1、第一节 固体材料及其表面第二节 固体表面晶体学基础第三节 表面热力学基础第四节 材料磨损失效第五节 材料腐蚀失效固体材料（按材料特性）金属材料无机非金属材料有机高分子材料各种纯金属及其合金塑料、合成橡胶、合成纤维等陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等复合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。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，有时也包括具有特殊力学性能的材料。常用来制造各种装备中具有独特功能的核心部件。固体材料（按所起作用）结构材料功能材料界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气
2、体，这种界面通常称为表面。严格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：常见的界面有：(1)气-液界面空气空气4CuSO溶液气气-液液界面界面(2)气-固界面气气-固界面固界面(3)液-液界面2H OHg液-液界面玻璃板玻璃板Hg2H O液液-固界面固界面(4)液-固界面(5)固-固界面铁管铁管CrCr镀层镀层固固-固界面固界面l固体固体表面是表面是固体内部固体内部材料材料与周围环境与周围环境的的交界区域，交界区域，指指固气界面或固液界面固气界面或固液界面。实际上由凝聚态物质靠实际上由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子
3、层（近气体或真空的一个或几个原子层（0.5-10nm0.5-10nm）组成，是凝聚态对气体或真空的一种过渡。通常组成，是凝聚态对气体或真空的一种过渡。通常定义为定义为自最外自最外层层的的物质物质分子到深分子到深几个微米几个微米至至几十几十个微米个微米厚度的材料厚度的材料。什么是固体表面？什么是固体表面？l固体材料通常以晶态和非晶态形式存在于自然界。固体材料通常以晶态和非晶态形式存在于自然界。l这里主要以晶态物质来介绍表面结构。这里主要以晶态物质来介绍表面结构。l理想表面是一种理论的结构完整的二维点阵平面。理想表面是一种理论的结构完整的二维点阵平面。l这里忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断这
4、里忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，也忽略表面上原子的热运动以及出现的的影响，也忽略表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象，又忽略了表面外界环境的作用缺陷和扩散现象，又忽略了表面外界环境的作用等，因而把等，因而把晶体的解理面认为是理想表面。晶体的解理面认为是理想表面。l晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经过约要经过4-64-6个原子层之后才与体内基本相似，所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层子范围。以晶体表面实际上只有几个原层子范围。l依热力学，表面附近的原子排列总是趋于能量最低依热力学，表面附
5、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：一是的稳定状态，达到这种稳定态的方式有两种：一是自行调整自行调整，原子排队列情况与材料内部明显不同；，原子排队列情况与材料内部明显不同；二是依靠二是依靠表面成分偏析表面成分偏析和表面对外来原子或分子的和表面对外来原子或分子的吸附吸附以及两者的相互作用而趋向稳定态，使表面组以及两者的相互作用而趋向稳定态，使表面组分与材料内部不同。分与材料内部不同。l晶体的三维周期性在表面处突然中断，表面上原子的配位晶体的三维周期性在表面处突然中断，表面上原子的配位情况发生变化，并且表面原子附近的电荷分布也有改变，情况发生变化，并且表面原子附近的
6、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于正常位置的上下位移以降低体系的能量。子会发生相对于正常位置的上下位移以降低体系的能量。l表面驰豫的最明显处是表面第一层原子与第二层之间距离表面驰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。的变化，越深入体相，弛豫效应越弱，并且是迅速消失。单晶表面单晶表面TLK模型已被低能电子衍射（模型已被低能电子衍射（LEED）分析结果证实）分析结果证实晶体表面缺陷晶体表面缺陷1 1、表面粗糙度、表面粗糙度l宏观看，切削、研磨、抛
7、光的固体表面似乎很平整，但从微观看，表宏观看，切削、研磨、抛光的固体表面似乎很平整，但从微观看，表面有明显的起伏，同时可能有裂缝、孔洞等。面有明显的起伏，同时可能有裂缝、孔洞等。2 2、贝尔比层、贝尔比层l经过切削加工后，表层中（几个经过切削加工后，表层中（几个十几个微米）可能发生晶格畸变，且十几个微米）可能发生晶格畸变，且随深度变化。最外层约随深度变化。最外层约5nm-10nm5nm-10nm厚度，可能会形成一种非晶态层，即厚度，可能会形成一种非晶态层，即贝尔比层，其成分为金属和其氧化物，性质与体内明显不同，具有较贝尔比层，其成分为金属和其氧化物，性质与体内明显不同，具有较高的耐磨性和耐蚀性
8、。高的耐磨性和耐蚀性。3 3、残余应力、残余应力l材料经各种加工、处理后普遍存在残余应力，按其作用范围分为宏观材料经各种加工、处理后普遍存在残余应力，按其作用范围分为宏观内应力和微观内应力两类。内应力和微观内应力两类。4 4、表面氧化、吸附和沾污、表面氧化、吸附和沾污l外来原子吸附在表面上形成覆盖层，并可能使表面重构。外来原子吸附在表面上形成覆盖层，并可能使表面重构。一、表面能基础理论一、表面能基础理论1 1、比表面、比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；
9、另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：/mVAA mAA V或式中，式中，m和和V分别为固体的质量和体积，分别为固体的质量和体积，A为其为其表面积。目前常用的测定表面积的方法有表面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法法和色谱法。和色谱法。把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。面也越大。例如，把边长为例如，把边长为1 cm的立方体的立方体1 cm3逐渐分割成小逐渐分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表：立方体时
10、，比表面增长情况列于下表：边长l/m 立方体数 比表面Av/（m2/m3）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 达到达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而，因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。化方面的研究热点。2 2、表面功、表面功由于液体内部分子对它们的吸引力大于外部气体分子，由于液体内部分子对它们的吸引力大于外部气体分子，表面层的分子受到一个垂直于液面且指向液体内部
11、的拉表面层的分子受到一个垂直于液面且指向液体内部的拉力，故液体表面有自动缩小的趋势。力，故液体表面有自动缩小的趋势。温度、压力和组成恒定时，温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加可逆使表面积增加dA所所需要对体系作的功，称为表面功需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：。用公式表示为：dAW 为比例系数，它在数值上等于在相应条件下增加单为比例系数，它在数值上等于在相应条件下增加单位表面积时对体系做的可逆非膨胀功，位表面积时对体系做的可逆非膨胀功，单位为单位为Jm-2。3 3、比表面自由能、比表面自由能根据热力学的观点，根据热力学的观点，在等温等压组成不变的可逆条件下在等温等压组成不变的可
12、逆条件下 为此条件下体系为此条件下体系增加单位表面积时，增加单位表面积时，GibbsGibbs自由能的自由能的增加值，称为增加值，称为比表面比表面GibbsGibbs自由能或表面吉布斯函数自由能或表面吉布斯函数，亦简称为亦简称为比表面自由能比表面自由能，其单位是，其单位是J mJ m-2-2。物理意义：物理意义：等温等压下增加单位表面积所引起的体系等温等压下增加单位表面积所引起的体系吉布斯自由能的变化，即单位表面的分子比相同数量吉布斯自由能的变化，即单位表面的分子比相同数量的内部分子多余的自由能。的内部分子多余的自由能。dAWdGBnpTAG,在两相在两相(特别是气特别是气-液液)界面上，处处
13、存在着一种张力，界面上，处处存在着一种张力，这种力垂直与表面的边界，指向液体方向并与表面这种力垂直与表面的边界，指向液体方向并与表面相切。相切。把作用于单位边界线上的这种力把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，称为表面张力，用用 g g 或或 表示。表示。表面张力的单位是：表面张力的单位是：Nm-1。4 4、表面张力、表面张力在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。若刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，如图，清楚的显示出表面张力的存在。由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，故线圈成任意形状可在液膜上移动。2 lg2
14、 lg2 lg2 lg2 lg2 lg2 lg2 lg2 lg2 lg2 lg2 lg2 lg2 lg2 lg2 lg2 lg将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。2 lg2W2 lg2W2 lg2W2 lg2W2 lg2W2 lg2W2 lg2W2 lg2W2 lg2W2 lg2W2 lg2W2 lg2W2W1W如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。l 是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l，就是作
15、用于单位边界上的表面张力。2 lg12=()FWW g=这时 F=2lCDAB将金属丝将金属丝AB向右移动向右移动dx，使肥皂膜表面积增大使肥皂膜表面积增大 dAs=2ldx （肥皂膜有两个面）肥皂膜有两个面）则需施加一外力则需施加一外力F对体系做功对体系做功W，即即 W=Fdx=dAS=2ldx =F/2l（或（或）即表面张力：引起液体表面收缩的单位长度即表面张力：引起液体表面收缩的单位长度上的力，其单位为上的力，其单位为Nm1。或或单位面积的表面吉布斯函数也称单位面积的表面吉布斯函数也称比表面自由能比表面自由能，单位，单位为为Jm2。单位长度上的力也称单位长度上的力也称表面张力表面张力，单
16、位为，单位为Nm1=Jm2。=F/2l单位面积的单位面积的表面功表面功，单位为单位为Jm2。因为因为J JNm,Nm,所以所以的单位也可以用的单位也可以用NmNm1 1表示。可表示。可见表面自由能见表面自由能()又代表了单位长度上的力，这种垂又代表了单位长度上的力，这种垂直作用于单位长度相表面上的力称之为直作用于单位长度相表面上的力称之为表面张力表面张力。在数值上在数值上，表面张力等于比表面自由能。，表面张力等于比表面自由能。在方向上在方向上，表面张力是沿着相的表面与相的界面相切，表面张力是沿着相的表面与相的界面相切，并促使其表面积缩小的方向。并促使其表面积缩小的方向。表面功、比表面自由能、表
17、面张力虽为不同的物理量，表面功、比表面自由能、表面张力虽为不同的物理量，但数值和量纲等同的，是同一事物从不同角度提出的但数值和量纲等同的，是同一事物从不同角度提出的物理量。物理量。（1）固体表面分子（原子）移动困难，只能靠吸附来降低表面能。（2）固体表面是不均匀的，不同类型的原子的化学行为、吸附热、催化活性和表面态能级的分布都是不均匀的。（3）固体表面层的组成与体相内部组成不同。1、固体固体表面的特点表面的特点二、二、固体表面吸附理论基础固体表面吸附理论基础 2 2、吸附剂、吸附质、吸附剂、吸附质当气体或蒸汽在固体表面被吸附时，固体称为吸附剂，被吸附的气体称为吸附质。吸吸 附：附：在相界面上某
18、种物质的浓度不同于体相浓度的现象。在相界面上某种物质的浓度不同于体相浓度的现象。吸附剂：吸附剂：具有吸附能力的固体物质。具有吸附能力的固体物质。吸附质：吸附质：被吸附的物质。被吸附的物质。例如：例如：用活性炭吸附甲烷气体，活性炭是吸附剂，甲烷是吸附质用活性炭吸附甲烷气体，活性炭是吸附剂，甲烷是吸附质。具有如下特点的吸附称为物理吸附：1)吸附力是由固体和气体分子之间的van der Waals引力产生的，一般比较弱；2)吸附热较小，接近于气体的液化热，一般在几个 kJ/mol以下；3)吸附无选择性，任何固体可以吸附任何气体，当 然吸附量会有所不同；3、（1 1）物理吸附）物理吸附4)吸附稳定性不
19、高，吸附与解吸速率都很快；5)吸附可以是单分子层，但也可以是多分子层；6)吸附不需要活化能，吸附速率并不因温度的升高而变快；总之：物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电子转移，总之：物理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。没有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等。具有如下特点的吸附称为化学吸附：1)吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键力，一般较强；2)吸附热较高，接近于化学反应热，一般在42kJ/mol以上；3)吸附有选择性，固体表面的活性位只吸附与之可发生反应的气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦然；（2 2）化学吸附）化学吸附4)吸附很稳定，
20、一旦吸附，就不易解吸；5)吸附是单分子层的；6)吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加快；总之：化学吸附相当与吸附剂表面分子与吸附质分总之：化学吸附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、紫外子发生了化学反应，在红外、紫外-可见光谱中会出可见光谱中会出现新的特征吸收带。现新的特征吸收带。（3 3）物理吸附与化学吸附的区别）物理吸附与化学吸附的区别物理吸附：物理吸附：吸附剂与吸附质分子间以范德华引力相互作用；吸附剂与吸附质分子间以范德华引力相互作用；化学吸附：化学吸附：吸附剂与吸附质分子间发生化学反应，以化学键相结合。吸附剂与吸附质分子间发生化学反应，以化学键相结合。影响气-
21、固界面吸附的主要因素有：温度、压力以及吸附剂和吸附质的性质。无论物理吸附还是化学吸附，温度升高时吸附量减少；压力增加，吸附量和吸附速率皆增大。极性吸附剂易于吸附极性吸附质，非极性吸附剂则易于吸附非极性物质。吸附质分子的结构越复杂，沸点越高，被吸附的能力越强。酸性吸附剂易吸附碱性吸附质，反之亦然。（4 4）影响气固界面吸附的主要因素）影响气固界面吸附的主要因素一种液体能否在另一种不互溶的液体上铺展，取决于两种液体本身的表面张力和两种液体之间的界面张力。一般说，铺展后，表面自由能下降，则这种铺展是自发的。大多数表面自由能较低的有机物可以在表面自由能较高的水面上铺展。设液体1，2和气体间的界面张力分
22、别为g1,g,g2,g和g1,2。在三相接界点处，g1,g和g1,2企图维持液体1不铺展；而g2,g的作用是使液体铺展。121,gg2,gg1,2g如果g2,g(g1,g+g1,2)，则液体1能在液体2上铺展。1.1.粘附功粘附功在等温等压条件下，单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功，它是液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润湿固体，液-固结合得越牢。在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体表面，产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个过程表面吉布斯自由能变化值的负值。al sg lg-s()WGggg 液固g lgg sgl sgl-sg-lg-s()aWGggg
23、 液体在固体表面湿润过程的示意图液体在固体表面湿润过程的示意图沾湿：气沾湿：气固和气固和气液界面消失，形成液液界面消失，形成液-固界面的过程固界面的过程2.2.浸湿功浸湿功等温、等压条件下，将具有单位表面积的固体可逆地浸入液体中所作的最大功称为浸湿功，它是液体在固体表面取代气体能力的一种量度。只有浸湿功大于或等于零，液体才能浸湿固体。在浸湿过程中，消失了单位面积的气、固表面，产生了单位面积的液、固界面，所以浸湿功等于该变化过程表面自由能变化值的负值。il sg-si()0WGWgg 能浸湿。固体浸湿过程示意图气液固固体浸湿过程示意图气液固体浸湿过程示意图气液固体浸湿过程示意图气液固体浸湿过程示
24、意图气液固体浸湿过程示意图气液固体浸湿过程示意图固体浸湿过程示意图气液固l-sg-s()iWGgg 0 iW 能浸湿g-sgl-sg浸湿：气浸湿：气固界面完全被液固界面完全被液固界面取代的过程固界面取代的过程3.3.内聚功内聚功等温、等压条件下，两个单位液面可逆聚合为液柱所作的最大功称为内聚功，是液体本身结合牢固程度的一种量度。cg-l(02)WGg 内聚时两个单位液面消失，所以，内聚功在数值上等于该变化过程表面自由能变化值的负值。液液液液g lg(02)cg lWGg 4.4.铺展系数铺展系数等温、等压条件下，单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气液界面，这过程表面自
25、由能变化值的负值称为铺展系数，用S表示。l-sl-gs-g()SGggg 若S0，说明液体可以在固体表面自动铺展，S0，则不能铺展。固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气a固液气ab()l sl gs gSGggg 液体在固体表面上的铺展液体在固体表面上的铺展铺展：液铺展：液固界面取代气固界面取代气-固界面，同时又增大气固界面，同时又增大气-液界面的过程液界面的过程5.5.接触角接触角 液液-固界面的水平线与气固界面的水平线与气-液界面切液界面切线之间通过液体内部的夹角，或在线之间通过液体内部的夹角，或在气、液、固三相交界点，气气、液、固三相交界
26、点，气-液与气液与气-固界面张力之间的夹角称为接触角固界面张力之间的夹角称为接触角O点有三种界面张力相互作用：点有三种界面张力相互作用：固体表面张力固体表面张力S：倾向于使液滴铺展开来；倾向于使液滴铺展开来；液固界面张力液固界面张力ls：倾向于使液滴收缩倾向于使液滴收缩 液体表面张力液体表面张力 l：粘附润湿时使液滴收缩，不润湿时则使液滴铺开粘附润湿时使液滴收缩，不润湿时则使液滴铺开 当上述三种力处于平衡状态时当上述三种力处于平衡状态时：90o 为润湿，如水在洁净玻璃表面；为润湿，如水在洁净玻璃表面；90o 为不润湿，如汞在玻璃表面；为不润湿，如汞在玻璃表面；=00 完全润湿；完全润湿；=18
27、0o 完全不润湿。完全不润湿。g-ls-lg-scosggg接触角示意图：接触角示意图：润湿现象的应用润湿现象的应用 模型铸造模型铸造：浇铸工艺中熔融金属和模具间的润湿程浇铸工艺中熔融金属和模具间的润湿程度直接关系到浇铸的质量。度直接关系到浇铸的质量。熔炼冶金熔炼冶金：在熔炼中要求钢水与炉渣不润湿，否则在熔炼中要求钢水与炉渣不润湿，否则彼此不易分离。彼此不易分离。农农 业：业：农药中加入少量表面活性剂，可提高润湿农药中加入少量表面活性剂，可提高润湿性，有利于发挥药效。性，有利于发挥药效。l粘着磨损粘着磨损l磨粒磨损磨粒磨损l腐蚀磨损腐蚀磨损l麻点磨损麻点磨损相互接触的零件间会发生摩擦，在摩擦相
28、互接触的零件间会发生摩擦，在摩擦过程中零件表面发生的尺寸变化和物质过程中零件表面发生的尺寸变化和物质耗损现象称为磨损。耗损现象称为磨损。在滑动摩擦条件下，摩擦幅的接触面发生金在滑动摩擦条件下，摩擦幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。面被擦伤的一种磨损形式。局部粘着局部粘着（冷焊）（冷焊）粘着处粘着处被撕掉被撕掉金属表面被划伤或金属表面被划伤或者金属屑粒脱落者金属屑粒脱落局部接触局部接触接触面积小接触面积小应力大应力大润 滑 油 膜、润 滑 油 膜、
29、氧 化 膜 被 挤氧 化 膜 被 挤破破l在滑动摩擦条件上产生；在滑动摩擦条件上产生；l摩擦副的两种金属力学性能相差不摩擦副的两种金属力学性能相差不大；大；l磨损速度大，磨损速度大，1015m/h，破，破坏严重。坏严重。l合理选材，摩擦幅配对材料选用硬合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类材料度差较大的异类材料；l提高表面硬度；提高表面硬度；l合理设计减小接触压应力；合理设计减小接触压应力；l减小表面粗糙度。减小表面粗糙度。在滑动摩擦时零件表面存在硬在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入、切割金属表面从而导致磨粒嵌入、切割金属表
30、面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。零件表面逐渐损耗的一种磨损。金属表面发金属表面发生局部塑性生局部塑性变形变形磨粒嵌入金属磨粒嵌入金属表面，切割金表面，切割金属表面属表面表面被划伤表面被划伤l提高表面硬度（从选材方面）；提高表面硬度（从选材方面）；l减少磨粒数量（从工作状况方面）减少磨粒数量（从工作状况方面）。l普遍存在于机件中；普遍存在于机件中；l磨损速度较大，磨损速度较大，0.55 m/h。在摩擦力和介质联合作用下，金在摩擦力和介质联合作用下，金属表层的腐蚀产物剥落与金属磨面间的属表层的腐蚀产物剥落与金属磨面间的机械磨损（粘着磨损和磨粒磨损）共同机械磨损（粘着磨损和磨粒磨损）共同发生的
31、一种磨损。发生的一种磨损。l氧化磨损氧化磨损l微动磨损微动磨损l冲蚀磨损冲蚀磨损零件工作面作滚动或滚动加滑动零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。特点：特点：l产生接触疲劳的零件表面上出现许多针状或痘状的凹坑，产生接触疲劳的零件表面上出现许多针状或痘状的凹坑，称麻点，故得名麻点磨损，亦称疲劳磨损。称麻点，故得名麻点磨损，亦称疲劳磨损。l接触疲劳是裂纹形成和扩展的过程。接触疲劳是裂纹形成和扩展的过程。防止措施：防止措施：l提高材料硬度；（以增加塑性变形的抗力，延缓裂纹形成提高
32、材料硬度；（以增加塑性变形的抗力，延缓裂纹形成和扩展）和扩展）l提高材料纯度；（减少裂纹源）提高材料纯度；（减少裂纹源）l提高零件心部强度和硬度，增加硬化层深度，细化硬化层提高零件心部强度和硬度，增加硬化层深度，细化硬化层组织；组织；l减小表面粗糙度，以减小摩擦力。减小表面粗糙度，以减小摩擦力。l磨损是机械零件常见的一种失效形式，磨损是机械零件常见的一种失效形式，总是从零件表面开始发生。各种磨损总是从零件表面开始发生。各种磨损的过程和机理不同，因此其预防措施的过程和机理不同，因此其预防措施也不同。也不同。l提高零件表面硬度，合理设计减小压提高零件表面硬度，合理设计减小压应力，以及提高表面光洁度
33、等对降低应力，以及提高表面光洁度等对降低磨损都有利。磨损都有利。材料表面和周围介质发生化学反应或者材料表面和周围介质发生化学反应或者电化学反应所引起的表面损伤现象。电化学反应所引起的表面损伤现象。l化学腐蚀化学腐蚀腐蚀过程不产生腐蚀电流，如金属在高温氧化腐蚀过程不产生腐蚀电流，如金属在高温氧化性气氛中、在干燥空气中、在石油及酒精中的腐性气氛中、在干燥空气中、在石油及酒精中的腐蚀蚀都属于化学腐蚀。都属于化学腐蚀。l电化学腐蚀电化学腐蚀腐蚀过程会产生腐蚀电流，如金属在潮湿空气、腐蚀过程会产生腐蚀电流，如金属在潮湿空气、海水、或电解质溶液中的腐蚀都是电化学腐蚀。海水、或电解质溶液中的腐蚀都是电化学腐
34、蚀。除除Au、Pt外，金属中在空气中都会发生外，金属中在空气中都会发生氧化，高温会加速氧化过程。氧化，高温会加速氧化过程。腐蚀会导致零件有效截面积减小，承载腐蚀会导致零件有效截面积减小，承载能力降低。能力降低。在高温含氧气氛中工作的零件的抗高温在高温含氧气氛中工作的零件的抗高温氧化能力是一项重要指标。氧化能力是一项重要指标。金属失去电子成为金属离子金属失去电子成为金属离子2MM2e 氧原子吸收电子成为氧离子氧原子吸收电子成为氧离子 金属离子和氧离子结合为金属氧化物金属离子和氧离子结合为金属氧化物2+2eOO2+2MMOO氧化膜形成后，将金属基体与氧隔开，金属要继续氧氧化膜形成后，将金属基体与氧
35、隔开，金属要继续氧化必须：化必须：金属离子及电子（由内向外）穿过氧化膜金属离子及电子（由内向外）穿过氧化膜 氧原子或离子（由外向内）穿过氧化膜氧原子或离子（由外向内）穿过氧化膜氧化膜层阻止原子、离子及电子穿过氧化膜的能力，氧化膜层阻止原子、离子及电子穿过氧化膜的能力，决定了材料的抗氧化性能。决定了材料的抗氧化性能。Al2O3、Cr2O3、SiO2等氧化膜的熔点高，致密，阻力大；FeO、Cu2O等氧化膜的熔点低，疏松，阻力小；在钢中加入Al、Cr、Si等元素，因其与氧的亲和力比Fe大，故可优先形成氧化物，从而阻Fe的氧化。产生条件：产生条件：l不同金属或同一金属的不同部分存在不同金属或同一金属的
36、不同部分存在电极电位差；电极电位差；l相互接触；相互接触；l有电介质溶液。有电介质溶液。l阳极：失去电子发生氧化反应阳极：失去电子发生氧化反应（被腐蚀）（被腐蚀）电化学腐蚀的过程电化学腐蚀的过程 阴极：得到电子发生还原反应阴极：得到电子发生还原反应MM n+ne析氢反应析氢反应（电解质中（电解质中H+高时）高时）吸氧反应吸氧反应（电解质中（电解质中O2高时）高时）222HeH22244OH OeOH(NH4)Cl碳棒锌外壳 在锌壳上的阳极反应在锌壳上的阳极反应 在碳棒上的阴极反应在碳棒上的阴极反应ZnZn2+2e2H+2e H2结果：结果：ZnZn被离子化被离子化（腐蚀）。（腐蚀）。材料在应力
37、和特定介质联合作用下产生材料在应力和特定介质联合作用下产生的低应力脆性断裂。的低应力脆性断裂。特点：特点：l应力低应力低l介质的腐蚀性小介质的腐蚀性小l特定介质特定介质常用金属材料发生应力腐蚀的敏感介质常用金属材料发生应力腐蚀的敏感介质金属材料金属材料化学介质化学介质金属材料金属材料化学介质化学介质低碳钢和低低碳钢和低合金钢合金钢NaOH、沸腾硝酸盐、沸腾硝酸盐溶液，海水、海洋及溶液，海水、海洋及工业气氛工业气氛铝合金铝合金氯化物、海水及海氯化物、海水及海洋大气、潮湿工业洋大气、潮湿工业大气大气奥氏体不锈奥氏体不锈钢钢酸性和中性氯化物、酸性和中性氯化物、熔融氯化物、海水熔融氯化物、海水钢合金钢合金氨蒸气、含氨气体、氨蒸气、含氨气体、含胺离子水溶液含胺离子水溶液镍基合金镍基合金热浓热浓NaOH、HF蒸蒸气和溶液气和溶液钛合金钛合金发烟硝酸、发烟硝酸、300以上的氯化物，潮以上的氯化物，潮湿空气及海水湿空气及海水奥氏体不锈钢晶间应力腐蚀奥氏体不锈钢晶间应力腐蚀l对于对于化学腐蚀化学腐蚀，常采用以下方式：选择抗，常采用以下方式：选择抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料等；零件表面涂层。等；零件表面涂层。l对于对于电化学腐蚀电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表面：选择耐腐蚀材料；表面涂层；电化学保护；加缓蚀剂涂层；电化学保护；加缓蚀剂
