材料表面工程復習大綱

1、材料表面工程復習大綱1、 緒論1、 表面工程技術：是利用各種物理、化學和機械的方法，改變基材表面的形態(tài)、化學成分、組織結構和應力狀況而使其具有某種特殊性能，從而滿足特定的使用要求的技術。2、 表面工程技術是表面工程學的核心和實質，其內涵為：表面涂鍍技術；表面薄膜技術；表面改性技術；復合表面工程技術。3、 零件在服役過程中，主要失效的形式為：腐蝕、磨損、疲勞、斷裂。2、 固體表面的物理化學特征1、 界面指兩相接觸的約幾個分子厚度的過渡區(qū)，或兩種不同相之間的交界區(qū)稱為界面。若其中一相為氣體，這種界面通常稱為表面。表面應是液體和固體與其飽和蒸氣之間的界面，但習慣上把液體或固體與空氣的界面稱為液體或固

2、體的表面。2、 固體材料的界面有三種：表面、晶界和相界。3、 實際表面？清潔表面？理想表面？實際表面：一是所謂“內表面層”，它包括基體材料和加工硬化層；另一部分是所謂“外表面層”，它包括吸附層、氧化層等。清潔表面：清潔表面是經過特殊處理（即保證組成上的確定性）后，保持在超高真空下的表面（即保證表面不隨時間而改變）。 理想表面：是一種理論上的結構完整的二維點陣平面。4、 理想表面的前提條件：忽略了晶體內部周期性勢場在晶體表面中斷的影響；忽略了表面原子的熱運動、熱擴散和熱缺陷等；忽略了外界對表面的物理化學作用等。5、 清潔表面偏離三維周期性結構的主要特征應該是：表面臺階、表面弛豫、表面重

3、構。6、 臺階表面：臺階表面不是一個平面，它是由有規(guī)則的或不規(guī)則的臺階所組成。7、 最常見的表面重構有兩種類型：缺列型重構和重組型重構。8、 表面粗糙度：指加工表面上具有的較小間距的波峰和波谷所組成的微觀幾何形狀誤差，也稱微觀粗糙度。表面粗糙度主要是由加工過程中刀具與工件表面間的摩擦、切削分離工件表面層材料的塑性變形、工藝系統(tǒng)的高頻振動以及刀尖輪廓痕跡等原因形成。9、 殘余應力按其作用范圍分為：宏觀內應力和微觀內應力兩類。宏觀內應力：由于材料各部分變形不均勻而造成的宏觀范圍內的內應力。微觀內應力：物體的各晶粒或亞晶粒之間不均勻的變形而產生的晶?；騺喚Яｉg的內應力。10、 表面偏聚：合金的表面成

4、分一般不同于合金的整體平均成分，這種現象稱為表面偏聚。表面偏聚有兩種情況：一是溶質原子在表面富集，二是表面溶質原子減少（稱為反偏聚）。又可分為平衡偏聚和非平衡偏聚兩大類，平衡偏聚可用平衡熱力學來描述，非平衡偏聚是動力學過程的結果。11、 吸附：由于物理或化學的作用力場，某物質分子附著或結合在兩相界面上的濃度與兩相本體濃度不同的現象。吸附量：達吸附平衡時，單位質量的吸附劑所吸附的吸附質的數量（標準狀況下的體積）。吸附熱：在吸附過程中的熱效應稱為吸附熱。習慣把吸附熱都取成正值。物理吸附過程的熱效應相當于氣體凝聚熱，很小；化學吸附過程的熱效應相當于化學鍵能，比較大。12、 溶液中至少有兩個組成部分，

5、即溶劑和溶質，它們都可能被固體吸附，但被吸附的程度不同，如果吸附層內溶質的濃度比體相大，稱為正 吸附，反之稱為負 吸附。15、 物理吸附力在所有的吸附劑與吸附質之間都存在，相當于液體內部分子間的內聚力。其產生力的因素有：色散力、誘導力和取向力，以色散力為主。16、 形成熱擴滲層的基本條件：滲入金屬必須能與基體金屬 形成固溶體或者金屬間化合物；滲入元素與基體金屬必須有直接接觸；被滲元素在基體金屬中要有一定的滲入速度；對靠化學反應提供活性原子的熱擴滲反應必須滿足熱力學條件：a. 產生活性原子；b. 反應平衡常數>1%。3、 表面摩擦、磨損與潤滑1、 機件正常運行

6、的磨損過程一般分為3個階段：跑合(磨合)階段、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段。2、 根據不同磨損機理，分為四個主要類別：粘著磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損和腐蝕磨損。3、 粘著磨損：指兩個相對運動的表面發(fā)生相互焊合，在相互運動過程中焊合表面產生撕裂而發(fā)生的磨損。其過程就是粘著點不斷形成又不斷被損壞并脫落的過程。其磨損表面特征是機件表面有大小不等的結疤。4、 磨料磨損：是摩擦副的一方表面存在堅硬的細微凸起或在接觸面間存在硬質粒子(從外界進入或從表面剝落)時產生的磨損。主要特征是摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽。（犁溝）5、 表面疲勞磨損：是兩接觸材料作滾動或滾動加滑動摩擦時，交變接觸壓應力長期作用

7、使材料表面疲勞損傷，局部區(qū)域出現小片或小塊狀材料剝落，而使材料磨損的現象，故又稱表面疲勞磨損或麻點磨損。是齒輪、滾動軸承等工件常見的磨損失效形式。宏觀形態(tài)特征是：接觸表面出現許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑(麻坑)。6、 腐蝕磨損：在摩擦過程中，摩擦表面與周圍介質發(fā)生化學反應或電化學反應的磨損稱為腐蝕磨損。7、 磨損常用的評定方法有：磨損量、磨損率和耐磨性。磨損量分為長度磨損量、體積磨損量和質量磨損量。體積磨損量常用。磨損量愈小，耐磨性愈高。8、 磨損率：單位時間的磨損量、單位摩擦距離的磨損量。9、 凡是能減小摩擦阻力，減小磨損的物質都可作為潤滑劑。潤滑劑分為液體潤滑劑、潤滑脂、固體潤滑劑和

8、氣體潤滑劑。4、 表面腐蝕基本理論1、 物質和金屬發(fā)生化學作用或電化學作用引起金屬的腐蝕。2、 化學腐蝕：金屬跟接觸到的物質直接發(fā)生化學反應而引起的腐蝕。 電化學腐蝕：不純的金屬或合金與電解質溶液接觸，會發(fā)生原電池反應，比較活潑的金屬失電子被氧化的腐蝕。本質為氧化還原反應，原理是原電池反應。電化學腐蝕分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕。 相互關系：往往同時發(fā)生，電化腐蝕要比化學腐蝕普遍得多。3、 腐蝕原電池或腐蝕電池：指只能導致金屬材料破壞不能對外做有用功的短路原電池。工作原理與一般原電池無本質區(qū)別，短路時電能以熱量形式散失。4、 腐蝕電池分為大電池 (宏觀腐蝕電池) 和微電池 (微觀腐蝕電池)，大電池的

9、腐蝕形態(tài)是局部腐蝕，腐蝕破壞主要集中在陽極區(qū)。而如果微電池的陰、陽極位置不斷變化，腐蝕形態(tài)是全面腐蝕；如果陰、陽極位置固定不變，腐蝕形態(tài)是局部腐蝕。5、 鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕比較：6、 鈍態(tài)的特征：腐蝕速度大幅度下降。電位強烈正移。金屬鈍化以后，既使外界條件改變了，也可能在相當程度上保持鈍態(tài)。鈍化只是金屬表面性質而非整體性質的改變。7、 某些腐蝕體系在自然腐蝕狀態(tài)不能鈍化，但通入外加陽極極化電流時能夠使金屬鈍化(電位強烈正移，腐蝕速度大降低)。這稱為陽極鈍化，或電化學鈍化。而金屬在介質中依靠自身的作用實現的鈍化則叫做化學鈍化。陽極鈍化和化學鈍化的實質是一樣的，兩種方法得到的結果都使溶解著的

10、金屬表面發(fā)生了某種突變。8、 陽極鈍化的陽極極化曲線： 7、鈍化參數：致鈍電流密度（i致）：表示腐蝕體系鈍化的難易程度，i致愈小體系愈容易鈍化。致鈍化電位（Ep）：陽極極化時，必須使極化電位超過Ep才能使金屬鈍化，Ep愈負，表明體系愈容易鈍化。維鈍電流密度（i維）：i維對應于金屬鈍化后的腐蝕速度。所以i維愈小，鈍化膜的保護性能愈好。8、金屬的自鈍化是在沒有任何外加極化情況下而產生的自然鈍化。9、解釋金屬鈍化現象的兩種理論：成相膜理論和吸附理論。成相膜理論指的是表面上生成成相的保護性固體產物膜(多數為氧化物膜)，將金屬和溶液機械隔離開。由于氧化物膜溶解速度很小，因而使金屬腐蝕速度大大降低。支持成

11、相膜理論的實驗事實：在濃硝酸中鐵表面鈍化膜是 g-Fe2O3。鈍化膜厚度為2530A。吸附理論：金屬表面(或部分表面)上形成了氧或含氧粒子的吸附層，使金屬表面的化學結合力飽和，陽極反應活化能增大，因而金屬溶解速度降低。即吸附理論強調了鈍化是金屬反應能力降低造成的，而不是膜的機械隔離。支持吸附理論的實驗事實：對某些體系只需通入極小的電量，就可以使金屬鈍化，這些電量甚至不足以形成單原子吸附氧層。5、 電鍍技術1、 電鍍：是指在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中，在直流電的作用下，以被鍍基體金屬為陰極，以欲鍍金屬或其它惰性導體為陽極，通過電解作用，在基體表面上獲得結合牢固的金屬膜的表面工程技術。2、 按鍍層的

12、性能可將其分為三類：防護性鍍層；防護裝飾性鍍層：功能性鍍層。3、 按鍍層與基體金屬的電化學活性可將電鍍層分為陽極性鍍層和陰極性鍍層兩大類。4、 電鍍溶液的基本組成：主鹽、絡合劑、附加鹽、緩沖劑、陽極活化劑和添加劑。5、 溫度、壓力、鍍液的組成和濃度、電極和電解槽的材料、形狀及溶劑的性質等都對該定律無任何影響，只要是電極上通過1法拉第電量，就一定能得到1克當量的產物。6、 電鍍時，陰極上實際析出的物質的質量并不等于根據法拉第定律得到的計算結果，實際值總小于計算值。這是由于電鍍存在副反應。7、 電鍍鍍層厚度均勻與否，實質上就是電流在陰極鍍件表面上的分布是否均勻。8、 電鍍液分散能力和覆蓋能力不同，

13、前者是說明金屬在陰極表面分布均勻程度的問題，它的前提是在陰極表面都有鍍層；而后者是指金屬在陰極表面的深凹處有無沉積層的問題。9、 影響鍍層質量的因素：鍍液的影響，包括主鹽濃度和雜質離子電鍍規(guī)范的影響，包括操作溫度和陰極電流密度析氫的影響基體金屬的影響：如果基體金屬的電位負于鍍層金屬，若不用其它鍍層過渡，就不容易獲得結合力良好的鍍層。10、 電鍍的實施方式多種多樣，最常見的有掛鍍、滾鍍、刷鍍和高速連續(xù)電鍍等。掛鍍主要適用于外形尺寸較大的零件；滾鍍主要適用于尺寸較小、批量較大的零件；刷鍍一般用于局部修復；而連續(xù)電鍍則用于線材、帶材、板材的大批量生產。11、 電鍍的工藝過程包括：鍍前處理（拋光或打磨

14、、脫脂、除銹等）、電鍍、鍍后處理（鈍化和浸膜）三大步。連續(xù)電鍍有三種進行方式：垂直浸入式、水平運動式和盤繞式。12、 實現兩種金屬的共沉積，應具備以下兩個基本條件：兩種金屬中至少有一種金屬能單獨從其鹽的水溶液中沉積出來；要使兩種金屬共沉積。它們的析出電位要十分接近或相等。13、 兩種金屬能否共沉積與它們的標準電位、金屬離子的濃度（或活度）、陰極極化程度有關。因此，為了實現金屬的共沉積，一般采取以下措施：選擇金屬離子合適的價態(tài)；改變金屬離子的濃度；加入適當的絡合劑；加入添加劑。14、 根據合金鍍層的特性及其應用范圍，合金鍍層一般被分為防護性合金鍍層、裝飾性合金鍍層和功能性合金鍍層三大類。15、

15、電刷鍍原理和電鍍原理基本相同，也是一種電化學沉積過程，都使用直流電。16、 化學鍍的關鍵在于還原劑。實現化學鍍過程有三種方式：置換沉積、接觸沉積和還原沉積。17、 化學鍍原理：是一個在催化條件下發(fā)生的氧化一還原（電化學）反應過程。化學鍍能夠順利實施的必要條件是金屬的沉積反應只發(fā)生在具有催化作用的工件表面。6、 化學轉化膜1、 化學轉化膜：使金屬與特定的腐蝕液相接觸，在一定條件下發(fā)生化學或電化學反應，在金屬表面形成一層附著力良好的難溶的生成物膜層。2、 鋼鐵的氧化處理發(fā)藍或發(fā)黑：鋼鐵在含有氧化劑的溶液中進行處理，使其表面生成一層均勻的藍黑到黑色膜層的過程。高溫化學氧化（堿性化學氧化），常溫化學氧

16、化（酸性化學氧化）。3、 鋼鐵的氧化處理后還需進行皂化處理、浸油或在鉻酸鹽溶液里進行填充處理。4、 鋼鐵磷化：金屬在含有錳、鐵、鋅的磷酸鹽溶液中進行化學處理，使金屬表面生成一層難溶于水的磷酸鹽保護膜。為了提高磷化膜的防護能力，磷化后應對磷化膜進行填充和封閉處理。5、 磷化處理工藝分為：高溫磷化、中溫磷化和常溫磷化。6、 陽極氧化：將鋁或鋁合金制件浸沉于酸性電解液中，在外電流作用下作為陽極，在制件表面上形成與基體牢固結合的氧化膜層。注：陽極氧化也稱作電化學氧化。7、 氧化膜的生長過程就是其不斷生成和不斷溶解的過程。8、 氧化膜形成后孔隙率高，吸附性強，易污染，因此要進行氧化膜的封閉處理。分為沸水

17、和蒸氣封閉法；水解鹽封閉法；重鉻酸鹽封閉法；填充封閉法。9、 微弧氧化又稱微等離子體氧化，是通過堿性電解液與相應電參數的組合，在鋁、鎂、鈦及其合金表面依靠弧光放電產生的瞬時高溫高壓作用，生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層。在微弧氧化過程中，化學氧化、電化學氧化、等離子體氧化同時存在。10、 微弧氧化主要針對鋁、鎂、鈦等閥金屬（閥金屬是指在電解液中起到電解閥門作用的金屬）。其工藝流程：去油水洗微弧氧化純水洗封閉。7、 表面涂覆技術1、 熱噴涂技術是使用某種方式的熱源，使噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，用高壓氣流將其霧化，并以一定速度噴射到經過預處理的零件表面，從而形成涂層的表面加工技術。2、

18、熱噴涂涂層的結合機理：涂層的結合包括涂層與基體表面的結合和涂層內部的結合。涂層與基體的結合強度稱為結合力；涂層內部的結合強度稱為內聚力。涂層中顆粒與基體表面之間的結合以及顆粒之間的結合機理目前尚無定論，已提出幾種類型： 機械結合（拋錨效應）  擴散結合 冶金結合 物理結合（范德華力）等。3、 熱噴涂涂層特點：是由無數變形粒子互相交錯呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結構。 顆粒與顆粒之間存在一定量的空隙和孔洞。其孔隙率一般在1-15之間。涂層中還伴有氧化物和夾雜。4、 熱浸鍍簡稱熱鍍，是將一種基體金屬浸在熔融態(tài)的另一種低熔點金屬中，在其表面形成一層金屬保護膜的方法。熱浸

19、鍍層金屬一般為鋅、鋁、錫、鉛。鋼鐵是最廣泛使用的基體材料。8、 表面改性技術1、 表面改性：采用某種工藝手段使材料表面獲得與基體材料的組織結構、性能不同的一種技術。2、 常用的材料表面處理預處理種類及方法：基體表面平整：磨光、滾光、拋光 、刷光、振動磨光；基體表面清潔：除油（有機溶劑除油、化學除油、電化學除油、超聲除油）、除銹、除銹除油聯合處理；基體表面拋光處理：化學拋光、電化學拋光； 基體表面噴砂與噴丸處理：噴砂、噴丸。3、 表面形變強化技術的主要用途和方法：噴丸技術，主要應用于那些需要改善疲勞強度和抗應力腐蝕能力的零件上；表面滾壓技術，表面改性層的最大深度達5mm以上，

20、能較大幅度地改善材料表面的疲勞壽命、抗應力腐蝕能力，只適合一些形狀簡單的零件(平板類、軸類和溝槽類等）。4、 表面熱處理：對零部件表面進行加熱、冷卻，改變表層組織和性能，不改變其表層成分的熱處理工藝。也稱作表面淬火技術。5、 表面淬火的原理：表面材料快速加熱到相變臨界點AC3（亞共析鋼）或者AC1（過共析鋼）以上而轉變?yōu)榧毿〉膴W氏體組織，心部材料仍保持在相變臨界點以下，保持原有組織。其后快速冷卻，達到淬火目的，獲得微細的馬氏體組織，提高零件的表面硬度和耐磨性，零件心部未發(fā)生相變。6、 感應加熱表面淬火表面組織是細小隱晶馬氏體，表面硬度比普通淬火硬度高，硬化層深度總小于感應電流透入深度。7、 化

21、學熱處理：利用元素擴散性能，通過加熱使合金元素滲入金屬表層的熱處理工藝。8、 金屬表面化學熱處理包括滲碳、滲氮或碳氮共滲等，改變了表層成分，其目的：提高金屬表面的強度、硬度和耐磨性。提高材料疲勞強度。使金屬表面具有良好的抗粘著、抗咬合的能力和降低摩擦系數，如滲硫等。提高金屬表面的耐蝕性，如滲氮、滲鋁等。9、 通過輝光放電獲得的等離子體，實際上是正離子、負離子、中性原子、電子等各種粒子的復合體，整體呈電中性，是與固、液、氣態(tài)不同的第四態(tài)。10、 三束表面改性技術：是指將激光束、電子束和離子束(合稱“三束”)等具有高能量密度的能源施加到材料表面，使之發(fā)生物理、化學變化，以獲得特殊表面性能的技術。9

22、、 氣相沉積技術1、 薄膜材料的特點：尺寸效應、表面效應。2、 薄膜的生長模式：(a)島狀生長；(b)層狀生長；(c)層狀-島狀生長。3、 物理氣相沉積：在真空條件下，利用各種物理方法，將鍍料氣化成原子、分子或使其離子化為離子，直接沉積到基體表面上的方法。包括三種基本方法：蒸鍍、濺射和離子鍍。4、 化學氣相沉積：把含有構成薄膜元素的一種或幾種化合物、單質氣體供給基體，借助氣相作用或在基體表面上的化學反應在基體上制得金屬或化合物薄膜的方法。5、 分子束外延：在清潔的超高真空環(huán)境下，使具有一定熱能的兩種或兩種以上的分子束流噴射到被加熱的襯底上，在襯底表面進行反應生成單晶薄膜的過程。Ø 簡

23、答題重點1、 分析金屬電鍍包括哪些基本步驟？說明其物理意義。傳質步驟：液相中的反應粒子向陰極表面?zhèn)鬟f的步驟，有電遷移、擴散及對流三種不同方式。前置化學步驟：直接參加陰極電化學還原反應的金屬離子往往不是金屬離子在電解液中的主要存在形式。在還原之前，離子在陰極附近或表面發(fā)生化學轉化，然后才能放電還原為金屬。電荷轉移步驟：反應粒子在陰極表面得到電子形成吸附原子或吸附離子，又稱為電化學步驟，主要發(fā)生電荷從陰極表面轉移到反應粒子的過程，這是電沉積過程的重要步驟。結晶步驟: 吸附原子通過表面擴散到達生長點而進入晶格，或吸附原子相互碰撞形成新的晶核并長大成晶體。2、 電刷鍍的原理及特點是什么？原理

24、： 直流電源的正極通過導線與鍍筆相聯，負極通過導線和工件相聯，當電流方向由鍍筆流向工件時為正向電流，正向電流接通時發(fā)生電沉積；電流方向從工件流向鍍筆時為反向電流，反向電流接通時工件表面發(fā)生溶解。  特點： 設備工藝簡單，操作方便，不需要大的渡槽設備。  鍍層種類多，與基體結合力強，力學性能好。 沉積速度快，生產效率高。  刷鍍液不含氰化物和劇毒藥品，操作安全污染小。 但存在勞動強度大，消耗陽極包纏材料等缺點。3、 熱浸鍍的基本過程是什么？控制步驟是什么？其實質是什么？熱浸鍍基本過程： 

25、（1）介質中發(fā)生化學反應，以提供界面反應所需要的反應物（2）反應物通過擴散輸運至金屬表面，此稱為外擴散 （3）反應物中的某些粒子被金屬表面吸附，并發(fā)生界面反應 （4）界面反應產生的活性原子為金屬表面層吸收并向縱深遷移，達到一定的深度，此稱內擴散  控制步驟：預鍍件、前處理 、熱浸鍍 、后處理 、制品  定義： 熱浸鍍是將一種基體金屬浸在熔融狀態(tài)的另一種低熔點金屬中，在其表面形成一層金屬鍍層的方法。4、 對比化學吸附和物理吸附的異同？物理吸附是指吸附劑與吸附質之間的作用力是范德華力，特點是吸附力弱

26、，易脫附，吸附速度快；化學吸附是指吸附劑與吸附質之間的作用力是化學鍵力，特點是吸附質在吸附劑表面上發(fā)生了化學反應，生成了絡合物，吸附力強，不易脫附，吸附速度較慢。5、 熱噴涂涂層的形成過程中經歷了哪幾個階段？從噴涂材料進入熱源到形成涂層，噴涂過程一般經歷四個階段：噴涂材料被加熱、熔化；熔化的噴涂材料被霧化；熔融或軟化的微細顆粒的噴射飛行；粒子在基體表面發(fā)生碰撞、變形、凝固和堆積。6、 什么是化學鍍？化學鍍的基本原理是什么？有哪些特點？化學鍍也稱為無電解鍍，是一種不使用外電源、而是利用還原劑使溶液中的金屬離子在基體表面上自催化還原沉積出鍍層的化學處理方法。特點：工藝設備簡單，不需外加電源、輸電系統(tǒng)及輔助電極；鍍層厚度非常均勻；結合力一般均優(yōu)于電鍍；可在金屬、非金屬以及有機物上沉積鍍層。7、 感應加熱淬火原理？什么是渦流、集膚效應？鐵制零件在高頻交變