1、2 表面工程技术的物理、化学基础表面工程技术的物理、化学基础教学目的和要求教学目的和要求 掌握固体掌握固体(金属金属)的重要表面特性，材料磨损及腐蚀基的重要表面特性，材料磨损及腐蚀基本原理。本原理。前言前言成功运用表面工程技术的三要素：成功运用表面工程技术的三要素：n掌握材料表面与界面的基础知识掌握材料表面与界面的基础知识n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n了解与掌握影响材料表面性能的主要因素了解与掌握影响材料表面性能的主要因素2.1固体的表面和界面固体的表面和界面 n（外）表面（定义）：（外）表面（定义）：固体与周围环境（气相、液相和真空）之间的分界面（固体与周围环境（气
2、相、液相和真空）之间的分界面（过渡区过渡区）。）。因环境不同，过渡区的组成和深度不同。因环境不同，过渡区的组成和深度不同。n界面（定义）：界面（定义）：固体之间的分界面称为界面；界面是一种二维的结构缺陷。固体之间的分界面称为界面；界面是一种二维的结构缺陷。在体系中，结构和成分不同的区域间；或结构和成分均相同，但取向不同的两晶粒在体系中，结构和成分不同的区域间；或结构和成分均相同，但取向不同的两晶粒间的交界面都称为界面。间的交界面都称为界面。前者称前者称相界相界，而后者称为，而后者称为晶界晶界。一、典型固体表面一、典型固体表面1.理想表面理想表面n 定义：向无限晶体内插入一个平面并切断插入面两侧
3、的原子结合键后，将其分为定义：向无限晶体内插入一个平面并切断插入面两侧的原子结合键后，将其分为两部分而形成的两个新的表面称为理想表面。两部分而形成的两个新的表面称为理想表面。n 特点：此过程中除了晶体附加了一组边界条件外，无任何其它改变。在半无限晶特点：此过程中除了晶体附加了一组边界条件外，无任何其它改变。在半无限晶体内部，原子和电子的状态与原来无限晶体的情况一样。体内部，原子和电子的状态与原来无限晶体的情况一样。理想表面实际不存在（是理论分析的基础）。理想表面实际不存在（是理论分析的基础）。实际表面存在表面能。实际表面存在表面能。理想表面形成示意图理想表面形成示意图1-1.实际表面实际表面n
4、定义：与理想表面不相同的实际的表面定义：与理想表面不相同的实际的表面（温度在（温度在0K以上的表面）。以上的表面）。nJ.W.Gibbs于于1877年首先提出：在气固相界面年首先提出：在气固相界面处存在一种二维凝聚物相。处存在一种二维凝聚物相。n特点：特点：1.驰豫及重构驰豫及重构 2.合金的表面偏析合金的表面偏析 3.表面吸附和表面化合物表面吸附和表面化合物 4.表面缺陷表面缺陷 驰驰 豫豫重重 构构表面原子的驰豫与重构表面原子的驰豫与重构 表面吸附表面吸附表面偏析表面偏析2.洁净表面与清洁表面洁净表面与清洁表面n洁净表面（定义）：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与洁净表面
5、（定义）：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表面。体内相同的表面。n洁净表面允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。洁净表面允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。n洁净表面只有用特殊的方法才能得到洁净表面只有用特殊的方法才能得到n清洁表面（定义）：一般指零件经过清洗清洁表面（定义）：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等脱脂、浸蚀等)以后的表面。以后的表面。n清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。n洁净表面的洁净表面的“清洁程度清洁程度”比清洁表面高。比清洁表面高。洁净表面与清洁表面这一对概念很重要。洁净表面与清洁表
6、面这一对概念很重要。3.机械加工后的表面机械加工后的表面表面的粗糙度和波度构成了金属的表面形貌。表面的粗糙度和波度构成了金属的表面形貌。n波纹度波纹度:金属表面呈波浪形的有规律和无规律的表面反复结构误差称为波纹度。金属表面呈波浪形的有规律和无规律的表面反复结构误差称为波纹度。波纹度的波距与波深的比为：波纹度的波距与波深的比为：1000：1100。n粗糙度粗糙度:加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状就构成了其特征。加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状就构成了其特征。粗糙度的波距与波深之比常常为粗糙度的波距与波深之比常常为150：15。波纹度是间距大于表面粗糙度
7、但小于表面几何形状误差的表面几何不平度，属波纹度是间距大于表面粗糙度但小于表面几何形状误差的表面几何不平度，属于微观和宏观之间的几何误差。于微观和宏观之间的几何误差。n粗糙度的表示粗糙度的表示:1、轮廓的算术平均偏差、轮廓的算术平均偏差Ra：式中：式中：y i 为为波峰高或波谷深的数值波峰高或波谷深的数值，n为测量的波峰或波谷的个数。为测量的波峰或波谷的个数。2、真实面积与投影面积之比、真实面积与投影面积之比 i：i A i/A l 式中：式中：A i为真实面积，为真实面积，A l 为的投影面积（理想的几何学面积）为的投影面积（理想的几何学面积）显然，显然，i 1表面光洁度表面光洁度 1 3
8、5 7 9 11 13表面粗糙度表面粗糙度Ra（m）5012.53.20.800.200.0500.012式式(2-1)式式(2-2)经过仔细研磨的金属：经过仔细研磨的金属：i 2它与表面工程技术的特征它与表面工程技术的特征及实施前的预备工艺紧密及实施前的预备工艺紧密联系，并严重影响材料的联系，并严重影响材料的摩擦磨损、腐蚀性能、表摩擦磨损、腐蚀性能、表面磁性能和电性能等。面磁性能和电性能等。材料的表面粗糙度是表面工程技术中材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要最重要的概念之一。的概念之一。（控制最后一道加工工序。）（控制最后一道加工工序。）（与实际情况的对应关系）（与实际情况的对应关系）14
9、（0.006m）：镜面）：镜面 13（0.012m）：雾状镜面）：雾状镜面 12（0.025m）：镜状光泽面）：镜状光泽面 11（0.050m）：亮光泽面）：亮光泽面 10（0.10m）：暗光泽面）：暗光泽面 9（0.20m）：不可见加工痕迹方向）：不可见加工痕迹方向8（0.40 m）：微见加工痕迹方向）：微见加工痕迹方向 7（0.80m）：可见加工痕迹方向）：可见加工痕迹方向 6（1.60 m）：看不清加工痕迹方向）：看不清加工痕迹方向5（3.2m）：微见加工痕迹方向）：微见加工痕迹方向 4（6.3m）：可见加工痕迹方向）：可见加工痕迹方向 3（12.5m）：微见刀痕）：微见刀痕 2（25m
10、）：可见刀痕）：可见刀痕 1（50m）：明显可见刀痕）：明显可见刀痕 4.一般表面一般表面n由于表面原子处于非平衡状态，一般表面会吸咐一层外来原子。由于表面原子处于非平衡状态，一般表面会吸咐一层外来原子。n常温常压条件下，金属表面会被氧化（金除外）。常温常压条件下，金属表面会被氧化（金除外）。n要求进行表面预处理。要求进行表面预处理。二、典型固体界面二、典型固体界面1.基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面n微晶层微晶层(比尔比层比尔比层(Bilby)层层)：1100nm厚的晶粒微小的厚的晶粒微小的微晶层。微晶层。n塑性变形层：塑变程度和它的深度有关。
11、塑性变形层：塑变程度和它的深度有关。n其它变质层：其它变质层：(1)形成孪晶：形成孪晶：Zn,Ti等密排六方结构的金属表层会形成孪晶等密排六方结构的金属表层会形成孪晶;(2)发生相变：发生相变：18-8型奥代体不锈钢，型奥代体不锈钢，黄铜、淬火钢中的残黄铜、淬火钢中的残余奥氏体，高锰钢等会形成相变层；余奥氏体，高锰钢等会形成相变层；(3)发生再结晶：发生再结晶：Sn、Pb、Zn等低熔点金属加工后表层能够等低熔点金属加工后表层能够形成再结晶层。形成再结晶层。(4)发生时效和出现表层裂纹等。发生时效和出现表层裂纹等。塑变深度塑变深度(m)0 10 20 3054321变形量变形量(%)2.基于固相
12、组织或晶体结构差异形成的界面基于固相组织或晶体结构差异形成的界面n典型特征是两相之间的微观成分与组织存在很大的典型特征是两相之间的微观成分与组织存在很大的差异，但无宏观成分上的明显区别（珠光体），且差异，但无宏观成分上的明显区别（珠光体），且宏观组织变化存在渐变区域宏观组织变化存在渐变区域(表面淬火组织表面淬火组织)，在服，在服役过程中役过程中不易出现不易出现表层剥落等情况。表层剥落等情况。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（覆层界面覆层界面）n冶金结合界面冶金结合界面n扩散结合界面扩散结合界面n外延生长界面外延生长界面n化学键结合界面化学键结合界面n分子键结合
13、界面分子键结合界面n机械结合界面机械结合界面 实际表面改性层中界面的结合机理常常是上述几种机理的综合。实际表面改性层中界面的结合机理常常是上述几种机理的综合。应根据需要设计、控制界面的结合机理。应根据需要设计、控制界面的结合机理。结合强度较高结合强度较高结合强度较低结合强度较低冶金结合界面冶金结合界面n定义：当覆层与基体材料之间的界面结合是通过处于熔融状态的覆层材料沿处于定义：当覆层与基体材料之间的界面结合是通过处于熔融状态的覆层材料沿处于半熔化状态下的固体基材表面向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合界面。半熔化状态下的固体基材表面向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合界面。n实质：金属键结
14、合实质：金属键结合n特点：结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。特点：结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。n技术：激光熔覆技术、堆焊与喷焊技术等。技术：激光熔覆技术、堆焊与喷焊技术等。扩散结合界面扩散结合界面n定义：两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、定义：两个固相直接接触，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。界面扩散和反应等途径所形成的结合界面。n特点：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子特点：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子级别的混合或合金化。级别的混合或合金化。n技术：热扩渗工艺、离
15、子注入工艺（技术：热扩渗工艺、离子注入工艺（“类扩散类扩散”界面）界面）等。等。金属间化合物：两种或两种以上金属以整数比（化学计量）金属间化合物：两种或两种以上金属以整数比（化学计量）组成的化合物。组成的化合物。除离子键和共价键之外，金属间化合物有很强的金属键结除离子键和共价键之外，金属间化合物有很强的金属键结合，因而它具有金属的一些特性。合，因而它具有金属的一些特性。金属间化合物仍然是金属材料。金属间化合物仍然是金属材料。(异质异质)外延生长界面外延生长界面n定义：当工艺条件合适时，在（单晶）衬底定义：当工艺条件合适时，在（单晶）衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的表面沿原来的结晶轴向
16、生成一层晶格完整的新单晶层的工艺过程，就称为外延生长，形新单晶层的工艺过程，就称为外延生长，形成的界面称为外延生长界面。成的界面称为外延生长界面。n关键：关键：结晶相容性（晶格失配数结晶相容性（晶格失配数m小）小）m=b-a/aa-基体晶格常数，基体晶格常数，b-薄膜晶格常数薄膜晶格常数n特点：理论上应有较好的结合强度。具体取特点：理论上应有较好的结合强度。具体取决于所形成的单晶层与衬底的结合键类型，决于所形成的单晶层与衬底的结合键类型，如分子键、共价键、离子键或金属键等。如分子键、共价键、离子键或金属键等。n技术：气相外延（化学气相沉积技术等）、技术：气相外延（化学气相沉积技术等）、液相外延
17、（电镀技术等）。液相外延（电镀技术等）。衬底衬底SubstrateFilm缺失面缺失面失配位错失配位错Film衬底衬底Substrate化学键结合界面化学键结合界面n定义：当覆层材料与基材之间发生化学反应，定义：当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面。就称为化学键结合界面。n特点：结合强度较高，界面的韧性较差；表特点：结合强度较高，界面的韧性较差；表面发生粘连、氧化、腐蚀等化学作用也会产面发生粘连、氧化、腐蚀等化学作用也会产生化学键结合界面。生化学键结合界面。n技术：物理和化学气相沉积技术、离子注入技术
18、：物理和化学气相沉积技术、离子注入技术、热扩渗技术、转化膜技术等。技术、热扩渗技术、转化膜技术等。阳极氧化阳极氧化+涂装涂装分子键结合界面分子键结合界面n定义：涂定义：涂(镀镀)层与基材表面以范德华力结合的界面。层与基材表面以范德华力结合的界面。n特点：覆层与基材特点：覆层与基材(或衬底或衬底)之间未发生扩散或化学之间未发生扩散或化学作用。结合强度较低。作用。结合强度较低。n技术：部分（低温）物理气相技术、涂装技术等。技术：部分（低温）物理气相技术、涂装技术等。阳极氧化阳极氧化+涂装涂装机械结合界面机械结合界面n定义：覆层与基材的结合界面主要通过两种定义：覆层与基材的结合界面主要通过两种材料相
19、互镶嵌等机械连接作用而形成。材料相互镶嵌等机械连接作用而形成。n特点：结合强度不高，但可起辅助作用。特点：结合强度不高，但可起辅助作用。n技术：热喷涂、包镀技术、涂装技术等。技术：热喷涂、包镀技术、涂装技术等。实际表面改性层中界面的结合机理常常实际表面改性层中界面的结合机理常常是上述几种机理的综合。是上述几种机理的综合。应根据需要设计、控制界面的结合机理。应根据需要设计、控制界面的结合机理。机械结合界面示意图机械结合界面示意图阳极氧化膜的多孔结构阳极氧化膜的多孔结构三、表面晶体结构三、表面晶体结构n二维晶体结构二维晶体结构(二维布拉菲晶格二维布拉菲晶格)任何一个二维周期性的结构均可用一个二维晶
20、格（点阵）加上结点（阵点）来描任何一个二维周期性的结构均可用一个二维晶格（点阵）加上结点（阵点）来描述，称为二维晶格。述，称为二维晶格。(呈二维周期性排列而形成的无限平面点阵，每个结点周围的情呈二维周期性排列而形成的无限平面点阵，每个结点周围的情况是相同的。况是相同的。)五种布拉菲二维晶格及晶胞五种布拉菲二维晶格及晶胞nTLK模型（模型（当温度为当温度为0K时时理想表面理想表面）：在温度相当于在温度相当于0K时，表面原子结构呈静态。表面原子层可认为是理想平面，时，表面原子结构呈静态。表面原子层可认为是理想平面，其中的原子作完整二维周期性排列，且不存在缺陷和杂质。其中的原子作完整二维周期性排列，
21、且不存在缺陷和杂质。五种布拉菲二维晶格及晶胞五种布拉菲二维晶格及晶胞nTLK模型（模型（当温度在当温度在0K以上时以上时实际表面实际表面）：当温度在当温度在0K以上时，由于原子的热运动，晶体表面将产生低晶面指数的以上时，由于原子的热运动，晶体表面将产生低晶面指数的平台平台、一定密度的单分子或原子高度的一定密度的单分子或原子高度的台阶台阶、单分子或原子尺度的、单分子或原子尺度的扭折扭折，以及表面吸附，以及表面吸附的单原子及表面空位等。的单原子及表面空位等。n实际表面上还存在大量各种类型的缺陷，如原子空位、位错露头实际表面上还存在大量各种类型的缺陷，如原子空位、位错露头和晶界痕迹等和晶界痕迹等物理
22、缺陷物理缺陷，材料组分和杂质原子偏析等，材料组分和杂质原子偏析等化学缺陷化学缺陷。上述表面缺陷对于固体材料的表面状态和表面形成过程都有重上述表面缺陷对于固体材料的表面状态和表面形成过程都有重要影响。要影响。（表面吸附、表面扩散、形核等）（表面吸附、表面扩散、形核等）TLK模型：平台模型：平台(Terrace)一台阶一台阶(Ledge)一扭折一扭折(Kink)模型模型（补充）表面现象（补充）表面现象n定义：固体表面上产生的各种物理及化学现象称为表面现象。定义：固体表面上产生的各种物理及化学现象称为表面现象。n种类：表面扩散、吸附、润湿、粘着和毛细现象等。种类：表面扩散、吸附、润湿、粘着和毛细现象
23、等。n意义：工农业生产上广泛利用金属的各种表面现象。意义：工农业生产上广泛利用金属的各种表面现象。在铸造、焊接、金属表面技术及防护、表面涂覆等均会涉及到。在铸造、焊接、金属表面技术及防护、表面涂覆等均会涉及到。n关系：金属的各种表面现象与表面自由能密切相关并普遍存在于多相体系内。关系：金属的各种表面现象与表面自由能密切相关并普遍存在于多相体系内。实际表面存在表面能。实际表面存在表面能。四、表面扩散四、表面扩散n物质中原子或分子的迁移现象称为扩散。物质中原子或分子的迁移现象称为扩散。n可由可由Fick第第和第和第定律来描述，扩散过程中原子平均扩散距离定律来描述，扩散过程中原子平均扩散距离X为为:
24、c 其中：其中：t为扩散时间；为扩散时间；c为受几何因素影响的常数；为受几何因素影响的常数；D为扩散系数，为扩散系数，决定扩散决定扩散速率大小速率大小。D=D0exp(-Q/RT)Q为扩散激活能，受材料的晶格结构，固溶体的类型，合金元素的为扩散激活能，受材料的晶格结构，固溶体的类型，合金元素的浓度及含量和浓度及含量和扩散路径扩散路径等因素的影响。等因素的影响。Dt 扩散系数：扩散系数：D=D0exp(-Q/RT)n原子的扩散途径除了最基本的体扩散过程外，还有原子的扩散途径除了最基本的体扩散过程外，还有表面扩散表面扩散、晶界扩散、晶界扩散和位错扩散和位错扩散(短路扩散短路扩散)。Q表表 Q界界
25、Q位位 Q体体D表表 D界界 D位位 D体体n表面原子受到的束缚较晶界和晶内低得多，原子在表面迁移所需能量也表面原子受到的束缚较晶界和晶内低得多，原子在表面迁移所需能量也小得多。小得多。表面扩散在表面工程技术中的薄膜形核及长大过程中起十分重要的作用。表面扩散在表面工程技术中的薄膜形核及长大过程中起十分重要的作用。五、五、表面（自由）能与表面张力表面（自由）能与表面张力 固体和液体的表面均处于空间三向不对称状态，故存在固体和液体的表面均处于空间三向不对称状态，故存在表面自由能表面自由能和和表表面张力面张力。液体的表面自由能液体的表面自由能n产生原因：产生原因：液体（熔体金属）的表面原子受到向内的
26、吸引力的作用。欲使其内部原子转变为液体（熔体金属）的表面原子受到向内的吸引力的作用。欲使其内部原子转变为表面原子，即增大表面积，需要环境对体系作功，从而形成表面能。表面原子，即增大表面积，需要环境对体系作功，从而形成表面能。n定义：定义：增大增大(液体液体)表面积所需要的功表面积所需要的功(能量能量)就是就是(液体液体)表面自由能。表面自由能。液体的表面张力液体的表面张力n产生原因：产生原因：处于表面的原子在向内的吸引力作用下，有进入液体内部的趋势，即缩小表面积处于表面的原子在向内的吸引力作用下，有进入液体内部的趋势，即缩小表面积的趋势，从而产生表面张力。的趋势，从而产生表面张力。n定义：定义
27、：液体表面切线方向上存在的使其表面积缩小的力称为表面张力。液体表面切线方向上存在的使其表面积缩小的力称为表面张力。n实验：实验：如上图，在无摩擦的活动边如上图，在无摩擦的活动边AB的铁丝框上涂满肥皂沫，为使膜不收缩，应在的铁丝框上涂满肥皂沫，为使膜不收缩，应在活动边上加外力活动边上加外力F。n试验证明：试验证明：施加的外力施加的外力F与活动边边长与活动边边长L成正比，即成正比，即 F=2 L =F/2L 式中：式中：“2”是因为液膜有两个表面；是因为液膜有两个表面；即为表面张力即为表面张力(或张力系数或张力系数)；表面张力的方向与液面相切，且力图使表面积缩小，其单位为：表面张力的方向与液面相切
28、，且力图使表面积缩小，其单位为：N/m。xLFAB肥皂膜肥皂膜增大增大(液体液体)表面积所需要的功表面积所需要的功(能量能量)就是就是(液体液体)表面自由能。表面自由能。n表面自由能：表面自由能：若使上图活动边若使上图活动边AB移动移动dx的距离，根据表面自由能的定义，表面自由能与液膜面的距离，根据表面自由能的定义，表面自由能与液膜面积的变化关系为：积的变化关系为：G=Fdx=2Ldx 称单位面积的表面自由能为称单位面积的表面自由能为比表面自由能比表面自由能(Fs)，即：，即：Fs=G/S=2Ldx/2Ldx=由此可知，液体的由此可知，液体的比表面自由能比表面自由能Fs与表面张力与表面张力在数
29、值上是相等的在数值上是相等的，其单位为：，其单位为：J/m2 （实际上，（实际上，1J/m2=1Nm/m2=1N/m，故二者是有联系的。但一个是单位面积的能，故二者是有联系的。但一个是单位面积的能，而另一个则为单位长度的力。而另一个则为单位长度的力。）液体表面自由能和表面张力在数值上是相等的，容易测定。液体表面自由能和表面张力在数值上是相等的，容易测定。xLFAB肥皂膜肥皂膜1.（固体）表面（自由）能（固体）表面（自由）能n严格意义上的表面能是指材料表面的内能，无法测量其绝对值。严格意义上的表面能是指材料表面的内能，无法测量其绝对值。n常用常用表面自由能表面自由能来描述材料表面能量的来描述材料
30、表面能量的变化变化，其物理意义是指产生，其物理意义是指产生1cm2新表面需新表面需消耗的等温可逆功。消耗的等温可逆功。n若不考虑重力，一定体积的液体平衡时总取圆球状，因为这样表面积最小，表面若不考虑重力，一定体积的液体平衡时总取圆球状，因为这样表面积最小，表面能最低。能最低。n固体的外表面总是由若干种原子排列不同的晶面组成的，一定体积的固体必然要固体的外表面总是由若干种原子排列不同的晶面组成的，一定体积的固体必然要构成总的表面自由能最低的形状。（粉末团聚）构成总的表面自由能最低的形状。（粉末团聚）2（固体）表面张力（固体）表面张力n表面张力是表面能的一种物理表现，是由于原子间的作用力以及表面张
31、力是表面能的一种物理表现，是由于原子间的作用力以及原子原子在表面和内在表面和内部的排列状态的差别而引起的。部的排列状态的差别而引起的。n表面张力和表面自由能的关系密切。表面张力和表面自由能的关系密切。n液体表面自由能和表面张力在数学上是相等的，容易测定。液体表面自由能和表面张力在数学上是相等的，容易测定。n固体的表面张力很难准确测定。固体的表面张力很难准确测定。表面自由能和表面张力对其表面性能影响极大，应充分重视。表面自由能和表面张力对其表面性能影响极大，应充分重视。六、固体表面的物理吸附和化学吸附六、固体表面的物理吸附和化学吸附1吸附的基本特性吸附的基本特性n吸附作用：物体表面上的原子或分子
32、力场不饱和，有吸引周围其它物质吸附作用：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其它物质(主要是气主要是气体、液体体、液体)分子的能力。分子的能力。n定义：当气体和液体与固体表面接触时，在固体表面的气体或液体增加或减少的定义：当气体和液体与固体表面接触时，在固体表面的气体或液体增加或减少的现象称为吸附现象现象称为吸附现象n吸附是固体表面最重要的性质之一。吸附是固体表面最重要的性质之一。n固体表面的吸附可分为物理吸附和化学吸附两类。（表固体表面的吸附可分为物理吸附和化学吸附两类。（表2-1）n化学吸附中，吸附原子与固体表面之间的结合力比物理吸附中的范德华力大得多。化学吸附中，吸附原子与固体表
33、面之间的结合力比物理吸附中的范德华力大得多。n物理吸附中吸附剂和固体表面之间不发生电子的转移；化学吸附中有电子的转移。物理吸附中吸附剂和固体表面之间不发生电子的转移；化学吸附中有电子的转移。n物理吸附往往很容易解吸，为可逆过程；而化学吸附很难解吸，为不可逆过程。物理吸附往往很容易解吸，为可逆过程；而化学吸附很难解吸，为不可逆过程。n有时会出现化学吸附和物理吸附同时存在的现象。有时会出现化学吸附和物理吸附同时存在的现象。2.固体对气体的吸咐固体对气体的吸咐n任何气体在其任何气体在其临界温度临界温度以上，都会被吸附于固体表面，即发生物理吸附。以上，都会被吸附于固体表面，即发生物理吸附。n常见气体对
34、大多数金属而言，其吸附强度大致可以按下列顺序排列：常见气体对大多数金属而言，其吸附强度大致可以按下列顺序排列：02 C2H2 C2H4 CO H2 C02 N2n固体表面对气体的吸附在表面工程技术中的作用非常重要。固体表面对气体的吸附在表面工程技术中的作用非常重要。气相沉积中薄膜的形核，气体渗碳、渗氮等工艺气相沉积中薄膜的形核，气体渗碳、渗氮等工艺使物质由气态转变为液态的最高温度。使物质由气态转变为液态的最高温度。3.固体对液体的吸咐固体对液体的吸咐n固体对液体的吸附：物理吸附和化学吸附。固体对液体的吸附：物理吸附和化学吸附。n物理吸附膜一般对温度很敏感：温度提高后会引起吸附膜的解吸、重新排列
35、甚至物理吸附膜一般对温度很敏感：温度提高后会引起吸附膜的解吸、重新排列甚至熔化。熔化。n化学吸附膜往往是先形成物理吸附膜，然后在界面发生化学反应转化成化学吸附。化学吸附膜往往是先形成物理吸附膜，然后在界面发生化学反应转化成化学吸附。n固体表面的粗糙度、污染程度、液体表面张力和润湿条件等对吸附有很大的影响。固体表面的粗糙度、污染程度、液体表面张力和润湿条件等对吸附有很大的影响。n固体表面对液体分子有吸附作用：固体表面对液体分子有吸附作用：对电解质的吸附，对非电解质的吸附。对电解质的吸附，对非电解质的吸附。n对电解质的吸附将使固体表面带电或者双电层中的组分发生变化，产生对电解质的吸附将使固体表面带
36、电或者双电层中的组分发生变化，产生离子交换离子交换作用。（电化学腐蚀、电镀）作用。（电化学腐蚀、电镀）n对非电解质溶液的吸附，一般表现为单分子层吸附，吸附层以外就是本体相溶液。对非电解质溶液的吸附，一般表现为单分子层吸附，吸附层以外就是本体相溶液。n固体可能同时吸附溶剂和溶质，但吸附的程度不同：固体可能同时吸附溶剂和溶质，但吸附的程度不同：吸附层内溶质的浓度比本体相大，称为正吸附；反之则称为负吸附。吸附层内溶质的浓度比本体相大，称为正吸附；反之则称为负吸附。（溶质被正吸附时，溶剂必然被负吸附；反之亦然。）（溶质被正吸附时，溶剂必然被负吸附；反之亦然。）n在稀溶液中可忽略溶剂对吸附的影响，将溶质
37、的吸附简单当作气体的物理吸附处在稀溶液中可忽略溶剂对吸附的影响，将溶质的吸附简单当作气体的物理吸附处理。而当溶质浓度较大时，则必须把溶质的吸附和溶剂的吸附同时考虑。理。而当溶质浓度较大时，则必须把溶质的吸附和溶剂的吸附同时考虑。4.固体表面之间的吸咐固体表面之间的吸咐n固体和固体表面同样有吸附作用（在原子间距范围内）。固体和固体表面同样有吸附作用（在原子间距范围内）。n粘附程度的大小可用粘附功粘附程度的大小可用粘附功WAB表示：表示：WAB A B AB式中：式中：WAB为粘附功；为粘附功；A、B分别为分别为A、B两种固体的表面张力；两种固体的表面张力；AB为为A、B形成新的界面时的界面张力。
38、形成新的界面时的界面张力。n两个不同物质间的粘附功往往超过其中较弱物质的内聚力。两个不同物质间的粘附功往往超过其中较弱物质的内聚力。n表面的污染会使粘附力大大减小。表面的污染会使粘附力大大减小。n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。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。式式(2-6)5.吸附对材料力学性能的影响吸附对材料力学性能的影响莱宾杰尔效应莱宾杰尔效应n由于环境介质的作用，材料的强度、塑性、耐磨性等力学性能大大降低。其原因：由于环境介质的作用，材料的强度、塑性、耐磨性等力学性能大大降低。其原因：1、不可逆的物理过程与物理化学过程引起的效应（如腐蚀
39、等）：与化学、电化、不可逆的物理过程与物理化学过程引起的效应（如腐蚀等）：与化学、电化学过程及反应有关；学过程及反应有关；2、可逆的物理过程和可逆物理化学过程引起的效应，这些过程降低固体、可逆的物理过程和可逆物理化学过程引起的效应，这些过程降低固体表面自表面自由能由能，并不同程度地改变材料本身的力学性能。，并不同程度地改变材料本身的力学性能。n因环境介质的影响及表面自由能减少导致固体强度、塑性降低的现象，称为莱宾杰因环境介质的影响及表面自由能减少导致固体强度、塑性降低的现象，称为莱宾杰尔效应。（尔效应。（1928年）年）n任何固体（晶体和非晶体、连续的和多孔的、金属和半导体、离子晶体和共价晶体
40、、任何固体（晶体和非晶体、连续的和多孔的、金属和半导体、离子晶体和共价晶体、玻璃和聚合物）都有莱宾杰尔效应：玻璃和聚合物）都有莱宾杰尔效应：玻璃和石膏吸附水蒸气后，其强度明显下降；玻璃和石膏吸附水蒸气后，其强度明显下降；铜表面覆盖熔融薄膜后，会使其固有的高塑性丧失；铜表面覆盖熔融薄膜后，会使其固有的高塑性丧失；n莱宾杰尔效应具有如下显著特征：莱宾杰尔效应具有如下显著特征：1)环境介质的影响有很明显的化学特征。（水银对锌有影响，但对镉无影响）环境介质的影响有很明显的化学特征。（水银对锌有影响，但对镉无影响）2)只要很少量的表面活性物质就可以产生莱宾杰尔效应。（表面微米量级、几滴）只要很少量的表面
41、活性物质就可以产生莱宾杰尔效应。（表面微米量级、几滴）3)表面活性熔融物的作用十分迅速。表面活性熔融物的作用十分迅速。4)表面活性物质的影响是可逆的，即从固体表面去除活性物质后，其力学性能一般表面活性物质的影响是可逆的，即从固体表面去除活性物质后，其力学性能一般会会完全完全恢复。恢复。5)莱宾杰尔效应的产生需要拉应力和表面活性物质同时起作用。莱宾杰尔效应的产生需要拉应力和表面活性物质同时起作用。n莱宾杰尔效应的本质：金属表面对活性介质的吸附，使表面原子的莱宾杰尔效应的本质：金属表面对活性介质的吸附，使表面原子的不饱和键不饱和键得到得到补偿，使表面能降低，改变了表面原子间的相互作用，使金属的表面
42、强度降低。补偿，使表面能降低，改变了表面原子间的相互作用，使金属的表面强度降低。n在生产中，莱宾杰尔效应具有重要的实际意义。一方面可利用此效应提高金属加在生产中，莱宾杰尔效应具有重要的实际意义。一方面可利用此效应提高金属加工工(压力加工、切削、磨削、破碎等压力加工、切削、磨削、破碎等)效率，大量节省能源。另一方面，应注意避效率，大量节省能源。另一方面，应注意避免因此效应所造成的材料早期破坏。免因此效应所造成的材料早期破坏。七、固体表面的润湿七、固体表面的润湿1.润湿现象与机理润湿现象与机理n定义：液体在固体表面上铺展的现象。定义：液体在固体表面上铺展的现象。n亲水物质、疏水物质：亲水物质、疏水
43、物质：n润湿角：润湿角：LGLGSGSLn润湿程度的定义：润湿程度的定义：润湿和不润湿不是截然分开的。润湿和不润湿不是截然分开的。nYoung方程：方程：nYoung方程反映了润湿角的大小与三相方程反映了润湿角的大小与三相界面张力界面张力之间的定量关系：之间的定量关系：n表面能表面能(表面张力表面张力)高的固体高的固体(金属及其氧化物、无机盐等金属及其氧化物、无机盐等)比表面能低的固体比表面能低的固体(有机有机物等物等)更易被液体所润湿。更易被液体所润湿。式式(2-7)式式(2-8)n机理：机理：润湿与否取决于液体分子间相互吸引力润湿与否取决于液体分子间相互吸引力(内聚力内聚力)和液和液-固分
44、子间吸引力固分子间吸引力(粘附力粘附力)的相对大小。若液的相对大小。若液-固粘附力较大，则液体在固体表面铺展，呈润湿；若液体内聚固粘附力较大，则液体在固体表面铺展，呈润湿；若液体内聚力占优势则不铺展，呈不润湿。力占优势则不铺展，呈不润湿。当液体（或固体）种类确定时，选择合适极性的固体（或液体）将直当液体（或固体）种类确定时，选择合适极性的固体（或液体）将直接影响润湿程度。接影响润湿程度。2.铺展系数铺展系数n液体在固体表面（液体在固体表面（理想的平滑表面理想的平滑表面）的铺展系数定义为：）的铺展系数定义为：当当SL/S=0时，铺展（完全润湿）时，铺展（完全润湿）当当SL/S0时，不铺展（不完全
45、润湿或完全不润湿）时，不铺展（不完全润湿或完全不润湿）当当SL/S 0时，自动展开，时，自动展开，Young方程已不适用方程已不适用n液体在粗糙的固体表面的铺展系数为：液体在粗糙的固体表面的铺展系数为：n粗糙表面的铺展系数远大于光滑表面的粗糙表面的铺展系数远大于光滑表面的（当当cos0时时）表面工程技术实施前，材料表面状态（表面预处理工艺）对表面改性表面工程技术实施前，材料表面状态（表面预处理工艺）对表面改性层质量的影响至关重要。层质量的影响至关重要。0式式(2-9)式式(2-10)式式(2-7)式式(2-8)Young方程：方程：3.润湿理论的应用润湿理论的应用润湿理论在各种工程技术尤其是表
46、面工程技术中应用很广泛。润湿理论在各种工程技术尤其是表面工程技术中应用很广泛。n增强润湿程度：增强润湿程度：表面活性物质减小润湿角表面活性物质减小润湿角表面适度粗化增大铺展系数表面适度粗化增大铺展系数中间层中间层成分优化成分优化n降低润湿程度：降低润湿程度：表面惰性物质增大润湿角表面惰性物质增大润湿角表面平滑减小铺展系数表面平滑减小铺展系数不粘涂层：炊具、洁具、防腐蚀等不粘涂层：炊具、洁具、防腐蚀等成分优化成分优化式式(2-7)式式(2-8)Young方程：方程：2.2 材料磨损原理及其耐磨性材料磨损原理及其耐磨性n磨损是材料三大主要失效形式之一，它造成的经济损失和社会影响是十磨损是材料三大主
47、要失效形式之一，它造成的经济损失和社会影响是十分巨大的。分巨大的。世界机电产品制造和使用中约世界机电产品制造和使用中约1/3的能源直接消耗于摩擦磨损。的能源直接消耗于摩擦磨损。我国我国2006年因摩擦磨损造成的损失为年因摩擦磨损造成的损失为9500亿元，占当年亿元，占当年GDP的的4.5%。n耐磨性是一个系统性质（非耐磨性是一个系统性质（非“固有特性固有特性”），受到摩擦学系统中接触条），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。件、工况、环境、介质等多方面因素的影响。n材料的磨损始于表面，材料的磨损始于表面，表面性能是决定材料耐磨性的关键表面性能是决定材料耐磨性的关键。n
48、不同的磨损失效过程和方式，要求不同的材料表面性能。不同的磨损失效过程和方式，要求不同的材料表面性能。一、固体材料的摩擦与磨损一、固体材料的摩擦与磨损1.摩擦学三摩擦学三“定律定律”n摩擦的定义：相互接触的物体相对运动时产生阻力，称为摩擦。摩擦的定义：相互接触的物体相对运动时产生阻力，称为摩擦。n摩擦存在于固体、气体和液体之间。摩擦存在于固体、气体和液体之间。n磨损的定义：相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象。磨损的定义：相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象。材料的摩擦与磨损是因果关系。材料的摩擦与磨损是因果关系。n摩擦学三摩擦学三“定律定律”：摩擦力与两接触体之
49、间的表观接触面积无关摩擦力与两接触体之间的表观接触面积无关(第一定律第一定律)；摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比(第二定律第二定律)；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(第三定律第三定律)。F为摩擦力为摩擦力(切向力切向力)；N为法向力为法向力(载荷载荷)；为摩擦系数。为摩擦系数。n材料或体系的耐磨性高低材料或体系的耐磨性高低一般一般用摩擦系数来表征。用摩擦系数来表征。n人们往往认为人们往往认为“摩擦学中无定律摩擦学中无定律”。很少出现很少出现2.摩擦与磨损的分类摩擦与磨损的分类n摩擦
50、分为四类：摩擦分为四类：干摩擦：无润滑摩擦，滑动摩擦干摩擦：无润滑摩擦，滑动摩擦边界润滑摩擦边界润滑摩擦：摩擦力明显降低：摩擦力明显降低流体润滑摩擦：流体润滑摩擦：具有最小的摩擦系数具有最小的摩擦系数滚动摩擦：摩擦系数比滑动摩擦的小得多滚动摩擦：摩擦系数比滑动摩擦的小得多n磨损分为七类：磨损分为七类：粘着磨损粘着磨损磨粒磨损磨粒磨损疲劳磨损疲劳磨损腐蚀磨损腐蚀磨损微动磨损微动磨损冲蚀冲蚀(包括气蚀包括气蚀)磨损磨损高温磨损高温磨损n各种复杂的磨损现象是上述基本机理单独或综合的表现。各种复杂的磨损现象是上述基本机理单独或综合的表现。一种摩擦方式常常包含几种磨损机理。一种摩擦方式常常包含几种磨损机
