三45

表面吸附力的影响因素（1）吸附键性质会随温度的变化而变化物理吸附只发生在接近或低于被吸附物质所在压力下的沸点温度化学吸附发生的温度远高于沸点温度随温度的增加，被吸附分子中的键还会陆续断裂以不同形式吸附在表面上。第45页，共112页，2023年，2月20日，星期三46（2）吸附键断裂与压力变化的关系

固体表面加热到相同温度时，被吸附物压力的变化，脱附物发生变化。（3）表面不均匀性对表面键合力的影响

表面有阶梯和折皱等不均匀性存在，对表面化学键有明显的影响。（4）其他吸附物对吸附质键合的影响

吸附物质的相互作用而引起。第46页，共112页，2023年，2月20日，星期三472.2.4固体表面的吸附理论Langmuir吸附理论单分子层吸附理论假定：（1）吸附是单分子层的；（2）固体表面的吸附作用均匀；（3）被吸附的分子之间无横向相互作用；（4）吸附是一动态平衡。第47页，共112页，2023年，2月20日，星期三48吸附等温方程：第48页，共112页，2023年，2月20日，星期三49第49页，共112页，2023年，2月20日，星期三50Freundlich吸附等温方程Freundlich经验公式：式中，m为吸附剂的质量，常以g或kg表示；x为被吸附的气体量，常以mol、g或标准状况下的体积表示；r为单位质量吸附剂吸附的气体量；p为吸附平常时气体的压力；k和1/n是一个真分数，在0~1之间。第50页，共112页，2023年，2月20日，星期三51BET多分子层吸附理论观点：Brunauer、Emmett和Tellor接受Langmuir理论的假定（2）和（3），但认为吸附是多分子层的。第51页，共112页，2023年，2月20日，星期三52第52页，共112页，2023年，2月20日，星期三53表面化合物2.2.5固体表面的化学反应

当吸附物与固体表面的负电性相差较大，化学亲和力很强时，化学吸附会在表面上导致新相的生成，即称为表面化合物。

表面化合物的特点：一种二维化合物，不同于一般的化学吸附态，具有一定的化合比例，且随键合性质的不同表现不同性能；不同于体相的化合物，不仅化合比不同，化合物的性质也不同，而且通常的相图中也不存在。

表面化学反应---吸附物质与固体相互作用形成了一种新的化合物。第53页，共112页，2023年，2月20日，星期三542.3固体表面原子的扩散扩散平行表面的运动垂直表面向内部的扩散运动得到均质的、理想的表面强化层得到一定厚度的合金强化层

表面上的原子同样可以通过扩散从一个格位迁移到另一个格位。在一定温度下这个原子迁移距离

x2=2Dt第54页，共112页，2023年，2月20日，星期三552.3.1随机行走扩散理论与宏观扩散系数1.表面原子的扩散

指原子、离子、分子和小的原子簇等单个实体在物体表面上的运动。

这些单个实体通过热运动而活化，从而进行扩散。活化能原子热运动的不均匀性，随温度升高越来越多的表面原子得到足够的活化能而沿表面进行扩散运动。表面原子构造的特点，使得许多原子的能量本来就不一样，在台阶、位错等缺陷处，原子能量比其他地方的高。第55页，共112页，2023年，2月20日，星期三562.随机行走（RandomWalk）理论

假定原子运动方向是任意的，随机的，原子每次跳跃的距离是等长的，并等于最近的距离d。

式中，D为扩散系数，T为热力学温度，kB为Boltzmann常数，△Hm为扩散势垒的高度或迁移能；△Hf为吸附原子的生成能；为原子冲击势垒的频率，b为坐标的方向数；z为配位数。第56页，共112页，2023年，2月20日，星期三573.宏观扩散的扩散系数

实际表面上不是一个原子而是许多原子同时进行扩散。式中，D为扩散系数，Q为整个扩散过程中的活化能，D0为扩散常数，可在10-3～103cm/s一个很宽的范围里变动。第57页，共112页，2023年，2月20日，星期三582.3.2表面扩散定律图表面原子扩散模型Fick第二扩散定律的一维形式第58页，共112页，2023年，2月20日，星期三592.3.3表面的自扩散和多相扩散自扩散多相扩散在一个单组分的基底上同种原子的表面扩散在表面上其他种吸附原子的扩散扩散本征扩散系数传质扩散系数扩散系数不包括缺陷生成能的扩散系数包括缺陷生成能的扩散系数第59页，共112页，2023年，2月20日，星期三60

摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。

摩擦两个接触的物体在相互运动过程中，表面之间所产生的阻碍运动的效应；

磨损由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；

润滑减轻摩擦和磨损所应采取的措施。

关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。2.4摩擦、磨损与润滑

第60页，共112页，2023年，2月20日，星期三61

世界上使用的能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦。机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的。减少摩擦节省能源；减少磨损降低设备维修次数和费用，节省制造零件及其所需材料的费用。第61页，共112页，2023年，2月20日，星期三622.4.1摩擦摩擦的定义

摩擦不仅会使材料磨耗，而且还会发热，导致接触表面瞬时温度升高，降低工件的机械效率，加重材料磨耗，故生产中总是力图减少摩擦，降低摩擦系数。只有某些情况才需增大摩擦力，如车辆制动器、摩擦离合器等。摩擦---两个接触的物体在相互运动过程中，表面之间所产生的阻碍运动的效应。第62页，共112页，2023年，2月20日，星期三63

摩擦的大小一般用摩擦系数μ来表示，其值等于摩擦力F（切向力）与法向力N（载荷）的比值，即μ=F/N

摩擦力---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的趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力，这一阻力称为摩擦力。

μ有动静区分，μ静＞μ动。第63页，共112页，2023年，2月20日，星期三64摩擦的分类

按摩擦副的运动状态分类静摩擦动摩擦----仅有相对运动趋势时的摩擦----在相对运动进行中的摩擦第64页，共112页，2023年，2月20日，星期三65

按摩擦副的运动形式分类滑动摩擦滚动摩擦—物体表面间的运动形式是相对滑动—物体表面间的运动形式是相对滚动第65页，共112页，2023年，2月20日，星期三66

按发生部位分类内摩擦外摩擦—在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象—在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。第66页，共112页，2023年，2月20日，星期三67

按摩擦副表面的润滑状况分类纯净摩擦—摩擦表面没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦干摩擦（无润滑摩擦）—在大气条件下，摩擦表面之间名义上没有润滑剂存在时的摩擦边界润滑摩擦—摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在的摩擦流体润滑摩擦—相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩擦固体润滑摩擦—相对运动的两物体表面间有固体润滑存在时的摩擦混合摩擦—介于上述各摩擦之间，即接触表面间同时出现干摩擦、边界摩擦、流体润滑摩擦和固体润滑摩擦的一种混合摩擦状态。生产实际中最常见的一种摩擦状态。第67页，共112页，2023年，2月20日，星期三68

按摩擦副所处的工况条件分类正常摩擦—机械设备的摩擦副在正常温度、压力、速度等工况条件下的摩擦特殊工况条件下的摩擦—摩擦副处于高速、高温、低温等特殊环境条件下工作时产生的摩擦第68页，共112页，2023年，2月20日，星期三69摩擦的机理“机械说”—摩擦原因是表面微凸体的相互阻碍作用；“分子说”—摩擦原因是表面材料分子间的吸力作用；“机械-分子说”—两种作用均有第69页，共112页，2023年，2月20日，星期三70摩擦理论图粘着理论示意图

粘着理论第70页，共112页，2023年，2月20日，星期三71大量的试验表明，工程表面的实际接触面积约为名义接触面积的10-2～10-3，这样接触区压力很高，使材料发生塑性变形，表面污染膜遭到破坏，从而使基体金属发生粘着现象，形成冷焊结点（如图a所示）。当发生滑动时，必须先将结点剪断（如图b所示），同时，当较硬的凸峰在较软的材料上滑过时，将切出沟纹（即犁刨作用），从而相对滑动时的摩擦力为上述两种因素所形成的阻力之和。由于后者相对来说较小，故可忽略。第71页，共112页，2023年，2月20日，星期三72影响摩擦的因素1.材料性能---当摩擦副是同一种金属或是非常类似的金属，或这两种金属有可能形成固溶合金时，则摩擦较严重。2.接点长大第72页，共112页，2023年，2月20日，星期三733.摩擦环境摩擦状况摩擦系数干摩擦相同金属：

黄铜-黄铜；青铜-青铜

异种金属：

铜铅合金-钢

巴氏合金-钢

非金属：

橡胶-其他材料

聚四氟乙烯-其他材料0.8～1.50.15～0.30.15～0.3

0.6～1.90.04～0.12固体润滑石墨-二硫化钼润滑铅膜润滑0.06～0.200.08～0.20边界润滑矿物油湿润表面加油性添加剂的油润滑：钢-钢；尼龙-钢尼龙-尼龙0.15～0.300.05～0.100.10～0.20流体润滑液体动力润滑液体静力润滑0.08～0.20<0.001

(与设计参数有关)滚动摩擦滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。球和圆柱滚子轴承的摩擦大体与液体动力润滑相近，其它滚子轴承则稍大表不同摩擦状态下的摩擦系数（大致值）第73页，共112页，2023年，2月20日，星期三742.4.2磨损磨损的定义

磨损（Wear）---由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移的现象称为磨损。

磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。磨损是发生在材料表面的局部变形与断裂，这种变形与断裂是反复进行的，具有动态特征。这种动态特征的另一标志是材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态。所以由常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映出材料耐磨性的优劣。第74页，共112页，2023年，2月20日，星期三75

材料的磨损除主要由力学因素引起外，在整个过程中材料还将发生一系列物理、化学状态的变化。如因表面材料的塑性变形引起的形变硬化及应力分布的改变，因摩擦热引起的二次相变淬火、回火及回复再结晶，因外部介质产生的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的耐磨性能。第75页，共112页，2023年，2月20日，星期三76

机件正常运行的磨损过程如图所示，一般分为3个阶段，曲线上各点斜率即为磨损速率。图磨损量与时间的关系示意图（磨损曲线）第76页，共112页，2023年，2月20日，星期三77(1)跑合(磨合)阶段。该阶段随着表面被磨平，实际接触面积不断增大，表层应变硬化，磨损速率不断减小。表面形成牢固的氧化膜，也降低了该段的磨损速率。(3)剧烈磨损阶段。随磨损过程的增长，磨耗增加，摩擦副接触表面间隙增大，机件表面质量恶化，润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损重新加剧，机件快速失效。(2)稳定磨损阶段。该段的斜率就是磨损速率，为一稳定值。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的。大多数工件均在此阶段服役，磨合得越好，该段磨损速率就越低。第77页，共112页，2023年，2月20日，星期三78磨损的分类粘着磨损（AdhesiveWear）磨料磨损（AbrasiveeWear）表面疲劳磨损（SurfaceFatigueWear）腐蚀磨损（CorrosiveWear）

磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据不同磨损机理，分为四个主要类别：第78页，共112页，2023年，2月20日，星期三79粘着磨损（AdhesiveWear）(又称咬合磨损)定义---是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。

粘着磨损是因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损，多发生在摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大的滑动摩擦条件下。其磨损表面特征是机件表面有大小不等的结疤。第79页，共112页，2023年，2月20日，星期三80

粘着磨损的过程就是粘着点不断形成又不断被损坏并脱落的过程。图Al-Sn合金轴瓦的粘着磨损第80页，共112页，2023年，2月20日，星期三81根据摩擦表面的破坏程度，常把粘着磨损分为：1）轻微磨损2）涂抹3）擦伤（胶合或咬合）4）撕脱（或咬焊）5）咬死第81页，共112页，2023年，2月20日，星期三821）轻微磨损：

往往出现在摩擦初期的比较洁净的金属表面上，这种磨损是正常的，利用这种磨损使机器达到正常跑合的目的。

轻微磨损的程度决定于载荷和速度。因此在跑合阶段要特别注意选择适当的跑合规范，也就是选择适当的载荷、速度、跑合时间等参数，使跑合时间尽可能地缩短而又不会在表面上产生擦伤现象。第82页，共112页，2023年，2月20日，星期三832）涂抹：

金属从一个表面离开，并以很薄的一层堆积在另一个表面上的现象，称为涂抹。

一般是较软的金属涂抹在较硬的金属表面上。

增加滑动面的油膜厚度、减小表面粗糙度的幅值和斜率，都可以减轻涂抹的产生。第83页，共112页，2023年，2月20日，星期三843）擦伤：

沿滑动方向产生细小抓痕的现象，称为擦伤。

擦伤产生的条件：有较硬的凸峰（或较硬的颗粒），且在表面之间有相对滑动。4）划伤：

在滑动表面之间，局部产生固相焊合时，沿滑动方向形成较严重的抓痕的现象。第84页，共112页，2023年，2月20日，星期三855）胶合：

在滑动表面之间，由于固相焊合产生局部破坏，但尚未出现局部焊熔的现象。焊合---指固体表面直接接触时的粘着，在任何温度下都可能产生。包括：冷焊和熔焊。胶合产生原因：流体动压润滑油膜的破裂；边界润滑油膜的破裂；表面局部瞬时闪发温度升高。6）咬死—是胶合最严重的表现形式

由于界面的摩擦使相对运动停止的现象。第85页，共112页，2023年，2月20日，星期三86磨料磨损（AbrasiveeWear）

(又称磨粒磨损或研磨磨损)

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。依据磨粒受的应力大小，磨粒磨损可分为凿削式、高应力碾碎式、低应力擦伤式3类。第86页，共112页，2023年，2月20日，星期三87

磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽，如图所示。沟槽可能是因磨粒对摩擦表面产生的微切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的，或是它们综合作用的结果。图磨粒磨损表面形貌第87页，共112页，2023年，2月20日，星期三88表面疲劳磨损（SurfaceFatigueWear）（又称为接触疲劳磨损）

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。第88页，共112页，2023年，2月20日，星期三89

表面疲劳磨损的宏观形态特征是：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑(麻坑)，有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹，如图所示。图表面疲劳磨损的表面形貌第89页，共112页，2023年，2月20日，星期三90腐蚀磨损（CorrosiveWear）---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，腐蚀可在没有摩擦的条件下形成，而相对运动消除了化学反应的生成物，接着表面又受到腐蚀，如此不断反复。第90页，共112页，2023年，2月20日，星期三91氧化磨损特殊介质腐蚀磨损气蚀浸蚀磨损微动磨损腐蚀磨损有以下几种类型：：在摩擦过程中，金属的摩擦表面受空气或润滑剂中的氧作用形成氧化膜而发生磨损。：在摩擦过程中，摩擦副表面与各种液体介质（酸、碱、盐等）发生作用，生成各种化学产物，并在摩擦过程中不断去除，这种磨损称为特殊介质腐蚀磨损。：在液体中的气蚀现象而产生的一种磨损。：两个表面由于振幅很小的相对运动而产生的磨损现象。第91页，共112页，2023年，2月20日，星期三92磨损过程中摩擦表面的变化表面微裂纹的生成及其破坏作用化学反应过程---在磨损过程中，磨损过的新鲜材料表面会与空气和周围介质形成化合物薄膜。润滑剂的作用---润滑剂对摩擦与磨损有很大影响，很多情况下，润滑剂决定着磨损的程度。摩擦表面间材料的转移---摩擦过程中，材料会从一个材料表面转移到另一个材料表面，通常是塑性大的材料由于粘着作用而转移到较硬的材料表面而发生磨损。相反，有时由于材料转移的结果会增大摩擦副的实际接触面积，使摩擦副有较高的耐磨性。

摩擦过程中，两个物体的表面微凸体相互接触处会发生弹性变形或塑性变形过程，此过程将伴随着一连串的物理、化学及机械性能的变化。第92页，共112页，2023年，2月20日，星期三93影响磨损的因素载荷---随载荷增加，摩擦副表面实际接触面积增大，从而摩擦力增大，摩擦热增加，使材料表面损伤加速速度---若滑动速度增加未引起摩擦表面温度的激增，则随滑动速度增加，摩擦时间减少，材料来不及变形，从而使磨损量减少。若滑动速度增加使摩擦副表面急剧升温而软化，则会加剧接触表面的粘着倾向，使粘着磨损增加。磨损种类不同，影响因素也不同，一般来说，影响因素有以下几种(1)服役条件的影响第93页，共112页，2023年，2月20日，星期三94表面粗糙度---一般情况下，表面越粗糙，摩擦阻力越大，摩擦系数也越大，磨损就愈严重。但表面太光滑又会使基础面积增加和表面的储油能力下降，从而使磨损增加。表面污染层与润滑膜---材料表面所吸附的表面污染层，在摩擦过程中可降低接触表面间的粘着倾向，起到减磨润滑作用。但是，若污染层中含有硬颗粒时，则会使磨料磨损加剧。温度---随温度升高，材料表面的硬度降低，使实际接触面积增加，导致粘着磨损倾向上升，当温度升高到一定程度后，将使基础表面局部熔化焊合，使粘着磨损急剧增加。同时，温度升高导致摩擦副表面间润滑油氧化甚至失效，也会加剧磨损。第94页，共112页，2023年，2月20日，星期三95(2)材料本身性质的影响材料的机械性能---硬度对耐磨性有很多影响。一般来说，硬度越高，耐磨性越好。塑性与韧性对硬脆材料的耐磨性影响较大。硬脆材料在磨损过程中，表层容易萌生裂纹并扩展，从而导致表层剥离，若提高材料的塑性与韧性，将增加材料阻止裂纹扩展的能力，可明显提高耐磨性。第95页，共112页，2023年，2月20日，星期三96化学成分和组织结构的影响---材料的化学成分对磨损有较大影响。对钢材而言，原子半径小的元素，如：碳、氮、磷、硼等，以间隙固溶的形式存在于钢中，使钢的硬度增加，从而提高耐磨性。材料的组织结构对磨损有较大的影响。在摩擦过程中，两种金属材料的互溶性越好，粘着磨损的倾向越大，两种材料差别越大，则它们之间的粘着磨损倾向越小。若选择同种材料做摩擦副，则在摩擦中会产生强烈的粘着磨损。第96页，共112页，2023年，2月20日，星期三97

磨损的评定常用的评定方法有：磨损量、磨损率和耐磨性磨损量长度磨损量Wl：磨损过程中零件表面尺寸的改变量体积磨损量Wv

：磨损过程中零件体积的改变量质量磨损量Wm：磨损过程中零件质量的改变量磨损量：单位时间的磨损量、单位摩擦距离的磨损量。相对耐磨性：两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的比值。第97页，共112页，2023年，2月20日，星期三98

磨损量愈小，耐磨性愈高。磨损量的测量有称重法和尺寸法两种。称重法是用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化确定磨损量。尺寸法是根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。

常用磨损量的倒数或用相对耐磨性(ε)表征材料的耐磨性。即相对耐磨性的倒数亦称磨损系数。第98页，共112页，2023年，2月20日，星期三99

提高材料耐磨性的途径一、减轻粘着磨损的主要措施(1)合理选择摩擦副材料。尽量选择互溶性少，粘着倾向小的材料配对，如非同种或晶格类型、电子密度、电化学性质相差甚远的多相或化合物材料；强度高不易塑变的材料。

(2)避免或阻止两摩擦副间直接接触。增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力；降低接触表面粗糙度，改善表面润滑条件等。第99页，共112页，2023年，2月20日，星期三100(3)为使磨屑多沿接触面剥落，以降低磨损量，可采用表面渗疏、渗磷、渗氮等表面处理工艺，在材料表面形成一层化合物层或非金属层，既降低接触层原子间结合力，减少摩擦系数，又避免直接接触。为使磨损发生在较软方材料表层，可采用渗碳、掺氮共渗、碳氮硼三元共渗等工艺以提高另一方的硬度。第100页，共112页，2023年，2月20日，星期三101二、减轻磨粒磨损的主要措施(1)若是低应力磨粒磨损，则应设法提高表面硬度。选用含碳量较高，并经热处理获得马氏体组织的材料。

(2)若遇重载荷，甚至大冲击载荷下磨损，则基体材料组织最好是高硬度、良好韧性的贝氏体。

(3)就合金钢而言，控制和改变碳化物数量、分布、形态对提高抗磨粒磨损能力起着决定性影响。

(4)对于经渗碳、碳氮共渗等提高表面硬度的机件，应经常对机件、润滑油进行防尘、过滤，以减轻磨粒磨损量。第101页，共112页，2023年，2月20日，星期三102二、减轻磨粒磨损的主要措施(5)确定材料硬度时，应以Hm＝1.3Ha(Hm为摩擦副材料硬度，Ha为磨粒硬度)为依据。硬度相同时，钢中含碳量越高，形成的碳化物越多，就具有越高的抗磨粒磨损能力。

(6)值得提及的是具有单相组织的高锰钢[w(C)＝1.0％-