材料表面工程教案

1、（工程建筑套表）材料表面工程教案20XX年XX月多年的企業(yè)咨詢(xún)豉問(wèn)經(jīng)驗(yàn).經(jīng)過(guò)實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證可以落地機(jī)行的卓越管理方案，值得您下載擁有材料表面工程教案李遠(yuǎn)睿編寫(xiě)重慶大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)院2005年4月前言Foreword金屬材料表面工程學(xué)科是涉及范圍較廣的學(xué)科?？偟哪康氖牵涸诒ＷC材料整體強(qiáng)度水平不降低的基礎(chǔ)上設(shè)法應(yīng)用不同的現(xiàn)代技術(shù)手段賦予材料表面各種所需要的性能。本課程在介紹了金屬表面的有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)后，結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新的資料和信息及老師的科研實(shí)踐，分別講解：表面準(zhǔn)備、表面冷塑性變性強(qiáng)化、表面覆層強(qiáng)化，高能量密度表面強(qiáng)化和改性、表面淬火強(qiáng)化，化學(xué)熱處理表面強(qiáng)化及表面特殊涂覆處理和表面復(fù)合處理技術(shù)等內(nèi)容。由

2、于在熱處理工藝學(xué)中學(xué)習(xí)了表面淬火強(qiáng)化和化學(xué)熱處理等方面的內(nèi)容，則在本課程中不再詳細(xì)討論了。壹綜述：1金屬材料表面工程學(xué)的地位。金屬材料，特別是鋼鐵材料，目前仍舊是機(jī)械,設(shè)備和工程構(gòu)件的主要材料。國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)曾對(duì)114個(gè)大型企業(yè)耗用材料的統(tǒng)計(jì)資料表明：鋼鐵材料占93.13%；有色金屬占1.85%；非金屬材料占5.2%。目前存在的主要問(wèn)題是：材料消耗多、利用率低、質(zhì)量欠穩(wěn)定、制成的零部件或工程結(jié)構(gòu)失效較早等。2機(jī)械零件失效的主要形式：a塑性變形。原因是材料強(qiáng)度不足或過(guò)載使用；b斷裂。有韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂三種類(lèi)型；c磨損。按磨損機(jī)理分為磨料磨損、沖蝕磨損、粘著磨損和疲勞磨損四類(lèi)，各類(lèi)磨損又

3、能夠細(xì)分為更具體的壹些形式。d腐蝕。在環(huán)境及周?chē)橘|(zhì)作用下，對(duì)金屬材料及零件的腐蝕。在之上四種失效形式中，磨損、疲勞和腐蝕占80%之上。由現(xiàn)代理化手段分析后證實(shí)：失效通常是從材料的表面開(kāi)始的，而且往往是因其表面性能不高所致。故研究金屬材料的表面及其相應(yīng)的強(qiáng)化方法有十分重要的意義。二表面強(qiáng)化技術(shù)的分類(lèi)及概況。1分類(lèi)。通常按表面強(qiáng)化技術(shù)的性質(zhì)分類(lèi)，能夠分為：a化學(xué)熱處理表面強(qiáng)化；b表面淬火強(qiáng)化；c表面覆層（化成處理覆層、覆襯、CVP、PVD薄膜和熱浸滲）強(qiáng)化及裝飾；d表面冷塑性變形強(qiáng)化；e表面復(fù)合強(qiáng)化；f表面高能量密度改性和強(qiáng)化。2各類(lèi)表面強(qiáng)化的概況。a化學(xué)熱處理表面強(qiáng)化。即用滲入原子在材料表層內(nèi)

4、擴(kuò)散而形成人工內(nèi)污染層，以改變表層的化學(xué)成分為先決條件，再進(jìn)行不同處理后賦和表面和內(nèi)部不同的組織，從而具有不同性能的表面強(qiáng)化方法。例如：鋼的滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、熱浸滲和滲金屬等等。b表面淬火。不改變材料的化學(xué)成分，只是因表層相變而產(chǎn)生的強(qiáng)化方法稱(chēng)為表面淬火。例如：高頻、中頻和表面感應(yīng)加熱淬火、火焰加熱表面淬火、電子束、激光（Laser）束加熱表面淬火等。c表面冷塑性變形強(qiáng)化。在金屬材料的再結(jié)晶溫度之下，使其表層發(fā)生冷塑性變形后達(dá)到表層加工硬化，彌補(bǔ)其表面輕微脫碳和細(xì)小缺陷且形成表層殘余壓應(yīng)力的強(qiáng)化方法稱(chēng)為表面冷塑性變形強(qiáng)化。其顯著作用就是提高金屬材料及其制品的高周疲勞壽命，且材料本身強(qiáng)

5、度愈高，其表面強(qiáng)化效果愈顯著。表面冷塑性變形強(qiáng)化的方法有：表面滾壓、內(nèi)孔擠壓和表層噴丸強(qiáng)化。其中，噴丸強(qiáng)化用得最普遍。d表面覆層強(qiáng)化及裝飾。使金屬表面獲得特殊的覆蓋層，以提高其耐磨、耐蝕、抗疲勞及裝飾等目的工藝方法都稱(chēng)為表面覆層強(qiáng)化及裝飾。它分為：表面鍍膜，化成處理和表面覆襯。表面鍍膜主要有物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）和分子外延技術(shù)等；化成處理主要有：化學(xué)鍍、電鍍、發(fā)藍(lán)、發(fā)黑、磷化和鋁的陽(yáng)極氧化等；表面覆層主要為熱噴涂、熱堆焊覆層（襯）和用玻璃和地瀝清等覆襯于其表面，以達(dá)到耐熱、耐蝕、防滑、修復(fù)尺寸和防腐等目的。e高能量密度表面強(qiáng)化。以極高密度的能量作用于金屬表面使其發(fā)生物理

6、、化學(xué)變化，達(dá)到強(qiáng)化或表面改性的目的稱(chēng)為高能量密度表面強(qiáng)化。特點(diǎn)是：方法簡(jiǎn)單、時(shí)間短、變形小、高效率等，但設(shè)備復(fù)雜，造價(jià)高。采用：電子束、激光束、太陽(yáng)能和高頻沖擊表面感應(yīng)加熱等。能量密度：以電子束和激光束提供的能量密度最高，可達(dá)到：108109W/cm2?；鹧婧透哳l加熱的能量密度為102103W/cm2。Laser被美國(guó)和過(guò)俄羅斯首先用于工業(yè)處理上,我國(guó)上海光機(jī)所于90年代曾用于齒輪的齒面淬火。f表面復(fù)合處理。將倆種或倆種之上的表面處理（或強(qiáng)化）工藝用于同壹工件的表面強(qiáng)化的方法稱(chēng)為表面復(fù)合處理。目的：發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn),更大限度地提高金屬的表面性能。例如：熱浸鍍鋁+熱擴(kuò)散,使鍍層結(jié)合牢固;滲碳熱處

7、理+噴丸;感應(yīng)加熱淬火+噴丸等。三表面工程和技術(shù)的發(fā)展方向1特點(diǎn)。使金屬材料基體強(qiáng)度不變的前題條件下，設(shè)法使其表面具有各種優(yōu)異的特殊性能。例如：高硬度、高耐磨性、耐蝕、抗疲勞（接觸、高周、腐蝕疲勞等）特殊的物理和化學(xué)性能（反光、吸收電磁波、發(fā)光、電導(dǎo)、電絕緣性能和生物相容性涂層等）。此外，仍有裝飾作用。2發(fā)展。以化學(xué)熱處理為例，采用微機(jī)配以先進(jìn)的傳感元件進(jìn)行碳、氮?jiǎng)菘刂?；運(yùn)用可控氣氛實(shí)現(xiàn)少無(wú)氧化加熱等。以表面許需要的特有性能為例：船甲板的防滑處理等；以特殊的物理性能為例，發(fā)光涂層，吸收電磁波的涂層生物容性涂層等。3教育部曾以征求意見(jiàn)的形式下達(dá)文件，建議將表面強(qiáng)化處理和熱處理作為培養(yǎng)材料學(xué)科的碩

8、士研究生的八大專(zhuān)業(yè)課題之壹。自1992年以后，國(guó)際上將材料熱處理大會(huì)改為材料及表面工程大會(huì)。四涉及學(xué)科：在學(xué)完材料科學(xué)基礎(chǔ)、熱處理原理及工藝、工程材料、大學(xué)物理、化學(xué)和物理化學(xué)等課程之后，學(xué)習(xí)表面工程和技術(shù)。思考題11機(jī)械零件、工模具和工程構(gòu)件失效的主要形式有哪些？研究且開(kāi)發(fā)表面工程和技術(shù)有何意義？有塑性變形，斷裂、磨損和腐蝕四種失效形式。后三種占80%之上，現(xiàn)代理化手段分析表明，后三種失效均是從金屬材料的表面開(kāi)始的。因此，提高其表面質(zhì)量，研究表面處理方法等有重大的意義。2金屬材料表面處理有哪六類(lèi)基本的方法？各自的主要特點(diǎn)是什么？有化學(xué)熱處理表面強(qiáng)化，表面冷塑性變形強(qiáng)化，表面覆層，表面淬火強(qiáng)化

9、，高能量密度表面強(qiáng)化和改性和表面復(fù)合強(qiáng)化等6種。各自的特點(diǎn)是：（略）。CHAPTERONE金屬的表面(THESURFACEOFMETALS)金屬的表面直接承受各種負(fù)載，被磨損，且和介質(zhì)作用，往往承受的應(yīng)力最大，且表面原子間受力不是三維對(duì)稱(chēng)的，故其成分、組織和性能和內(nèi)部迥然不同。因而，認(rèn)識(shí)金屬的表面對(duì)于強(qiáng)化它十分重要。11金屬的界面和表面壹界面1 定義。界面是壹種二維的結(jié)構(gòu)缺陷。在所論的體系中，結(jié)構(gòu)和成分不同的區(qū)域間，或結(jié)構(gòu)和成分均相同，但取向不同的倆晶粒間的交界面稱(chēng)為界面。前者稱(chēng)相界而后者稱(chēng)為晶界。2 金屬及合金的界面種類(lèi)。分外表面和內(nèi)外表面?zhèn)z大類(lèi)。外表面即金屬和合金和周維環(huán)境間的過(guò)渡區(qū)；內(nèi)表

10、面有：晶界、相界、亞晶界、孿晶界、層錯(cuò)界及胞壁界等。二金屬的表面1 定義。金屬或合金和周維環(huán)境(氣相、液相和真空)間的過(guò)渡區(qū)稱(chēng)為金屬的表面。因環(huán)境不同，過(guò)渡區(qū)的組成和深度不同。2 三種情況的金屬表面。a純凈表面。大塊晶體的三維周期結(jié)構(gòu)和真空間的過(guò)渡區(qū)域稱(chēng)為純凈表面。它包括所有不具有體內(nèi)三維周期性的原子層，常為壹個(gè)到幾個(gè)原子層厚，約510?。b清潔表面。不存在有表面化合物，僅有氣體和洗滌物的殘留吸附層的金屬表面稱(chēng)為清潔表面，清潔表面又稱(chēng)為工業(yè)純凈表面。表面處理及強(qiáng)化時(shí)通常均要求金屬表面先成為清潔表面，如：電鍍、發(fā)藍(lán)、磷化、噴涂、熱浸滲和氣相沉積c污染表面。表面存在金屬以外的物質(zhì)。由于清潔表面會(huì)和

11、環(huán)境中的空氣、水、油、酸、堿、鹽等作用，會(huì)很快形成如下常見(jiàn)類(lèi)型的污染表面：(1)氧化物層。即金屬和氧化性氣體間的過(guò)渡區(qū)(層)，表示為：一MMMxOy-02O。2。2。(2)氫氧化物層。即金屬和水之間的過(guò)渡區(qū)(層)，表示為一MMMx(OH)y-OHH2OH2Oo(3)水吸附層。即金屬吸附水白過(guò)渡層，表示為：一M-0H-O7H(4)有機(jī)物污染層。高(低)分子有機(jī)物和金屬表面形成強(qiáng)或弱的結(jié)合過(guò)渡層。(5)無(wú)機(jī)物污染層。Cl2、S等無(wú)機(jī)物被吸附于金屬表面且生成的腐蝕層。(6)內(nèi)污染層(人工污染層)。C、N、S、B及異類(lèi)金屬原子等滲入金屬的表層而形成的滲入型污染層稱(chēng)為內(nèi)污染層，但內(nèi)污染發(fā)生后金屬表面仍具

12、有金屬光澤。3 .表面凈化。a定義。將污染表面制備成純凈表面或清潔表面的過(guò)程稱(chēng)為表面凈化。b純凈表面的凈化方法。(1)條件：需要去除金屬的表面化合物和表面的吸附層；(2)防止二次污染：這是十分困難的，必須在高真空條件下進(jìn)行。具體做法是：1)離子濺射法。將有清潔表面的金屬置于壓力為133.32X10-9Pa的高真空環(huán)境內(nèi)，用氮離子進(jìn)行轟擊濺射；為防止二次污染，減少因轟擊造成的表面損傷，氮?dú)獾膲毫υ?33.32X10-3Pa以下，離子加速電壓為200500V;轟擊后在真空退火時(shí)為了避免雜質(zhì)向表面聚集，應(yīng)當(dāng)采取離子濺射和真空退火交替進(jìn)行。離子濺射法仍用于對(duì)金屬進(jìn)行逐層剝離，從而能夠?qū)σ级ㄉ疃鹊谋砻鎸?/p>

13、進(jìn)行逐層研究。此法仍能夠直接用于離子鍍滲，離子滲氮及離子注入等表面技術(shù)領(lǐng)域中。2）真空退火法。將金屬表面凈化到清潔表面程度后，再進(jìn)行真空退火，亦能夠得到純凈表面。3）真空臂分法。對(duì)具有容易分開(kāi)的晶面的單晶體物質(zhì)，能夠在高真空下用臂分的分法得到純凈的金屬表面，但臂分法不實(shí)用于金屬。這是因?yàn)榻饘冁I結(jié)合牢固，難以用臂分的方法將其打開(kāi)的原故。c清潔表面（工業(yè)純凈表面）的凈化方法。遠(yuǎn)較制備純凈表面容易，可采用磨削、酸洗、噴砂和用氫仍原等方法除去金屬表面的氧化物，用脫脂洗滌劑進(jìn)行脫脂清洗等。由于是在空氣中進(jìn)行，往往拌有吸附和二次污染等。有清潔表面的金屬用于電鍍、表面氧化、磷化、上漆等工藝是有良好效果的。d

14、不同表面的區(qū)分。之上所講的三種表面是污染層程度不相同的表面，是相對(duì)的，可采用低能電子衍射法加以區(qū)別，如圖1.1示。（）圖1.1三種表面的低能電子衍射圖e表面凈化的目的。（1）研究金屬表面的結(jié)構(gòu)、成分及性能；（2）強(qiáng)化表面或?qū)Ρ砻孢M(jìn)行其它各種處理時(shí)往往要先進(jìn)行表面凈化。f表面污染技術(shù)。指化學(xué)熱處理的內(nèi)污染技術(shù)和表面層的外污染技術(shù)倆大類(lèi)。4 .表面及表面層。a極表面。表面的單原子層或單分子層稱(chēng)為極表面。極表面的成分、組織和能量狀態(tài)均和內(nèi)部有很大的差異；極表面直接和環(huán)境接觸且相互作用，故對(duì)表面強(qiáng)化工藝、物理化學(xué)性能和力學(xué)性能的影響極大。b表面層。表面以下數(shù)毫米或數(shù)微米的區(qū)域?qū)儆诒砻鎸?。此范圍的成分?/p>

15、組織及性能亦不同于內(nèi)部：冷加工后的金屬表面有壹層塑變層，存在殘余壓應(yīng)力，會(huì)發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶等；合金表層有成分偏析；表面處理后的金屬有滲層、鍍層、覆層、氧化層及塑變層等。通常，從實(shí)用角度測(cè)定表面層的厚度。1 2表面自由能和表面張力(SurfaceFreeEnergyandSurfaceTensron)固體和液體的表面均處于空間三向不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，故存在表面自由能和表面張力。正是如此，對(duì)其表面性能影響極大，應(yīng)予以充分重視。壹液體的表面自由能及表面張力。1 液體的表面自由能。a產(chǎn)生原因。液體(含液體金屬)的表面原子受到向內(nèi)的力的作用，欲使其內(nèi)部原子轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻嬖?，即增大表面積，就必須做功，從而形成表面能。

16、b定義。增大表面積所需要的能量就是表面自由能。2 表面張力。a產(chǎn)生原因。處于表面的原子在向內(nèi)的拉力作用下，有進(jìn)入液體內(nèi)部的趨勢(shì)，即縮小表面積的趨勢(shì)，從而產(chǎn)生表面張力。b定義。液體表面切線(xiàn)方向上存在的使其表面積縮小的力稱(chēng)為表面張力。3 表面自由能和表面張力。a實(shí)驗(yàn)。如圖1.2在無(wú)摩擦的活動(dòng)邊AB的鐵絲框上涂滿(mǎn)肥皂沫，為使膜不收縮，應(yīng)在活動(dòng)邊上加外力F。試驗(yàn)證明：施加的外力F和活動(dòng)邊邊長(zhǎng)L成正比,即F=2(tLo所以：GF/2L(11)An“圖1.2液體的表面張力b-比例常數(shù)6即為忒面張力(或張力系數(shù))，乘以2片因?yàn)橐耗つ赈獗砻?。表面張力的方向和液面相切，且力圖使表面積縮小，其陷位為rN/M;or

17、：MN/Mb.表面自由能。若使圖1.2的活動(dòng)當(dāng)ab移動(dòng)dx怖儂，距表面自由能的定義，表面自由能和液膜面積的變化關(guān)系為:G=FZx=26LZx(12)稱(chēng)單位面積的表面自由能為比表面自由能，為：Fs=G/S=26L0x/2LZx=6(13)因此，液體的比表面自由能fs和表面張力6在數(shù)值上是相等的，比表面自由能單位為：J/M2or：MJ/M2。實(shí)際上，1J/M2=1N?/l/M2=N/M,故二者是有聯(lián)系的。但壹個(gè)是單位面積的能，而另壹個(gè)則為單位長(zhǎng)度的力。二金屬表面自由能和表面張力。1 .金屬表面的特點(diǎn)(相對(duì)液體表面)。a金屬表面原子移動(dòng)困難。在表面張力的作用下，金屬表面不會(huì)自由收縮。b晶體應(yīng)是各向異

18、性的。處于表面上不同晶面的原子排列不相同。c合金的表面是由不同的原子組成，且會(huì)出現(xiàn)表面偏析現(xiàn)象。2 .金屬表面自由能的主要成分。a表面自由能的產(chǎn)生。為將金屬晶體的原子呈現(xiàn)于表面，必須割斷分離面之若金屬的配位數(shù)為Z，原子總數(shù)為N0，則原子鍵總數(shù)為：1/2Z割0,則鍵能e的計(jì)算公式為：=ais/（0.52?N0）=2?zHs/Z割0（1-4）+s:晶體的升華熱。b不同晶面呈現(xiàn)于表面所需要的能量不同。由于各晶面原子排列不相同，因而欲將不同晶面的原子呈現(xiàn)于表面所需要切斷的鍵數(shù)是不壹樣的。例如，面心立方晶體的（100）、（110）和（111）晶面相比，（111）晶面原子排列最密，該面上的每個(gè)原子有6個(gè)相

19、鄰原子，且它的上、下倆個(gè)面上仍有3個(gè)相鄰原子，故配位數(shù)為12。若將（111）晶面呈于表面，對(duì)分離面上的每個(gè)原子應(yīng)切斷的鍵數(shù)為3，又因切斷后同時(shí)形成了2個(gè)分離面（表面），故對(duì)每壹個(gè)表面上的1個(gè)原子來(lái)說(shuō)，應(yīng)切斷的鍵數(shù)為3/2個(gè)。圖1.3面心立方晶格的晶面.圖1.4Wulff圖由圖1.3同理推知，欲使面心立方晶體的（110）晶面和（100）晶面分開(kāi)且呈現(xiàn)于表面應(yīng)切斷的鍵數(shù)對(duì)每個(gè)原子來(lái)說(shuō)均為2個(gè)，較密排面（111）多。故：將最密排面呈現(xiàn)于表面需切斷的原子鍵數(shù)最少，故最密排面呈現(xiàn)于表面后所具有的表面能和最低。c表面自由能的主要部分。被切斷的鍵數(shù)就是具有剩余能量的不飽和鍵數(shù)，它是表面自由能的主要部分（忽略

20、表面熵的影響）。d最密排面易呈現(xiàn)于表面的原因.。據(jù)不飽和鍵數(shù)的多少就能夠說(shuō)明表面自由能的大小。顯然,面心晶格的最密排面（111）面的不飽和鍵數(shù)的數(shù)量最少，故切斷且呈現(xiàn)于表面后其表面自由能最低。因此，從熱力學(xué)上見(jiàn)晶體最容易將其表面能最低的密排面呈現(xiàn)于表面。3晶體的表面張力。a晶體表面的張力具有方向性。晶體的表面張力在不同晶向上可能是不相同的。b低指數(shù)晶面具有最小的表面張力。圖1.4是具有簡(jiǎn)單立方晶體的表面張力分布圖，即Wulff圖。圖中的半徑矢量表示和它垂直的晶面上的表面張力的大小。由該圖見(jiàn)出：低指數(shù)晶面具有最小的表面張力。4.合金的表面能及表面張力。a合金產(chǎn)生表面偏析的原因。當(dāng)合金形成壹個(gè)新的

21、表面時(shí)，據(jù)表面自由能最小原理，其表面成分常常會(huì)改變而出現(xiàn)表面偏析現(xiàn)象。那些能降低表面自由能的合金元素容易向表面偏析而富集于表面；而使表面自由能增大的元素，則會(huì)離開(kāi)表面移向內(nèi)部，使表面合金元素貧化。b“表面過(guò)剩”。表面某壹組元的數(shù)量出現(xiàn)表面偏析而大于或者小于其體相區(qū)的同壹組元的數(shù)量，就出現(xiàn)了表面過(guò)剩現(xiàn)象。這樣，當(dāng)合金形成新的表面時(shí)，不但要切斷結(jié)合鍵而消耗能量，而且仍要考慮和表面成分相聯(lián)系的化學(xué)能的改變，因而:fs=6+Ei.ni/S(1-5)fs=6+Ei.Ii(1-6)其中：ni為i組元在表面層中超過(guò)體相區(qū)的摩爾分?jǐn)?shù)；內(nèi)為i組元素對(duì)應(yīng)于表面積為S的表面的化學(xué)位；t為單位表面積的表面過(guò)剩摩爾分?jǐn)?shù)

22、(即當(dāng)體相區(qū)和表面區(qū)的溶劑摩爾分?jǐn)?shù)相同時(shí),單位表面積上(1cm2)的組元i超過(guò)體相區(qū)內(nèi)同壹組元的摩爾分?jǐn)?shù))。顯然，對(duì)于合金來(lái)說(shuō)(見(jiàn)1-6式)，fsw6,但fs6。因而，在討論時(shí)常常沒(méi)有嚴(yán)格區(qū)別，特別是當(dāng)溶質(zhì)（合金元素）含量很低時(shí)。1 金屬的力學(xué)性能和表面自由能的關(guān)系。a?；钚越橘|(zhì)和金屬接觸后，使金屬的表面自由能下降，導(dǎo)致金屬材料強(qiáng)度和塑性發(fā)生變化的效應(yīng)稱(chēng)為萊賓杰爾效應(yīng)。且任何固體表面均存在這種現(xiàn)象。例如：玻璃和石膏吸附水蒸汽后，使其強(qiáng)度顯著下降；Cu表面覆蓋熔融薄膜后，使其高塑性喪失等。b萊賓杰爾效應(yīng)的特點(diǎn)。（ 1）有明顯的選擇性。只有那些對(duì)金屬表面來(lái)說(shuō)是活性的介質(zhì)才會(huì)產(chǎn)生萊賓杰爾效應(yīng)。例如，

23、只有對(duì)該金屬為表面活性的液體金屬才能改變某壹固體金屬的力學(xué)性能，降低其強(qiáng)度及塑性。（ 2）和溶解和腐蝕不同，只需很少的活性物質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生萊賓杰爾效應(yīng)。（ 3）萊賓杰爾效應(yīng)產(chǎn)生的速度極快，表面活性介質(zhì)和金屬表面壹接觸，立即會(huì)改變材料的力學(xué)性能。通常，金屬表面浸潤(rùn)壹定的熔融金屬，或其他表面活性物質(zhì)后，其力學(xué)性能實(shí)際上很快改變。（ 4）萊賓杰爾效應(yīng)具有可逆性，壹旦去除金屬表面的活性介質(zhì)，其力學(xué)性能會(huì)立即恢復(fù)到原狀。（ 5）萊賓杰爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要拉應(yīng)力和表面活性物質(zhì)同時(shí)起作用。活性介質(zhì)（液體金屬）對(duì)無(wú)應(yīng)力試樣的作用不顯著。c萊賓杰爾效應(yīng)的實(shí)質(zhì)。我們知道材料的力學(xué)性能和其表面力學(xué)性能之間有密切的關(guān)系，而表

24、面強(qiáng)度又和表面能密切相關(guān)，它們均屬原子間結(jié)合力的宏觀(guān)特征。當(dāng)金屬表面吸附了活性介質(zhì)之后，使表面原子的不飽和鍵得到了壹定程度的補(bǔ)償，從而降低了表面能，改變了表面原子間的相互作用，降低了金屬表面層的強(qiáng)度，從而降低了金屬材料的力學(xué)性能，這就是萊賓杰爾效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因。d萊賓杰爾效應(yīng)的作用。生產(chǎn)上利用此效應(yīng)提高金屬加工（壓力加工）、切削、磨制和破碎的效率，大量節(jié)能；另外，應(yīng)當(dāng)注意因萊賓杰爾效應(yīng)而產(chǎn)生的材料的早期破壞。三金屬表面的結(jié)構(gòu)。1 金屬表面形貌。a基本特征。由表面的粗糙度和波度構(gòu)成了金屬的表面形貌。b粗糙度。加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所組成的微觀(guān)幾何形狀就構(gòu)成了其特征，粗糙度的波距和波

25、深之比常常為150：15。c波度。金屬表面呈波浪形的有規(guī)律和無(wú)規(guī)律的表面反復(fù)結(jié)構(gòu)誤差稱(chēng)為波。波度的濃距和波深的比為：1000：1100。經(jīng)過(guò)精磨和精研的金屬表面從峰頂?shù)椒骞雀叨燃s為0.05叩；壹般研磨加工后為110im；粗加工的表面可達(dá)到50m之上，而沿表面峰頂間的距離為0.510m,但波度峰間距要大得多。常用觸針計(jì)量法測(cè)得的輪廓線(xiàn)及水平方向縮尺測(cè)的輪廓線(xiàn)來(lái)繪制金屬表面的輪廓圖，見(jiàn)圖1.5示。a.用觸針計(jì)量法得到的表面輪廓線(xiàn)b.經(jīng)水平方向縮尺的表面輪廓線(xiàn)圖1.5觸針計(jì)量法和水平方向縮尺2 金屬的表面形貌對(duì)表面性能的影響。顯然，金屬的表面形貌特征對(duì)金屬的表面性能，對(duì)金屬和金屬之間，金屬和環(huán)境間的

26、接觸面積，對(duì)表面的化學(xué)成分和組織等均會(huì)產(chǎn)生影響。具體為：a位于粗糙表面的原子具有較正常相鄰原子數(shù)目的原子有更高的能量，更高的表面自由能和表面流動(dòng)性。b影響金屬表面間的實(shí)際接觸面積和接觸性質(zhì)。金屬表面間的接觸是微凸體間的接觸，故實(shí)際接觸面積小于表觀(guān)幾何面積。而微凸體間的接觸性質(zhì)有彈性接觸和塑性接觸倆種。當(dāng)然，實(shí)際接觸性質(zhì)和實(shí)際接觸面積除和表面形貌有關(guān)外，仍和材料的彈性模量，硬度及外加載荷等有關(guān)。c金屬的實(shí)際表面積大于表觀(guān)幾何面積（投影面積）。即是經(jīng)過(guò)仔細(xì)磨研的金屬的實(shí)際表面積也較表觀(guān)面積大2倍之上。因而增大了和介質(zhì)接觸的實(shí)際面積，降低了抗蝕能力?？膳e壹例說(shuō)明：拋光的金屬材料在同壹介質(zhì)環(huán)境中較未拋

27、光者更耐腐蝕。d粗糙不同的金屬表面常具有和內(nèi)部不相同的成分和組織。這是由于加工時(shí)的高應(yīng)力和高溫造成的，或者是金屬間的摩擦造成的。金屬的表面形貌對(duì)研究金屬的疲勞強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性和化學(xué)熱處理過(guò)程等均有極為重要的影響。3 加工后的表面層組織。金屬經(jīng)磨削、研磨及拋光后，會(huì)形成如圖1.6那樣的具有特殊結(jié)構(gòu)的表面層。說(shuō)明：圖1.6金屬表層組織結(jié)構(gòu)示意圖a微晶層。Beilby指出：經(jīng)過(guò)磨削和拋光的金屬表面會(huì)形成約1100nm厚的特殊結(jié)構(gòu)的表面層，即微晶層又稱(chēng)為Beilby層。該層具有非金屬液膜似的外觀(guān)，不僅能將表面覆蓋得很平滑，而且能流入裂紋及劃痕等表面不規(guī)則處。由晶體表面的電子衍射證明：該層是晶粒微小

28、的微晶層。b塑性變形層。在Beilby層的內(nèi)部是塑性變形層。塑變程度和它的深度有關(guān)(見(jiàn)圖1.7)。圖1.7研磨后的黃銅的塑性變形量和深度有關(guān)c其它變質(zhì)層。由于機(jī)加工的高應(yīng)力和高溫作用，金屬表面仍可能產(chǎn)生壹些變質(zhì)層：(1)形成李晶。Zn,Ti等非立方結(jié)構(gòu)的金屬表層會(huì)形成李晶；(2)發(fā)生相變。18-8型奧代體不銹鋼，B黃銅、鋼中的殘余奧氏體，高鉆鋼等會(huì)形成相變質(zhì)；(3)發(fā)生再結(jié)晶。Sn、Pb、Zn等低熔點(diǎn)金屬加工后表層能夠形成再結(jié)晶層。(4)發(fā)生時(shí)效和出現(xiàn)表層裂紋等。13金屬表面的晶體結(jié)構(gòu)TheCrytalStructureofMetalSurface.金屬表面的原子不象體相區(qū)的原子那樣彼此間是處

29、于平衡受力狀態(tài)，故為使其表面原子盡可能地具有最低的表面自由能及表面張力，金屬的表面原子將不再處于象體相區(qū)的原子那樣的平衡位置，因而應(yīng)當(dāng)研究其表面的晶體結(jié)構(gòu)。壹理想表面和實(shí)際表面1 .理想表面1.8)a定義。向無(wú)限晶體內(nèi)插入壹個(gè)平面且切斷插入面?zhèn)z側(cè)的原子結(jié)合鍵能后，將其分為倆部分而形成的倆個(gè)新的表面稱(chēng)為理想表面(見(jiàn)圖圖1.8理想表面形成示意圖b特點(diǎn)。此過(guò)程中除了晶體附加了壹組邊界條件外，無(wú)任何其它改變。在半無(wú)限晶體內(nèi)部，原子和電子的狀態(tài)和原來(lái)無(wú)限晶體的情況壹樣。然而，這種理想表面實(shí)際不存在。2 .實(shí)際表面。a表面相。表面相是和理想表面不相同的實(shí)際表面。此概念由J、W、Gibbs由于1877年首先

30、提出的，他指出：在氣固相界面處存在壹種二維凝聚物相。b實(shí)際表面的特點(diǎn)。(1)表面原子會(huì)產(chǎn)生馳豫及重構(gòu)。如圖1-9示，當(dāng)新表面形成時(shí)，因晶體的三維對(duì)稱(chēng)性和連續(xù)性被破壞，表面產(chǎn)生自由能和表面張力。雖然固體表面的原子不能象液體那樣流動(dòng)而改變表面的形狀，但能產(chǎn)生偏離原三維晶體的平衡位置的移動(dòng)。上、下移動(dòng)而形成“馳豫”；平行表面方向上原子的位移稱(chēng)為“重構(gòu)”。OOOOoooO馳豫Q1.P表面原子的馳豫和重構(gòu)由于垂直方向上的馳豫和水平方向上的重構(gòu)，使金屬表面上原子的排列和內(nèi)部不同，甚至形成另壹種結(jié)構(gòu)相。如Au、Pt的純凈表面(001)和體內(nèi)不同，表面原子呈密排六方結(jié)構(gòu)排列，而體內(nèi)依舊為面心立方品格。(2)合

31、金的表面偏析，合金表面的化學(xué)成分通常不同于體相內(nèi)部，表面上溶質(zhì)原子的增加和減少的現(xiàn)象稱(chēng)為表面偏析，由于這種偏析是在平衡條件下進(jìn)行的，故稱(chēng)為平衡表面偏析(見(jiàn)圖1.10。用表面過(guò)剩量E表小偏析程度:Ii=ni/S=-1/RT(?H?lnni)(1-7)a.表面偏析b.表面吸附圖1.10金屬的表面偏析和表面吸附上式即為Gibbs表面吸附方程，其中：ni為i組元在表面層中超過(guò)體相區(qū)的摩爾分?jǐn)?shù)。用(1.7)式討論合金元素的表面偏析：當(dāng)i組元使表面張力？6J時(shí)，則:?o/?lnni0,使表面相中相中i組元含量增加；反之，會(huì)使i組元在表面相中貧化。鋼中的C、N、B、P等均會(huì)不同程度地存在表面偏析和界面偏析現(xiàn)

32、象。(3) 表面吸附和表面化合物。金屬表面由于和周?chē)橘|(zhì)作用能夠產(chǎn)生吸附和化學(xué)反應(yīng)而形成表面吸附層和表面化合物層。另外，仍能夠形成各種表面結(jié)構(gòu)：形成單層的有序排列原子；向外延伸長(zhǎng)成多層有序結(jié)構(gòu)；吸附原子和金屬表面層原子相結(jié)合；組成固體或表面化合物等。(4) 表面缺陷。實(shí)際金屬的表面存在著各種晶體缺陷，例如：位錯(cuò)露頭，臺(tái)階、空位和凹坑等。它們對(duì)金屬表面吸附、表面偏析、表面化學(xué)活性及表面多相催化反應(yīng)等均會(huì)有重要的影響。二二維晶體結(jié)構(gòu)。1 二維布拉菲晶格。a定義。任何壹個(gè)二維周期性的結(jié)構(gòu)均可用壹個(gè)二維晶格(點(diǎn)陳)加上結(jié)點(diǎn)(陣點(diǎn))來(lái)描述，稱(chēng)為二維晶格。顯然此種晶格是呈二維周期性排列而形成的無(wú)限平面點(diǎn)陣

33、，每個(gè)結(jié)點(diǎn)周?chē)那闆r是相同的b二維品格的分析方法。用平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和反應(yīng)它們的復(fù)合操作來(lái)討論二維品格的組成和特點(diǎn)。在二維品格中，所有的特點(diǎn)均可由原點(diǎn)通過(guò)下列平移達(dá)到：T=nia+n2b（1-8）其中a、b是二維晶格晶胞的基矢量；ni和n2是任意整數(shù)。c二維晶胞。由基矢量a、b所組成的平行四邊形稱(chēng)為二維晶胞。顯然，基矢量a、b平移時(shí)，整個(gè)二維周期結(jié)構(gòu)保持不變，所有的平移操作形成了表面結(jié)構(gòu)的平移群，平移群確定了表面結(jié)構(gòu)的二維周期性。d五種二維布拉晶格，有斜方晶格，正方晶格，長(zhǎng)方晶格，六方晶格和中心長(zhǎng)方品格等五種二維晶格（見(jiàn)圖1.11）。斜方晶格正方晶格長(zhǎng)方晶格六方晶格中心長(zhǎng)方品格|a|w|b|a|二|

34、b|a|*同同=1切同汽切Y毛00產(chǎn)900產(chǎn)90丫=1200產(chǎn)900圖1.11五種布拉菲二維晶格及晶胞2 .二維晶列指數(shù)。a二維晶列。二維晶格排列在平行直線(xiàn)上的結(jié)點(diǎn)形成二維晶胞中的平行品列。b二維品格的表示。在平面上取壹坐標(biāo)系，令坐標(biāo)軸和基矢量a和b平行，設(shè)晶列在a、b軸上的交點(diǎn)坐標(biāo)為Sa和S2b,取1/S1：1/S2=h1：h2為壹互質(zhì)的整數(shù)，則（h1、h2）就是該晶列的指數(shù)，它表示相互平行的壹個(gè)品系。14金屬表面現(xiàn)象及表面反應(yīng)Thesurfaceandreaticonofmetals壹表面現(xiàn)象。1 .綜述a定義。具有確切表面的液體和固體表面上產(chǎn)生的各種物理及化學(xué)現(xiàn)象稱(chēng)為表面現(xiàn)象。b種類(lèi)。金

35、屬表面有表面擴(kuò)散、吸附、潤(rùn)濕、沾著和毛細(xì)現(xiàn)象等表面現(xiàn)象。c意義。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上廣泛利用金屬的各種表面現(xiàn)象，例如：選礦、排渣和多相催化反應(yīng)等。在鑄造、焊接、金屬表面技術(shù)及防護(hù)，表面涂覆等均涉及。d關(guān)系。金屬的各種表面現(xiàn)象和表面自由能密切相關(guān)且普遍存在于多相體系內(nèi)。2 .表面擴(kuò)散。物質(zhì)中原子或分子的遷移現(xiàn)象稱(chēng)為擴(kuò)散。它們由Fick第I和第II定律來(lái)描述，擴(kuò)散過(guò)程中原子平均擴(kuò)散距離x為:x=CDt。其中，t為擴(kuò)散時(shí)間；C為受幾何因素影響的常數(shù)；D為擴(kuò)散速度，決定擴(kuò)散系數(shù)大和小。D=D0exp(-Q/RT)Q為擴(kuò)散激活能，受材料的晶格結(jié)構(gòu)同溶體的類(lèi)型，合金元素的濃度及含量和擴(kuò)散路徑等因素的影響。實(shí)際上，

36、原子的擴(kuò)散途徑除了最基本的擴(kuò)散過(guò)程外，仍有表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散和位錯(cuò)擴(kuò)散。固體中，后三種擴(kuò)散均比體擴(kuò)散快，故又稱(chēng)為短路擴(kuò)散。另外，在擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程中，固體表面的原子活動(dòng)能力最高，其次為界面原子，再其次為位錯(cuò)原子，而體相區(qū)原子的擴(kuò)散能力最低。所以：Q表Q界Q位Q體。則：D表D屆D位D體。這是因?yàn)楸砻嬖邮艿降氖`較晶界和晶內(nèi)低得多，原子在表面遷移的能量小得多。所以，表面擴(kuò)散在表面工程技術(shù)中的薄膜形核及長(zhǎng)大過(guò)程中起十分重要的作3吸附現(xiàn)象。a現(xiàn)象。當(dāng)氣體和液體和固體表面接觸時(shí)，在固體表面的氣體或液體增加或減少的現(xiàn)象稱(chēng)為吸附現(xiàn)象b正、負(fù)吸附。若固體表面的液體或氣體比內(nèi)部的濃度升高，稱(chēng)為正吸附；相反，則稱(chēng)為

37、負(fù)吸附。c內(nèi)、外吸附。表面吸附外來(lái)物質(zhì)稱(chēng)為外吸附，表面偏析或界面偏析稱(chēng)為內(nèi)吸附。d吸附本質(zhì)。表面吸附的熱力學(xué)本質(zhì)是最小自由能原理，于恒溫恒壓下的自由能最低時(shí)，體系才處于穩(wěn)定的狀態(tài)。設(shè)表面積為S的表面張力為6（or:fs）,體系的表面自由能為：E=6sor:E+fs?s。所以：dE=6?ds+s?d6（1-9）若表面積S為常數(shù)，有：dE=6?ds（1-10）用（110）式來(lái)討論：欲使體系的表面自由能降低，應(yīng)當(dāng)使d60,6減?。╠690度時(shí)為不潤(rùn)濕；90度為潤(rùn)濕。由圖1.14知:6sg=6sl+6glcos0(1-11)Wkcos0=(6gs-6sl)/61g(1-12)圖1.14水滴在石蠟及玻璃

38、上的潤(rùn)濕情況當(dāng)0g6s1時(shí)，cos80,則890度,潤(rùn)濕；當(dāng)6sg6s1時(shí)，cos990度，不潤(rùn)濕。(3)潤(rùn)濕的熱力學(xué)本質(zhì)。據(jù)熱力學(xué)最小自由能原理，在dE=Sd6+6ds式中，當(dāng)6和S均可變時(shí),為降低體系的界面能,應(yīng)使界面張力大的界面縮小,且擴(kuò)展界面張力小的界面，若6sg6s1則因擴(kuò)展S-L界面，方可降低體系的界面能。此即為潤(rùn)濕的熱力學(xué)本質(zhì)。(4) 潤(rùn)濕的作用。熔鹽對(duì)金屬表面的潤(rùn)濕影響其傳熱和傳質(zhì),覆層表面處理時(shí)潤(rùn)濕程度對(duì)覆層和基體的粘著程度有很大影響。b粘著。(1)現(xiàn)象。固體和固體表面接觸時(shí)將產(chǎn)生粘著,潤(rùn)濕和粘著似乎是倆種完全不相同的表面現(xiàn)象,但從其熱力學(xué)本質(zhì)見(jiàn),他們是基本相同的。(2)粘著

39、功。若壹截面為1cm2的液柱,設(shè)不改變其截面,將其拉斷,這時(shí)所消耗的功為內(nèi)聚功。而此內(nèi)聚功相當(dāng)于形成倆個(gè)新表面所需作的功(見(jiàn)圖1.15)。W=26(1-13)圖1.15內(nèi)聚功示意圖圖1.16粘著功示意圖若液柱A的下端為固體B時(shí),當(dāng)從AB界面處拉開(kāi)時(shí)所消耗的功為粘著功。它相當(dāng)于在界面處形成了倆個(gè)新表面(見(jiàn)圖1.16)。Wab=6a+6b-6AB(1-14)or:Ws1=6s+61-6s1(1-15)粘著功的表明了液體和固體間的吸引強(qiáng)度或粘著強(qiáng)度的高低。(3)影響粘著功的因素1)固體表面間的良好接觸是影響粘著功的首要因素。因金屬表面間的接觸是微凸體間的接觸，為使其有良好的接觸應(yīng)采取如下辦法：壹是使

40、接觸表面的壹相為液相且對(duì)金屬表面有良好的潤(rùn)濕性能，形成完全的接觸，且排除生成物在固相表面的沉淀和接觸面間的氣泡，令液相凝固后被粘結(jié)；二是假設(shè)壹方為氣態(tài)，是反應(yīng)生成物在固相表面沉積，如：PVD和CVD,此亦為使倆周相表面完全接觸的方法；三在壹定的溫度和高壓下使軟材料表面產(chǎn)生流動(dòng)，也能夠使倆固相表面問(wèn)產(chǎn)生良好的接觸，如：爆炸焊接就屬于這種情況。卜表是壓力粘著時(shí)壹些金屬的開(kāi)始粘著溫度(Ta),熔點(diǎn)(Tm)及它們的比值。metalTa(K)Tm(K)Ta/TmPt88020460.43Ni78017280.45Au52013150.40Ag48012330.40Pt3006000.50In300420

41、0.70使若將金屬的熔融狀態(tài)視為熱運(yùn)動(dòng)的極大狀態(tài)。顯然，為使金屬的表面原子過(guò)渡到這種狀態(tài)所需要的活化能應(yīng)當(dāng)小于內(nèi)部原子的活化能，且有如下關(guān)系：Eb/Em=Es/Ta。Eb:內(nèi)部原子活化能；Es表面原子活化能且有：Ta/Tm=Es/Eb=0.40.5(1-17)所以，壓力粘著的開(kāi)始溫度和熔點(diǎn)的比值約為：0.40.5。2)高的粘著功。表面間的良好接觸是產(chǎn)生粘著的首要條件。另外，仍應(yīng)有高的界面接觸強(qiáng)度，即:高的粘著功。把(1-11)csg=osl+olgCOS8式近似改寫(xiě)為：os=osl+(T1COS仇冉和(1-15)式相力口有：Wsl=Ol(cos0+1)(1-18)所以，液體對(duì)固體表面潤(rùn)濕程度愈

42、大(8愈大)。粘著程度就愈大。例如：當(dāng)采用不同的清洗劑清洗鋼表面后，再用環(huán)氧樹(shù)脂粘鋼表面會(huì)導(dǎo)致接觸角9不同，使粘著強(qiáng)度發(fā)生了相應(yīng)的變化。下表中列出了這壹變化的情況：用三氯甲烷清洗后，環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)鋼表面潤(rùn)濕程度最大而導(dǎo)致潤(rùn)濕角9最小，使粘著強(qiáng)度得以達(dá)到最高。環(huán)氧樹(shù)脂和鋼的接觸角和剪斷粘著強(qiáng)度的關(guān)系清洗劑接觸角9剪斷粘著強(qiáng)度(N/mm2)無(wú)77o28甲苯59o93內(nèi)酮47o94三氯乙烷42o100(標(biāo)準(zhǔn))三氯甲烷34o3)金屬的互溶性會(huì)影響粘著強(qiáng)度。如不同金屬間產(chǎn)生粘著時(shí)能發(fā)生互擴(kuò)散且互擴(kuò)散層是連續(xù)變化的且且無(wú)脆性，則會(huì)使粘著強(qiáng)度明顯提高。4)引入第三種金屬，例如焊錫(Pb-Sn合金)，將使倆種不能

43、互相擴(kuò)散的金屬問(wèn)通過(guò)引入第三種金屬而得到很好的粘著。焊錫通常在倆金屬間形成約1pm的擴(kuò)散層，從而提高金屬間的粘著強(qiáng)度。下表中列出了金屬間的互溶性和粘著性的關(guān)金屬間的互溶性和粘著性的關(guān)系可互溶-粘著Fe-AlCu-AgNi-CuNi-Co不互溶-非粘著Cu-AlAg-MoAg-FeAg-Ni5）表面機(jī)械活化提高粘著強(qiáng)度。噴砂，噴丸等將使金屬表面形成大量凸凹，增大了實(shí)際接觸表面，但單純說(shuō)增大了表面的實(shí)際接觸面積其效果且不明顯，而噴砂等活化表面后才能明顯地提高粘著強(qiáng)度。6）Kramer效應(yīng)。機(jī)加工時(shí)在金屬表面上會(huì)形成各種缺陷，即產(chǎn)生大量化學(xué)活動(dòng)點(diǎn)，使表面自由能升高，且伴有外層電子發(fā)射現(xiàn)象，稱(chēng)為Kra

44、mer效應(yīng)。該效應(yīng)產(chǎn)生原因尚未完全弄清，但他對(duì)粘著強(qiáng)度有著顯著的影響?？偨Y(jié):影響粘著的因素較多而且復(fù)雜，其中包括金屬的表面狀態(tài)，表面接觸情況,粘著物間的潤(rùn)濕性，互溶性，擴(kuò)散層機(jī)械活化及化學(xué)表面活化等。二金屬的表面反應(yīng)1 .表面多相反應(yīng)。金屬表面多相反應(yīng)是其表面強(qiáng)化的壹個(gè)重要過(guò)程。多項(xiàng)反應(yīng)的特點(diǎn)是在界面上進(jìn)行，和表面狀態(tài)（鈍化和活化），及金屬表面有無(wú)催化作用等密切相關(guān)。2 .多相反應(yīng)的過(guò)程。a反應(yīng)分子或原子擴(kuò)散到界面上；b界面上發(fā)生反應(yīng)；c反應(yīng)物離開(kāi)體相表面，從界面脫附；d反應(yīng)物被體相表面吸收且向體相內(nèi)擴(kuò)散;e擴(kuò)散過(guò)程中的反應(yīng)。其中進(jìn)行最慢的壹步就是表面多相反應(yīng)的速度控制因素,加速它將促使表面多

45、相反應(yīng)更快地進(jìn)行。3 金屬表面多相反應(yīng)的實(shí)例。鋼的氣體滲碳過(guò)程是：滲劑的分解,產(chǎn)生含有滲入元素的物質(zhì)（CH4,CO）且向鋼表面擴(kuò)散；G-S相界面發(fā)生，吸附和解吸附:2CO=C+CO2；Fe?CO（吸附）+CO-FeC吸附+CO2；反應(yīng)生成物離開(kāi)鋼表面；產(chǎn)生的活性碳原子被鋼表面吸收且向內(nèi)擴(kuò)散;擴(kuò)散過(guò)程中的反應(yīng)。金屬表面本身就有催化作用的反應(yīng)叫做金屬多相這自催化反應(yīng)。4金屬表面的活化和鈍化。a鈍化現(xiàn)象。金屬的表面狀態(tài)變化引起金屬的表面活性突然改變,使表面反應(yīng)（如在酸中的溶解,空氣中的腐蝕）速度顯著降低的現(xiàn)象稱(chēng)為鈍化現(xiàn)象，鈍化后的狀態(tài)稱(chēng)為鈍態(tài)。b實(shí)例。工業(yè)純鐵在HNO3水溶液中的溶解速度會(huì)隨HNO3

46、的濃度增大而顯著提高,但當(dāng)HNO3的濃度達(dá)到30-40%時(shí),溶解速度達(dá)到極大值后會(huì)突然陡降。說(shuō)明:金屬表面自己出現(xiàn)了鈍態(tài),再將它置于H2SO4溶液內(nèi)也不會(huì)受到浸蝕了。c鈍化原因。常和金屬表面氧化且形成壹層致密的表面氧化物膜有關(guān)。HNO3、AgNO3、氯酸、KCl、重銘酸鉀、KMnO4、O2等均會(huì)使金屬表面鈍化，稱(chēng)它們?yōu)殁g化劑。d化學(xué)鈍化。金屬和鈍化劑的自然作用而產(chǎn)生的鈍化稱(chēng)為自然鈍化,也叫化學(xué)鈍化。e機(jī)械鈍化。金屬表面沉淀出鹽層,會(huì)對(duì)進(jìn)壹步表面反應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械阻隔作用而使反應(yīng)速度下降,稱(chēng)為機(jī)械鈍化。應(yīng)當(dāng)指出:過(guò)分拋光的金屬表面也會(huì)出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象,表面出現(xiàn)良好的抗蝕性能難以進(jìn)行滲碳等。為什么?(提問(wèn))

47、。f鈍化理論。(1)成相模理論。金屬和介質(zhì)作用,再其表面上生成了壹層致密的、覆蓋良好的保護(hù)膜且作為壹個(gè)獨(dú)立的相存在,將金屬和介質(zhì)隔開(kāi),使表面反應(yīng)速度顯著下降,從而使金屬表面成為鈍態(tài)。例如:在濃HNO3水溶液中,工業(yè)純鐵表面會(huì)形成2.53.0nm的鈍化膜,碳鋼的鈍化膜可達(dá)9.011.0nm,不銹鋼的鈍化膜厚可達(dá)0.91.0nm。用電子衍射對(duì)鈍化物膜進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析證明.:金屬表面的鈍化物膜多為其氧化物,純鐵的鈍化物膜為：Y-Fe2O3鋁的鈍化物膜是：丫-A12O3，其外層為多孔的B-A12O3.(2)吸附理論。該理論認(rèn)為引起金屬表面鈍化不壹定要形成完整的鈍化膜，只要在金屬表面或部分表面上形成氧或含

48、氧離子的吸附層就會(huì)產(chǎn)生鈍化。吸附后造成鈍化的原因是：氧和金屬表面因化學(xué)吸附而結(jié)合，使金屬表面的自由健趨于飽和，改變了金屬界面的結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)，從而降低了金屬和介質(zhì)間的反應(yīng)速度，即產(chǎn)生了鈍化作用。特點(diǎn)是：吸附層不壹定是連續(xù)的、覆蓋整個(gè)表面的，只要在金屬表面的活性區(qū)上形成了吸附層后就會(huì)起到很強(qiáng)的鈍化作用。成相模理論強(qiáng)調(diào)了鈍化層的機(jī)械阻隔作用，吸附理論則認(rèn)為是由于吸附而改變了金屬表面的能量狀態(tài)，使不飽和健趨于飽和，使金屬表面的活性下降而鈍化。g金屬表面的活化。和鈍化相反，凡能消除金屬表面鈍化狀態(tài)的因素均有活化作用，常用的方法是：1) 金屬表面凈化。機(jī)械拋光、用氫仍原、噴砂處理和酸洗等除去表面的氧化物

49、膜，以清除鈍化態(tài)達(dá)到活化態(tài)，提高表面活性。2) 增大金屬表面的化學(xué)活性區(qū)。用噴砂等機(jī)械方法，使金屬表面的各種晶體缺陷增加，化學(xué)活性區(qū)增多，能有效的使金屬表面活化。噴砂后的金屬表面層更容易氮化；離子轟擊也有很好的表面活化效果，且能夠提高覆蓋層和基體間的結(jié)合強(qiáng)度。h鈍化和活化的應(yīng)用。使金屬表面鈍化能夠提高抗蝕性能。例如：不銹鋼和鋁的鍍鉻層的自然鈍化就具有優(yōu)良的抗大氣腐蝕性能；化學(xué)熱處理中局部鈍化后能夠防滲；需對(duì)金屬表面進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，必須進(jìn)行活化處理，以縮短工藝周期和提高強(qiáng)化效果。思考題21. 何謂金屬的表面?金屬材料通常有哪幾種表面?怎樣區(qū)分它們?怎樣制備它們?2. 什么是極表面及表面層?它們和金屬

50、內(nèi)部有什么不同?3. 和液體相比,金屬表面有何特點(diǎn)?4. 金屬為什么容易將最密排面呈現(xiàn)于表面?Wulff圖上的低指數(shù)晶面說(shuō)明了什么?5. 何謂萊賓杰爾現(xiàn)象?它有何特點(diǎn)?其本質(zhì)是什么?6. 由表面的和構(gòu)成了金屬的表面形貌.常用在水平方向的輪廓線(xiàn)繪制金屬的表面輪廓圖，金屬表面間的實(shí)際接觸是_間的接觸；接觸面積表現(xiàn)幾何面積。7. 金屬表面形貌對(duì)其能性有何影響？8. 機(jī)加工后的金屬表面層從外向內(nèi)依次為、和而在;中通常會(huì)產(chǎn)生,_和。_9. 金屬的實(shí)際表面相對(duì)于理想表面發(fā)生了哪些變化?10. 金屬表面現(xiàn)象有哪些?常有些什么表面反應(yīng)?11. 五種二位布拉菲晶格是:,_和。_12. 何謂kramer效應(yīng)？金屬

51、表面多相反應(yīng)的基本過(guò)程怎樣？13. 何謂潤(rùn)濕角？潤(rùn)濕的熱力學(xué)本質(zhì)是什么？潤(rùn)濕在表面強(qiáng)化技術(shù)中有何作用？14. 何謂粘著功？哪些因素會(huì)影響粘著功？15. 對(duì)金屬表面的鈍化的解釋有哪倆種理論？其異同點(diǎn)是什么？ChapterTwo第二章表面準(zhǔn)備Thesurfacepreparing金屬材料表面處理及強(qiáng)化之前,通常需要進(jìn)行表面準(zhǔn)備,以使其表面平坦,光滑和潔凈。此外,金屬零件,構(gòu)件表面的油和銹均會(huì)影響表面處理的質(zhì)量。特別是對(duì)表面進(jìn)行磷化,電鍍,VCD,PVD等處理時(shí)更是如此。只有經(jīng)過(guò)精細(xì)制備后的表面，才能可能得到高質(zhì)量的表面強(qiáng)化效果。表面準(zhǔn)備有以下三個(gè)主要方面：1 機(jī)械方法平整表面。包括有磨光，拋光（機(jī)

52、械拋光，化學(xué)拋光），滾光和噴砂處理等。2 除油。包括有機(jī)溶劑除油，化學(xué)除油和電化學(xué)除油。3 除銹。包括化學(xué)浸蝕，電化學(xué)浸蝕及弱侵蝕等。2-1金屬表面機(jī)械整平及成批光飾壹、磨光技術(shù)1 作用。使金屬表面平坦光滑，除去金屬表面的毛刺和氧化皮，銹和砂眼，溝槽和氣泡等。因這種磨光不是用砂輪磨平，故又稱(chēng)為裝飾磨，磨光適合壹切金屬材料。2 設(shè)備。用裝于拋光機(jī)上的彈性輪來(lái)完成。磨光輪的工作面用明膠粘上磨料，而磨料為不同粒度的人造剛玉砂（含Al2O39095%）。3 效果。取決于磨料特性、磨輪剛性及磨輪的轉(zhuǎn)速。4磨料。據(jù)磨料的粒度將其分為若干等級(jí)。而粒度通常是按篩子的號(hào)碼來(lái)劃分的，篩子的號(hào)碼是用單位面積（1cm2）上的孔數(shù)來(lái)表示的，篩子號(hào)碼越小則過(guò)篩后的磨料顆粒越小。這樣將過(guò)篩磨料分為三組：顆粒磨料1090#；細(xì)粉磨料320600#；粉末磨料100320#。人造剛玉（9095%）有壹定韌性，其顆粒棱面較多，故應(yīng)用較廣。5磨料粒度的選用。據(jù)金屬零件的表面狀態(tài)及磨光加工后對(duì)表面的質(zhì)量的要求來(lái)選用粒度：對(duì)粗糙的鑄鍛件，可用2080#磨料，再依次加大號(hào)碼進(jìn)行中磨（200240#）和最后的細(xì)磨（280320#）。通常，鑄鍛件到中磨為止。零件表面原始狀態(tài)較好時(shí)