固體表面的物理化學(xué)特征

關(guān)于固體表面的物理化學(xué)特征第一頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日1主要內(nèi)容2.1固體表面的結(jié)構(gòu)

2.2固體表面的吸附

2.3固體表面原子的擴散2.4摩擦、磨損與潤滑第二頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日22.1固體表面的結(jié)構(gòu)固體材料---工程技術(shù)中最普遍使用的材料。按材料特性分為：金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料按所起的作用分為結(jié)構(gòu)材料---以力學(xué)性能為主的工程材料，主要用來制造工程建筑中的構(gòu)件，機械裝備中的零件以及工具、模具等。功能材料—利用物質(zhì)的各種物理和化學(xué)特性及其對外界環(huán)境敏感的反應(yīng)，實現(xiàn)各種信息處理和能量轉(zhuǎn)換的材料。第三頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日3原子、離子或分子排列情況晶體非晶體---原子、離子或分子在三維空間呈周期性規(guī)則排列，即存在長程有序。---短程有序常見晶體結(jié)構(gòu)面心立方密排立方體心立方---密排型，配位數(shù)是12---非密排型，配位數(shù)是8表面能---表面上方?jīng)]有原子存在，出現(xiàn)“斷鍵”，表面原子能量升高，這種高出來的能量就是~。第四頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日4

物質(zhì)存在的某種狀態(tài)或結(jié)構(gòu)，通常稱為某一相。嚴格地說，相是系統(tǒng)中均勻的、與其他部分有界面分開的部分。復(fù)相系---在一定溫度和壓力下，含有多個相的系統(tǒng)為復(fù)相系。指這部分的成分和性質(zhì)從給定范圍或宏觀來說是相同的，或是以一種連續(xù)的方式變化，也就是沒有突然的變化。第五頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日5界面---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。嚴格地講，表面應(yīng)是液體和固體與其飽和蒸氣之間的界面，但習(xí)慣上把液體或固體與空氣的界面稱為液體或固體的表面。常見的界面有：氣-液界面，氣-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。第六頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日6常見的界面氣-液界面第七頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日7氣-固界面常見的界面第八頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日8液-液界面常見的界面第九頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日9液-固界面常見的界面第十頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日10固-固界面第十一頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日11固體材料的界面有三種：（l）表面—固體材料與氣體或液體的分界面。（2）晶界（或亞晶界）（3）相界—多晶材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒（或亞晶）之間的界面?！腆w材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面。第十二頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日12（1）理想表面（實際上不存在）（2）清潔表面（3）實際表面2.1.1固體材料與氣體界面第十三頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日13

理想表面理想表面——沒有雜質(zhì)的單晶，作為零級近似可將表面看作為一個理想表面。從理論上看，它是結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面。理想表面的前提條件：忽略了晶體內(nèi)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(xué)作用等。第十四頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日14理想表面的特點：理想表面作為半無限的晶體，體內(nèi)原子的位置及其結(jié)構(gòu)的周期性，與原來無限的晶體完全一樣。圖理想表面結(jié)構(gòu)示意圖第十五頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日15

清潔表面清潔表面——經(jīng)過諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空中解理、蒸發(fā)薄膜、場效應(yīng)蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、分子束外延等特殊處理后，保持在10－6Pa－10－9Pa超高真空下外來沾污少到不能用一般表面分析方法探測的表面不存在任何吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴散等物理、化學(xué)效應(yīng)的表面。第十六頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日16清潔表面的一般情況依熱力學(xué)的觀點，表面附近的原子排列總是趨于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，達到這種穩(wěn)定態(tài)的方式有兩種：自行調(diào)整，原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同；依靠表面成分偏析和表面對外來原子或分子的吸附以及兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)，因而使表面組分與材料內(nèi)部不同。第十七頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日17表2-3幾種清潔表面的結(jié)構(gòu)和特點第十八頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日18第十九頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日19第二十頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日20晶體表面的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，一般大約要經(jīng)過4～6個原子層之后才與體內(nèi)基本相似，所以晶體表面實際上只有幾個原子層范圍。晶體表面的缺陷：平臺、臺階、扭折、表面吸附、表面空位、位錯。各種材料表面上的點缺陷類型和濃度都依一定條件而定，最為普遍的是吸附。第二十一頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日21嚴格地說，清潔表面是指不存在任何污染的化學(xué)純表面，即不存在吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴散等一系列物理、化學(xué)效應(yīng)的表面。因此制備清潔表面是很困難的，而在幾個原子層范圍內(nèi)的清潔表面，其偏離三維周期性結(jié)構(gòu)的主要特征應(yīng)該是：表面臺階、表面弛豫、表面重構(gòu)。第二十二頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日22圖Pt（557）有序原子臺階表面示意圖

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。（1）臺階表面第二十三頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日23圖弛豫表面示意圖

在固體表面處，由于固相的三維周期性突然中斷，表面上原子產(chǎn)生的相對于正常位置的上、下位移，稱為表面弛豫。（2）弛豫表面LiF（001）弛豫表面示意圖，LiF

第二十四頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日24

重構(gòu)是指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內(nèi)，但在垂直方向上的層間距則與體內(nèi)相同。（3）重構(gòu)（或再構(gòu)）表面圖重構(gòu)表面示意圖第二十五頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日25缺列型重構(gòu)---表面周期性地缺失原子列造成的超結(jié)構(gòu)重組型重構(gòu)---并不減少表面的原子數(shù)，但卻顯著地改變表面的原子排列方式。第二十六頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日26

實際表面實際表面——暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經(jīng)過一定加工處理（如切割、研磨、拋光、清洗等），保持在常溫和常壓（也可能在低真空或高溫）下的表面。（也稱吸附表面）圖實際表面示意圖內(nèi)表層外表層基體材料層加工硬化層吸附層氧化層第二十七頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日27實際表面與清潔表面相比有較大不同：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。相鄰波峰與波谷的間距小于1mm，并且大體上呈周期性起伏，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。（1）

輪廓算術(shù)平均偏差：Ra（2）

微觀不平度+點高度：Rz（3）

輪廓最大高度：Ry從宏觀看，經(jīng)過切削、研磨、拋光的固體表面似乎很平整，然而從微觀角度觀察會發(fā)現(xiàn)表面有明顯的起伏、同時不可能有裂縫、空洞等。第二十八頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日28貝爾比層和殘余應(yīng)力固體材料經(jīng)過切削加工后，在幾個微米或者十幾個微米的表層中可能發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的劇烈變化，既造成一定程度的晶格畸變。這種晶格的畸變隨深度變化，而在最外的，約5nm-10nm厚度可能會形成一種非晶態(tài)層。這層非晶態(tài)稱為貝爾比層。其成分為金屬和它的氧化物，而性質(zhì)與體內(nèi)明顯不同。貝爾比層具有效高的耐磨性和耐蝕性。第二十九頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日29材料經(jīng)各種加工、處理后普遍存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力按其作用范圍分為：宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力兩類。殘余應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力---由于材料各部分變形不均勻而造成的宏觀范圍內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力---物體的各晶?；騺喚ЯＶg不均勻的變形而產(chǎn)生的晶?；騺喚Яｉg的內(nèi)應(yīng)力第三十頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日302.1.2固體表面的成分偏聚

表面偏聚---合金的表面成分一般不同于合金的整體平均成分，這種現(xiàn)象稱為表面偏聚。溶質(zhì)原子在表面富集表面溶質(zhì)原子減少（稱為反偏聚）平衡偏聚非平衡偏聚---整個系統(tǒng)中溫度和組元的化學(xué)位都是不變的，可以用平衡熱力學(xué)來描述。---動力學(xué)過程的結(jié)果第三十一頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日312.2固體表面的吸附吸附劑（adsorbent）：表面上發(fā)生吸附作用的固體。吸附質(zhì)（adsorbate）：被吸附的氣體等物質(zhì)。吸附：由于物理或化學(xué)的作用力場，某物質(zhì)分子附著或結(jié)合在兩相界面上的濃度與兩相本體濃度不同的現(xiàn)象。吸收：被吸附物質(zhì)深入到固體體相中。吸附量：達吸附平衡時，單位質(zhì)量的吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的數(shù)量（標準狀況下的體積）。吸附平衡第三十二頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日322.2.1吸附現(xiàn)象1．固體表面上氣體的吸附物理吸附化學(xué)吸附---僅僅是一種物理作用，沒有電子轉(zhuǎn)移，沒有化學(xué)鍵的生成與破壞，也沒有原子重排等。---相當與吸附劑表面分子與吸附質(zhì)分子發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，在紅外、紫外-可見光譜中會出現(xiàn)新的特征吸收帶。第三十三頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日33物理吸附和化學(xué)吸附第三十四頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日34吸附熱：在吸附過程中的熱效應(yīng)稱為吸附熱。物理吸附過程的熱效應(yīng)相當于氣體凝聚熱，很??；化學(xué)吸附過程的熱效應(yīng)相當于化學(xué)鍵能，比較大。吸附熱的取號：吸附是放熱過程，但是習(xí)慣把吸附熱都取成正值。第三十五頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日35化學(xué)吸附速率決定于以下幾個因素氣體分子對固體表面的碰撞頻率；必須碰撞在表面上空著的活性點上；吸附活化能第三十六頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日362.2.1吸附現(xiàn)象2．固體表面上液體的吸附（1）固體表面對液體中溶質(zhì)和溶劑的吸附正吸附負吸附---吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比液體中原溶質(zhì)的濃度大---吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比液體中原溶質(zhì)的濃度小第三十七頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日37（2）固體表面對液體吸附的規(guī)律性和影響因素1）使固體表面自由能降低得越多的物質(zhì)，越容易被吸附。2）與固體表面極性相近的物質(zhì)較易被吸附。3）與固體表面有相同性質(zhì)或與固體表面晶格大小適當?shù)碾x子較易被吸附。4）溶解度小或吸附后生成化合物的物質(zhì)，較易被吸附。5）固體表面帶電時，較易吸附反電性離子或易被極化的離子。6）固體表面污染程度對吸附有很大影響。第三十八頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日387）液體表面張力對吸附有重要的影響。F固液=λ（1+cosθ）F固液---固-液吸附粘結(jié)力，λ液體的表面張力，θ為液-固接觸角。8）被吸附物質(zhì)的濃度對吸附的影響。9）溫度對吸附的影響。吸附是放熱過程，故溫度升高，吸附量應(yīng)減少。但有時，吸附量反而隨溫度升高而增加。第三十九頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日393．固體表面之間的吸附條件：當兩固體表面之間接近到表面力作用范圍內(nèi)（即原子間距范圍內(nèi)）時，固體表面之間產(chǎn)生吸附作用。如：將兩根新拉制的玻璃絲相互接觸，它們就會相互粘附。粘附功：粘附程度的大小。第四十頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日40

固體的粘附作用只有當固體斷面很小并且很清潔時才能表現(xiàn)出來。

兩個固體表面的吸附力受材料的變形能力大小，即彈性模量大小的影響。第四十一頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日412.2.3表面吸附力物理吸附力化學(xué)吸附力---物理吸附：在所有的吸附劑與吸附質(zhì)之間都存在，相當于液體內(nèi)部分子間的內(nèi)聚力。---化學(xué)吸附第四十二頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日42

物理吸附力色散力誘導(dǎo)力取向力---分子相互靠攏時，它們的瞬時偶極矩之間會產(chǎn)生很弱的吸引力，這種吸引力成為色散力。---一個分子的電荷分布要受到其他分子電場的影響。---具有偶極而無附加極化作用的兩個不同分子的電偶極矩間有靜電相互作用，此作用力稱之為取向力。第四十三頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日43

化學(xué)吸附力吸附鍵---吸附質(zhì)與吸附劑之間發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移或共有，形成的化學(xué)鍵。吸附鍵的特點：

吸附質(zhì)粒子僅與一個或少數(shù)幾個吸附劑表面原子相鍵合；吸附鍵的強度依賴于表面的結(jié)構(gòu)，在一定程度上與底物整體電子性質(zhì)也有關(guān)系。第四十四頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日44

表面吸附力的影響因素（1）吸附鍵性質(zhì)會隨溫度的變化而變化物理吸附只發(fā)生在接近或低于被吸附物質(zhì)所在壓力下的沸點溫度化學(xué)吸附發(fā)生的溫度遠高于沸點溫度隨溫度的增加，被吸附分子中的鍵還會陸續(xù)斷裂以不同形式吸附在表面上。第四十五頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日45（2）吸附鍵斷裂與壓力變化的關(guān)系

固體表面加熱到相同溫度時，被吸附物壓力的變化，脫附物發(fā)生變化。（3）表面不均勻性對表面鍵合力的影響

表面有階梯和折皺等不均勻性存在，對表面化學(xué)鍵有明顯的影響。（4）其他吸附物對吸附質(zhì)鍵合的影響

吸附物質(zhì)的相互作用而引起。第四十六頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日462.2.4固體表面的吸附理論Langmuir吸附理論單分子層吸附理論假定：（1）吸附是單分子層的；（2）固體表面的吸附作用均勻；（3）被吸附的分子之間無橫向相互作用；（4）吸附是一動態(tài)平衡。第四十七頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日47吸附等溫方程：第四十八頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日48第四十九頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日49Freundlich吸附等溫方程Freundlich經(jīng)驗公式：式中，m為吸附劑的質(zhì)量，常以g或kg表示；x為被吸附的氣體量，常以mol、g或標準狀況下的體積表示；r為單位質(zhì)量吸附劑吸附的氣體量；p為吸附平常時氣體的壓力；k和1/n是一個真分數(shù)，在0~1之間。第五十頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日50BET多分子層吸附理論觀點：Brunauer、Emmett和Tellor接受Langmuir理論的假定（2）和（3），但認為吸附是多分子層的。第五十一頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日51第五十二頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日52表面化合物2.2.5固體表面的化學(xué)反應(yīng)

當吸附物與固體表面的負電性相差較大，化學(xué)親和力很強時，化學(xué)吸附會在表面上導(dǎo)致新相的生成，即稱為表面化合物。

表面化合物的特點：一種二維化合物，不同于一般的化學(xué)吸附態(tài)，具有一定的化合比例，且隨鍵合性質(zhì)的不同表現(xiàn)不同性能；不同于體相的化合物，不僅化合比不同，化合物的性質(zhì)也不同，而且通常的相圖中也不存在。

表面化學(xué)反應(yīng)---吸附物質(zhì)與固體相互作用形成了一種新的化合物。第五十三頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日532.3固體表面原子的擴散擴散平行表面的運動垂直表面向內(nèi)部的擴散運動得到均質(zhì)的、理想的表面強化層得到一定厚度的合金強化層

表面上的原子同樣可以通過擴散從一個格位遷移到另一個格位。在一定溫度下這個原子遷移距離

x2=2Dt第五十四頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日542.3.1隨機行走擴散理論與宏觀擴散系數(shù)1.表面原子的擴散

指原子、離子、分子和小的原子簇等單個實體在物體表面上的運動。

這些單個實體通過熱運動而活化，從而進行擴散?；罨茉訜徇\動的不均勻性，隨溫度升高越來越多的表面原子得到足夠的活化能而沿表面進行擴散運動。表面原子構(gòu)造的特點，使得許多原子的能量本來就不一樣，在臺階、位錯等缺陷處，原子能量比其他地方的高。第五十五頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日552.隨機行走（RandomWalk）理論

假定原子運動方向是任意的，隨機的，原子每次跳躍的距離是等長的，并等于最近的距離d。

式中，D為擴散系數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，kB為Boltzmann常數(shù)，△Hm為擴散勢壘的高度或遷移能；△Hf為吸附原子的生成能；為原子沖擊勢壘的頻率，b為坐標的方向數(shù)；z為配位數(shù)。第五十六頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日563.宏觀擴散的擴散系數(shù)

實際表面上不是一個原子而是許多原子同時進行擴散。式中，D為擴散系數(shù)，Q為整個擴散過程中的活化能，D0為擴散常數(shù)，可在10-3～103cm/s一個很寬的范圍里變動。第五十七頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日572.3.2表面擴散定律圖表面原子擴散模型Fick第二擴散定律的一維形式第五十八頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日582.3.3表面的自擴散和多相擴散自擴散多相擴散在一個單組分的基底上同種原子的表面擴散在表面上其他種吸附原子的擴散擴散本征擴散系數(shù)傳質(zhì)擴散系數(shù)擴散系數(shù)不包括缺陷生成能的擴散系數(shù)包括缺陷生成能的擴散系數(shù)第五十九頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日59

摩擦學(xué)是研究相對運動的作用表面間的摩擦、磨損和潤滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊緣學(xué)科。

摩擦兩個接觸的物體在相互運動過程中，表面之間所產(chǎn)生的阻礙運動的效應(yīng)；

磨損由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；

潤滑減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。

關(guān)于摩擦、磨損與潤滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)。2.4摩擦、磨損與潤滑

第六十頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日60

世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦。機械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢和更換的。減少摩擦節(jié)省能源；減少磨損降低設(shè)備維修次數(shù)和費用，節(jié)省制造零件及其所需材料的費用。第六十一頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日612.4.1摩擦摩擦的定義

摩擦不僅會使材料磨耗，而且還會發(fā)熱，導(dǎo)致接觸表面瞬時溫度升高，降低工件的機械效率，加重材料磨耗，故生產(chǎn)中總是力圖減少摩擦，降低摩擦系數(shù)。只有某些情況才需增大摩擦力，如車輛制動器、摩擦離合器等。摩擦---兩個接觸的物體在相互運動過程中，表面之間所產(chǎn)生的阻礙運動的效應(yīng)。第六十二頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日62

摩擦的大小一般用摩擦系數(shù)μ來表示，其值等于摩擦力F（切向力）與法向力N（載荷）的比值，即μ=F/N

摩擦力---兩個相互接觸物體在外力作用下發(fā)生相對運動或具有相對運動的趨勢時，在接觸面間產(chǎn)生切向的運動阻力，這一阻力稱為摩擦力。

μ有動靜區(qū)分，μ靜＞μ動。第六十三頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日63摩擦的分類

按摩擦副的運動狀態(tài)分類靜摩擦動摩擦----僅有相對運動趨勢時的摩擦----在相對運動進行中的摩擦第六十四頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日64

按摩擦副的運動形式分類滑動摩擦滾動摩擦—物體表面間的運動形式是相對滑動—物體表面間的運動形式是相對滾動第六十五頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日65

按發(fā)生部位分類內(nèi)摩擦外摩擦—在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對運動的現(xiàn)象—在相對運動的物體表面間發(fā)生的相互阻礙作用現(xiàn)象。第六十六頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日66

按摩擦副表面的潤滑狀況分類純凈摩擦—摩擦表面沒有任何吸附膜或化合物存在時的摩擦干摩擦（無潤滑摩擦）—在大氣條件下，摩擦表面之間名義上沒有潤滑劑存在時的摩擦邊界潤滑摩擦—摩擦表面間有一層極薄的潤滑膜存在的摩擦流體潤滑摩擦—相對運動的兩物體表面完全被流體隔開時的摩擦固體潤滑摩擦—相對運動的兩物體表面間有固體潤滑存在時的摩擦混合摩擦—介于上述各摩擦之間，即接觸表面間同時出現(xiàn)干摩擦、邊界摩擦、流體潤滑摩擦和固體潤滑摩擦的一種混合摩擦狀態(tài)。生產(chǎn)實際中最常見的一種摩擦狀態(tài)。第六十七頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日67

按摩擦副所處的工況條件分類正常摩擦—機械設(shè)備的摩擦副在正常溫度、壓力、速度等工況條件下的摩擦特殊工況條件下的摩擦—摩擦副處于高速、高溫、低溫等特殊環(huán)境條件下工作時產(chǎn)生的摩擦第六十八頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日68摩擦的機理“機械說”—摩擦原因是表面微凸體的相互阻礙作用；“分子說”—摩擦原因是表面材料分子間的吸力作用；“機械-分子說”—兩種作用均有第六十九頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日69摩擦理論圖粘著理論示意圖

粘著理論第七十頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日70大量的試驗表明，工程表面的實際接觸面積約為名義接觸面積的10-2～10-3，這樣接觸區(qū)壓力很高，使材料發(fā)生塑性變形，表面污染膜遭到破壞，從而使基體金屬發(fā)生粘著現(xiàn)象，形成冷焊結(jié)點（如圖a所示）。當發(fā)生滑動時，必須先將結(jié)點剪斷（如圖b所示），同時，當較硬的凸峰在較軟的材料上滑過時，將切出溝紋（即犁刨作用），從而相對滑動時的摩擦力為上述兩種因素所形成的阻力之和。由于后者相對來說較小，故可忽略。第七十一頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日71影響摩擦的因素1.材料性能---當摩擦副是同一種金屬或是非常類似的金屬，或這兩種金屬有可能形成固溶合金時，則摩擦較嚴重。2.接點長大第七十二頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日723.摩擦環(huán)境摩擦狀況摩擦系數(shù)干摩擦相同金屬：

黃銅-黃銅；青銅-青銅

異種金屬：

銅鉛合金-鋼

巴氏合金-鋼

非金屬：

橡膠-其他材料

聚四氟乙烯-其他材料0.8～1.50.15～0.30.15～0.3

0.6～1.90.04～0.12固體潤滑石墨-二硫化鉬潤滑鉛膜潤滑0.06～0.200.08～0.20邊界潤滑礦物油濕潤表面加油性添加劑的油潤滑：鋼-鋼；尼龍-鋼尼龍-尼龍0.15～0.300.05～0.100.10～0.20流體潤滑液體動力潤滑液體靜力潤滑0.08～0.20<0.001

(與設(shè)計參數(shù)有關(guān))滾動摩擦滾動摩擦系數(shù)與接觸面材料的硬度、粗糙度、濕度等有關(guān)。球和圓柱滾子軸承的摩擦大體與液體動力潤滑相近，其它滾子軸承則稍大表不同摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)（大致值）第七十三頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日732.4.2磨損磨損的定義

磨損（Wear）---由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象稱為磨損。

磨屑的形成是材料發(fā)生變形和斷裂的結(jié)果。磨損是發(fā)生在材料表面的局部變形與斷裂，這種變形與斷裂是反復(fù)進行的，具有動態(tài)特征。這種動態(tài)特征的另一標志是材料表層組織經(jīng)過每次循環(huán)后總要變到新的狀態(tài)。所以由常規(guī)試驗得到材料力學(xué)性能不一定能如實反映出材料耐磨性的優(yōu)劣。第七十四頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日74

材料的磨損除主要由力學(xué)因素引起外，在整個過程中材料還將發(fā)生一系列物理、化學(xué)狀態(tài)的變化。如因表面材料的塑性變形引起的形變硬化及應(yīng)力分布的改變，因摩擦熱引起的二次相變淬火、回火及回復(fù)再結(jié)晶，因外部介質(zhì)產(chǎn)生的吸附和腐蝕作用等都將影響材料的耐磨性能。第七十五頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日75

機件正常運行的磨損過程如圖所示，一般分為3個階段，曲線上各點斜率即為磨損速率。圖磨損量與時間的關(guān)系示意圖（磨損曲線）第七十六頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日76(1)跑合(磨合)階段。該階段隨著表面被磨平，實際接觸面積不斷增大，表層應(yīng)變硬化，磨損速率不斷減小。表面形成牢固的氧化膜，也降低了該段的磨損速率。(3)劇烈磨損階段。隨磨損過程的增長，磨耗增加，摩擦副接觸表面間隙增大，機件表面質(zhì)量惡化，潤滑膜被破壞，引起劇烈振動，磨損重新加劇，機件快速失效。(2)穩(wěn)定磨損階段。該段的斜率就是磨損速率，為一穩(wěn)定值。實驗室的磨損試驗就是根據(jù)該段經(jīng)歷的時間、磨損速率或磨損量來評定材料耐磨性能的。大多數(shù)工件均在此階段服役，磨合得越好，該段磨損速率就越低。第七十七頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日77磨損的分類粘著磨損（AdhesiveWear）磨料磨損（AbrasiveeWear）表面疲勞磨損（SurfaceFatigueWear）腐蝕磨損（CorrosiveWear）

磨損是多種因素相互影響的復(fù)雜過程。根據(jù)不同磨損機理，分為四個主要類別：第七十八頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日78粘著磨損（AdhesiveWear）(又稱咬合磨損)定義---是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(chǎn)生撕裂而發(fā)生的磨損。

粘著磨損是因兩種材料表面某些接觸點局部壓應(yīng)力超過該處材料屈服強度發(fā)生粘合并拽開而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損，多發(fā)生在摩擦副相對滑動速度小，接觸面氧化膜脆弱，潤滑條件差，以及接觸應(yīng)力大的滑動摩擦條件下。其磨損表面特征是機件表面有大小不等的結(jié)疤。第七十九頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日79

粘著磨損的過程就是粘著點不斷形成又不斷被損壞并脫落的過程。圖Al-Sn合金軸瓦的粘著磨損第八十頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日80根據(jù)摩擦表面的破壞程度，常把粘著磨損分為：1）輕微磨損2）涂抹3）擦傷（膠合或咬合）4）撕脫（或咬焊）5）咬死第八十一頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日811）輕微磨損：

往往出現(xiàn)在摩擦初期的比較潔凈的金屬表面上，這種磨損是正常的，利用這種磨損使機器達到正常跑合的目的。

輕微磨損的程度決定于載荷和速度。因此在跑合階段要特別注意選擇適當?shù)呐芎弦?guī)范，也就是選擇適當?shù)妮d荷、速度、跑合時間等參數(shù)，使跑合時間盡可能地縮短而又不會在表面上產(chǎn)生擦傷現(xiàn)象。第八十二頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日822）涂抹：

金屬從一個表面離開，并以很薄的一層堆積在另一個表面上的現(xiàn)象，稱為涂抹。

一般是較軟的金屬涂抹在較硬的金屬表面上。

增加滑動面的油膜厚度、減小表面粗糙度的幅值和斜率，都可以減輕涂抹的產(chǎn)生。第八十三頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日833）擦傷：

沿滑動方向產(chǎn)生細小抓痕的現(xiàn)象，稱為擦傷。

擦傷產(chǎn)生的條件：有較硬的凸峰（或較硬的顆粒），且在表面之間有相對滑動。4）劃傷：

在滑動表面之間，局部產(chǎn)生固相焊合時，沿滑動方向形成較嚴重的抓痕的現(xiàn)象。第八十四頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日845）膠合：

在滑動表面之間，由于固相焊合產(chǎn)生局部破壞，但尚未出現(xiàn)局部焊熔的現(xiàn)象。焊合---指固體表面直接接觸時的粘著，在任何溫度下都可能產(chǎn)生。包括：冷焊和熔焊。膠合產(chǎn)生原因：流體動壓潤滑油膜的破裂；邊界潤滑油膜的破裂；表面局部瞬時閃發(fā)溫度升高。6）咬死—是膠合最嚴重的表現(xiàn)形式

由于界面的摩擦使相對運動停止的現(xiàn)象。第八十五頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日85磨料磨損（AbrasiveeWear）

(又稱磨粒磨損或研磨磨損)

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(zhì)粒子(從外界進入或從表面剝落)時產(chǎn)生的磨損。依據(jù)磨粒受的應(yīng)力大小，磨粒磨損可分為鑿削式、高應(yīng)力碾碎式、低應(yīng)力擦傷式3類。第八十六頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日86

磨粒磨損的主要特征是摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽，如圖所示。溝槽可能是因磨粒對摩擦表面產(chǎn)生的微切削作用、塑性變形、疲勞破壞或脆性斷裂產(chǎn)生的，或是它們綜合作用的結(jié)果。圖磨粒磨損表面形貌第八十七頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日87表面疲勞磨損（SurfaceFatigueWear）（又稱為接觸疲勞磨損）

表面疲勞磨損是兩接觸材料作滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，交變接觸壓應(yīng)力長期作用使材料表面疲勞損傷，局部區(qū)域出現(xiàn)小片或小塊狀材料剝落，而使材料磨損的現(xiàn)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。第八十八頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日88

表面疲勞磨損的宏觀形態(tài)特征是：接觸表面出現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑(麻坑)，有的凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴展線的痕跡，如圖所示。圖表面疲勞磨損的表面形貌第八十九頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日89腐蝕磨損（CorrosiveWear）---在摩擦過程中，摩擦表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的磨損稱為腐蝕磨損，腐蝕可在沒有摩擦的條件下形成，而相對運動消除了化學(xué)反應(yīng)的生成物，接著表面又受到腐蝕，如此不斷反復(fù)。第九十頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日90氧化磨損特殊介質(zhì)腐蝕磨損氣蝕浸蝕磨損微動磨損腐蝕磨損有以下幾種類型：：在摩擦過程中，金屬的摩擦表面受空氣或潤滑劑中的氧作用形成氧化膜而發(fā)生磨損。：在摩擦過程中，摩擦副表面與各種液體介質(zhì)（酸、堿、鹽等）發(fā)生作用，生成各種化學(xué)產(chǎn)物，并在摩擦過程中不斷去除，這種磨損稱為特殊介質(zhì)腐蝕磨損。：在液體中的氣蝕現(xiàn)象而產(chǎn)生的一種磨損。：兩個表面由于振幅很小的相對運動而產(chǎn)生的磨損現(xiàn)象。第九十一頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日91磨損過程中摩擦表面的變化表面微裂紋的生成及其破壞作用化學(xué)反應(yīng)過程---在磨損過程中，磨損過的新鮮材料表面會與空氣和周圍介質(zhì)形成化合物薄膜。潤滑劑的作用---潤滑劑對摩擦與磨損有很大影響，很多情況下，潤滑劑決定著磨損的程度。摩擦表面間材料的轉(zhuǎn)移---摩擦過程中，材料會從一個材料表面轉(zhuǎn)移到另一個材料表面，通常是塑性大的材料由于粘著作用而轉(zhuǎn)移到較硬的材料表面而發(fā)生磨損。相反，有時由于材料轉(zhuǎn)移的結(jié)果會增大摩擦副的實際接觸面積，使摩擦副有較高的耐磨性。

摩擦過程中，兩個物體的表面微凸體相互接觸處會發(fā)生彈性變形或塑性變形過程，此過程將伴隨著一連串的物理、化學(xué)及機械性能的變化。第九十二頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日92影響磨損的因素載荷---隨載荷增加，摩擦副表面實際接觸面積增大，從而摩擦力增大，摩擦熱增加，使材料表面損傷加速速度---若滑動速度增加未引起摩擦表面溫度的激增，則隨滑動速度增加，摩擦?xí)r間減少，材料來不及變形，從而使磨損量減少。若滑動速度增加使摩擦副表面急劇升溫而軟化，則會加劇接觸表面的粘著傾向，使粘著磨損增加。磨損種類不同，影響因素也不同，一般來說，影響因素有以下幾種(1)服役條件的影響第九十三頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日93表面粗糙度---一般情況下，表面越粗糙，摩擦阻力越大，摩擦系數(shù)也越大，磨損就愈嚴重。但表面太光滑又會使基礎(chǔ)面積增加和表面的儲油能力下降，從而使磨損增加。表面污染層與潤滑膜---材料表面所吸附的表面污染層，在摩擦過程中可降低接觸表面間的粘著傾向，起到減磨潤滑作用。但是，若污染層中含有硬顆粒時，則會使磨料磨損加劇。溫度---隨溫度升高，材料表面的硬度降低，使實際接觸面積增加，導(dǎo)致粘著磨損傾向上升，當溫度升高到一定程度后，將使基礎(chǔ)表面局部熔化焊合，使粘著磨損急劇增加。同時，溫度升高導(dǎo)致摩擦副表面間潤滑油氧化甚至失效，也會加劇磨損。第九十四頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日94(2)材料本身性質(zhì)的影響材料的機械性能---硬度對耐磨性有很多影響。一般來說，硬度越高，耐磨性越好。塑性與韌性對硬脆材料的耐磨性影響較大。硬脆材料在磨損過程中，表層容易萌生裂紋并擴展，從而導(dǎo)致表層剝離，若提高材料的塑性與韌性，將增加材料阻止裂紋擴展的能力，可明顯提高耐磨性。第九十五頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日95化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的影響---材料的化學(xué)成分對磨損有較大影響。對鋼材而言，原子半徑小的元素，如：碳、氮、磷、硼等，以間隙固溶的形式存在于鋼中，使鋼的硬度增加，從而提高耐磨性。材料的組織結(jié)構(gòu)對磨損有較大的影響。在摩擦過程中，兩種金屬材料的互溶性越好，粘著磨損的傾向越大，兩種材料差別越大，則它們之間的粘著磨損傾向越小。若選擇同種材料做摩擦副，則在摩擦中會產(chǎn)生強烈的粘著磨損。第九十六頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日96

磨損的評定常用的評定方法有：磨損量、磨損率和耐磨性磨損量長度磨損量Wl：磨損過程中零件表面尺寸的改變量體積磨損量Wv

：磨損過程中零件體積的改變量質(zhì)量磨損量Wm：磨損過程中零件質(zhì)量的改變量磨損量：單位時間的磨損量、單位摩擦距離的磨損量。相對耐磨性：兩種材料A與B在相同的外部條件下磨損量的比值。第九十七頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日97

磨損量愈小，耐磨性愈高。磨損量的測量有稱重法和尺寸法兩種。稱重法是用精密分析天平稱量試樣試驗前后的質(zhì)量變化確定磨損量。尺寸法是根據(jù)表面法向尺寸在試驗前后的變化確定磨損量。

常用磨損量的倒數(shù)或用相對耐磨性(ε)表征材料的耐磨性。即相對耐磨性的倒數(shù)亦稱磨損系數(shù)。第九十八頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日98

提高材料耐磨性的途徑一、減輕粘著磨損的主要措施(1)合理選擇摩擦副材料。盡量選擇互溶性少，粘著傾向小的材料配對，如非同種或晶格類型、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相差甚遠的多相或化合物材料；強度高不易塑變的材料。

(2)避免或阻止兩摩擦副間直接接觸。增強氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜與基體的結(jié)合力；降低接觸表面粗糙度，改善表面潤滑條件等。第九十九頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日99(3)為使磨屑多沿接觸面剝落，以降低磨損量，可采用表面滲疏、滲磷、滲氮等表面處理工藝，在材料表面形成一層化合物層或非金屬層，既降低接觸層原子間結(jié)合力，減少摩擦系數(shù)，又避免直接接觸。為使磨損發(fā)生在較軟方材料表層，可采用滲碳、摻氮共滲、碳氮硼三元共滲等工藝以提高另一方的硬度。第一百頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日100二、減輕磨粒磨損的主要措施(1)若是低應(yīng)力磨粒磨損，則應(yīng)設(shè)法提高表面硬度。選用含碳量較高，并經(jīng)熱處理獲得馬氏體組織的材料。

(2)若遇重載荷，甚至大沖擊載荷下磨損，則基體材料組織最好是高硬度、良好韌性的貝氏體。

(3)就合金鋼而言，控制和改變碳化物數(shù)量、分布、形態(tài)對提高抗磨粒磨損能力起著決定性影響。

(4)對于經(jīng)滲碳、碳氮共滲等提高表面硬度的機件，應(yīng)經(jīng)常對機件、潤滑油進行防塵、過濾，以減輕磨粒磨損量。第一百零一頁，共一百一十二頁，2022年，8月28日101二、減輕磨粒磨損的主要措施(5)確定材料硬度時，應(yīng)以Hm＝1.3Ha(Hm為摩擦副材料硬度，Ha為磨粒硬度)為依據(jù)。硬度相同時，鋼中含碳量越高，形成的碳化物越多，就具有越高的抗磨粒磨損能力。

(6)值得提及的是具有單相組織的高錳鋼[w(C)＝1.0％-