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1、第二章表面工程技术的物理、化学基础一、固体的表面：理想表面、清洁表面、机械加工面、一般表面。1、表面：固体材料与气相接触的面（1）理想表面：将晶体切开后形成的表面；（2）洁净表面：在特殊条件下获得的固体表面，表面有极少量的吸附物。（3）清洁表面：零件经过去油、除锈等预处理后的表面。（4）机加工表面：机械加工后的表面，表面粗糙度取决于加工方法。（5）一般表面（实际表面）：放置在大气中的材料表面。二、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。1、界面：固相之间的分界面；（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
2、于金属键结合，结合强度最高。（2）扩散结合：两个固相平面在加热、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。（3）外延生长：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。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）。（4）化学键结合：涂层与基材之间发生化学反应形成化合物。化学键的结合强度高，但界 面韧性差。（5）分子键结合：以范德华力结合的界面，界面上没有发生扩散或化学反应，如物理气相 沉积。虽然分子键的结合力稍差，但可以满足某些要求。（6）机械结合：涂层与基体之间靠相互镶嵌连接结合在一起，如
3、喷涂。机械结合的结合强度较差。三、表面张力及表面能1、表面张力（1）液体表面张力：使液体表面向最小表面积趋向的力。（2）固体表面张力2、表面能因物质表面原子和内部原子排列差别引起的一种物理表现。其物理意义是指产生12新表 面需消耗的等温可逆功。液态表面能与表面张力在数学上是相等的。3、表面能及表面张力的关系（1）缩小表面积的过程是自发过程。结晶时，固相中的小晶粒合并长大成大晶粒等。（2）表面张力减小的过程是自发过程。如固体或液体物质表面发生的吸附现象，就是因为 该吸附物质可以减小表面张力。（3）若表面张力和表面积都发生变化，则总的效果是引起自由能减小，则为自发过程这种 现象称为润湿现象。四、固
4、体表面的吸附1、吸附的基本特性由于物质表面原子或分子力场不饱和，所以有吸引周围其它物质(主要是气体、液体)分子的 能力。吸附可以减少物质表面某些过剩的自由能，物质表面因吸附物的存在而稳定，所以吸附是自 发进行。2、固体表面的吸附有物理吸附和化学吸附：(1) 物理吸附：固体表面与被吸附分子之间不发生电子的转移，它们之间靠范德华力结合。物理吸附对温度很敏感，提高温度容易解吸，所以物理吸附是可逆的。(2) 化学吸附：吸附原子与固体表面原子之间有电子的转移，二者靠化学键力结合。从热力学角度讲，化学吸附的自由能减小要比物理吸附大得多，状态更稳定，而且是不可逆 的过程。(3) 化学吸附往往是先形成物理吸附
5、膜，然后在界面发生化学反应转化成化学吸附，结合 牢固并不可逆。3、固体对气体的吸附任何气体在其临界温度以下都会被吸附于固体表面，可能是物理吸附，也可能是化学吸附。吸附强度排列顺序为：O2 C2H2 C2H4 CO H2 CO2 N24、固体对液体的吸附当OS-GOS-L时，cos0为正值，090，润湿状态； 当。90，不润湿状态； 当0=0 和180时，则相应地称为完全润湿和完全不润湿。22(1) 电解质的吸附：固体和溶液之间发生离子交换，如化学镀；(2) 非电解质的吸附：液体在固体表面为单分子层吸附。溶液吸附的吸附热很小，说明液体在固体表面的结合不牢。五、固体表面的润湿：润湿角。、亲水物质和
6、疏水物质。1、润湿现象：液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿(1) 亲水物质：能被水润湿的材料，如玻璃、石英等；(2) 疏水材料：不能被水润湿的物质，如石蜡、石墨等2、润湿角0：b -Qb =b +b cos 0cos 0=i I 贝或g可润湿b)不润湿六、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。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。（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表面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
7、摩擦力。静摩擦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表面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2）按摩擦副的运动形式分类1）滑动摩擦：物体接触表面相对滑动时产生的摩擦。2）滚动摩擦：在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时产生的摩擦。滚动摩擦系数比滑动摩 擦小得多。（3）按摩擦副表面的润滑状况（工作状态）分类：1）纯净摩擦：摩擦表面没有任何吸附膜或化合物的摩擦，如真空中的摩擦。2）干摩擦（无润滑摩擦）：在大气条件下，摩擦表面之间不存在润滑剂时的摩擦。3）边界润滑摩擦：摩擦面之间有一层极薄的润滑膜存在时的润滑。这层膜称
8、为边界膜，厚 度小于0.01pm。4）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，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）。5）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。七、粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损的基本磨损方式、机理、影响因素和提高零件耐磨性的途径。1粘着磨损（1）基本磨损方式：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱、咬死（2）机理1）固体表面微凸体相接触时，在外作用下形成微观应力场。2）当接触应力较大时，将引起材料塑性变形和“冷焊”现象。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
9、软的对磨材料造成犁削作用。（3）影响因素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。2磨粒磨损（1）基本磨损方式：凿削式、高应力碾碎式、低应力擦伤式（2）机理1）若磨粒是个刚性三角锥体，被磨损材料呈塑性时，磨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，磨粒锥体在滑动一定距离所磨掉的材料体积2）当磨粒和脆性材料表面接触时，主要以表面断裂破坏为主。此时
10、材料去除体积（3）影响因素1）磨粒特性的影响：a磨粒硬度b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。c磨粒形状：磨粒越尖锐，磨损速率越大。d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。2）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。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。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
11、能。3疲劳磨损（1）基本磨损方式：点蚀、浅层剥落、深层剥落（2）机理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， 表面层将引发裂纹，并逐步扩展，最后裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过程。（3）影响因素1）材料内部夹杂物的存在方式与数量；2）材料表面粗糙度；3）材料的硬度；4）材料组织结构；5）润滑状态和零件工作环境等。4冲蚀磨损（1）基本磨损方式：喷砂冲蚀、水滴冲蚀、泥浆冲蚀、气蚀（2）机理粒子冲击固体表面时发生能量交换，根据粒子的入射速度和材料的流动应力，固体表面 可能发生弹性变形，也可能出现塑性压痕。1）脆性磨损机制：脆性材料受到粒子的冲击作用时，不发生
12、塑性变形，而出现裂纹并很 快脆断。脆性冲蚀时的磨损体积2）延性磨损机制：当撞击角为90。时冲蚀很小，而在撞击角为20。时冲蚀最大（切削 磨损）。（3）影响因素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；2入射角b速度：粒子速度对材料冲蚀率有很大的影响C冲蚀时间：冲蚀磨损存在较长的潜伏期或孕育期。首批粒子冲击表面时主要造成加 工硬化和表面粗糙化，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”。d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，材料表面生成的 氧化膜反而会提高材料的抗冲蚀能力。2) 磨料性质：如硬度
13、、粒度、可破碎性、固体还是液体等。a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。b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。3) 材料性能：如热物理性能和材料强度等。相对冲蚀率几乎不变。随着材料表面粗糙 度的降低，其抗冲蚀能力增高。5腐蚀磨损(1) 基本磨损方式：1) 氧化磨损：一般说来，氧化磨损率比其它磨损轻微得多。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介质腐蚀磨损。(2) 机理腐蚀磨损是材料同时
14、受腐蚀和机械磨损的综合作用而产生的磨损过程。(3) 影响因素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。6提高零件耐磨性的途径(1) 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) 粘着磨损的选材原则：a塑性材料比脆性材料容易产生粘着磨损。b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。c金属与非金属材料组成的摩擦副粘着倾向小。2) 磨料磨损的选材原则：一般是提高材料的硬度来提高它的耐磨性。3) 疲劳磨损的选材原则：要求钢材质量好，控制钢中有害的非金属夹杂物。(2) 润滑降低摩擦系数是减少磨损的有效办法，如液体润滑可
15、使摩擦系数降到0.003以下。(3) 表面处理1) 提高材料的表面硬度：如表面淬火、渗碳、渗氮、涂覆硬涂层等。2) 降低表面摩擦系数：在材料摩擦表面形成低摩擦系数的化合物，如渗硫等。(4) 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。八、正常磨损过程的三个阶段：“跑合”、“稳定磨损”、“急剧磨损”。1、“跑合”阶段(0a段)：粗糙表面逐渐磨平，接触面积逐渐增大，磨损速度开始很快， 然后逐渐减慢。2、“稳定”磨损阶段(ab段)：“跑合”后摩擦表面加工硬化，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。3、“急剧”磨损阶段（b点以后）：由于摩擦条件发生较大的
