材料表面工程培訓(xùn)教案

1、材料表面工程教案李遠(yuǎn)睿 編寫重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(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)化與改性、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。一 綜述： 金屬材料表面工

2、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。 機(jī)械零件失效的主要形式：a 塑性變形。原因是材料強(qiáng)度不足或過載使用；b 斷裂。有韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂三種類型；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，各類磨損又可以細(xì)分為更具體的一些形式。d 腐蝕。在環(huán)境及周圍介質(zhì)作用下，對(duì)金屬材料及零件的腐蝕。在以上四種失效形式

3、中，磨損、疲勞和腐蝕占80%以上。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)的分類及概況。分類。通常按表面強(qiáng)化技術(shù)的性質(zhì)分類，可以分為：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 能量密度改性與強(qiáng)化。2各類表面強(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)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)行不同處理后賦與表面和內(nèi)

4、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)小缺陷并形成表層殘余壓應(yīng)力的強(qiáng)化方法稱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)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：

5、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、化學(xué)變化， 達(dá)到強(qiáng)化或表面改性的目的稱為高能

6、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/cm。火焰和高頻加熱的能量密度為102103W/cm。Laser被美國(guó)和過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。 將兩種或兩種以上的表面處理（ 或強(qiáng)化 ） 工藝用于同一工件的表面強(qiáng)化的方法稱為表面復(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 ; 滲碳熱處理+噴丸;

7、 感應(yīng)加熱淬火+噴丸等。三 表面工程與技術(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，還有裝飾作用。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)菘刂疲贿\(yùn)用可控氣氛實(shí)現(xiàn)少無氧化加熱等。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

8、碩士研究生的八大專業(yè)課題之一。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)表面工程與技術(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？研究并開發(fā)表面工程與技術(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%以上，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

9、面淬火強(qiáng)化，高能量密度表面強(qiáng)化與改性和表面復(fù)合強(qiáng)化等6 種。各自的特點(diǎn)是： （略） 。CHAPTER ONE屬的表面（THE SURFACE OF METALS金屬的表面直接承受各種負(fù)載，被磨損，并與介質(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)稱的，故其成分、組織和性能與內(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金屬的界面和表面一界面.定義。界面是一種二維的結(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 問，或結(jié)構(gòu)和成分均相同，但取向不同的兩晶粒間的交界面稱為界面。前者稱相界而后 者稱為晶界。.金屬及合金的界面種類。分外表面和內(nèi)外表面兩大類。外表面即金屬與合金和 周

10、維環(huán)境間的過渡區(qū)；內(nèi)表面有：晶界、相界、亞晶界、字晶界、層錯(cuò)界及胞壁界等。二金屬的表面.定義。金屬或合金與周維環(huán)境(氣相、液相和真空)問的過渡區(qū)稱為金屬的表 面。因環(huán)境不同，過渡區(qū)的組成和深度不同。.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)與真空間的過渡區(qū)域稱為純凈表面。它包括 所有不具有體內(nèi)三維周期性的原子層，常為一個(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 為清潔表面，清潔表面又稱為工業(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、熱浸滲和氣相沉積等。c污染表面。表面存在金

11、屬以外的物質(zhì)。由于清潔表面會(huì)與環(huán)境中的空氣、水、油、酸、堿、鹽等作用，會(huì)很快形成如下常見類型的污染表面：(1)氧化物層。即金屬與氧化性氣體間的過渡區(qū)(層)，表示為：M-MMQ-O2OO2 O o(2)氫氧化物層。即金屬與水之間的過渡區(qū)(層)，表示為一M- Ml MX (OH y-O十H2OH2O(3)水吸附層。即金屬吸附水白過渡層，表示為：一 MOH- OH(4)有機(jī)物污染層。高(低)分子有機(jī)物與金屬表面形成強(qiáng)或弱的結(jié)合過渡層。(5)無機(jī)物污染層。CI2、S等無機(jī)物被吸附于金屬表面并生成的腐蝕層。(6)內(nèi)污染層(人工污染層)0C N、S、B及異類金屬原子等滲入金屬的表層而形 成的滲入型污染層稱

12、為內(nèi)污染層，但內(nèi)污染發(fā)生后金屬表面仍具有金屬光澤。.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程稱為表面凈化。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?133.32X10-3R以下，離子加速電壓為200500M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)采取離子濺射與真空退火交替進(jìn)行。離子濺射法還用于對(duì)金屬進(jìn)行逐

13、層剝離，從而可以對(duì)一定深度的表面層進(jìn)行逐層研 究。此法還可以直接用于離子鍍滲，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，亦可以得 到純凈表面。3）真空臂分法。 對(duì)具有容易分開的晶面的單晶體物質(zhì)，可以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、噴砂和用氫還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

14、鍍、表面氧化、磷化、上漆等工藝是有良好效果的。e表面凈化的目的d不同表面的區(qū)分。以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。清潔表面污染表面圖1.1 三種表面的低能電子衍射圖（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)兩大類。.表面及表面層。a極表面。表面的單原子層或單分子層稱為極表面。極表面的成分、組織和能量狀 態(tài)均與內(nèi)部有很大的差異；極表面直接與環(huán)境接觸并相互作用，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

15、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、組織及性 能亦不同于內(nèi)部：冷加工后的金屬表面有一層塑變層，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、氧化層及塑變目箋小寸。通常，從實(shí)用角度測(cè)定表面層的厚度。12 表面自由能與表面張力( Surface Free Energy and Surface Tensron )固體和液體的表面均處于空間三向不對(duì)稱狀態(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。一 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

16、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。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。液體表面切線方向上存在的使其表面積縮小的力稱為表面張力。3.表面自由能與表面張力。a實(shí)驗(yàn)。如圖1.2在無摩擦的活動(dòng)邊AB的鐵絲框上涂滿肥皂沫，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與活動(dòng)邊邊長(zhǎng)L成正比，即F=2(r L所以：(T =F/2L(1 1)圖1.2 液體的表面張力比例常數(shù)6即為表面張力(或張力系數(shù))，乘以2是因

17、為液膜有兩個(gè)表面。表面張力 的方向與液面相切，且力圖使表面積縮小，其單位為：N/M; or： MN/Mb.表面自由能。若使圖1.2的活動(dòng)邊ab移動(dòng)dx的距離，距表面自由能的定義，表 面自由能與液膜面積的變化關(guān)系為：G=F? dx=26 L? dx(12)稱單位面積的表面自由能為比表面自由能，為:R=G/S=26 L? dx/2L ? dx= 6 （1 3）因此，液體的比表面自由能fs與表面張力6在數(shù)值上是相等的，比表面自由能單位 為：J/M2 or : MJ/ M2。實(shí)際上，1J/ M2=1N? M/ M2=N/M,故二者是有聯(lián)系的。但一個(gè)是 單位面積的能，而另一個(gè)則為單位長(zhǎng)度的力。二 金屬表

18、面自由能與表面張力。.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，并會(huì)出現(xiàn)表面偏析現(xiàn)象。.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，必須割斷分離面之間的原 子結(jié)合鍵，若金屬的配位數(shù)為 Z,原子總數(shù)為Nd ,則原子鍵總數(shù)為：1/2Z? N）,則鍵能 的計(jì)算公式為： =H/（0.5 ? Z? N）=2? H/ Z ? Nd （1-4） H: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

19、將 不同晶面的原子呈現(xiàn)于表面所需要切斷的鍵數(shù)是不一樣的。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)相鄰原子，且它的上、下兩個(gè)面上還有 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)每一個(gè)表面上的1個(gè)原子來說，應(yīng)切 斷的鍵數(shù)為3/2個(gè)。OOCOOOOOOO（1 1 1）（1 1 0）圖1.3面心立方晶格的晶面.圖1.4 Wulff 圖由圖1.3同理推知，欲使面心立方晶體的（110）晶面和（100）晶面分開并呈現(xiàn)于 表面應(yīng)

20、切斷的鍵數(shù)對(duì)每個(gè)原子來說均為 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與最低。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)的多少就可以說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，故切斷并呈現(xiàn)于表面后其表面自由能最低。因此，從熱力學(xué)上看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

21、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與它垂直的晶面上的表面張力的大小。由該圖看出： 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)合金形成一個(gè)新的表面時(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)離開表面移向內(nèi)部，使表面合金元素貧化。b “表面過剩”。表面某一組元的數(shù)量出現(xiàn)表面偏析而大于或者小于其體相區(qū)的同 一組元的數(shù)量，就出現(xiàn)了表面過?，F(xiàn)象。這樣，

22、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，而且還要考慮與表面成分相聯(lián)系的化學(xué)能的改變，因而:fs=6 +E Ni.m/S （1-5）fs=6+Ei. Ti（1-6）其中：仆為i組元在表面層中超過體相區(qū)的摩爾分?jǐn)?shù)；邛 為i組元素對(duì)應(yīng)于表面積為$表表面的化學(xué)位；r i為單位表面積的表面過剩摩爾分?jǐn)?shù)（即當(dāng)體相區(qū)與表面區(qū)的 溶劑摩爾分?jǐn)?shù)相同時(shí), 單位表面積上（1cm2） 的組元 i 超過體相區(qū)內(nèi)同一組元的摩爾分?jǐn)?shù)） 。顯然，對(duì)于合金來說（見1-6式），f sW 6 ,但fs- 6。因而，在討論時(shí)常常沒有嚴(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)性能與表面自由能的關(guān)系。a。活

23、性介質(zhì)與金屬接觸后，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)金屬表面來說是活性的介質(zhì)才會(huì)產(chǎn)生萊賓杰爾效應(yīng)。例如，只有對(duì)該金屬為表面活性的液體金屬才能改變某一固體金屬的力學(xué)性能， 降低其強(qiáng)度及塑性。2）與溶解和腐蝕不同，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)與金屬表面一接觸，立即會(huì)改變材料的力學(xué)性能。通常，金屬表面浸潤(rùn)一定的熔融金屬，或

24、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，一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?；钚越橘|(zhì)（液體金屬）對(duì)無應(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)性能與其表面力學(xué)性能之間有密切的關(guān)系， 而表面強(qiáng)度又與表面能密切相關(guān)，它們均屬原子間結(jié)合力的宏觀特征。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一定程度的補(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

25、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幾何形狀就構(gòu)成了其特征，粗糙度的波距與波深之比常常為 150： 15。c 波度 。 金屬表面呈波浪形的有規(guī)律和無規(guī)律的表面反復(fù)結(jié)構(gòu)誤差稱為波。 波度的濃距與波深的比為： 1000： 1100。經(jīng)過精磨和精研的金屬表面從峰頂?shù)椒骞雀叨燃s為0.05仙m； 一般研磨加工后為1-10 m；粗加工的表面可達(dá)到50

26、im以上，而沿表面峰頂間的距離為0.510Nm,但波 度峰間距要大得多。常用觸針計(jì)量法測(cè)得的輪廓線及水平方向縮尺測(cè)的輪廓線來繪制金屬表面的輪廓K T，的廿；J,“. m 5OW/5CKXt r 觸忖a.用觸針計(jì)量法得到的表面輪廓線b.經(jīng)水平方向縮尺的表面輪廓線圖1.5觸針計(jì)量法與水平方向縮尺.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)金屬與金屬之間，金屬與環(huán)境問 的接觸面積，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

27、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 兩種。當(dāng)然，實(shí)際接觸性質(zhì)與實(shí)際接觸面積除與表面形貌有關(guān)外，還和材料的彈性模量,硬度及外加載荷等有關(guān)。c金屬的實(shí)際表面積大于表觀幾何面積（投影面積）。即是經(jīng)過仔細(xì)磨研的金屬的實(shí) 際表面積也較表觀面積大2倍以上。因而增大了與介質(zhì)接觸的實(shí)際面積，降低了抗蝕能 力。可舉一例說明： 拋光的金屬材料在同一介質(zhì)環(huán)境中較未拋光者更耐腐蝕。d粗糙不同的金屬表面常具有與內(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)

28、熱處理過程等均有 極為重要的影響。.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，即微晶層又稱為 Beilby層。該層具有非金屬液膜似的外觀，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：該層是晶粒微小的微晶層。1.7)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)(見圖圖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

29、用，金屬表面還可能產(chǎn)生一些變質(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，高銳鋼等會(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)The Crytal Structure of Metal Surface .金屬表面的原子不象體相區(qū)的原子那樣彼此間是處于平衡受力狀態(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)。一

30、理想表面與實(shí)際表面.理想表面a定義。向無限晶體內(nèi)插入一個(gè)平面并切斷插入面兩側(cè)的原子結(jié)合鍵能后，將其分 為兩部分而形成的兩個(gè)新的表面稱為理想表面(見圖1.8)。b特點(diǎn)。此過程中除了晶體附加了一組邊界條件外，無任何其它改變。在半無限品 體內(nèi)部，原子和電子的狀態(tài)與原來無限晶體的情況一樣。然而，這種理想表面實(shí)際不存 在。.實(shí)際表面。a表面相。表面相是與理想表面不相同的實(shí)際表面。 此概念由J、W Gibbs由于1877 年首先提出的，他指出：在氣固相界面處存在一種二維凝聚物相。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)稱性和連續(xù)性被破壞，表面產(chǎn)生自

31、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為“重構(gòu)”。OO OOO OO O IB I - IIB L B Ml B -o o o o o o o o重構(gòu)馳豫圖1.9表面原子的馳豫與重構(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與內(nèi)部不 同，甚至形成另一種結(jié)構(gòu)相。如 Auh Pt的純凈表面(001)與體內(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

32、的現(xiàn)象稱為表面偏析，由于這種偏析是在平衡條件下進(jìn)行的，故稱為平衡 表面偏析(見圖1.10 0用表面過剩量r i表小偏析程度：r i= ni/S=-1/RT(OOOOOO qpoooo ooooooa.表面偏析?ln n i)(1-7) OOOOOO oooooo oooooob.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：n為i組元在表面層中超過體相區(qū)的摩爾分 數(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 ？6，時(shí)，則：?（r/?ln n i 0 ,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

33、同程度地存在表面偏析和界面偏析現(xiàn)象。（3）表面吸附和表面化合物。金屬表面由于與周圍介質(zhì)作用可以產(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，還可以形成各種表面結(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)；吸附原子與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)。.二維布拉菲品格。a定義。任何一個(gè)二維周期性的結(jié)構(gòu)均可用一個(gè)二維晶格（點(diǎn)陳）加上結(jié)點(diǎn)（陣點(diǎn)） 來描述，稱為二維晶格。顯然此種品格是

34、呈二維周期性排列而形成的無限平面點(diǎn)陣，每 個(gè)結(jié)點(diǎn)周圍的情況是相同的。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)通過下列平移達(dá)到：T= n1a+ n 2b（1-8）其中a、b是二維晶格晶胞的基矢量；n1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（見圖1.11 ）。斜方品格

35、正方晶格長(zhǎng)方晶格六方品格中心長(zhǎng)方品格|a|列切|a| *同丫 w900|a|二|b|a|w|b|Y =900T =900|a|二|b|Y =1200Y =900圖1.11五種布拉菲二維晶格及晶胞.二維晶列指數(shù)。a二維晶列。二維晶格排列在平行直線上的結(jié)點(diǎn)形成二維晶胞中的平行品列。b二維品格的表示。在平面上取一坐標(biāo)系，令坐標(biāo)軸與基矢量 a和b平行，設(shè)晶列 在a、b軸上的交點(diǎn)坐標(biāo)為Sa和&b,取1/S-1/S 2=h:h 2為一互質(zhì)的整數(shù)，則(h 1、h2) 就是該晶列的指數(shù)，它表示相互平行的一個(gè)品系。 1一4金屬表面現(xiàn)象及表面反應(yīng)The surface and reaticon of metals

36、一表面現(xiàn)象。.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)象稱為表面現(xiàn)象。b種類。金屬表面有表面擴(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)象與表面自由能密切相關(guān)并普遍存在于多相體系內(nèi)。.表面擴(kuò)散。物質(zhì)中原子或分子的遷移現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。它們由Fick第I和第R定律來描述，擴(kuò)散過程中原子平均擴(kuò)散距離x為：x=C H 。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)大與D=D0exp(-Q/RT)

37、Q為擴(kuò)散激活能，受材料的品格結(jié)構(gòu)，固溶體的類型，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,原子的擴(kuò)散途徑除了最基本的擴(kuò)散過程外，還有表面擴(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，故又稱為短路擴(kuò)散。另外，在擴(kuò)散傳質(zhì)過程中 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) 散能力最彳氐。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)大過程中起十分重要的作用.吸附現(xiàn)象。a現(xiàn)象。當(dāng)氣體和液體與固體表面接觸時(shí)，在固體表面的氣體或

38、液體增加或減少的 現(xiàn)象稱為吸附現(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，稱為正吸附；相反， 則稱為負(fù)吸附。c內(nèi)、外吸附。表面吸附外來物質(zhì)稱為外吸附，表面偏析或界面偏析稱為內(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= 6 s or: E+f s? 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（1 10）式來討論：欲使體系的表面自由能降低，應(yīng)當(dāng)使d 6 0,6減小（d 69 0度時(shí)為不潤(rùn)濕

39、；9 6 sl 時(shí)，cos 8 0 ,則 8 9 0 度,潤(rùn)濕；、一一 一 r一。一 、一I當(dāng) 6 sg 6 sl 時(shí)，cos 8 9 0 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，并擴(kuò)展界面張力小的界面： 若6 sg6sl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)濕影響其傳熱與傳質(zhì)，覆層表面處理時(shí)潤(rùn)濕 程度對(duì)覆層與基體的粘著程度有很大影響。b粘著。(1)現(xiàn)象。固體與固體表面接觸時(shí)將產(chǎn)生粘著，潤(rùn)濕和粘著似乎是兩種完全不相同

40、 的表面現(xiàn)象，但從其熱力學(xué)本質(zhì)看，他們是基本相同的。(2)粘著功。若一截面為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)于形成兩個(gè)新表面所需作的功(見圖1.15)。W=25(1-13)若液柱A的下端為固體B時(shí)，當(dāng)從AB界面處拉開時(shí)所消耗的功為粘著功。它相當(dāng)于 在界面處形成了兩個(gè)新表面(見圖1.16)。Wab=6 a+6bt 6 AB (1-14) or : Wsl=6 s+6l- 6 sl (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

41、接觸，為使其有良好的接觸應(yīng)采取如下辦法：一是使接觸表面的一相為液相并對(duì) 金屬表面有良好的潤(rùn)濕性能，形成完全的接觸，并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)一方為氣態(tài)，是反應(yīng)生成物在固相表面沉 積，如：PVD和CVD,此亦為使兩周相表面完全接觸的方法；三在一定的溫度和高壓下 使軟材料表面產(chǎn)生流動(dòng)，也可以使兩周相表面間產(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)一些金屬的開始粘著溫度(Ta),熔點(diǎn)(Tm)及它們的比值metalTa (K)Tm (K)Ta/TmPt88020460.43Ni78017280.45Au52013150.40Ag480

42、12330.40Pt3006000.50In3004200.70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，并有如下關(guān)系：E b/E芯E/Ta。E:內(nèi)部原子活化能；E表面原子活化能。且有：Ta/Tm=Es/Eb=0.40.5(1-17)所以，壓力粘著的開始溫度與熔點(diǎn)的比值約為：0.40.5 o2)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，還應(yīng)有高的界面接觸強(qiáng)度，即：高的粘著功。把(111) (Tsg= (Tsl+ (TlgCOS 8式近似改寫為：CT s= CT sl+ CT l COS 8 ,再與(1-

43、15)式相加有：w尸 0-1 (cos 0 +1)(1-18)所以，液體對(duì)固體表面潤(rùn)濕程度愈大(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)氧樹脂粘鋼表面會(huì)導(dǎo)致接觸角8不同 ，使粘著強(qiáng)度發(fā) 生了相應(yīng)的變化。下表中列出了這一變化的情況：用三氯甲烷清洗后，環(huán)氧樹脂對(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)氧樹脂與鋼的接觸角與剪斷粘著強(qiáng)度的關(guān)系清洗劑接觸角9剪斷粘著強(qiáng)度(N/mrm)無77o28甲苯59o93丙酮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

44、續(xù)變化的并且無脆性，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)，將使兩種不能互相擴(kuò)散的金屬間通過引入第三種金屬而得到很好的粘著。焊錫通常在兩金屬間形成約1仙m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與粘著性的關(guān)系金屬間的互溶性與粘著性的關(guān)系可互溶-粘著Fe-AlCu-AgNi-CuNi-Co/、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，但單純說增大了表面的實(shí)際接觸面積其效果并不明顯，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)

45、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，并伴有外層電子發(fā)射現(xiàn)象，稱為Kramer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).表面多相反應(yīng)。金屬表面多相反應(yīng)是其表面強(qiáng)化的一個(gè)重要過程。多項(xiàng)反應(yīng)的 特點(diǎn)是在界面上進(jìn)行，與表面狀態(tài)（鈍化和活化），及金屬表面有無催化作用等密切相關(guān)。.多相反應(yīng)的過程。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)物離開體相表面，從界面脫附；d反應(yīng)物被體相表

46、面吸收并向體相內(nèi)擴(kuò)散；e擴(kuò)散過程中的反應(yīng)。其中進(jìn)行最慢的一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相反 應(yīng)更快地進(jìn)行。.金屬表面多相反應(yīng)的實(shí)例。鋼的氣體滲碳過程是：滲劑的分解 ，產(chǎn)生含有滲入元 素的物質(zhì)（CH , CO）并向鋼表面擴(kuò)散；G-S相界面發(fā)生，吸附與解吸 附:2CO=C+CO ;Fe CO儂附）+0FeC吸附+CQ反應(yīng)生成物離開鋼表面；產(chǎn)生的活 性碳原子被鋼表面吸收并向內(nèi)擴(kuò)散；擴(kuò)散過程中的反應(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)。.金屬表面的活化與鈍化。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）

47、速度顯著降低的現(xiàn)象稱為鈍化現(xiàn)象，鈍化后的狀態(tài)稱為鈍 態(tài)。b實(shí)例。工業(yè)純鐵在HNOK溶液中的溶解速度會(huì)隨HNO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 。 常與金屬表面氧化并形成一層致密的表面氧化物膜有關(guān)。HNO3、 AgNO3、氯酸、KCl、重銘酸鉀、KMnO Q等均會(huì)使金屬表面鈍化，稱它們?yōu)殁g化劑。d 化學(xué)鈍化。金屬與鈍化劑的自然作用而產(chǎn)生的鈍化稱為自然鈍化 , 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)一步表面反應(yīng)產(chǎn)生機(jī)

48、械阻隔作用而使反應(yīng)速度下降 , 稱為機(jī)械鈍化。應(yīng)當(dāng)指出 : 過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)。f 鈍化理論。 (1) 成相模理論。 金屬與介質(zhì)作用 , 再其表面上生成了一層致密的、 覆 蓋良好的保護(hù)膜并作為一個(gè)獨(dú)立的相存在, 將金屬與介質(zhì)隔開, 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HNO水溶7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

49、：T -FezQ;鋁的鈍 化物膜是：T -Al 203,其外層為多孔的B - Al 203.吸附理論。該理論認(rèn)為引起金屬表面純化不一定要形成完整的純化膜，只要在金屬表面或部分表面上形成氧或含氧離子的吸附層就會(huì)產(chǎn)生純化。 吸附后造成純化的原因化：氧與金屬表面因化學(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)，從而降低了金屬與介質(zhì)間的反應(yīng)速度，即產(chǎn)生了純化作用。特點(diǎn)化：吸附層不一定化連續(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)的純化作用。成相模理論強(qiáng)調(diào)了純化層的機(jī)械阻隔作用， 吸附理論則認(rèn)為化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

50、飽和，使金屬表面的活性下降而純化。g 金屬表面的活化。 與純化相反， 凡能消除金屬表面純化狀態(tài)的因素均有活化作用，常用的方法化：金屬表面凈化。機(jī)械拋光、用氫還原、噴砂處理和酸洗等除去表面的氧化物膜，以清除純化態(tài)達(dá)到活化態(tài)，提高表面活性。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，并可以提高覆蓋層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度。h 鈍化與活化的應(yīng)用。使金屬表面鈍化可以提高抗蝕性能。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可以防滲；需對(duì)

51、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 2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 ?什么是極表面及表面層?它們與金屬內(nèi)部有什么不同?和液體相比, 金屬表面有何特點(diǎn) ?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)晶面說明了什么 ?何謂萊賓杰爾現(xiàn)象?它有何特點(diǎn)?其本質(zhì)是什么?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。金屬表面形貌對(duì)其能性有何影響？機(jī)加工后的金屬表面層從外向內(nèi)依次為 、

52、和;而在 TOC o 1-5 h z 中通常會(huì)產(chǎn)生, 和。金屬的實(shí)際表面相對(duì)于理想表面發(fā)生了哪些變化 ?金屬表面現(xiàn)象有哪些?常有些什么表面反應(yīng)?五種二位布拉菲晶格是 :, 和 。何謂 kramer 效應(yīng)？金屬表面多相反應(yīng)的基本過程怎樣？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？何謂粘著功？哪些因素會(huì)影響粘著功？對(duì)金屬表面的鈍化的解釋有哪兩種理論？其異同點(diǎn)是什么？Chapter Two 第二章 表面準(zhǔn)備 The surface preparing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

53、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,PV*處理時(shí)更是如此。只有經(jīng)過精細(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：機(jī)械方法平整表面。 包括有磨光， 拋光 （機(jī)械拋光， 化學(xué)拋光） ， 滾光和噴砂處理等。除油。包括有機(jī)溶劑除油，化學(xué)除油和電化學(xué)除油。.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)械整平及成批光飾一、磨光技術(shù).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，故又稱為裝飾磨，磨光適合一切金屬材料。.設(shè)備。用裝于拋光機(jī)上的彈性輪來完成。磨光輪的工作面用明膠粘上

54、磨料，而 磨料為不同粒度的人造剛玉砂（含 A12O 9095%。.效果。取決于磨料特性、磨輪剛性及磨輪的轉(zhuǎn)速。.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)碼來劃分的， 篩子的號(hào)碼是用單位面積（1cm2）上的孔數(shù)來表示的，篩子號(hào)碼越小則過篩后的磨料顆 粒越小。這樣將過篩磨料分為三組：顆粒磨料1090#;細(xì)粉磨料320600#;粉末磨料100320紇人造剛玉（9095%有一定韌性，具顆粒棱面較多，故應(yīng)用較廣。.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 選用粒度：對(duì)粗糙的鑄鍛件，可用 2080酬料，再依次加大號(hào)碼進(jìn)行中磨（200240#） 和最后的細(xì)磨（2

55、80320#）。通常，鑄鍛件到中磨為止。零件表面原始狀態(tài)較好時(shí)，則 無需粗磨，直接從中磨開始。細(xì)磨常用于電鍍后還要進(jìn)行拋光的零件鍍前的表面準(zhǔn)備。.磨輪及其選用。磨輪磨光所用的磨輪材料：一般用皮革，粗細(xì)毛氈，棉皮，纖 維制品及高強(qiáng)度紙制成的彈性輪子，其剛性依次降低。磨輪的硬軟除與所用的材料有關(guān) 外，還與材料的組合及縫制方法有關(guān)。磨輪的選用：粗糙度Ra大且形狀簡(jiǎn)單的零件應(yīng)選用較硬的磨輪；硬度低的有色金屬零件及形狀復(fù)雜，切削量小的零件，應(yīng)采用較軟而 彈性大的磨輪以免磨變形。.磨光的速度。被磨光的金屬材料越硬、加工后表面粗糙度Ra要求越低時(shí)，輪子的圓周速度應(yīng)越大。另外，因?yàn)檗D(zhuǎn)速低，效率低；而轉(zhuǎn)速高，磨

56、輪損壞快，故應(yīng)考慮好 磨輪的圓周速度，計(jì)算公式為：v= tt dn/60（2-1）v:圓周速度；冗:圓周率；d:磨輪直徑；n:磨輪轉(zhuǎn)速（r/m）。由（2-1 ）式知：磨輪直徑和它的轉(zhuǎn)速越大則圓周速度越快。磨光速度的選擇如下表：磨光不同材料時(shí)磨輪的最佳速度被磨金屬材料最佳圓周速度（m/s）鑄鋼、鋼、鐵、烙18-30鋼及其合金、銀、鋅14-18鋁及其合金、鉛、錫10-148磨料的粘結(jié)方法。（ 見張黔表面強(qiáng)化技術(shù)基礎(chǔ)） 磨料粒度越小含明膠量應(yīng)越高。二 機(jī)械拋光目的。清除零件表面的微觀不平, 使其有鏡面光的表面, 是電鍍前的表面準(zhǔn)備和磨后的精加工。2設(shè)備。用拋光機(jī)及其上面的拋光輪完成零件的拋光工作。磨

57、光與拋光用的設(shè)備類似， 只是拋光使用的拋光機(jī)的轉(zhuǎn)速更高， 且拋光過程中要周期性地向拋光輪涂拋光膏， 被拋光的零件以一定的角度接觸拋光輪后用力壓緊，沿著拋光輪旋轉(zhuǎn)的方向拋光。3拋光論。用布、亞麻布、細(xì)毛氈和鹿皮等制成圓盤。4拋光膏。用金屬氧化物粉末與硬脂，石膏等混合而合成軟塊。據(jù)金屬氧化物不同，拋光膏分為三種：白膏：高純度無水CaO和少量MgO勺粉制成，用于軟金屬及多種鍍層的細(xì)拋; 紅膏 : 由紅褐色的Fe2O3 粉末制成, 有中等硬度，適用于鋼鐵拋光; 綠膏：由CrzO粉末制成,由于Cr2O3硬而鋒利，適于硬質(zhì)合金及鍍銘層的拋光。5拋光工藝。a拋光速度。拋光的圓周速度比磨光的圓周速度高。通常拋

58、光生鐵、鋼、 Ni、Cr等 的圓周速度為3035M/S;拋光Al、Zn、Pb及鋁合金的圓周速度為1825m/s；拋光Cu,Ag 及其合金時(shí)的圓周速度為 2230M/S。b 光亮表面的形成。金屬表面拋光時(shí)與高速度旋轉(zhuǎn)的拋光輪摩擦而產(chǎn)生高溫，使金屬表面發(fā)生塑性變形而填平其凹處；另外，高溫使金屬表面被氧化而形成氧化物膜，當(dāng)氧化膜在被拋除去后，露出的金屬表面又會(huì)被氧化，從而周期變化。在拋光膏與零件表面產(chǎn)生的電化學(xué)過程作用下反復(fù)進(jìn)行，直到拋光結(jié)束，得到光亮的表面為止。C 其它。為降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高效率，可以據(jù)不同的零件采用化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光、機(jī)械拋光和自動(dòng)拋光等方法。三 噴砂與噴丸噴砂。a 定義。用凈

59、化的壓縮空氣將干砂流猛烈的噴到工件表面進(jìn)行表面清理和加工的過 程稱為噴砂。b 用途。去除鑄、鍛及熱處理工件上的氧化皮，清理焊縫，除去氧化銹蝕，積碳，舊油漆層或其他干燥的油類物質(zhì)，提高零件表面的粗糙度，以增大油漆及涂層的附著力 和去除毛刺等。c 噴砂用砂。通常用石英砂，有干噴和濕噴兩種。濕噴可以減少污染，但應(yīng)注意被噴件的防銹。2噴丸。噴丸有強(qiáng)力型表面層強(qiáng)化噴丸和清理型噴丸兩種。前者在噴丸強(qiáng)化時(shí)詳述，而清理型噴丸是將丸粒噴射于被噴的鑄件，鍛件及有毛刺，棱邊等的工件表面，使其去銹，覆層，整理粗糙的表面，去掉毛邊，毛刺和殘余油污等，為表面浸，刷油漆等做準(zhǔn)備。噴丸用的彈丸有鋼丸、鑄鐵丸、玻璃丸和陶瓷丸等

60、，視材料和噴丸的作用不同而選用不同的丸粒。丸粒愈細(xì)小，噴丸后零件表面粗糙度愈小，外表面愈光亮。噴丸用丸粒常在 650 目之間，在表層形成的壓應(yīng)力深度與丸粒直徑成正比。噴速通常90m/s, 鋼丸噴速可達(dá)鑄鐵丸的 1.52 倍。強(qiáng)化型噴丸的噴速可超過聲速。噴丸用設(shè)備有離心式和壓縮空氣式兩種。四 成批光飾1概念。將被處理的零件與磨料、水和化學(xué)促進(jìn)劑一道放入專門的容器里進(jìn)行表面準(zhǔn)備的工藝過程稱為成批光飾。2作用。成批光飾可用來除油、去銹、去毛刺、倒圓銳邊和光亮表面。其特點(diǎn)是：成批地將零件進(jìn)行一次性處理。3方法。有普通滾光、振動(dòng)光飾、旋轉(zhuǎn)光飾、離心盤光飾和離心滾光等。4.實(shí)例。T10A鋼手用鋼鋸條經(jīng)淬火