表面工程技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)

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1、2 表 面 工 程 技 術(shù) 的 物 理 、 化 學 基 礎(chǔ) 教 學 目 的 和 要 求 掌 握 固 體 (金 屬 )的 重 要 表 面 特 性 ， 材 料 磨 損 及 腐 蝕基 本 原 理 。 前言成功運用表面工程技術(shù)的三要素：n掌握材料表面與界面的基礎(chǔ)知識 n掌握各種表面工程技術(shù)的特點n了解與掌握影響材料表面性能的主要因素 2.1固體的表面和界面 n表面（定義）： 固體與周圍環(huán)境（氣相、液相和真空）間的過渡區(qū)稱為金屬的（外）表面。 因環(huán)境不同，過渡區(qū)的組成和深度不同。n界面（定義）： 界面是一種二維的結(jié)構(gòu)缺陷。 在體系中，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，但取向不同的兩晶粒間的交界

2、面都稱為界面。 前者稱相界，而后者稱為晶界。 n界面種類： 外表面和內(nèi)表面兩大類。 外表面：固體和周圍環(huán)境間的過渡區(qū)； 內(nèi)表面：晶界、相界、亞晶界、孿晶界、層錯界及胞壁界等。 一、典型固體表面1. 理想表面 n 定義：向無限晶體內(nèi)插入一個平面并切斷插入面兩側(cè)的原子結(jié)合鍵后，將其分為兩部分而形成的兩個新的表面稱為理想表面。n 特點：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。在半無限晶體內(nèi)部，原子和電子的狀態(tài)與原來無限晶體的情況一樣。 理 想 表 面 實 際 不 存 在 。 實 際 表 面 存 在 表 面 能 。 理 想 表 面 形 成 示 意 圖 1-1.實際表面n定義：與理想表面不

3、相同的實際表面（溫度在0K以上的表面）。 nJ.W.Gibbs于1877年首先提出：在氣固相界面處存在一種二維凝聚物相。 n特點：1.馳豫及重構(gòu) 2.合金的表面偏析 3.表面吸附和表面化合物 4.表面缺陷 馳 豫重 構(gòu) 表 面 原 子 的 馳 豫 與 重 構(gòu) 表 面 吸 附表 面 偏 析 2.潔凈表面與清潔表面n潔凈表面（定義）：材料表層原子結(jié)構(gòu)的周期性不同于體內(nèi)，但其化學成分仍與體內(nèi)相同的表面。n潔凈表面允許有吸附物，但其覆蓋的幾率應該非常低。n潔凈表面只有用特殊的方法才能得到n清潔表面（定義）：一般指零件經(jīng)過清洗(脫脂、浸蝕等)以后的表面。 n清潔表面易于實現(xiàn)，只要經(jīng)過常規(guī)的清洗過程即可。

4、n潔凈表面的“清潔程度”比清潔表面高。潔凈表面與清潔表面這一對概念很重要。 3.機械加工后的表面 表面的粗糙度和波紋度構(gòu)成了金屬的表面形貌。n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。n波紋度:金屬表面呈波浪形的有規(guī)律和無規(guī)律的表面反復結(jié)構(gòu)誤差稱為波紋度。波紋度的波距與波深的比為：1000：1100。 經(jīng) 過 仔 細 研 磨 的 金 屬 ： i2材料的表面粗糙度是表面工程技術(shù)中最重要的概念之一。它 與 表 面 工 程 技 術(shù) 的 特 征及 實 施 前 的 預 備 工 藝 緊 密 聯(lián) 系 ， 并 嚴 重 影 響 材 料

5、 的摩 擦 磨 損 、 腐 蝕 性 能 、 表面 磁 性 能 和 電 性 能 等 。經(jīng) 過 仔 細 研 磨 的 金 屬 ：經(jīng) 過 仔 細 研 磨 的 金 屬 ： 表 面 粗 糙 度 +波 紋 度 +形 狀 公 差 =實 際 表 面 形 貌 金屬表面的宏觀與微觀粗糙度 4.一般表面由于表面原子處于非平衡狀態(tài)，一般表面會吸咐一層外來原子。要求進行表面預處理。 二、典型固體界面1.基于固相晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)差異形成的界面n微晶層(比爾比層(Bilby)層)：1100nm厚的晶粒微小的微晶層。n塑性變形層：塑變程度和它的深度有關(guān)。 n其它變質(zhì)層： (1)形成孿晶：Zn,Ti等密排六方結(jié)構(gòu)的金屬表層會形

6、成孿晶;(2)發(fā)生相變：18-8型奧代體不銹鋼，黃銅、淬火鋼中的殘余奧氏體，高錳鋼等會形成相變層；(3)發(fā)生再結(jié)晶：Sn、Pb、Zn等低熔點金屬加工后表層能夠形成再結(jié)晶層。(4)發(fā)生時效和出現(xiàn)表層裂紋等。塑變深度(m)0 10 20 3054321變形量(%) 2.基于固相組織或晶體結(jié)構(gòu)差異形成的界面n典型特征是兩相之間的微觀成分與組織存在很大的差異，但無宏觀成分上的明顯區(qū)別（珠光體），且宏觀組織變化存在漸變區(qū)域。 3.基于固相宏觀成分差異形成的界面（結(jié) 合 界 面）n冶金結(jié)合界面n擴散結(jié)合界面n外延生長界面n化學鍵結(jié)合界面n分子鍵結(jié)合界面n機械結(jié)合界面 實 際 表 面 改 性 層 中 界 面

7、 的 結(jié) 合 機 理 常 常 是 上 述 幾 種 機 理 的 綜 合 。 應 根 據(jù) 需 要 設(shè) 計 、 控 制 界 面 的 結(jié) 合 機 理 。結(jié) 合 強 度 較 高結(jié) 合 強 度 較 低結(jié) 合 強 度 較 高結(jié) 合 強 度 較 低結(jié) 合 強 度 較 高結(jié) 合 強 度 較 低 冶金結(jié)合界面n定義：當覆層與基體材料之間的界面結(jié)合是通過處于熔融狀態(tài)的覆層材料沿處于半熔化狀態(tài)下的固體基材表面向外凝固結(jié)晶而形成時，覆層與基材的結(jié)合界面。 n實質(zhì)：金屬鍵結(jié)合n特點：結(jié)合強度很高，可以承受較大的外力或載荷，不易在服役過程中發(fā)生剝落。n技術(shù)：激光熔覆技術(shù)、堆焊與噴焊技術(shù)等。 擴散結(jié)合界面n定義：兩個固相直接

8、接觸，通過抽真空、加熱、加壓、界面擴散和反應等途徑所形成的結(jié)合界面。n特點：覆層與基材之間的成分梯度變化，并形成了原子級別的混合或合金化。 n技術(shù)：熱擴滲工藝、離子注入工藝（“類擴散”界面）等。 外延生長界面n定義：當工藝條件合適時，在（單晶）襯底表面沿原來的結(jié)晶軸向生成一層晶格完整的新單晶層的工藝過程，就稱為外延生長，形成的界面稱為外延生長界面。 n關(guān)鍵：結(jié)晶相容性（晶格失配數(shù)m小）m=b-a/aa-基 體 晶 格 常 數(shù) ， b-薄 膜 晶 格 常 數(shù)n特點：理論上應有較好的結(jié)合強度。具體取決于所形成的單晶層與襯底的結(jié)合鍵類型，如分子鍵、共價鍵、離子鍵或金屬鍵等。 n技術(shù)：氣相外延（化學氣

9、相沉積技術(shù)等）、液相外延（電鍍技術(shù)等）。 襯底SubstrateFilm缺失面失配位錯Film襯底 Substrate 化學鍵結(jié)合界面n定義：當覆層材料與基材之間發(fā)生化學反應，形成成分固定的化合物時，兩種材料的界面就稱為化學鍵結(jié)合界面。 n特點：結(jié)合強度較高，界面的韌性較差，表面發(fā)生粘連、氧化、腐蝕等化學作用也會產(chǎn)生化學鍵結(jié)合界面。n技術(shù)：物理和化學氣相沉積技術(shù)、離子注入技術(shù)、熱擴滲技術(shù)、化學轉(zhuǎn)化膜技術(shù)、陽極氧化和化學氧化技術(shù)等。 分子鍵結(jié)合界面 n定義：涂(鍍)層與基材表面以范德華力結(jié)合的界面。n特點：覆層與基材(或襯底)之間未發(fā)生擴散或化學作用。結(jié)合強度較低。n技術(shù)：部分（低溫）物理氣相技

10、術(shù)、涂裝技術(shù)等。 機械結(jié)合界面n定義：覆層與基材的結(jié)合界面主要通過兩種材料相互鑲嵌的機械連接作用而形成。n特點：結(jié)合強度不高，但可起輔助作用。 n技術(shù)：括熱噴涂與包鍍技術(shù)等。實 際 表 面 改 性 層 中 界 面 的 結(jié) 合 機 理 常 常 是 上 述 幾 種 機 理 的 綜 合 。 應 根 據(jù) 需 要 設(shè) 計 、 控 制 界 面 的 結(jié) 合 機 理 。 三、表面晶體結(jié)構(gòu)n二維晶體結(jié)構(gòu)(二維布拉菲晶格) 任何一個二維周期性的結(jié)構(gòu)均可用一個二維晶格（點陣）加上結(jié)點（陣點）來描述，稱為二維晶格。(呈二維周期性排列而形成的無限平面點陣，每個結(jié)點周圍的情況是相同的。) 五 種 布 拉 菲 二 維 晶

11、格 及 晶 胞 n TLK模型（當溫度為0K時理想表面）：在溫度相當于0K時，表面原子結(jié)構(gòu)呈靜態(tài)。表面原子層可認為是理想平面，其中的原子作完整二維周期性排列，且不存在缺陷和雜質(zhì)。 五 種 布 拉 菲 二 維 晶 格 及 晶 胞 n TLK模型（當溫度在0K以上時實際表面）：當溫度在0K以上時，由于原子的熱運動，晶體表面將產(chǎn)生低晶面指數(shù)的平臺、一定密度的單分子或原子高度的臺階、單分子或原子尺度的扭折，以及表面吸附的單原子及表面空位等。n實際表面上還存在大量各種類型的缺陷，如原子空位、位錯露頭和晶界痕跡等物理缺陷，材料組分和雜質(zhì)原子偏析等化學缺陷。上 述 表 面 缺 陷 對 于 固 體 材 料 的

12、 表 面 狀 態(tài) 和 表 面 形 成 過 程 都 有 重要 影 響 。 （ 形 核 、 表 面 擴 散 、 表 面 吸 附 等 ）TLK模 型 ： 平 臺 (Terrace)一 臺 階(Ledge)一 扭 折 (Kink)模 型 （補充）表面現(xiàn)象n定義：固體表面上產(chǎn)生的各種物理及化學現(xiàn)象稱為表面現(xiàn)象。n種類：表面擴散、吸附、潤濕、粘著和毛細現(xiàn)象等。 n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。 在鑄造、焊接、金屬表面技術(shù)及防護、表面涂覆等均會涉及到。n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)。 實 際 表 面 存 在 表 面 能 。 四、表面擴散n物質(zhì)中原子或分子

13、的遷移現(xiàn)象稱為擴散。n可由Fick第和第定律來描述，擴散過程中原子平均擴散距離X為: c 其中：t為擴散時間；c為受幾何因素影響的常數(shù)；D為擴散系數(shù)，決定擴散速率大小。 D=D 0exp(-Q/RT) Q為擴散激活能，受材料的晶格結(jié)構(gòu)，固溶體的類型，合金元素的濃度及含量和擴散路徑等因素的影響。n原子的擴散途徑除了最基本的體擴散過程外，還有表面擴散、晶界擴散和位錯擴散(短路擴散)。Q表Q界Q位Q體D表D界D位D體因為表面原子受到的束縛較晶界和晶內(nèi)低得多，原子在表面遷移所需能量也小得多。 表 面 擴 散 在 表 面 工 程 技 術(shù) 中 的 薄 膜 形 核 及 長 大 過 程 中 起 十 分 重 要

14、 的 作 用 。Dt 五、 表面（自由）能與表面張力 固體和液體的表面均處于空間三向不對稱狀態(tài)，故存在表面自由能和表面張力。 液體的表面自由能n產(chǎn)生原因： 液體（熔體金屬）的表面原子受到向內(nèi)的吸引力的作用。欲使其內(nèi)部原子轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻嬖樱丛龃蟊砻娣e，需要環(huán)境對體系作功，從而形成表面能。n定義： 增大(液體)表面積所需要的功(能量)就是(液體)表面自由能。液體的表面張力 n產(chǎn)生原因： 處于表面的原子在向內(nèi)的吸引力作用下，有進入液體內(nèi)部的趨勢，即縮小表面積的趨勢，從而產(chǎn)生表面張力。n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。 n實驗： 如上圖，在無摩擦的活動邊AB的鐵絲框上涂

15、滿肥皂沫，為使膜不收縮，應在活動邊上加外力F。n試驗證明： 施加的外力F與活動邊邊長L成正比，即 F=2 L =F/2L 式中：“2”是因為液膜有兩個表面； 即為表面張力(或張力系數(shù))； 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。 xL FAB肥 皂 膜 增 大 (液 體 )表 面 積 所 需 要 的 功 (能 量 )就 是 (液 體 )表 面 自 由 能 。n表面自由能：若使上圖活動邊AB移動dx的距離，根據(jù)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=Fdx=2Ldx 稱單位面積的表面自由能為比表面自由能(Fs)，即： Fs=G/S=2Ldx/2Ldx =

16、 由此可知，液體的比表面自由能Fs與表面張力在數(shù)值上是相等的，其單位為： J/m2 （實際上，1J/ m2=1Nm/m2=1N/m，故二者是有聯(lián)系的。但一個是單位面積的能，而另一個則為單位長度的力。 ）液 體 表 面 自 由 能 和 表 面 張 力 在 數(shù) 學 上 是 相 等 的 ， 容 易 測 定 。x L FAB肥 皂 膜 1.（固體）表面（自由）能n嚴格意義上的表面能是指材料表面的內(nèi)能，無法測量其絕對值。n常用表面自由能來描述材料表面能量的變化，其物理意義是指產(chǎn)生1cm2新表面需消耗的等溫可逆功。n若不考慮重力，一定體積的液體平衡時總?cè)A球狀，因為這樣表面積最小，表面能最低。 n固體的外

17、表面總是由若干種原子排列不同的晶面組成的，一定體積的固體必然要構(gòu)成總的表面自由能最低的形狀。（粉末團聚） 2（固體）表面張力n表面張力是表面能的一種物理表現(xiàn)，是由于原子間的作用力以及原子在表面和內(nèi)部的排列狀態(tài)的差別而引起的。n表面張力和表面自由能的關(guān)系密切。n液體表面自由能和表面張力在數(shù)學上是相等的，容易測定。 n固體的表面張力很難準確測定。 表 面 自 由 能 和 表 面 張 力 對 其 表 面 性 能 影 響 極 大 ， 應 充 分 重 視 。 六、固體表面的物理吸附和化學吸附1吸附的基本特性n吸附現(xiàn)象（吸咐作用）：物體表面上的原子或分子力場不飽和，有吸引周圍其它物質(zhì)(主要是氣體、液體)分

18、子的能力。 n定義：當氣體和液體與固體表面接觸時，在固體表面的氣體或液體增加或減少的現(xiàn)象稱為吸附現(xiàn)象n吸附是固體表面最重要的性質(zhì)之一。n固體表面的吸附可分為物理吸附和化學吸附兩類。（表2-1） （自學部分）2.固體對氣體的吸咐3.固體對液體的吸咐（重 要）4.固體表面之間的吸咐5.吸附對材料力學性能的影響萊賓杰爾效應（重 要） 七、固體表面的潤濕1. 潤濕現(xiàn)象與機理n定義：液體在固體表面上鋪展的現(xiàn)象。 n親水物質(zhì)、疏水物質(zhì)：n潤濕角： LG n潤濕程度的定義：潤 濕 和 不 潤 濕 不 是 截 然 分 開 的 。 n Young方程：n Young方程反映了潤濕角的大小與三相界面張力之間的定量

19、關(guān)系： n機理：潤濕與否取決于液體分子間相互吸引力(內(nèi)聚力)和液一固分子間吸引力(粘附力)的相對大小。若液一固粘附力較大，則液體在固體表面鋪展，呈潤濕；若液體內(nèi)聚力占優(yōu)勢則不鋪展，呈不潤濕。當 液 體 （ 或 固 體 ） 種 類 確 定 時 ， 選 擇 合 適 極 性 的 固 體 （ 或 液 體 ） 將 直接 影 響 潤 濕 程 度 。 2.鋪展系數(shù)n液體在固體表面（理想的平滑表面）的鋪展系數(shù)為：當SL/S=0時，鋪展（完全潤濕）當SL/S0時，不鋪展（不完全潤濕或完全不潤濕）當S L/S 0時，自動展開， Young方程已不適用n液體在粗糙的固體表面的鋪展系數(shù)為：n粗糙表面的鋪展系數(shù)遠大于光

20、滑表面的（當cos0時）表 面 工 程 技 術(shù) 實 施 前 ， 材 料 表 面 狀 態(tài) （ 表 面 預 處 理 工 藝 ） 對 表 面 改 性層 質(zhì) 量 的 影 響 至 關(guān) 重 要 。 0 3.潤濕理論的應用潤濕理論在各種工程技術(shù)尤其是表面工程技術(shù)中應用很廣泛。n增強潤濕程度：表面活性物質(zhì)減小潤濕角表面適度粗化增大鋪展系數(shù)中間層成分優(yōu)化 n降低潤濕程度：表面惰性物質(zhì)增大潤濕角表面平滑減小鋪展系數(shù)不粘涂層：炊具、潔具、防腐蝕等成分優(yōu)化 2.2 材料磨損原理及其耐磨性n磨損是材料三大主要失效形式之一，它造成的經(jīng)濟損失和社會影響是十分巨大的。n耐磨性是一個系統(tǒng)性質(zhì)（非“固有特性”），受到摩擦學系統(tǒng)中

21、接觸條件、工況、環(huán)境、介質(zhì)等多方面因素的影響。 n材料的磨損始于表面，表面性能是決定材料耐磨性的關(guān)鍵。n不同的磨損失效過程和方式，要求不同的材料表面性能。 一、固體材料的摩擦與磨損1.摩擦學三“定律”n摩擦的定義：相互接觸的物體相對運動時產(chǎn)生阻力，稱為摩擦。 n摩擦存在于固體、氣體和液體之間。n磨損的定義：相對運動的物質(zhì)摩擦過程中不斷產(chǎn)生損失或殘余變形的現(xiàn)象。材料的摩擦與磨損是因果關(guān)系。 n摩擦學三“定律：摩擦力與兩接觸體之間的表觀接觸面積無關(guān)(第一定律)；摩擦力與兩接觸體之間的法向載荷成正比(第二定律)；兩個相對運動物體表面的界面滑動摩擦阻力與滑動速度無關(guān)(第三定律)。F為摩擦力(切向力)；

22、N為法向力(載荷)；為摩擦系數(shù)。 n材料或體系的耐磨性高低一般用摩擦系數(shù)來表征。n人們往往認為“摩擦學中無定律”。 2.摩擦與磨損的分類n摩擦分為四類：干摩擦：無潤滑摩擦，滑動摩擦邊界潤滑摩擦：摩擦力明顯降低流體潤滑摩擦：具有最小的摩擦系數(shù)滾動摩擦：摩擦系數(shù)比滑動摩擦的小得多 n磨損分為七類：粘著磨損磨粒磨損疲勞磨損腐蝕磨損微動磨損沖蝕(包括氣蝕)磨損高溫磨損 n各種復雜的磨損現(xiàn)象是上述基本機理單獨或綜合的表現(xiàn)。一種摩擦方式常常包含幾種磨損機理。最 基 本 的 二、粘著磨損、潤滑和固體潤滑 粘 著 磨 損 是 最 常 見 的 磨 損 形 式 之 一 。 （ 15%）1、粘著磨損機理：表 面 粗

23、 糙 度 導 致 接 觸 應 力產(chǎn) 生 調(diào) 幅 分 布 。 n焊合剪切及犁削理論：當接觸表面相互壓緊時，由于微凸體間的接觸面積小，承受的壓力很高，足以引起塑性變形和“冷焊”現(xiàn)象。這樣形成的焊合點因表面的相對滑動而被剪斷，相應的力量構(gòu)成摩擦力的粘著分量。此外，較硬表面的微凸體對于較軟材料會造成犁削作用，從而構(gòu)成摩擦力的犁削分量（可忽略）。材 料 的 摩 擦 系 數(shù) 主 要 決 定 于 摩 擦 副 剪 切 強 度 b和 屈 服 強 度 s的 比 值 。 最 合 適 的 耐 磨 材 料 體 系 應 該 同 時 具 有 高 的 硬 度 （ 強 度 ） 和 低 的 抗 剪 強 度 。 2、液體潤滑和邊界

24、潤濕 磨 損 速 率 摩 擦 系 數(shù) 3、固體潤滑 n影響固體材料粘著磨損性能的因素： 1)潤滑條件或環(huán)境：在真空條件下大多數(shù)金屬的磨損是極其嚴重的。良好的潤滑條件是降低粘著磨損的重要保障。 2)硬度：材料的硬度越高，耐磨性越好。3)晶體結(jié)構(gòu)和晶體的互溶性。晶體結(jié)構(gòu)為密排六方的材料摩擦系數(shù)最低，磨損率也最低，面心立方材料次之，體心立方材料最高。冶金上互溶性好的一對金屬摩擦副摩擦系數(shù)和磨損率高。周期表上相距較遠的元素不易互溶，也不易粘著。 4)溫度。溫度對磨損的影響是間接的。 三、磨粒磨損 磨 粒 磨 損 導 致 的 零 件 失 效 約 占 磨 損 失 效 的 50 。1磨粒磨損過程中材料的去除

25、機理 n去除機理： 塑性變形：磨粒與塑性材料表面接觸時-顯微切削、顯微犁溝（塑 性 材 料） 斷裂：磨粒和脆性材料表面接觸時-顯微切削、顯微裂紋（脆 性 材 料） 斷 裂 機 理 所 造 成 的 材 料 損 失 比 塑 性 變 形 機 理 的 大 。 兩 種 方 式 都 可 能 發(fā) 生 ， 且 相 互 轉(zhuǎn) 換 。 材 料 的 磨 損 率 與 一 般 的 力 學 性 能 沒 有 簡 單 的對 應 關(guān) 系 。 2磨粒磨損過程的影響因素(1)磨粒特性：n 硬度 HaHm1.2(硬磨粒磨損)，磨損速率高，但變化不大 1.0 HaHm多角形圓形 (2)材料力學性能與微觀組織：n 硬度 磨損后的表面硬度

26、耐 磨 性 與 硬 度 之 間 沒 有 單 值 對 應 關(guān) 系 。n 組織 在同樣硬度條件下，耐磨性：奧氏體和貝氏體珠光體和馬氏體n夾雜物和內(nèi)部缺陷 大大降低耐磨性(3)工況和環(huán)境條件的影響： 速度、載荷、磨損距離、磨粒沖擊角，以及環(huán)境濕度、溫度和腐蝕介質(zhì)等。 四、其它磨損形式（自學）1、疲勞磨損2、腐蝕磨損3、沖蝕磨損 空 泡 磨 損 五、提高零件耐磨性的途徑 設(shè) 計 或 改 善 機 械 零 部 件 的 耐 磨 壽 命 ， 是 工 程 技 術(shù) 中 必 須 解 決 的 關(guān)鍵 技 術(shù) 問 題 。1. 工程結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計 是 提 高 零 件 耐 磨 性 的 基 礎(chǔ) 。 n產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計必須合理。

27、n對零件的重要性、維修難易程度、產(chǎn)品成本、使用特點、環(huán)境特點等預先進行綜合分析。 2零件磨損機理預測、分析和耐磨材料的選擇 材料的耐磨性是系統(tǒng)性質(zhì)，影響因素眾多。n弄清 影響產(chǎn)品壽命的基本因素和磨損機理(及變化) ；n確定 材料在使用時是否存在工藝性能、使用環(huán)境、力學性能、理化性能等方面的限制； 材料是否能經(jīng)受住運行中的載荷如接觸壓力等而不變形或無過分變形； 零件表面溫度范圍、防止材料在摩擦過程中軟化與咬合； 材料允許的最大載荷和滑動速度； 機件工作循環(huán)特性； 允許的磨損失效形式和機械表面的損傷程度； 注 意 ： 用 材 料 的 磨 損 率 來 決 定 磨 損 壽 命 并 不 充 分 。 3材

28、料表面耐磨與減摩處理 通過表面工程技術(shù)提高耐磨性： 耐磨-使表面具有良好的力學性能(高硬度、高韌度等)； 減磨-設(shè)法降低材料表面的摩擦系數(shù)。 對耐磨性，最重要的是硬度：在大多數(shù)情況下磨損率都會隨硬度的提高而降低。n提高材料表面硬度的工藝方法：表面淬火、涂覆、合金化n降低表面摩擦系數(shù)：形成非金屬性質(zhì)的摩擦面或添加固體潤滑膜。 對于鋼材：滲硫、滲氧、滲氮、氧碳氮共滲，熱噴涂層中加固體潤滑物質(zhì)，物理氣相沉積、化學氣相沉積及離子注入等，使材料表面形成特殊的表面層：可以抑制粘著、焊合等，從而提高其耐磨性。 許 多 表 面 強 化 方 法 具 有 耐 磨 和 減 磨 兩 種 特 性 ， 使 耐 磨 性 大

29、 幅 度 提 高 。 2.3 金屬腐蝕原理與防護技術(shù)n定 義 ： 腐 蝕 就 是 材 料 與 環(huán) 境 介 質(zhì) 作 用 而 引 起 的 惡 化 變 質(zhì) 或 破 壞 。n腐 蝕 的 危 害 ： 資 源 與 能 源 ， 經(jīng) 濟 損 失 巨 大 (我 國 ： 3%GDP) 污 染 與 事 故一、化學腐蝕與電化學腐蝕原理二、金屬表面的極化、鈍化及活化三、腐蝕的主要形式 四、金屬材料腐蝕控制及防護方法 一、化學腐蝕與電化學腐蝕原理1基本概念(分類)n腐蝕原理： 化學腐蝕：不導電介質(zhì)中發(fā)生，腐蝕過程中無電流產(chǎn)生。 電化學腐蝕：導電介質(zhì)中發(fā)生，腐蝕過程中有電流產(chǎn)生。 n環(huán)境： 濕蝕(包括水溶液腐蝕、大氣腐蝕、

30、土壤腐蝕和化學藥品腐蝕) 干蝕(包括高溫氧化、硫腐蝕、氫腐蝕、液態(tài)金屬腐蝕、熔鹽腐蝕等) 微生物腐蝕(包括細菌腐蝕、真菌腐蝕等)n腐蝕形態(tài) 全面腐蝕：腐蝕分布在整個金屬表面上(包括較均勻的和不均勻的)。 腐蝕區(qū)域小、分布較均勻，危害相對較小。 局部腐蝕：腐蝕局限在金屬的某一部位。 不易發(fā)現(xiàn)，但危害較大。 2金屬化學腐蝕的基本原理 與 一 般 化 學 反 應 (金 屬 氧 化 反 應 )基 本 相 同 。 物理吸咐化學吸咐擴散（離子電遷移） 3金屬電化學腐蝕原理n電極電位：雙電層的形成n標準電極電位：以標準氫電極為負極n平衡電位：材 料 的 種 類 、 組 織 結(jié) 構(gòu) 、 表 面 狀 態(tài) ， 介

31、 質(zhì) 的 成 分 、 濃 度 、 溫 度 等 均 會 影 響 電 極 電 位 。n腐蝕電位： 判斷金屬腐蝕的熱力學可能性其越負的金屬越容易腐蝕。能 斯 特 方 程 陰 極 和 陽 極 的 選 擇 4腐蝕原電池與腐蝕微電池n原電池：n Cu-Zn腐蝕電池的總反應：n在電解液中的兩種金屬直接接觸也能形成腐蝕原電池 (接 觸 電 池 、 微 腐 蝕 電 池 )陽 極 ： 電 極 電 位 較 負 ， 發(fā) 生 氧 化 反 應陰 極 ： 電 極 電 位 較 正 ， 發(fā) 生 還 原 反 應 5電化學腐蝕速率n腐蝕電流n單位時間的腐蝕深度n腐蝕電流密度 腐 蝕 原 電 池 中 大 陰 極 、 小 陽 極 是

32、極 其 有 害 的 。 二、金屬表面的極化、鈍化及活化1金屬表面的極化現(xiàn)象n極化現(xiàn)象(極化作用)： 腐蝕電池工作時，陰、陽極之間有電流通過，使陰、陽極之間的電位差(實際電極電位)比初始電位差要小得多的現(xiàn)象。 在 計 算 腐 蝕 速 度 時 ， 應 采 用 通 電 以 后 的 實 際 電 極 電 位 。 n極化與電流密度的大小有關(guān)：電流密度越大，極化也越大。 陰極極化：電極電位隨電流密度增大，向負的方向變化； 陽極極化：電極電位隨電流密度增大，向正的方向變化。 n極化曲線：n過電位：對于可逆電極，某一電流密度下的電極電位值與平衡電位值之差，稱為該電極在給定電流密度下的過電位。n產(chǎn)生極化的機理：

33、電化學極化 濃差極化 電阻極化（主 要 發(fā) 生 在 陽 極 上）注 意 ：縱 坐 標 方 向 2金屬表面的鈍化現(xiàn)象n鈍化： (定義)由于金屬表面狀態(tài)的改變引起金屬表面活性的突然變化，使表面反應速度急劇降低的現(xiàn)象。(陽極反應受阻的現(xiàn)象) 鈍 化 大 大 降 低 了 金 屬 的 腐 蝕 速 度 ， 是 提 高 金 屬 耐 蝕 能 力 的 主 要 方 法。n鈍態(tài)和鈍性：n金屬的鈍化一般與氧化有關(guān)(鈍化劑)： n自然鈍化(化學鈍化)，機械鈍化： 被過分拋光的金屬表面也可產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象。n金屬鈍化理論： 成相膜理論：鈍化層的機械隔離作用 吸附理論：吸附層改變了金屬表面的能量狀態(tài)，降低了金屬表面的化學活性

34、3金屬表面的活化 鈍 化 膜 是 實 施 許 多 表 面 工 程 技 術(shù) 的 障 礙 。n表面活化：通過表面預處理，獲得清潔或者潔凈表面，使基體表面處于活化狀態(tài)。n表面活化過程是鈍化的相反過程，能消除金屬表面鈍化狀態(tài)的因素都有活化作用： (1)金屬表面凈化 (2)增加金屬表面的化學活性區(qū) 三、腐蝕的主要形式金 屬 腐 蝕 的 主 要 形 式 ： 局 部 腐 蝕 、 全 面 腐 蝕 和 在 機 械 力 作 用 下 的 腐 蝕 。 四、金屬材料腐蝕控制及防護方法1產(chǎn)品合理設(shè)計與正確選材 腐 蝕 及 其 控 制 是 一 個 貫 穿 產(chǎn) 品 設(shè) 計 、 試 制 、 生 產(chǎn) 、 使 用 和 維 護 等

35、各 個 環(huán)節(jié) 的 重 要 問 題 。n產(chǎn)品總體設(shè)計 n結(jié)構(gòu)設(shè)計n選材設(shè)計n受力分析設(shè)計n加工工藝設(shè)計 2電化學保護 陰極保護、陽極保護n陰極保護法：用電化學方法使被保護工件在工作條件下的電位移至平衡可逆電位以下，從而停止腐蝕的方法。n陰極保護法實現(xiàn)途徑：(1)以被保護工件為陰極，施以外加電流；(2)以工件為陰極，以電位更負的金屬與工件相連，成為原電池的陽極(犧牲陽極)。 n陽極保護法：使腐蝕件的電位正移，使表面形成穩(wěn)定的鈍態(tài)而受到保護。n陽極保護法實現(xiàn)途徑：(1)施加外電流，被保護工件為陽極；(2)在被保護的工件或合金中加入可鈍化的元素，使表面形成穩(wěn)定的鈍化膜。 當 介 質(zhì) 中 含 有 濃 度 較 高 的 活 性 陰 離 子 時 ， 不 能 采 用 陽 極 保 護 法 。 3表面覆層及表面處理n陽極性金屬覆層：n陰極性金屬及非金屬涂層： Cu-Ni-Crn表面產(chǎn)生壓應力4加入緩蝕劑 緩蝕劑是通過添加特殊的活性物質(zhì)吸附到金屬表面，使其表面鈍化，從而達到減緩抑制腐蝕過程的目的。 思考題：1.基于固相宏觀成分差異形成的界面有哪些？其各自的結(jié)合強度特點如何？2.為什么金屬表面會發(fā)生極化現(xiàn)象？