表面工程学全册配套最完整精品课件3.ppt

1、表面工程学全册配套最完整表面工程学全册配套最完整 精品课件精品课件3 专业：专业：材料成型及控制工程材料成型及控制工程 层次：层次：本科本科 性质：性质：选修课选修课 学时：学时：32学时学时 学分：学分：2 考核方式：考核方式：考试考试+上课上课 材料表材料表 面面 工工 程程 表面工程学表面工程学曾晓雁，吴懿平曾晓雁，吴懿平 主编主编 机械工业出版社，机械工业出版社， 20012001 材料表面工程材料表面工程徐滨士，朱绍华，刘世参徐滨士，朱绍华，刘世参 编著编著 哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨工业大学出版社， 20052005 参考教材参考教材 第一章：绪论第一章：绪论 第二章：热喷涂技术

2、第二章：热喷涂技术 第三章：电镀和化学镀第三章：电镀和化学镀 第四章：高能束表面改性技术第四章：高能束表面改性技术 第五章：气相沉积技术第五章：气相沉积技术 第六章：化学转化膜第六章：化学转化膜 主主 要要 内内 容容 学习本课程的目的和要求学习本课程的目的和要求 1. 学习掌握表面工程技术的基本理论和基本特学习掌握表面工程技术的基本理论和基本特 点。点。 2. 能够根据工程的需要选择相应的表面工程技能够根据工程的需要选择相应的表面工程技 术或几种技术的组合，选择所用材料和制定术或几种技术的组合，选择所用材料和制定 最佳工艺，解决工程问题。最佳工艺，解决工程问题。 3. 具备基本的研究与开发表

3、面工程新技术的能具备基本的研究与开发表面工程新技术的能 力。力。 1. 1 表面工程学的定义与内涵表面工程学的定义与内涵 1. 2 表面工程技术的发展表面工程技术的发展 1. 3 表面工程的特点与意义表面工程的特点与意义 1. 4 表面工程技术的分类表面工程技术的分类 1. 5 表面工程技术的基础表面工程技术的基础 1. 6 表面工程技术的广泛应用表面工程技术的广泛应用 第一节：表面工程学的定义与内涵第一节：表面工程学的定义与内涵 材料：材料：是指经过某种加工，是指经过某种加工， 具有一定结构、成分和性具有一定结构、成分和性 能，并可应用于一定用途能，并可应用于一定用途 的物质。的物质。 一般

4、把来自采掘工业和一般把来自采掘工业和 农业的劳动对象称为农业的劳动对象称为“原原 料料”，把经过工业加工的，把经过工业加工的 原料成为原料成为“材料材料”。 材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活 所必须的物质基础。所必须的物质基础。 手手 锤锤 锉刀锉刀 “神舟神舟”四号飞船成功返四号飞船成功返 回回 国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 石器石器 铁器铁器 象形尊象形尊( (西周西周) ) 石器时代石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代 由于材料的重要性，由于材料的重要性， 历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。 材料材料的

5、发展水平和利用程度的发展水平和利用程度 已成为人类文明进步的标志。已成为人类文明进步的标志。 磨损、腐蚀、断裂是机械零件工程构建的三大主要磨损、腐蚀、断裂是机械零件工程构建的三大主要 破坏形式。前二者造成经济损失占很大比重。破坏形式。前二者造成经济损失占很大比重。 数数 据据 磨磨 损损 美国：美国国家材料政策委员会向美国国美国：美国国家材料政策委员会向美国国 会提出的一份报告：会提出的一份报告： 摩擦磨损引起的损失摩擦磨损引起的损失10001000亿美元亿美元/ /年；年； 德国：德国：19831983年，前联邦德国调查，摩擦磨年，前联邦德国调查，摩擦磨 损损失损损失287287亿马克；亿马

6、克； 英国：摩擦磨损损失英国：摩擦磨损损失5150051500英镑英镑/ /年；年； 腐腐 蚀蚀 美国：国家标准局美国：国家标准局19781978年调查：年调查： 19751975年腐蚀损失达年腐蚀损失达820820亿美元，占亿美元，占 国民生产总值的国民生产总值的4.9%4.9%； 19951995年腐蚀损失达年腐蚀损失达30003000亿美元；亿美元； 中国：中国：19831983年调查：腐蚀损失年调查：腐蚀损失400400亿元亿元/ /年年 腐蚀和磨损均是腐蚀和磨损均是 发生于机件表面发生于机件表面 的材料流失过程，的材料流失过程， 其他形式的失效其他形式的失效 过程有许多也是过程有许多

7、也是 从表面开始从表面开始 延缓和延缓和 控制表控制表 面破坏面破坏 的方法的方法 促进促进 了表了表 面工面工 程学程学 的发的发 展与展与 形成形成 Raw materialenergy Product Product Surface Engineering Good product + 表面工程学的定义表面工程学的定义 表面工程学围绕表面工程学围绕腐蚀腐蚀、摩擦与磨损摩擦与磨损和和功能功能 特性特性（声，光，磁，电的转换）三大因素（声，光，磁，电的转换）三大因素 ，成为，成为80年代后期重点发展的关键技术之年代后期重点发展的关键技术之 一，形成表面工程学。一，形成表面工程学。 定义定义

8、为满足特定的工程需求，使材料表面或为满足特定的工程需求，使材料表面或 零部件表面具有特殊的成分，结构和性零部件表面具有特殊的成分，结构和性 能能(或功能或功能)的化学，物理方法与工艺。的化学，物理方法与工艺。 表面工程学的内涵表面工程学的内涵 表面改性技术；表面改性技术； 1 表面合成材料技术；表面合成材料技术； 3 表面加工技术；表面加工技术； 2 u提高耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能、装提高耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能、装 饰性，或具有特殊功能（如电性能、磁性能和饰性，或具有特殊功能（如电性能、磁性能和 光电性能等）光电性能等） u能够在材料表面加工或制作各种功能结构元能够在材料表面加工

9、或制作各种功能结构元 器件的有关技术。如光刻技术、离子刻蚀技术器件的有关技术。如光刻技术、离子刻蚀技术 等等 表面加工三维合成技术；表面加工三维合成技术； 4 u即借助各种手段在材料表面合成新材料的技即借助各种手段在材料表面合成新材料的技 术，如纳米粒子制备过程中的表面工程技术、术，如纳米粒子制备过程中的表面工程技术、 离子注入等离子注入等 u快速成型制造快速成型制造 上述几个要点的组合或综合；上述几个要点的组合或综合； 5 内涵扩展内涵扩展 表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工 程材料，如金属、陶瓷、半导体材料、高分子程材料，如金属、陶瓷、半导体材

10、料、高分子 材料、混凝土、木材和各类复合材料等，所涉材料、混凝土、木材和各类复合材料等，所涉 及的工艺方法数以百计，各具特点。及的工艺方法数以百计，各具特点。 经过内涵扩展以后的表面工程技术，由单纯经过内涵扩展以后的表面工程技术，由单纯 的表面改性扩展到表面加工和合成新材料等的表面改性扩展到表面加工和合成新材料等 领域，涵盖领域，涵盖材料科学、物理、化学、冶金、材料科学、物理、化学、冶金、 机械、电子与生物机械、电子与生物等领域，成为新型的、名等领域，成为新型的、名 副其实的交叉学科。副其实的交叉学科。 第二节第二节 表面工程技术的发展表面工程技术的发展 20 “承旋承旋”，酒器，东汉建武年，

11、酒器，东汉建武年 间，现藏于北京故宫博物院间，现藏于北京故宫博物院 兽形盒砚，东汉制，出土于兽形盒砚，东汉制，出土于19801980 年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬 品，由石砚、盒身、盒盖三部分品，由石砚、盒身、盒盖三部分 组成组成 中国古代的鎏金工艺中国古代的鎏金工艺 司母戊鼎司母戊鼎 河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土 青铜铸造青铜铸造 高高133厘米厘米 重重875kg 饰纹优美饰纹优美 春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器 （ 出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 ） 长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利 锋能割断头发锋能割断头发 越王勾践

12、 春秋战国时代的春秋战国时代的 青铜剑，剑身及青铜剑，剑身及 剑锋由不同成分剑锋由不同成分 的青铜组成，是的青铜组成，是 复合材料很好的复合材料很好的 例子例子 梯度材料古已有之梯度材料古已有之 这是古代剑刃截面图这是古代剑刃截面图 日本刀的覆土烧刃日本刀的覆土烧刃 世界三大名刃之一世界三大名刃之一 表面工程形成一门独立的学科是近表面工程形成一门独立的学科是近 30 来年来年 的事：的事： 1983年年 表面工程的概念被首次提出表面工程的概念被首次提出 1986年年 国际热处理联合会更名为国际热处理与国际热处理联合会更名为国际热处理与 表面工程联合会表面工程联合会 1987年年 中国机械工程学

13、会表面工程研究所成立中国机械工程学会表面工程研究所成立 1988年年 表面工程表面工程杂志创刊，后更名为杂志创刊，后更名为中中 国表面工程国表面工程 2000年年 全国焊接学会原全国焊接学会原“堆焊与热喷涂专业委堆焊与热喷涂专业委 员会员会”正式更名为正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会堆焊及表面工程专业委员会 ”。 第三节第三节 表面工程的特点与意义表面工程的特点与意义 3）兼有装饰和防护功能；）兼有装饰和防护功能； 4）化学气相沉积，物理气相沉积，掩模，光刻等表面）化学气相沉积，物理气相沉积，掩模，光刻等表面 薄膜沉积技术和表面细微加工是制造大规模集成电薄膜沉积技术和表面细微加工是制造大规

14、模集成电 路的基础；路的基础； 5）生成型制造法是以表面加工为基础；）生成型制造法是以表面加工为基础； 1 1）作用于表面，对基材组织与性能影响不大；）作用于表面，对基材组织与性能影响不大； 2 2）采用表面技术替代整体合金化；）采用表面技术替代整体合金化； 6）可以在表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合）可以在表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合 金金。 工程意义工程意义 * 提高材料和工件的可靠性，延长其使用寿命提高材料和工件的可靠性，延长其使用寿命 * 制备具有特殊功能的表面制备具有特殊功能的表面 * 对节能降耗与再制造的特殊贡献对节能降耗与再制造的特殊贡献 * 满足人们精神文化生活

15、的需要满足人们精神文化生活的需要 科学价值科学价值 * 材料制备与合成的新技术材料制备与合成的新技术 * 为新技术发展提供工艺和材料支持为新技术发展提供工艺和材料支持 * 多学科交叉，促进新的学术研究课题多学科交叉，促进新的学术研究课题 第四节第四节 表面工程技术的分类表面工程技术的分类 按学科特点：按学科特点： 1 1）表面合金化技术）表面合金化技术 u利用外来元素与基材元素相混合，形成成分不同于基材和添利用外来元素与基材元素相混合，形成成分不同于基材和添 加材料的表面新材料。加材料的表面新材料。 喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆、热渗镀。喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆、热渗镀。 2 2）表面

16、覆盖和覆膜技术）表面覆盖和覆膜技术 3）表面组织转化）表面组织转化 u不改变基材的成分，利用外加涂层或镀不改变基材的成分，利用外加涂层或镀 层的性能使基材表面性能优化。层的性能使基材表面性能优化。 热喷镀、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、热喷镀、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、 金属染色。金属染色。 u不改变材料的表面成分，只是通过改变其组织结构特性或应不改变材料的表面成分，只是通过改变其组织结构特性或应 力状况来改变材料的性能。力状况来改变材料的性能。 激光表面淬火、电子束热处理、喷丸、滚压。激光表面淬火、电子束热处理、喷丸、滚压。 基于工艺的分类基于工艺的分类 基于

17、技术特点的分类基于技术特点的分类 金属材料层；金属材料层； 陶瓷材料层；陶瓷材料层； 高分子材料层高分子材料层 复合材料层复合材料层 基于材料的分类基于材料的分类 第五节第五节 表面工程技术的基础表面工程技术的基础 表面工程技术实施的对象是固体材料的表面，表面工程技术实施的对象是固体材料的表面， 因此掌握材料因此掌握材料表面表面与与界面界面的基础知识是正确选的基础知识是正确选 择与运用表面工程技术的基础。择与运用表面工程技术的基础。 成功运用表面工程技术的两个要素是：成功运用表面工程技术的两个要素是： 掌握各种表面工程技术的特点。掌握各种表面工程技术的特点。 了解和掌握影响材料表面性能的主要因

18、素，其了解和掌握影响材料表面性能的主要因素，其 中，材料的中，材料的耐磨性耐磨性和和抗蚀性抗蚀性影响因素众多，本影响因素众多，本 章将重点进行介绍。章将重点进行介绍。 表面表面 固相与气相的分界面。固相与气相的分界面。 界面界面 固相之间的分界面。固相之间的分界面。 相界面相界面 不同凝聚相之间的分界面，不同凝聚相之间的分界面， 如：如：A A与与M M，F F与与M M 同相中晶粒之间的分界面称为晶界同相中晶粒之间的分界面称为晶界 微晶微晶 m m；非晶；非晶1nm1nm 认为半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原无限晶体认为半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原无限晶体 一样。显然自然界很

19、难获得理想表面。一样。显然自然界很难获得理想表面。 由于在垂直于表面方向上，晶内原子排列呈周期性变化，而表由于在垂直于表面方向上，晶内原子排列呈周期性变化，而表 面原子的近邻原子数减少，使得其拥有的能量大于晶体内部原面原子的近邻原子数减少，使得其拥有的能量大于晶体内部原 子的能量，超出的能量正比于减少的键数，该部分能量即为材子的能量，超出的能量正比于减少的键数，该部分能量即为材 料的表面能。料的表面能。 表面能表面能 典型的固体表面典型的固体表面 允许有吸附物，只有经过特殊处理方法得到，如高温处允许有吸附物，只有经过特殊处理方法得到，如高温处 理、离子轰击加热退火等。理、离子轰击加热退火等。

20、材料表层原子结构的周期性不同于体内，但化学成分与体内相同，这材料表层原子结构的周期性不同于体内，但化学成分与体内相同，这 种表面称为洁净表面。相对于表面受污染程度和理想表面而言的。种表面称为洁净表面。相对于表面受污染程度和理想表面而言的。 指表面附近的点阵常数在垂直指表面附近的点阵常数在垂直 方向上较晶体内部发生明显的方向上较晶体内部发生明显的 变化。变化。 指表面原子在水平方向的周期性不指表面原子在水平方向的周期性不 同于体内的晶面同于体内的晶面。 台阶化是指实际晶体的外台阶化是指实际晶体的外 表面由许多密排面的台阶表面由许多密排面的台阶 构成构成 是指化学组分在表面是指化学组分在表面 区的

21、变化区的变化 在获得的各种涂层或镀膜之前，常需采用各种预处理工艺获得清洁表面；在获得的各种涂层或镀膜之前，常需采用各种预处理工艺获得清洁表面； 微电子工业中气相沉积和微细加工则需要超洁净表面。微电子工业中气相沉积和微细加工则需要超洁净表面。 在高洁净度的表面上可以发生多种与体内不同在高洁净度的表面上可以发生多种与体内不同 的结构和成分的变化：的结构和成分的变化： 指经过清洗（脱脂，浸湿）以指经过清洗（脱脂，浸湿）以 后的表面。后的表面。 波纹度：指在一段较长距离内出现一个峰和谷的波纹度：指在一段较长距离内出现一个峰和谷的 周期。周期。 粗糙度：在较短距离内（粗糙度：在较短距离内（2800m）出

22、现的凹凸）出现的凹凸 不平（不平（0.03400m）的程度。）的程度。 实际零件表面不可能绝对平滑光整，微观上实际零件表面不可能绝对平滑光整，微观上 由不规则的起伏不平的峰谷组成。由不规则的起伏不平的峰谷组成。 表面的不平整性包括表面的不平整性包括波纹度波纹度和和粗糙度粗糙度两个概念。两个概念。 ) 12( 1 1 n i i y n Ra )22(/ li AAi 材料表面粗糙度与加工方法相关，材料表面粗糙度与加工方法相关， 最后一道加工工序起决定作用。最后一道加工工序起决定作用。 粗糙度的表示方法：粗糙度的表示方法： 轮廓的算术平均偏差轮廓的算术平均偏差RaRa： yi为峰或谷的绝对值，为

23、峰或谷的绝对值，n为测量个数。为测量个数。 真实面积与投影面积的比值真实面积与投影面积的比值i i： Ai为真实面积，为真实面积，Al为为Ai的投影面积。的投影面积。 p除除Au以外，金属经机械加工后，在常温常压下会以外，金属经机械加工后，在常温常压下会 发生氧化。因此，在固体表面会吸附一层外来原发生氧化。因此，在固体表面会吸附一层外来原 子。子。氧化皮氧化皮 p大部分表面覆层技术在工艺实施之前，都要求对大部分表面覆层技术在工艺实施之前，都要求对 表面进行预处理，清除掉表面的氧化皮，以便提表面进行预处理，清除掉表面的氧化皮，以便提 高覆层与基材的结合强度。高覆层与基材的结合强度。 由于表面原子

24、的能量处于非平衡状态，一般由于表面原子的能量处于非平衡状态，一般 会在固体表面吸附一层外来原子。会在固体表面吸附一层外来原子。 1 1 基于固相晶体尺寸和微观结构差异形成的界面；基于固相晶体尺寸和微观结构差异形成的界面； 2 2 基于固相组织或晶体结构形成的界面；基于固相组织或晶体结构形成的界面； 3 3 基于固相宏观成分差异形成的界面；基于固相宏观成分差异形成的界面； 典型的固体界面典型的固体界面 界面通常指两个块体之间的过渡区，其空间尺度界面通常指两个块体之间的过渡区，其空间尺度 决定于原子间力作用影响范围的大小；其状态决决定于原子间力作用影响范围的大小；其状态决 定于材料和环境条件特性。

25、定于材料和环境条件特性。 最为常见的界面类型有：最为常见的界面类型有： u600#SiC砂纸研磨黄铜砂纸研磨黄铜,深度可达深度可达 1-10um; u单晶塑变层单晶塑变层多晶塑变层多晶塑变层 基于固相晶体尺寸和微观结构差异形成的界面基于固相晶体尺寸和微观结构差异形成的界面 抛光金属的表面组织：抛光金属的表面组织： 微晶层微晶层 具有粘性液体膜似的非晶具有粘性液体膜似的非晶 态外观态外观, ,不仅能将表面覆盖不仅能将表面覆盖 得很平滑得很平滑, ,而且能流入裂纹而且能流入裂纹 划痕等表面不规则处划痕等表面不规则处; ; 塑性流塑性流 变层变层 塑变程度与深度有关塑变程度与深度有关; ;与与 硬度

26、成反比硬度成反比; ; 钢中珠光体钢中珠光体: F: F和渗和渗C C体体; ; 钢表面淬火钢表面淬火: : 表面为表面为M,M,心部仍为原始组织心部仍为原始组织, ,存在过渡区。它存在过渡区。它 由部分马氏体和部分铁素体、珠光体混合而成。由部分马氏体和部分铁素体、珠光体混合而成。 基于固相组织或晶体结构形成的界面基于固相组织或晶体结构形成的界面 两相之间微观成分和组织存在很大两相之间微观成分和组织存在很大 差异差异; ;无宏观成分的明显区别无宏观成分的明显区别. . 这种相界面虽然在微观尺度的晶体结构上有明显的突变，但这种相界面虽然在微观尺度的晶体结构上有明显的突变，但 从宏观来看，组织的变

27、化存在一个渐变区域。因此，材料在从宏观来看，组织的变化存在一个渐变区域。因此，材料在 服役过程中不存在表面层剥落等情况。服役过程中不存在表面层剥落等情况。 基于固相宏观成分差异形成的界面基于固相宏观成分差异形成的界面 覆层与基材是通过处于熔融状态的覆层材料沿半熔覆层与基材是通过处于熔融状态的覆层材料沿半熔 化状态的基材表面向外凝固结晶而形成的。化状态的基材表面向外凝固结晶而形成的。 特点特点 结合强度高，金属键结合，承结合强度高，金属键结合，承 载大，不易剥落载大，不易剥落 典型工艺典型工艺 堆焊；喷焊；激光熔覆等技术堆焊；喷焊；激光熔覆等技术 两个固体直接接触，通过抽真空、加热、加压、界两个

28、固体直接接触，通过抽真空、加热、加压、界 面扩散和反应等途径所形成的结合界面。面扩散和反应等途径所形成的结合界面。 特点特点 覆层与基材之间成分梯度变化。覆层与基材之间成分梯度变化。 典型工艺典型工艺 扩散焊，热扩渗等工艺扩散焊，热扩渗等工艺 在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完 整的新单晶层的工艺过程，称为外延生长。整的新单晶层的工艺过程，称为外延生长。 特点特点 外延的程度取决于基体与外延层的晶外延的程度取决于基体与外延层的晶 格类型和常数。具体的结合强度取决于格类型和常数。具体的结合强度取决于 结合键的类型，如分子键、共价键、离结合键的

29、类型，如分子键、共价键、离 子键或金属键等。子键或金属键等。 典型工艺典型工艺 气相外延，如化学气相沉积技术；气相外延，如化学气相沉积技术； 液相外延，如电化学等。液相外延，如电化学等。 覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定 的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界 面。如面。如Ti合金表面气相沉积形成合金表面气相沉积形成TiN和和TiC薄膜。薄膜。 特点特点 结合强度较高，但界面的韧性较差，结合强度较高，但界面的韧性较差， 易发生脆性断裂或剥落。易发生脆性断裂或剥落。 典型工艺典型工艺 物理和

30、化学气相沉积、离子注入、物理和化学气相沉积、离子注入、 化学转化膜等技术化学转化膜等技术 以范德华力结合的覆层与基体的界面以范德华力结合的覆层与基体的界面 特点特点界面特征为未发生扩散和化学作用。界面特征为未发生扩散和化学作用。 典型工艺典型工艺 部分物理气相沉积层、涂装技术中有部分物理气相沉积层、涂装技术中有 机粘结涂层机粘结涂层 两种材料相互镶嵌的机械连接作用形成的界面两种材料相互镶嵌的机械连接作用形成的界面 典型工艺典型工艺 热喷涂，包镀，钎焊热喷涂，包镀，钎焊 表面扩散表面扩散 扩散扩散 扩扩散散激激活活能能。 几几何何因因素素决决定定的的常常数数扩扩散散系系数数；扩扩散散时时间间；

31、Q RT Q DD CDt DtcX )52(exp )42( 0 _ 扩散途径扩散途径 体体扩散扩散 表面扩散表面扩散 晶界扩散晶界扩散 位错扩散位错扩散 固体表面的物理吸附和化学吸附固体表面的物理吸附和化学吸附 吸附的基本特性吸附的基本特性 物体表面上的原子或分子力场不饱物体表面上的原子或分子力场不饱 和，有吸附周围其他物质分子的能和，有吸附周围其他物质分子的能 力，即所谓吸附作用力，即所谓吸附作用 有二类：有二类： 物理吸附物理吸附-范德华力范德华力 化学吸附化学吸附-化学键化学键 固体对气体的吸附固体对气体的吸附 任何气体在其临界任何气体在其临界下，都会吸附于固体表面，即下，都会吸附于

32、固体表面，即 发生物理吸附物理吸附不发生电子的转移，最多发生物理吸附物理吸附不发生电子的转移，最多 只有电子云中心的变动只有电子云中心的变动 物理吸附容易解吸，为可逆过程；物理吸附容易解吸，为可逆过程； 化学吸附很难解吸，为不可逆过程；化学吸附很难解吸，为不可逆过程； 并不是任何气体在任何表面都可以发生化学吸并不是任何气体在任何表面都可以发生化学吸 附。如附。如H2可以在可以在Ni的表面发生化学吸附，而在的表面发生化学吸附，而在 Al 上则不能。上则不能。 固体对液体的吸附固体对液体的吸附 电解质吸附电解质吸附 使固体表面带电使固体表面带电oror双电层的组双电层的组 织发生变化，也可以产生离

33、子交织发生变化，也可以产生离子交 换。换。电镀电镀 非电解质吸附非电解质吸附 单分子层吸附，吸附层以外就单分子层吸附，吸附层以外就 是本体相溶液。是本体相溶液。吸附热很小，相吸附热很小，相 当于溶解热。当于溶解热。 固体对液体的吸附也分为物理吸附和化学吸附。固体对液体的吸附也分为物理吸附和化学吸附。 普通润滑油，极化了普通润滑油，极化了 的长链油分子与金属的长链油分子与金属 表面发生较弱的分子表面发生较弱的分子 引力结合形成物理吸引力结合形成物理吸 附膜。附膜。16烷烷 化学吸附往往是首先化学吸附往往是首先 形成物理吸附，然后形成物理吸附，然后 在界面发生化学反应在界面发生化学反应 转化成化学

34、吸附。结转化成化学吸附。结 合能高，不可逆。合能高，不可逆。 硬酸脂与硬酸脂与FeO作用生作用生 成硬脂酸铁皂膜成硬脂酸铁皂膜 固体表面之间的吸附固体表面之间的吸附 两表面必须靠近到原子间距的范围内，才能产生两表面必须靠近到原子间距的范围内，才能产生 固体表面吸附。固体表面吸附。 用粘附功描述粘附程度：用粘附功描述粘附程度： ABBAAB W 表面污染影响很大。如铁若在水银中断裂，裂表面污染影响很大。如铁若在水银中断裂，裂 开面可以再粘合起来，而在空气中就不行。开面可以再粘合起来，而在空气中就不行。 固体表面润湿固体表面润湿 润湿现象与机理润湿现象与机理 润湿润湿 液体在固体表面铺展的现象液体

35、在固体表面铺展的现象 u水滴与玻璃，能被水润湿亲水，如玻璃、石英、方水滴与玻璃，能被水润湿亲水，如玻璃、石英、方 解石、长石等。解石、长石等。 u水滴与石蜡，不能被水润湿疏水，如石蜡、石墨、水滴与石蜡，不能被水润湿疏水，如石蜡、石墨、 硫磺等。硫磺等。(TiO2光致亲水光致亲水) 用润湿角用润湿角 来描述润湿程度来描述润湿程度 90 90 为润湿，为润湿， 越小，润湿越好；越小，润湿越好； 9090 为不润湿；为不润湿； =0=0 和和 =180 =180 时，则称为完全润湿和完全不润湿。时，则称为完全润湿和完全不润湿。 三力互相平衡，合力为三力互相平衡，合力为0 0，有：，有： 不不润润湿湿

36、，为为时时， 润润湿湿，为为时时， 方方程程 。 90cos 90cos )82(/cos: )72(cos LSGS LSGS GLLSGS GLLSGS YoungOR 润湿与否取决于液体的内聚力和液润湿与否取决于液体的内聚力和液- -固分子间的粘附固分子间的粘附 力的相对大小。若后者大，则润湿；反之则不润湿。力的相对大小。若后者大，则润湿；反之则不润湿。 铺展系数铺展系数 铺铺展展。在在粗粗糙糙表表面面上上可可能能自自发发不不能能自自发发铺铺展展的的液液体体， ，在在光光滑滑表表面面大大于于光光滑滑表表面面。换换言言之之粗粗糙糙表表面面的的铺铺展展系系数数远远 ）（）（ ）可可修修正正为

37、为：时时，式式（当当固固体体表表面面粗粗糙糙度度为为 时时，液液在在固固上上不不铺铺展展。 标标准准。了了，铺铺展展是是润润湿湿的的最最高高或或者者说说润润湿湿角角已已不不存存在在 ，即即： 表表面面自自动动展展开开；在在时时，当当 1021cos 92 0 0 / / / iS i S SLS GLSL SL GLLSGS SL ) 92() 1(cos / GLGLLSGSSL S 定义为：定义为： 润湿理论的应用润湿理论的应用 a.a.通过改变通过改变 来调整来调整 ，加入表面活性物质来减，加入表面活性物质来减 小小 ，使润湿程度增大；或加入表面惰性物质，使润湿程度增大；或加入表面惰性物

38、质 来增大来增大 ，使润湿程度降低。，使润湿程度降低。（透析膜）（透析膜） b.b.改变铺展系数来增加润湿性，如增加粗糙度或改变铺展系数来增加润湿性，如增加粗糙度或 增加中间过渡层（自熔合金）增加中间过渡层（自熔合金） c.c.不粘锅，在最表面上涂覆一层憎水性的高分子不粘锅，在最表面上涂覆一层憎水性的高分子 材料，如聚四氟乙烯等。材料，如聚四氟乙烯等。 磨损不像力学性能那样属于材料的固有特性，它磨损不像力学性能那样属于材料的固有特性，它 受到摩擦学系统中接触条件、工况、环境、介质受到摩擦学系统中接触条件、工况、环境、介质 等多方面因素的影响，是一系统性质。等多方面因素的影响，是一系统性质。 材

39、料的磨损始于表面，材料表面性能是决定材料材料的磨损始于表面，材料表面性能是决定材料 耐磨性的关键。耐磨性的关键。 掌握材料摩擦与磨损的基本过程与规律，是正掌握材料摩擦与磨损的基本过程与规律，是正 确选择或设计表面工程技术与材料的基础。确选择或设计表面工程技术与材料的基础。 引引 子子 固体材料的摩擦与磨损固体材料的摩擦与磨损 2.1、固体材料的摩擦与磨损、固体材料的摩擦与磨损 摩摩 擦擦 相互接触的物体相对运动时产生的阻力。相互接触的物体相对运动时产生的阻力。 磨磨 损损 相互接触的物体相对运动时产生的物体损相互接触的物体相对运动时产生的物体损 失或残余变形。失或残余变形。 摩擦力与两接触体之

40、间的表面接触面摩擦力与两接触体之间的表面接触面 积无关；积无关； 摩擦力与两接触体之间的法向载荷成摩擦力与两接触体之间的法向载荷成 正比；正比； 两个相对运动物体表面的界面滑动摩两个相对运动物体表面的界面滑动摩 擦阻力与滑动速度无关。擦阻力与滑动速度无关。 F= F= N N 摩擦三定律摩擦三定律 摩擦摩擦 干摩擦干摩擦 边界润滑摩擦边界润滑摩擦 流体润滑摩擦流体润滑摩擦 滚动摩擦滚动摩擦 干摩擦干摩擦 无润滑摩擦无润滑摩擦 制动，传动制动，传动 边界润滑边界润滑摩擦摩擦 接触面之间存在油膜（接触面之间存在油膜（1个分子个分子0.1m 厚），使厚），使F增加增加2-10倍；倍； 流体润滑摩擦流

41、体润滑摩擦 对磨表面完全被油膜隔开，靠油膜的压力对磨表面完全被油膜隔开，靠油膜的压力 平衡外载，平衡外载，F 取决于润滑油的内摩擦系数，取决于润滑油的内摩擦系数，最小，最小，F与接与接 触表面无关；触表面无关； 滚动摩擦滚动摩擦 磨损磨损 磨粒磨损磨粒磨损 疲劳疲劳磨损磨损 冲蚀磨损冲蚀磨损 腐蚀腐蚀磨损磨损 粘着粘着磨损磨损 高温磨损高温磨损 微动磨损微动磨损 磨损类型磨损类型磨损过程特点磨损过程特点要求材料具备的性质要求材料具备的性质 磨粒磨损 一个凸起硬面和另一个表面接触,或 者在两个摩擦面之间存在或嵌有硬 颗粒,在相对运动中导致材料转移 有比磨粒更硬的表面,较高的加工 硬化能力. 粘着

42、磨损 摩擦面相对滑动,固相焊合点撕裂,断 裂导致材料迁移. 互相接触的摩擦副材料溶解度低, 表面抗热软化能力好,表面能低. 冲蚀磨损 含有固体粒子的流体冲击固体表面, 或流动液体中气泡破裂形成的振动 波使材料局部变形和流失的过程. 在小角度冲击时要有高硬度,在大 角度冲击时要有高韧度. 疲劳磨损 在滚动接触过程中,由于交变接触应 力的作用而使材料表面出现麻点和 脱落的现象. 高硬度,高韧度,精加工性能好,流 线型好,少,无硬的非金属夹杂,表 面无裂纹 . 腐蚀磨损 磨损与腐蚀交互或者共同作用,导致 材料去除的过程. 无钝化作用时要提高材料的耐腐 蚀能力,兼有耐腐蚀性和耐磨性能 微动磨损 当两个

43、承载件的相互接触表面经历 相对往复切向振动时,由于振动产生 循环应力的作用而导致的微动损伤. 提高耐环境腐蚀的能力和高的抗 磨粒磨损性能,使磨损时形成的软 的腐蚀产物,同时配合的表面具有 不相容性. 高温磨损 在高温下相互接触工件之间的磨损, 是一种氧化,磨损交错或者同时进行 的过程 热硬性好,抗氧化能力强,热扩散能 力高 提高零件耐磨性的途径提高零件耐磨性的途径 磨损失效过程复杂，影响因素众多，无确定公磨损失效过程复杂，影响因素众多，无确定公 式描述，但是设计或改善零部件的耐磨寿命是式描述，但是设计或改善零部件的耐磨寿命是 必须解决的关键问题。必须解决的关键问题。 工程结构的合理设计工程结构

44、的合理设计 尽量降低对磨材料的交互作用力；从设计原理上减尽量降低对磨材料的交互作用力；从设计原理上减 摩；设计时综合考虑维修难易程度、产品成本、使摩；设计时综合考虑维修难易程度、产品成本、使 用特点等。用特点等。 零件磨损机理预测，分析和耐磨材料的选择零件磨损机理预测，分析和耐磨材料的选择 材料表面耐磨和减摩处理材料表面耐磨和减摩处理 通过表面工程提高耐磨性，从两方面着手：一、提高力通过表面工程提高耐磨性，从两方面着手：一、提高力 学性能；二、降低摩擦系数学性能；二、降低摩擦系数 第六节第六节 表面工程技术的广泛应用表面工程技术的广泛应用 表面技术应用的表面技术应用的重要性：重要性： 表面技术

45、的应用所包含的内容十分广泛， 可以用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等。 也可以是在光、电、磁、声、热、化学、生物 等方面的应用。表面技术所涉及的基体材料不 仅有金属材料，也包括无机非金属材料、有机 高分子材料及复合材料。表面技术的种类很多， 把这些技术恰当地应用于构件、零部件和元器 件，可以获得巨大的效益。 在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 在防护上常用涂镀技术，热浸镀技术，物理和化学气相沉积在防护上常用涂镀技术，热浸镀技术，物理和化学气相沉积 技术（技术（PVDPVD，CVDCVD）来提高飞机、运载火箭、卫星、宇宙飞船、）来提高飞机、运载火箭、卫星、宇宙飞船、 导弹在各种飞行恶劣环境

46、下对材料性能产生的影响进行防护导弹在各种飞行恶劣环境下对材料性能产生的影响进行防护。 在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 通过表面技术处理，提高材料性能，起到保护航通过表面技术处理，提高材料性能，起到保护航 空航天飞行器免遭环境影响而失效，从而提高航空空航天飞行器免遭环境影响而失效，从而提高航空 航天产品的先进和使用的可靠性。航天产品的先进和使用的可靠性。 在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 如第四代的飞 机，在停飞和飞行 过程中，可能遇到 50的空气摩擦 升温至200，因 而在飞机蒙皮的表 面涂上高聚物涂料 免受环境介质侵蚀 ，减少阻力。 飞机的蒙皮、雷达罩、发动飞机的蒙皮、雷达

47、罩、发动 机的尾喷管、座舱都采用隐身涂层机的尾喷管、座舱都采用隐身涂层 ，雷达罩和尾喷管采用，雷达罩和尾喷管采用SnOSnO2 2和和InIn2 2O O3 3 等掺杂半导体材料作填料和适当的等掺杂半导体材料作填料和适当的 载流子浓度及迁移率以及等离子体载流子浓度及迁移率以及等离子体 频率，使其具有兼容雷达和红外隐频率，使其具有兼容雷达和红外隐 身。美国的身。美国的TF39TF39发动机轴承，发动机轴承，离子离子 注入注入铬磷，可解决点蚀、磨蚀，铬磷，可解决点蚀、磨蚀， 提高发动机轴承的使用寿命。提高发动机轴承的使用寿命。 在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 近年来，航空表面工程技术已经

48、取得了飞近年来，航空表面工程技术已经取得了飞 速的发展，涌现出许多表面工程新技术和新速的发展，涌现出许多表面工程新技术和新 工艺，如工艺，如激光强化技术、离子注人技术激光强化技术、离子注人技术、飞、飞 机蒙皮有机机蒙皮有机涂层涂层技术、薄膜减阻技术等已经技术、薄膜减阻技术等已经 投人应用或正在研究之中。这些表面技术将投人应用或正在研究之中。这些表面技术将 在航空领域中显示出更广阔的应用前景。在航空领域中显示出更广阔的应用前景。 在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 1886年卡尔.奔驰在德国的斯图加特制造生 产出世界上第一辆汽车。当时使用油漆作防锈 和美化装饰，近代汽车工业充分利用了各种表

49、 面热处理技术，物理气相沉积技术，电镀技术 热浸镀铝，镀锌技术，喷涂技术，涂装技术， 油漆技术等技术，使汽车成为现代技术与艺术 相结合。 奔奔 驰驰 系系 列列 在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂 层体系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。层体系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。 汽车上一些钢构件采用单一的钝化处理，在散热器主片，吊耳汽车上一些钢构件采用单一的钝化处理，在散热器主片，吊耳 总承，制动软轴支架等几十中零部件中应用。总承，制动软轴支架等几十中零部件中应用。 奥迪系列奥迪系列宝马系列 人们

50、对汽车的基本性能(驾驶性、安全性及对环境 的保护性等)不断的改进作了大量的工作。由于机械、 电子和光学等各种技术的综合应用，导致了目前所制 造的汽车更为安全和舒适。在这些技木之中，表面和 薄膜技术是主要涉及的应用领域。 在先进制造业中的应用在先进制造业中的应用 现代意义上的制造业不断吸收机械、电子、 信息、材料、能源及现代管理等方面的最新成果 追求高效、低耗、优质、清洁，并具有快速适应 市场变化的能力。现代制造业的发展主要以集成 电路技术为代表，制造和使用微小型电子元器件 和电路，实现电子系统功能的微电子技术，是改 变人们生产和生活面貌的先导技术。 绪绪 论论 1. 1 表面工程学的定义与内涵