课件表面工程修订稿

表面工程讲稿第二章表面工程技术理论基础序2.1表面晶体学基础2.2表面能与表面张力2.3表面力2.4表面吸附与偏析2.5固体表面的吸附理论2.6固体表面的润湿2.7表面动力学2.8表面电子学2.1表面晶体学基础2.1.1理想表面结构2.1.2清洁表面结构2.1.3实际表面结构2.1.4典型固体表面和界面2.1.5几种重要材料的表面晶体结构

表面表面：一种凝聚态物质与另外的物质（状态）或者真空之间的过渡区域，一般由一个或者几个原子层组成（0.5~10nm）.对于晶体，表面所包括的所有原子层不具备体相晶体结构的三维周期性。表面分为理想表面、清洁表面（含洁净表面）、实际表面等。常见的界面气-液界面气-固界面

液-液界面

固-固界面固体的表面材料均具有表面，材料的制备及使用过程发生的各种物理化学变化，都是从材料的表面向材料内部逐渐进行的，这些过程的进行都依赖于材料的表面结构与性质。固体表面相与其体相内部的组成和结构有所不同，同时还存在各种类型的缺陷以及弹性形变等，这些都将对固体表面的性质产生很大影响。固体表面与界面的区别：表面：一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界面。界面：一相与另一相(结构不同)接触的分界面。相界面：相邻相之间的交界面。一般有三类：固-固、固-液、固-气。固气界面：实际上由固态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层（0.5～10nm）组成，是固体凝聚态对气体或真空的一种过渡区域。固液界面：是一种凝聚态物质向另一种凝聚态物质的过渡区域。表面所包括的所有原子层不具备体相的三维周期性，但晶面上的大部分原子的排列还是有序的，具备二维周期性。2.1.1理想表面结构二维晶格的周期性与对称性理想表面：理想化的表面。想象为无限晶体被分成两个表面，且表面上的原子位置和电子密度都和原来的一样。获得：难！固体表面种类理想表面清洁、洁净表面吸附表面理想表面定义：理论上近似地假设除了固-气界面的几何限制外，而系统不发生任何变化的表面。

d内部表面理想表面示意图理想表面理想表面是忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断、表面原子的热运动、热扩散、热缺陷及外界对表面的物理－化学作用等的影响的表面。其周期性与理想晶体完全一样。从晶态物质基础看，固体材料的理想表面就是一种理论上认为的结构完整的二维点阵平面。二维点阵是点在平面上按某一规则的周期排列，围绕每一个点的环境和围绕每一个其它点的环境是相同的。理想表面：表面上的原子仍保持解理前的三维周期结构。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。从晶态物质基础看，固体材料的理想表面就是一种理论上认为的结构完整的二维点阵平面。二维点阵是点在平面上按某一规则的周期排列，围绕每一个点的环境和围绕每一个其它点的环境是相同的。这种表面可用二维晶格结构来描述，它存在5种布喇菲格子，9种点群和17种二维空间群。如下图示。表1二维布喇菲格子二维点阵点群及空间群点阵符号点群符号空间群符号序号全称简称斜方P12P1P211P1P212正交PC1mP1m1P1g1C1m1PmPgCm3452mmP2mmP2mgP2ggC2mmPmmPmgPggCmm6789正方P4P4P410正方P4mmP4mmP4gmP4mP4g1112六角P33m66mmP3P3m1P3m1P6P6mmP3P3m1P3m1P6P61.2洁净表面和清洁表面清洁表面结构也可以细分为洁净度较高，接近于理想表面的洁净表面结构，以及洁净度较低的工业清洁表面结构。很多时候二个概念通用。洁净表面：表层原子结构的周期性不同于体内，但成分和体内相同；无污染但允许有吸附物。获得：较难！清洁表面：零件经过清洗（脱脂、浸蚀等）以后的表面。获得：较容易！洁净表面结构洁净表面：指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。相对于受污染表面而言，一般地，当表面吸附物的摩尔分数在单分子覆盖层上为1%量级时，称为洁净表面。通常，必须在大约Pa及以下的超真空室内采用高温热处理、离子轰击退火、真空解理、场效应蒸发等方法才能实现。这种洁净表面也是很难获得的。洁净表面表层原子结构的周期性不同于体内，但成分和体内相同；无污染但允许有吸附物。只有用特殊的方法，如高温热处理、离子轰击加退火、真空解理、真空沉积、场致蒸发等才能得到清洁表面，同时还必须保持在1.33×10-10Pa的超高真空中。表面层

弛豫重构

偏析洁净表面上可能的结构：化学吸附化合物台阶迭层洁净表面的结构台阶弛豫偏析重构化合物化学吸附洁净表面的典型结构：表面弛豫：点阵常数在垂直方向发生明显变化。包括正弛豫和负弛豫。表面重构：水平方向的周期性不同与内部原子。表面台阶结构：TLK模型（教材图2－2）T（平台，Terrace）L（台阶，Ledge）K（扭折，Kink）模型迭层：由于其他原子进入晶体表面，而出现体内不存在的表面结构层。表面弛豫定义：当晶体的三维周期性在表面处突然中断，在表面上原子的配位情况发主了变化，并且在表面原子附近的电荷分布也有改变．使表面原子所处的力场与体内原子不同，因此．表面上的原子会发生相对位置的上下位移，以降低体系的能量。表面上原子的这种位移（压缩或膨胀）称为表面弛豫。

ds内部表面d0弛豫表面：由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移。例如：镍的（100）面的体相晶面间距是0.222nm，而表面层和下层原子面间距是0.178nm，收缩19.8%，（负弛豫）；铝（111）面的体相晶面间距是0.233nm，而面间距是0.241nm，膨胀3.4%，（正弛豫）。表面弛豫表面弛豫现象表现在晶体结构基本相同，但点阵参数略有差异，特别是在表面及其下少数几个原子层间距的变化上。因此：表面弛豫的最明显处是表面第一层原子与第二层之间距离的变化；越深入体相，弛豫效应越弱，并且是迅速消失。表面重构定义：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置做了较大幅度的调整。特点：表面原子间距与晶体内原子间距不同如图示：

表面水平方向原子间距as与晶体内部原子间距a0不相同，但在垂直方向的层间距ds与体内相同晶面的间距d0是相同的。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间距d0与体内相同。d0内部表面d0表面重构重构表面：重构是指表面原子层重新排列，形成不同于体内的晶面。在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。最常见的表面重构有缺列型重构和重组型重构。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。表面重构能使表面结构发生质的变化，在许多情况下，重构在降低表面能方面比表面弛豫要有效的多。重构表面示意图台阶表面（表面台阶结构）定义：表面不是平面，由规则或不规则的台阶组成。如图示：

其中：T表示低晶面指数平台（Terrace）；L表示单分子或单原子高度的台阶（Ledge）；K表示单分子或单原子尺度的扭折（Kink）。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的表面所组成。[112][111][110](001)周期有序的台阶表面示意图TLK模型TLK表面形貌模型是根据小面化理论及对金属表面的实际观察后提出的。模型认为当表面与点阵致密面之间的位相差不太大的时候，表面将由平台（Terrace）、台阶（Ledge）和曲折（Kink）所构成，称为TLK模型。

根据表面自由能最小的原则，台面和台阶面一般都为低指数面，如（111）、（110）、（100）等。台面上的原子配位数比体内少，台阶上原子的配位数比台面少，扭折处原子的配位数更少，这些特殊位置的原子的价键具有不同程度的不饱和性。所以，台阶和扭折处容易成为晶体的生长点、优先吸附位置、催化反应活性中心、腐蚀反应起点。晶面1（平面）晶面3（连接面）晶面2（立面）台阶表面台阶表面实例吸附表面

定义：在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和/或来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。吸附表面可分为四种吸附位置：顶吸附、桥吸附、填充吸附、中心吸附吸附表面类型顶吸附桥吸附俯视图剖面图填充吸附中心吸附吸附和偏析：化学组分在表面区的变化，前者指气相中的原子或分子在气-固或液-固界面上的聚集，后者指溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。化学吸附偏析表面化合物清洁（洁净）表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内。表面组分与材料内部不同的原因：①原子表面的自行调整，原子排列情况与材料内部明显不同；②依靠表面的成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附，以及这两者相互作用而趋向稳定态。表面的成分金属的表面成分合金表面的成分化合物的表面成分（1）化合物半导体（2）氧化物（3）玻璃二元合金表面的富集元素合金Au-AgCu-NiAg-PdIn-PbAl-CuNi-PdAu-CuFe-CrAu-InPt-SnAu-Ni富集元素AgCuAgPbAlPdAuCrInSnAuSi/NaSi/CaSi/KSi/Al“老”的表面280900223刚制成的表面14045055晶体的平衡形状固体分子的活动性较小，每个晶面的表面自由能大小与该晶面上分子的排列有关。而较密实堆积的晶面表面自由能较低，晶体的外表面倾向于取此种类型的晶面数目多一些，而其它表面自由能较高的晶面相对少些。一个多面体的外表面总是由若干种原子排列不同的晶面组成的。因此，对固体而言，最致密的晶面有最低的表面能，以断裂等方式制造新的表面的时候，这些晶面也最容易出现在表面上。表面结构的小面化Chalmers,Moore,Mullins以及Mykura等人提出了小面化理论以阐明晶体实际表面的结构。小面化是指一个表面被分解成两个与点阵最密面平行的小面和一个连接面。小面化是否能进行，取决于小面化后表面能的总和是否有所降低。实际的表面缺陷小面化的表面主要是由平台、台阶、曲折所组成，但是晶体中的点缺陷以及吸附的异物原子会使平台变得凹凸不平，这是表面上最容易出现的最简单缺陷。表面上可能出现最多的显微缺陷是位错的露头。位错是晶体中存在的重要缺陷，密度一般是108/cm2，经过冷加工的金属位错可达1012/cm2。晶粒间界1）堆垛层错2）孪晶界面3）小角度晶界4）大角度晶界相界1）共格相界2）半共格相界3）非共格相界问题思考：假定武林中一位武功盖世的绝顶高手，手持一把削铁如泥的宝刀，猛力一刀将一块铁劈为两半，新出现的两个表面最可能是由铁的哪个晶面组成？如果被劈的是铜，新出现的两个表面又最可能是铜的哪个晶面？2.1.3实际表面结构表面的外形和表面粗糙度表面的组织表面的成分常见表面的特点1）理想表面：是指清洁的单晶表面，或是说由前述的平台、台阶、曲折及各种缺陷构成的表面。2）一般表面：一般是多晶体，在空气中易与氧发生作用生成氧化膜，而且也难免因油脂之类的物质吸附而造成污染。3）机械加工过的表面：机械加工过的表面都有一定的显微粗糙度，且表面的位错密度特别高。晶体表面结构表面力的存在使固体表面处于较高能量状态系统总会通过各种途径来降低这部分过剩的能量，这就导致表面质点的极化、变形、重排并引起原来晶格的畸变。对于不同结构的物质，其表面力的大小和影响不同，因而表面结构状态也会不同。威尔（Weyl）等人基于结晶化学原理，研究了晶体表面结构，认为晶体质点间的相互作用，键强是影响表面结构的重要因素，提出了晶体的表面双电层模型。固体表面的几何结构实验观测固体实际表面是不规则而粗糙的，存在着无数台阶、裂缝和凹凸不平的峰谷。这些不同的几何状态同样会对表面性质产生影响，其中最重要的是表面粗糙度和微裂纹。表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表面性质。表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度这种影响尤为重要。晶体表面结构实例表面离子受内部离子作用电子云变形离子重排表面能减少离子晶体表面的电子云变形和离子重排NaCl

晶体

晶体内部晶体表面0.281nm0.266nm0.020nmNaCl表面层中Na+向里；

Cl-向外移动并形成双电层粉体表面结构粉体在制备过程中，由于反复地破碎，不断形成新的表面。表面层离子的极化变形和重排使表面晶格畸变，有序性降低。因此，随着粒子的微细化，比表面增大，表面结构的有序程度受到愈来愈强烈的扰乱并不断向颗粒深部扩展，最后使粉体表面结构趋于无定形化或粒度极小的微晶结构。粉体性质组成粉体最小单位是初次(一次)颗粒。颗粒尺寸、颗粒形状、颗粒晶型、颗粒表面缺陷等都对整体性质有影响。颗粒常以团聚体形式发挥作用。团聚程度(尺寸及分布)、团聚体内颗粒结合强度等会影响粉体性质加工过程中，宏观尺度粉末集合体性质。比表面、包装密度、粉体堆积角度等影响粉体性质。表面效应随微粒尺寸减小，表面原子数比例增加。随微粒尺寸减小，表面能也迅速增加。超微粒子与纳米材料玻璃表面结构表面张力的存在，使玻璃表面组成与内部显著不同。在熔体转变为玻璃体的过程中，为了保持最小表面能，各成分将按其对表面自由能的贡献能力自发地转移和扩散。在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发组分自表面挥发损失。因此，即使是新鲜的玻璃表面，其化学成分、结构也会不同于内部。玻璃中的极化离子会对表面结构和性质产生影响。实际表面实际表面：实际的表面情况。由于表面原子的能量较高，一般会在表面吸附一层外来原子以降低表面的能量。除了吸附，为了降低体系的能量还可能发生驰豫、表面化学组成变化以及表面相转变。一般零件在机加工后，表面都会覆盖一层氧化物，清洁表面时需除去这层氧化物。实际表面定义：指暴露于大气环境中的固体表面，或经过一定加工处理（诸如清洗、抛光、研磨、切割等）保持在常温常压或低真空或高温下的表面。

与清洁表面相比，实际表面有以下几个特点：①表面粗糙度②贝尔比层和残余应力③表面氧化、吸附和沾污典型固体界面基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面。例如，在外力作用下加工形成的表面。基于固相组织或晶体结构差异形成的界面：微观组织差异，宏观成分无区别。如珠光体。基于固相宏观成分差异形成的界面：

1)冶金结合界面：激光融覆、焊接；

2）扩散结合界面：热扩散；

3）外延生长界面：CVD、电镀；还有化学键结合、分子键结合、机械结合界面等。表面氧化、吸附和沾污

贝尔比层和残余应力贝尔比（Beilby）层是一种在固体材料表层5~10nm厚度形成的一层因晶格畸变等原因而产生的一种非晶态层，其成分为金属和它的氧化物，其性能与体内明显不同。由于贝尔比层是非晶态层，因此具有较高的耐磨性和耐蚀性，这一点在机械工程上可以利用，但是在其它情况下，贝尔比层又是有害的。例如：在硅的外延生长上，在氧化、扩散前，必须用腐蚀法把贝尔比层去除，否则，会感生出位错、层错等缺陷，这会对器件性能产生极其有害的影响。残余应力是材料加工、处理后普遍存在的，它同样影响着材料的各种性能。表面粗糙度

表面粗糙度是指零件加工表面具有的较小间距和峰谷所形成的微观几何形状误差。其两波峰和波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下）。

表面粗糙度，是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度不包括由机床几何精度力面的误差等所引起的表面宏观几何形状误差(如直线度、平面度和圆柱度等)，也不包括加工过程中由机床、刀具、工具系统的松弛振动等所引起的介于宏观和微观几何形状之间的波度。形状误差、表面波度和表面粗糙度三者之间只有分级的不同，而没有原则上的区别。三者经常是按两波峰与两波谷之间的距离(即波距)的大小来区分的。波距小于1mm并呈周期性变化的，属于表面粗糙度范围；波距在1-10mm之间并呈周期性变化的，属于表面波度范围；波距在10mm以上，不呈周期性变化的，属于表面形状误差的范围。表面粗糙度形成的原因

主要有：1）加工过程中的刀痕；2）切削分离时的塑性变形；3）刀具与已加工表面间的摩擦；4）工艺系统的高频振动。表面粗糙度产生的原因1加工过程中的刀痕2切削分离时的塑性变形3刀具与已加工表面间的摩擦4工艺系统的高频振动表面的外形和表面粗糙度1）表面粗糙度的主要参数（1）轮廓算术平均偏差Ra

（2）微观不平整十点高度Rz

（3）轮廓最大高度Ry

2）表面粗糙系数R在机械加工过程中，工件表面粗糙度的大小，是衡量工件表面质量的重要标志，对机械零件的使用性能具有很大的影响。工件表面粗糙度越小，表面越光滑。但并不是表面越光滑越好。表面粗糙度的符号表面粗糙度的代号表面粗糙度的标注示例和意义评定参数

国家规定表面粗糙度的参数由高度参数、间距参数和综合参数组成。表面粗糙度高度参数共有三个：（1）轮廓算术平均偏差Ra在取样长度L内，轮廓偏距绝对值的算术平均值。（2）微观不平度十点高度Rz在取样长度L内五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和。（3）轮廓最大高度Ry在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。

表面粗糙度间距参数共有两个：（4）轮廓单峰平均间距S两相邻轮廓单峰的最高点在中线上的投影长度Si，称为轮廓单峰间距，在取样长度L内，轮廓单峰间距的平均值，就是轮廓单峰平均间距。（5）轮廓微观不平度的平均间距Sm含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度Smi，称轮廓微观不平间距。表面粗糙度综合参数：（6）轮廓支承长度率tp轮廓支承长度率就是轮廓支承长度np与取样长度L之比。1）轮廓算术平均偏差Ra：是指在取样长度l内，轮廓偏距绝对值的算术平均值，如下图所示。其值为：或近似为：表面粗糙度的评定参数1：高度特征参数2）轮廓的最大高度Rz：在取样长度l内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离，一般为五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和。如下图所示。表面粗糙度的评定参数2：间距特征参数反映零件表面加工的细密程度，有密封功能要求的表面要使用这两个参数。1）轮廓的单峰平均间距S：取样长度l内轮廓的单峰间距Si平均值。

单峰间距Si：两相邻轮廓单峰最高点在基准上的投影间距。

2）轮廓微观不平度的平均间距Sm：取样长度l内轮廓微观不平度的间距Smi的平均值：Sm=（1/n）ΣSmi微观不平度的间距Smi：含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段基准线长度。表面粗糙度的评定参数3：形状特征参数反映零件表面耐磨性的指标。轮廓支承长度率tp：支撑长度（取样长度内bi之和）与取样长度的比值。tp=ηp/lbi：一平行于基准线的线与轮廓相截得到的截线长度。表面粗糙度参数的选择1）如无特殊要求，一般仅选用高度参数。推荐优先选用Ra值，因为Ra能充分反映零件表面轮廓的特征；2）对某些不可以出现较大加工痕迹和受交变应力的表面，应选用Ra和Rz联用；3）当测量面积很小时，如顶尖、刀具的刃部、仪表的小元件的表面，可选用Rz值。表面粗糙度的评定基准1）取样长度：用于判别具有表面粗糙度特征的一段基准线长度。取样长度应根据零件实际表面的形成情况及纹理特征，选取能反映表面粗糙度特征的那一段长度，量取取样长度时应根据实际表面轮廓的总的走向进行。轮廓线存在表面波纹度和形状误差，当选取的取样长度不同时得到的高度值是不同的。规定和选择取样长度是为了限制和减弱表面波纹度对表面粗糙度的测量结果的影响。2）评定长度：Gp评定轮廓所必须的一段长度，它可包括一个或几个取样长度。由于零件表面各部分的表面粗糙度不一定很均匀，在一个取样长度上往往不能合理地反映某一表面粗糙度特征，故需在表面上取几个取样长度来评定表面粗糙度。不同粗糙度的取样长度和评度长度参数及数值L(mm)La(La=5l)mmRaRz≥0.008-0.02≥0.025-0.10.080.4＞0.02-0.1＞0.1-0.50.251.25＞0.1-2.0＞0.5-10.00.84.0＞2.0-10.0＞10.0-50.02.512.5＞10.-80.0＞50-3208.040.03）基准线：用以评定表面粗糙度参数给定的线，是表面粗糙度二维评定的基准。基准线有下列两种:①轮廓的最小二乘中线:具有几何轮廓形状并划分轮廓的基准线，在取样长度内使轮廓线上各点的轮廓偏距的平方和为最小。②轮廓的算术平均中线:具有几何轮廓形状在取样长度内与轮廓走向一致的基准线。表面粗糙度的影响主要表现在以下方面：1）影响零件的耐磨性；2）影响机器和仪器的工作精度；3）影响配合性质；4）对零件强度造成影响；5）影响零件耐腐蚀性；表面粗糙度对零件使用性能的影响表面粗糙度影响零件的耐磨性。表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快。表面粗糙度影响配合性质的稳定性。对间隙配合来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了联结强度。表面粗糙度影响零件的疲劳强度。粗糙零件的表面存在较大的波谷，它们像尖角缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度。表面粗糙度影响零件的抗腐蚀性。粗糙的表面，易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层，造成表面腐蚀。表面粗糙度影响零件的密封性。粗糙的表面之间无法严密地贴合，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。表面粗糙度影响零件的接触刚度。接触刚度是零件结合面在外力作用下，抵抗接触变形的能力。机器的刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度。影响零件的测量精度。零件被测表面和测量工具测量面的表面粗糙度都会直接影响测量的精度，尤其是在精密测量时。此外，表面粗糙度对零件的镀涂层、导热性和接触电阻、反射能力和辐射性能、液体和气体流动的阻力、导体表面电流的流通等都会有不同程度的影响。如何降低表面粗糙度（1）（2）（3）（4）选用好的刀具合理使用加工参数合理使用切削液影响工件表面质量的其他因素机械加工方法的表面粗糙度表面特征表面粗糙度加工方法举例明显可见刀痕Ra100粗车、粗刨、粗铣、钻孔微见刀痕Ra12.5精车、精刨、精铣、粗铰、粗磨看不见加工痕迹，微辩加工方向Ra1.6精车、精磨、精铰、研磨暗光泽面Ra0.2研磨、珩磨、超精磨、抛光机械加工面的表面粗糙度Ra加工方法Ra(10-6cm)摩擦2～25珩磨10～50拉拔40～400压铸25～400研磨50～250磨削300～600粗糙度的测量方法

按照是否接触，分为接触测量法和非接触测量法；按照测量的精确程度，分为定性测量法和定量测量法；按照采用的基准不同，分为基准线测量法和基准面测量法等。下面几种方法是比较常用比较基本的方法：干涉法干涉法是利用光波干涉原理来测量表面粗糙度。针描法针描法是利用触针直接在被测表面上轻轻划过，从而测出表面粗糙度的Ra值。比较法比较法是车间常用的方法。将被测表面对照粗糙度样板，用肉眼判断或借助于放大镜、比较显微镜比较；也可用手摸，指甲划动的感觉来判断被加工表面的粗糙度。此法一般用于粗糙度参数较大的近似评定。光切法光切法是利用"光切原理"来测量表面粗糙度。表面粗糙度的测量方法常用材料的比表面和粗糙系数材料加工条件测试气体比表面(m2/g)粗糙系数纯铁1000℃烧氢,210金刚砂抛光,苯去脂,2号金刚砂抛光,苯去脂C2H6C2H6Kr1.223.43.8铁膜Kr22.660铝箔板材抛光阳极氧化层,厚20μmKrKrKr61.6200-900铂箔,光亮酸洗、火焰加热镀铂KrKrKr

4.52.23.3183铂膜Kr7镍抛光,新抛光,旧Kr9.7镍膜Kr4.39钴膜Kr4.910钽膜Kr24.238钨膜Kr39.240钛膜Kr13.615表面粗糙度的应用原则1）工作表面比非工作表面的粗糙度数值要小；2）摩擦表面比非摩擦表面的粗糙度数值小。摩擦表面的摩擦速度越高，所受的单位压力越大，则应越高；滚动摩擦表面比滑动摩擦表面要求粗糙度数值小；3）对间隙配合，配合间隙越小，粗糙度数值应越小；对过盈配合，为保证连接强度的牢固可靠，载荷越大，要求粗糙度值越小；4）配合表面的粗糙的值应与其尺寸精度要求相当。2.2表面能与表面张力2.2.1表面能的概念2.2.2液体的表面张力2.2.3液体的表面自由能2.2.4固体的表面张力和表面自由能1)表面能表面能：表面所具有的内能。包括表面原子的动能，原子间的位能和原子中原子核及电子的动能和势能等。新表面的出现会伴随表面能的产生，外界对物体做功，该功转化为新生表面的表面能和表面自由能。例：切菜、劈柴。实际上表面的内能的绝对值是无法测量的，可以测量到的仅是当物质状态发生改变时，其内能的改变量△U，按热力学第一定律：

△

U＝Q十W表面可以认为是体相沿某个方向劈开造成的，由于表面的形成使体相状态发生了改变，因此内能产生△U的改变。但通常并不是用内能的变化量△U来描述表面能．而是用表面自由能增量△F来描述表面能的大小。

△F＝△U-T△S显然，实际的表面能△U要比△

F大一个熵热值。又因为我们接触的大部分表面是处于等温等压的环境下，因此，一般采用自由焓△G。[△G＝△F+△(PV)]而对于固体和液体，由于等温等压下体积几乎无变化，自由焓△G也可用表面自由能增量△F表示。为什么表面的出现会伴随表面能的产生呢？不论液体还是固体，从无表面到生成一个表面，必须依靠环境对其做功，该功即转变为表面能或表面自由能。下面以面心立方晶格金属的表面形成为例来说明设两个原子间的键能为Ua，则制造表面时每断一根键，该原子的能量将增加Ua/2，切断4根键增加能量2Ua，这种能量的增加称为断键功。显然断键功不仅与原子的内聚功有关，也与表面上的原子取向有关。当表面为(111)面时，断键功是1.5Ua，为(110)面时为2.5Ua。通过断键功劈开的新表面，每个原于并不是都原封不动地保留在原来的位置上，由于键合力的变化必然会通过弛豫等重新组合，因而消耗掉一部分能量，称为松弛能。严格讲表面能应等于断键功和松弛能之和，但是由于松弛能一般都很小，仅占其中的2％一6％，因此，也可近似用断键功表示表面自由能的大小。2)表面张力表面张力：单位面积上的表面能，是由原子间的作用力以及原子在表面和内部的排列状态的差别引起的。物质的表面具有表面张力σ在恒温恒压下可逆地增大表面积dA，则需功G=σdA，因为所需的功等于物系自由能的增加，且这一增加是由于物系的表面积增大所致，故称G为表面能或表面自由能。单位J/m2。温度是调节表面张力的最好方法。液体内部分子所受的力可以彼此抵消，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小(因为气相密度低)，所以表面分子受到被拉入内部的趋势；对于固体，也同样会这样。这种趋势会使表面自动收缩到最小，最终使表面吉布斯函数下降。分子力：在液体內部的分子之间，彼此互相吸引力。分子力和分子所带电荷的大小与分布，及分子之间的距利有关，当距离增大时，分子力迅速地减弱。在液体內部的分子所受的合力为零，但在液体表面层內的分子则受到向下的力，因此使液面向內收缩。当液体的表面积增大时，液体內部的分子会上升来填补，所以液体表面分子之间的距离保持不变。液体所受的表面张力，其作用方向垂直于边界。液体的表面层受到来自其下方分子力的吸引而向内收缩，如同张紧的弹性皮肤，在膜面上产生表面张力。表面张力的示意图接触角与表面张力接触角θ为在液体內部接触管壁的液面和管壁之间的夾角。接触角决定于液体的种类以及接触面的性质，F1为來自液体內部分子的內聚力，F2则为來自管壁分子的附着力。若，则接触角为锐角。若，则接触角为钝角。接触角分子力可分为內聚力：同类分子之间的吸引力。附着力：异类分子之间的吸引力。內聚力和附着力F1为來自液体內部分子的內聚力F2则为來自管壁分子的附着力。內聚力和附着力作用的实例表面张力的示范实验

橄榄油滴在同密度的水和酒精的混合液体中。由于表面张力的作用，油滴形成完美的球形。表面张力的示范实验

在圆形金属框上沾有肥皂泡沫，若将膜面中棉线圈内部的泡沫戳破，则棉线圈将被液体的表面张力拉成圆形。液体的表面张力σ由于表面层分子受到内部分子的吸引，它们都趋向于挤入液体内部，以使液体表面层尽量缩小，结果在表面的切线方向上便有一种缩小表面积的力作用着。上图的现象说明，这种作用力是沿着液面和液面相切、使液面缩小的一种力。如果液面是水平的，这种作用力也是水平的；如果液面是弯曲的，那么这种作用力的方向就是这个曲面的切线方向；液体表面的这种作用力被形象地称作表面张力。表面张力是施于液体表面单位长度上的力。表面张力的方向是与液体表面相切，其单位是N·m-1。液体表面自由能液体内部分子受到周围分子的吸引其合力为零，因而，分子在液体内部移动时．不需要消耗额外的能量。表面层分子则不然，它们受到一个垂直于液面指向液体内部的力，这个力力图将表面分子拉入液体内部，从而使液体表面具有自动收缩的趋势。因此．如要把液体分子从液体内部移到表面(增加表面积)，就必须克服指向液体内部的引力而做功。由热力学第二定律可知，在等温等压可逆过程中，外界对体系所作的最大非体积功等于体系自由焓的增加。即

δW可=dGT,P在上图中ABCD为液体膜，为了保持液体膜的稳定，必须外加一个与表面张力方向相反的力f。在等温等压下，若将AB可逆地移动一个距离△λ。这时液体膜的表面积增加了△A，同时环境消耗了功。根据力学原理，功等于力乘距离，外界所消耗的功为：

W=f△λ因为f=2σL,所以，W=2σL△λ

又因为：2L△λ=△A,所以W=σ△A

即：δW=σdA,再由热力学第二定律：

dG=δW=σdA

此式表明在等温等压可逆条件下，在形成新表面过程中所消耗的功等于体系自由焓或自由能的增量。这一增量是由于体系表面积增大而产生的，所以称为表面自由能。积分上式∫dG=σ∫dA得G=σA

由上式可知，一个体系的表面自由能在数值上等于表面张力和表面积的乘积。体系表面张力和表面积越大，则表面自由能越大。另外：σ=G/A

由此可知，表面张力的另一物理意义是单位表面所具有的表面自由能。所以又称σ为比表面自由能(或比表面能)，单位用J/m2表示。表面张力和比表面自由能是从不同的角度反映了物质表面层分子受力不均衡的特性，它们的量纲相同，数值相等。因为：

J/m2=N*m/m2=N/m对于只有表面积和表面张力发生变化的体系，根据热力学的最小自由能原理，表面自由能减小的过程是自动进行的过程。于是将式G=σA微分得：dG=σdA+Adσ（1）当σ一定时，即dσ=0，即dG=σdA

若要dG<0,则dA<0.所以缩小表面积的过程是自发过程。这说明了雨滴和露珠为什么呈球状。此外，金属熔体中的小气泡合并成大气泡，钢液、铁水中的夹杂物由小颗粒合并为大颗粒，结晶时固相中的小晶粒合并成大晶粒，这些都是缩小表面积的过程，所以是能够自动进行的。（2）当A一定时，即dA＝0(亦即表面积不变)，则上式为dG=Adσ

若要dG＜0，则必须dσ＜0。也就是说，表面张力减小的过程是自发过程，固体与液体物质表面所产生的吸附现象，就是因为吸附物质可以减小表面张力。如果物质不能使其表面张力减少，此时不能吸附此物质。

(3)σ和A均发生变化，则总的效果如果是引起自由能减小，则为自发过程。例如，水滴在玻璃上铺展，整个体系的σ及A都发生了变化，综合结果引起了体系自由能减小，所以是自发过程。这种现象称为润湿现象。对于各向异性的固体，设在两个方向上的面积增量分量为dA1及以dA2有σ=G+0.5[A1(dG/dA1)+A2(dG/dA2)]式中G为单位面积表面自由能对于各向同性的固体：

σ=G+A(dG/dA)对于液体，dG/dA=0,所以σ=G（1）不同液体的表面张力系数不同，密度小、容易蒸发的液体表面张力系数小。（2）同一种液体的表面张力系数与温度有关，温度越高，表面张力系数越小。（3）液体表面张力系数与相邻物质的性质有关。（4）表面张力系数与液体中的杂质有关。表面张力系数的基本性质影响液体表面张力的主要影响因素：⑴物质本身结构的影响表中，列出了某些物质的表面张力。可以看出就结构面言，金属键的物质σ最大；离子键的物质次之；极性共价键的物质再次之，非极性共价键的σ最小。⑵所接触介质的影响下表是常温下同一种液体与某些不同物质接触时的表面张力数据，因为表面层分子与不同物质接触时所受的力不同，所以σ也有差异。⑶温度的影响一般来说，温度升高，物质的密度降低，使物体内部的分子对表面层分子的引力减弱，所以σ下降。

通常，温度对表面张力的影响极为显著。不同温度下水的的表面张力（N·m-1

）温度/℃σ温度/℃σ温度/℃σ051015200.07540.074750.074010.073260.0725325303540450.071760.071030.070290.069540.0686506070800.06780.06600.06420.0623如表所示，随着温度升高，水的表面张力降低某些物质的表面张力(N/m)金属键离子键共价键物质t/℃σ物质t/℃σ物质t/℃σFe熔点1.880NaCl10000.098Cl2

-200.025Cu熔点1.250KCl9000.090O2

-1830.007Zn熔点0.768RbCl8280.089N2

-1830.013Mg熔点0.583CsCl8300.078H2O180.073表面张力的大小除了和液体的种类及状态有关外，也和液体表面接触的介质有关。当液体的温度升高时，其表面张力減小。2.2.4固体的表面张力及表面能1）固体表面张力2）固体表面能3）影响固体表面自由能的因素4）表面化学势固体的表面张力及表面能固体的表面张力不同于液体，很难测得定值。因为即使对同一晶体，由于处于表面上的晶面不同，其表面张力也会不同，更何况表面微观形态复杂多变，晶格缺陷存在的程度也不相同。通常最简单的测量方法是用解理单晶时所消耗的功即断裂功来表示。也有人提出用溶解热的方法求出，即由晶体和其粉末的溶解热的差别求出表面张力。当固体界面被溶解时表面能即表现为额外的溶解热。利用精密的量热计有可能测定粒度不同的结晶物质的溶解热差异。例如，粗粒NaCl的溶解热为3897.6J/mol，细粒NaCl是用升华法制备的，直径约为1μm，其溶解热比粗粒的大67.2J／mol，由此可算出比表面能，即表面张力为1680J／cm2。但粒度大小对表面能有重要影响。对于接近熔点时的固体，因为在接近熔点时固体会发生一定程度的体相流动，其应变速度正比于所施之力。右图是φ0.025mm金丝在1000℃附近时应变速度对应力的关系。由图可见，当负荷小时近于直线，负荷为零时应变速度的负值可认为是金属的表面张力所引起的。所以应变速度为零时的负荷必正好与沿金属丝周线的表面张力平衡。物质所接触的介质σ/N·m-1

物质所接触的介质σ/N·m-1

水银水银水酒精苯空气0.36430.3620.073水水苯戊醇0.03260.0044与不同介质接触时的表面张力不同温度下水的的表面张力（N·m-1

）温度/℃σ温度/℃σ温度/℃σ051015200.07540.074750.074010.073260.0725325303540450.071760.071030.070290.069540.0686506070800.06780.06600.06420.0623NaCl颗粒大小对比表面能的影响5.4×10-5

4.2×10-44.2×10-3

4.2×10-2

4.2×10-14.2×103.6282802.8×1032.10