材料表面與界面復(fù)習(xí)題答案參考

1、文檔供參考，可復(fù)制、編制，期待您的好評(píng)與關(guān)注！ 1. 液體的原子結(jié)構(gòu)的主要特征。液體的原子結(jié)構(gòu)存在以下三個(gè)主要特征：(1)液體結(jié)構(gòu)中近鄰原子數(shù)一般為511個(gè)（呈統(tǒng)計(jì)分布），平均為6個(gè)，與固態(tài)晶體密排結(jié)構(gòu)的12個(gè)最近鄰原子數(shù)相比差別很大；(2)在液體原子的自由密堆結(jié)構(gòu)中，四面體間隙占了主要地位。(3)液體原子結(jié)構(gòu)在幾個(gè)原子直徑范圍內(nèi)是短程有序的，而長(zhǎng)程是無(wú)序的。2. 液體表面張力的概念和影響因素。液體表面分子或原子受到內(nèi)部分子或原子的吸引，趨向于擠入液體內(nèi)部，使液體表面積縮小，因而在液體表面切向方向始終存在一種使液體表面積縮小的力，液體表面這種沿著切向方向，合力指向液體內(nèi)部的作用力，就稱為液體表

2、面張力。液體表面張力影響因素很多，如果不考慮液體內(nèi)部分子或原子向液體表面的偏聚和外部原子或分子對(duì)液體表面的吸引，影響液體表面張力的因素主要有：(1)液體自身結(jié)構(gòu)：液體的表面張力來(lái)源于液體內(nèi)部原子或分子間的吸引力，因此液體內(nèi)部原子或分子間的結(jié)合能的大小直接影響到液體的表面張力的大小。一般來(lái)說(shuō)，液體中原子或分子的結(jié)合能越大，液體表面張力越大，一般液體表面張力隨結(jié)構(gòu)不同變化趨勢(shì)是：金屬鍵結(jié)合物質(zhì)>離子鍵結(jié)合物質(zhì)>極性共價(jià)鍵結(jié)合物質(zhì)>非極性共價(jià)鍵結(jié)合物質(zhì)(2)表面所接觸的介質(zhì)：液體的表面張力的產(chǎn)生是由于處于表面層的原子或分子一方面受到液體內(nèi)部原子或分子的吸引，另一方面受到液體外部原子

3、或分子的吸引。當(dāng)液體處在不同介質(zhì)環(huán)境時(shí)，液體表面的原子或分子與不同物質(zhì)接觸所受的作用力不同，因此導(dǎo)致液體表面張力的不同。一般來(lái)說(shuō)，介質(zhì)物質(zhì)的原子或分子與液體表面原子或分子結(jié)合能越大，液體表面能越小，反之越大(3)溫度：隨著溫度的升高，液體密度下降，液體內(nèi)部原子或分子間的作用力降低，液體內(nèi)部原子或分子對(duì)表面原子或分子的吸引力減弱，液體表面張力下降。最早給出的預(yù)測(cè)液體表面張力與溫度關(guān)系的半經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為： = 0(1T/Tc)n 式中Tc為液體的氣化溫度，0為K時(shí)液體的表面張力。3. 固體表面能的影響因素。影響固體表面能的主要因素有：固體原子間的結(jié)合能、固體表面原子的晶面取向和溫度。由于表面能的大小

4、主要取決于形成固體新表面所消耗的斷鍵功，因此原子間的結(jié)合能越高，斷開(kāi)相同結(jié)合鍵需要消耗的能量越高，所形成的固體表面能越高。由于固體晶體結(jié)構(gòu)是各向異性的，不同晶面的原子面密度不同，所以形成單位面積的新表面需要斷開(kāi)原子鍵的數(shù)量不同，導(dǎo)致所形成的表面能不同。一般來(lái)說(shuō)，固體表面原子面密度越高，形成單位面積的新表面需要斷開(kāi)原子鍵的數(shù)量越小，表面能越低。與液體一樣，固體的表面能隨溫度的升高而下降，并且固體表面能隨溫度升高而下降的速度大于液體。4. 計(jì)算并討論立方晶系（100）、（110）和（111）面的表面能大小。采用“近鄰斷鍵模型”（Nearest-neighbor broken-bond model）

5、來(lái)計(jì)算固體晶體的表面能，兩點(diǎn)假設(shè)：第一，每個(gè)原子只與其最近鄰的原子成鍵（最近鄰原子數(shù)即為該晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)），并且只考慮最近鄰原子間的結(jié)合能；第二，原子間的結(jié)合能（-Ua）不隨溫度變化。 對(duì)于具有任意晶體結(jié)構(gòu)的固態(tài)晶體，某一晶面hkl的表面能（Shkl）可以用下式計(jì)算： Shkl = NhklZ(Ua /2) 式中，Nhkl為hkl晶面單位面積的原子數(shù)，Z為晶體沿hkl晶面斷開(kāi)形成新表面時(shí)hkl晶面上每個(gè)原子需要斷裂的鍵數(shù)。簡(jiǎn)單立方晶體晶面hklNhklZShkl001101121113面心立方晶體晶面hklNhklZShkl001401151（次表面）1113體心立方晶體晶面hklNhklZ

6、Shkl0014011211141（次表面）1（再次表面）5. 討論液體在固體表面的潤(rùn)濕與鋪展現(xiàn)象。潤(rùn)濕：液體在固體表面上鋪展的現(xiàn)象，稱為潤(rùn)濕。潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕不是截然分開(kāi)的，可用潤(rùn)濕角進(jìn)行定量描述。潤(rùn)濕角定義：當(dāng)固液氣三相接觸達(dá)到平衡時(shí)，從三相接觸的公共點(diǎn)沿液氣界面作切線，切線與固液界面的夾角為潤(rùn)濕角。潤(rùn)濕角大小與潤(rùn)濕程度的關(guān)系：q<90 o：潤(rùn)濕q>90 o：不潤(rùn)濕q=0 o：完全潤(rùn)濕q=180o：完全不潤(rùn)濕潤(rùn)濕角公式：ss-g=ss-l+sl-g cosq所以 cosq（ss-gss-l）/sl-g當(dāng)ss-g>ss-l時(shí)，cosq>0，q<90 o，ss-g與s

7、s-l差越大，潤(rùn)濕性越好。當(dāng)ss-g<ss-l時(shí)，cosq<0，q>90 o，ss-g與ss-l差越大，不潤(rùn)濕程度越大。以上方程的使用條件：ss-gss-lsl-g，ss-g為固體的表面能低能表面不易被液體潤(rùn)濕，但表面張力很低的液體也可能潤(rùn)濕，甚至完全潤(rùn)濕低能表面。對(duì)于某一低能表面的固體，當(dāng)液體的表面張力達(dá)到sc時(shí)，可完全潤(rùn)濕該固體，則sc稱為該固體被完全潤(rùn)濕的臨界表面張力。sc是固體材料的一個(gè)特征值，其物理意義是：只有表面張力小于sc的液體，才能對(duì)該固體完全潤(rùn)濕。大于sc的液體，有一定的q值。由此又提出一個(gè)計(jì)算q的經(jīng)驗(yàn)公式cosq=1b(s1-gsc )其中s的單位是：Nm

8、-1；b3040鋪展：一種液體能否在另一種與其不相溶的液體或固體表面上鋪展，可用粘附功和內(nèi)聚功之差來(lái)表示：SWaWc=sA+sBsAB2s BsAsBsABS鋪展系數(shù)S>0時(shí)，B在A表面上會(huì)自動(dòng)鋪展開(kāi)，S值越大，鋪展越容易S<0時(shí)，B在A表面上不鋪展，負(fù)值越大，鋪展越難S>0是鋪展的基本條件，這時(shí)sAsBsAB>0對(duì)液相在固相表面的鋪展：sAss-gsBs l-gsAB=sl-s，所以ss-gsl-ss l-g >0，所以ss-gsl-s >s l-g。這時(shí)潤(rùn)濕角方法已經(jīng)不能再適用。鋪展是潤(rùn)濕的最高標(biāo)準(zhǔn)6. 分析晶界結(jié)構(gòu)模型。多晶體的性能與晶內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，

9、也與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。多晶體中各晶粒之間的交界稱為晶界。而且多晶體晶界一般為大角晶界。目前對(duì)大角晶界提出的晶界結(jié)構(gòu)模型有： 晶界是由非晶體粘合物構(gòu)成 島狀模型：小島內(nèi)原子排列整齊 晶界點(diǎn)缺陷模型：晶界有大量空位間隙原子 晶界結(jié)構(gòu)位錯(cuò)模型 重合位置點(diǎn)陣其中重合位置點(diǎn)陣晶界 （Coincident-site Lattice，CSL）模型比較成熟。小角晶界是指相鄰兩晶粒間位向差小于15的晶界，研究比較成熟，主要分為傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。其中傾斜晶界又分為：對(duì)稱傾斜晶界：由一系列相同符號(hào)的刃型位錯(cuò)排列而成的晶界，和非對(duì)稱傾斜晶界：由兩組相互垂直的刃型位錯(cuò)組成的晶界；7. 討論晶界位向角與晶界能的關(guān)系。tba

10、E0晶界能與晶界位向角關(guān)系示意圖從圖可以看出，在小角晶界范圍內(nèi)，晶界能（E）隨晶界位向角（）的增加而迅速增大。大角晶界界面能與位向角基本無(wú)關(guān)，但在共格孿晶（t）和重合位置點(diǎn)陣（a和b）出現(xiàn)時(shí)，晶界能有一個(gè)明顯的下降。 8. 晶界偏聚的產(chǎn)生原因和影響因素。（a）偏聚現(xiàn)象：晶界上溶質(zhì)元素濃度高于晶內(nèi)（10-1000倍）（b）偏聚動(dòng)力：晶界處結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量高，溶質(zhì)元素在晶內(nèi)產(chǎn)生畸變能。溶質(zhì)從晶內(nèi)向晶界附近偏聚，使系統(tǒng)能量降低。（c）正吸附與反吸附：正吸附：使晶界表面張力降低的溶質(zhì)原子向晶界偏聚，如鋼中C，P。反吸附：使晶界表面張力增加的溶質(zhì)原子遠(yuǎn)離晶界，如鋼中Al。（d）偏聚與偏析：偏聚：固態(tài)擴(kuò)散造

11、成,為平衡態(tài)平衡偏聚偏析：液態(tài)凝固時(shí)形成，為非平衡態(tài)（e）影響因素： 晶界能；雜質(zhì)原子與基體原子尺寸差；濃度；第三種元素共同偏聚；晶界結(jié)構(gòu)。9. 金屬表面熱滲鍍的特點(diǎn)與分類。定義：用加熱擴(kuò)散的方法把一種或幾種元素滲入基體金屬的表面，可得到一擴(kuò)散合金層，但有時(shí)表面上還會(huì)殘留一層很薄的覆層熱滲鍍。特點(diǎn)：（1）靠熱擴(kuò)散形成表面強(qiáng)化層，結(jié)合力很強(qiáng) （2）熱滲鍍材料的選擇范圍很寬作用：滲入不同元素，可得到不同的表面組織和表面性能，包括耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性、耐高溫氧化性。分類：（1）固溶法：粉末包滲法、流化床法。粉末包滲法：把工件埋入裝有滲層金屬粉末的容器里，進(jìn)行加熱擴(kuò)散。為防止粉末燒結(jié)使工件表面難于

12、清理，在粉末中要加入防粘結(jié)粉末（如Al2O3）。為加速滲入過(guò)程，在粉末中加入活化劑（助滲劑），通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使?jié)B層金屬變成活性金屬原子。（2）液滲法：熱浸法，融溶法，鹽溶法熱滲法：將工件直接浸入某一液態(tài)金屬中，形成合金鍍層，繼續(xù)加熱使鍍層擴(kuò)散形成合金層。例如：鋼熱浸鋁。（3）氣滲法：加熱工件到滲劑原子在基體中能顯著擴(kuò)散的溫度，通入含有滲劑金屬鹵化物（MCl2）的氫氣，在工件表面發(fā)生如下反應(yīng)：MCl2A ACl2M (A為基體金屬)MCl2H2 2HClM反應(yīng)生成的活性金屬原子M滲入工件表面。（4）離子轟擊滲鍍法：通過(guò)在低真空下氣體輝光放電使?jié)B劑金屬變成等離子態(tài)。離子活性比原子高，再加上電場(chǎng)的作用

13、，所以此方法滲速高，質(zhì)量好。（5）復(fù)合滲：利用各種方法，將工件表面形一固相涂層，然后加熱擴(kuò)散。鍍層工藝和加熱工藝多種多樣。10. 金屬表面熱滲鍍的滲鍍?cè)嘏c基底元素有限固溶并有中間化合物形成的滲層組織分析。有限固溶并有中間化合物形成的滲層組織開(kāi)始階段如圖中曲線所示，表面B元素濃度繼續(xù)增加，達(dá)到C1，表面形成AnBm并向內(nèi)擴(kuò)散，即形成曲線，表面B元素濃度繼續(xù)增加至C，表面形成相并向內(nèi)擴(kuò)散，達(dá)到曲線。B溶入A的表面形成固溶體。開(kāi)始階段的濃度曲線如所示，隨著B(niǎo)原子的不斷溶入和擴(kuò)散，表面濃度不斷增加，當(dāng)B在A中的濃度達(dá)到該溫度下相的飽和濃度C時(shí)B的濃度曲線如所示；當(dāng)B原子進(jìn)一步滲入時(shí)表面的濃度達(dá)到C1

14、甚至C2時(shí)，即表面形成化合物相AnBm，如曲線所示；B再進(jìn)一步擴(kuò)散，表面濃度進(jìn)一步升高，出現(xiàn)相，最終曲線如所示。由外向內(nèi)依次是AnBmA。滲層中各相的相對(duì)厚度由各相的形核和轉(zhuǎn)變的難易程度決定，一般是成長(zhǎng)快的較厚。11. 金屬表面熱噴涂的技術(shù)特點(diǎn)。金屬表面熱噴涂是利用專用設(shè)備將固體材料熔化并加速噴射到工件表面形成一種特制薄層，提高工件表面性能的表面處理方法。其技術(shù)特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)： 取材廣泛 可用于各種基體 基體保持較低溫度 工效高，比電鍍快 工件大小不受限制，可進(jìn)行局部噴涂，工件或整體均可 涂層厚度易控制 滿足各種性能需要：耐磨、耐蝕、高溫氧化、隔熱、高溫強(qiáng)度、密封、減磨（潤(rùn)滑）、耐輻射、導(dǎo)

15、電、絕緣等。12. 激光表面改性的特點(diǎn)。激光束和電子束發(fā)生器有足夠的能量促使短時(shí)間內(nèi)加熱和活化工件大面積的表面區(qū)域。是材料表面改性的重要方法，主要有如下特點(diǎn)： 由于加熱速度極快，基體溫度不受影響 加熱層深幾個(gè)m，這樣薄層熔化需要能量幾個(gè)J/cm2，三束能量很高，可以在表面產(chǎn)生106108K/cm的穩(wěn)定梯度，表明迅速熔化，此溫度梯度又使熔化部分以1091011K/s速度冷卻，S-L界面推移速度為每秒幾米。 激光表面改性可提高表面抗蝕性和耐磨性，還可用于半導(dǎo)體技術(shù)和催化劑技術(shù)。 激光表面改性包括：改變表面成分：合金化、熔覆；改變表面結(jié)構(gòu)：表面相變硬化。 表面形成亞穩(wěn)組織，產(chǎn)生特種性能。13. 激光

16、表面涂覆層的組織特點(diǎn)。將具有某種特殊性能的粉末材料以最小的稀釋度用激光火焰涂在基體表面，從而獲得特殊的表面性能的表面改性方法稱為激光表面涂覆。與激光熔凝相似，只是熔化對(duì)象不同。激光涂覆的組織特點(diǎn)為： 晶粒細(xì)小（快冷所致）。 稀釋度很低時(shí)，界面出元素不擴(kuò)散。稀釋度較大時(shí)，涂層一側(cè)發(fā)生液態(tài)擴(kuò)散，擴(kuò)散距離較大；基體一側(cè)，固態(tài)擴(kuò)散，擴(kuò)散距離很小。由于涂層凝固收縮受到基體阻礙，冷卻后得到的涂層內(nèi)有殘余應(yīng)力。另外，涂層與基體熱膨脹系數(shù)不同。產(chǎn)生裂紋。解決辦法：預(yù)熱基體，涂覆后熱處理。氣孔：高溫液相吸收空氣中氣體，凝固冷卻后過(guò)飽和析出，凝固收縮形成氣孔。這種氣孔細(xì)小，可用保護(hù)氣氛進(jìn)行防止?；w與涂層界面大氣

17、孔和搭接涂層過(guò)程產(chǎn)生的大氣孔， 可以通過(guò)控制涂覆參數(shù)和搭接度解決。14. 金屬基復(fù)合材料界面的分類和結(jié)合機(jī)制。金屬基復(fù)合材料界面主要分為三類：第一類界面的特征為金屬基體和增強(qiáng)體之間既不反應(yīng)也不互相溶解，界面相對(duì)比較平整。第二類界面的特征為金屬基體和增強(qiáng)體之間彼此不發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，但浸潤(rùn)性好，能發(fā)生界面相互溶解擴(kuò)散，基體中的合金元素和雜質(zhì)可能在界面上富集或貧化，形成犬牙交錯(cuò)的溶解擴(kuò)散界面。第三類界面的特征為金屬基體和增強(qiáng)體之間彼此發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，生成新的化合物，形成界面層。金屬基復(fù)合材料的界面類型類型一類型二類型三金屬基體和增強(qiáng)體既不反應(yīng)也不互相溶解金屬基體和增強(qiáng)體不反應(yīng)但互相溶解金屬基體和

18、增強(qiáng)體之間發(fā)生反應(yīng)生成界面反應(yīng)物Cu-WCu-Al2O3Ag-Al2O3Al-B(表面涂BN)Al-不銹鋼Al-BAl-SiCMg-SiCCu-Cr合金-WNb-WNi-CNi-WCu-Ti合金-WTi-Al2O3Ti-BTi-SiCAl-SiO2Al-C(在一定溫度下)Mg-Al18B4O33w金屬基復(fù)合材料中的界面結(jié)合基本可分為四類，即：機(jī)械結(jié)合；共格和半共格原子結(jié)合；擴(kuò)散結(jié)合；化學(xué)結(jié)合。機(jī)械結(jié)合基體與增強(qiáng)體之間純粹靠機(jī)械結(jié)合力連接的結(jié)合形式稱為機(jī)械結(jié)合。它主要依靠增強(qiáng)材料粗糙表面的機(jī)械“錨固”力和基體的收縮應(yīng)力來(lái)包緊增強(qiáng)材料產(chǎn)生摩擦力而結(jié)合。結(jié)合強(qiáng)度的大小與纖維表面的粗糙程度有很大關(guān)系，

19、界面越粗糙，機(jī)械結(jié)合越強(qiáng)。只有當(dāng)載荷應(yīng)力平行于界面時(shí)才能顯示較強(qiáng)的作用。機(jī)械結(jié)合存在于所有復(fù)合材料中。既無(wú)溶解又不互相反應(yīng)的第一類界面屬這種結(jié)合。 共格和半共格原子結(jié)合 共格和半共格原子結(jié)合是指增強(qiáng)體與基體以共格和半共格方式直接原子結(jié)合，界面平直，無(wú)界面反應(yīng)產(chǎn)物和析出物存在。金屬基復(fù)合材料中以這種方式結(jié)合的界面較少。擴(kuò)散結(jié)合擴(kuò)散結(jié)合是基體與增強(qiáng)體之間發(fā)生潤(rùn)濕，并伴隨一定程度的相互溶解而產(chǎn)生的一種結(jié)合。這種結(jié)合與第二類界面對(duì)應(yīng)，是靠原子范圍內(nèi)電子的相互作用產(chǎn)生的。 化學(xué)結(jié)合 是基體與增強(qiáng)體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成化合物而產(chǎn)生的一種結(jié)合形式，由反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)鍵合提供結(jié)合力，它在金屬基復(fù)合材料

20、中占有重要地位，第三類界面屬這種結(jié)合形式。15. 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料界面殘余應(yīng)力的計(jì)算。假設(shè)復(fù)合材料中界面結(jié)合強(qiáng)度足夠高，以至在界面熱錯(cuò)配應(yīng)力作用下不發(fā)生滑動(dòng)和開(kāi)裂。圖（a）為在T1溫度下復(fù)合材料處于原始狀態(tài)（熱錯(cuò)配應(yīng)力為零）的示意圖。當(dāng)該復(fù)合材料被加熱到T2溫度時(shí)，如果纖維與基體間無(wú)相互約束，則纖維與基體將發(fā)生自由膨脹，結(jié)果如圖（b）所示。但實(shí)際上復(fù)合材料中纖維與基體之間是相互約束的，并且我們前面已經(jīng)假設(shè)界面不發(fā)生滑動(dòng)和開(kāi)裂，所以界面約束的作用結(jié)果是纖維受基體的拉伸作用而比自由膨脹時(shí)的膨脹量有所增加；而基體受纖維的壓縮應(yīng)力作用而比自由膨脹時(shí)的膨脹量有所減小，結(jié)果如圖（c）所示。纖維基體基

21、體(a) T1溫度纖維基體基體(b) T2溫度, 界面自由纖維基體基體(c) T1溫度，界面約束dmdcdfl金屬基復(fù)合材料界面熱錯(cuò)配應(yīng)力計(jì)算示意圖 由圖1可以很顯然得到以下計(jì)算公式： dm = (T2-T1)m l (5.7) df = (T2-T1)f l (5.8) dc = (T2-T1)c l (5.9)其中：m、f和c分別為基體、纖維和復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。從上面3個(gè)公式可以得到基體、纖維和復(fù)合材料的自由膨脹應(yīng)變m、f和c分別為： m = (T2-T1)m (5.10) f = (T2-T1)f (5.11) c = (T2-T1)c (5.12)對(duì)比圖5-5（b）和（c）可以得到，復(fù)合材料中界面熱錯(cuò)配應(yīng)力的產(chǎn)生是由于在界面約束條件下基體少膨脹和纖維多膨脹引發(fā)的彈性應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，其值應(yīng)該為： i = (c - f ) Ef = (m -c )Em (5.13)其中：i為界面熱錯(cuò)配應(yīng)力，Ef和Em分別為纖維和基體的彈性模量。將公式（5.10），（5.11）和（5.12）帶入（5.13），則得到復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)c的計(jì)算公式： c =（m Em +f Ef ）/（Em + Ef ） （5.14）而將公式（5.14）帶入公式（5.13），便可得到金屬基復(fù)合材料中的界面熱錯(cuò)配應(yīng)力為：