金屬材料表面

1、第二章第二章 金屬材料的表面金屬材料的表面一、金屬材料概述一、金屬材料概述二、金屬的表面及表面反應(yīng)二、金屬的表面及表面反應(yīng)三、金屬表面上分子的吸附態(tài)三、金屬表面上分子的吸附態(tài)四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性一、一、 金屬材料概述金屬材料概述在在103103種元素中，金屬元素有種元素中，金屬元素有8181種種金屬材料的特點(diǎn)：金屬材料的特點(diǎn)：1、常溫下為、常溫下為固體固體（Hg除外）除外）2、熔點(diǎn)熔點(diǎn)較高較高 也有較低的如：也有較低的如：Sn、Pb、Zn、Al3、密度密度較大（較大（Mg、Al除外，除外， 雙烯烴雙烯烴 烯烴烯烴 烷烴烷烴O2 C2H2 C2

2、H4 CO H2 CO2 N2三、金屬表面上分子的吸附態(tài)三、金屬表面上分子的吸附態(tài)一般催化反應(yīng)中或?qū)饘俦砻娴幕瘜W(xué)熱處理中經(jīng)常用到的氣體包括一般催化反應(yīng)中或?qū)饘俦砻娴幕瘜W(xué)熱處理中經(jīng)常用到的氣體包括氫、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳以及各種碳?xì)浠衔锏?。氫、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳以及各種碳?xì)浠衔锏?。氫的吸附態(tài)氫的吸附態(tài)H2在金屬表面是均裂解離吸附：在金屬表面是均裂解離吸附：H2+2* 2H*MMHMMHORHMHMH2 +氧的吸附態(tài)氧的吸附態(tài)吸附過程相對(duì)比較復(fù)雜，一般會(huì)吸附過程相對(duì)比較復(fù)雜，一般會(huì)發(fā)生氧化作用發(fā)生氧化作用直至體相。直至體相。而對(duì)于一些只在而對(duì)于一些只在表面形成氧化層表面形成氧

3、化層（如（如W W）。）。現(xiàn)在已經(jīng)確定的有現(xiàn)在已經(jīng)確定的有O-*，O2-*，O22-*，O2-*等負(fù)離子吸附態(tài)等負(fù)離子吸附態(tài)以及電中性的氧吸附態(tài)，此外，在低溫下還不穩(wěn)定的以及電中性的氧吸附態(tài)，此外，在低溫下還不穩(wěn)定的O3-* O-* + O2 O3-* O2（氣）（氣）O2（吸）（吸）O2-*2O-*2O2-*氧的吸附態(tài)氧的吸附態(tài)不同的氧吸附態(tài)具有不同的催化能力。不同的氧吸附態(tài)具有不同的催化能力?，F(xiàn)在認(rèn)為現(xiàn)在認(rèn)為O-*的反應(yīng)能力強(qiáng)，與烴類的深度氧化有關(guān)，的反應(yīng)能力強(qiáng)，與烴類的深度氧化有關(guān)，而在乙而在乙烯的選擇性氧化制環(huán)氧乙烷的烯的選擇性氧化制環(huán)氧乙烷的AgAg催化劑上催化劑上O2-*是導(dǎo)致主反

4、應(yīng)是導(dǎo)致主反應(yīng)的吸附態(tài)。的吸附態(tài)。氮的吸附態(tài)氮的吸附態(tài)N2+M N=NMM(1)(1)一個(gè)表面原子吸附一個(gè)一個(gè)表面原子吸附一個(gè)N N原子；原子；(2)(2)兩個(gè)表面原子吸附一個(gè)兩個(gè)表面原子吸附一個(gè)N N2 2分子；分子；一氧化碳的吸附態(tài)一氧化碳的吸附態(tài)一氧化碳是最富有吸附變化的一種小分子氣體常作為研一氧化碳是最富有吸附變化的一種小分子氣體常作為研究固體表面性質(zhì)的探針使用。究固體表面性質(zhì)的探針使用。CO在在Ni、Pt、Pd等金屬上：線式和橋式等吸附態(tài)。等金屬上：線式和橋式等吸附態(tài)。IR數(shù)據(jù)數(shù)據(jù):直線型直線型C-O伸縮振動(dòng)頻率伸縮振動(dòng)頻率2000cm-1，橋型吸附，橋型吸附態(tài)中態(tài)中C-O1900c

5、m-1 CO的的3(HOMO)較大一端在較大一端在C端。因此端。因此, 在在M(CO)n中中與與M配配位的是位的是CO 的的C端而不是端而不是O端端.CO的的HOMO以以C端與端與M空軌道空軌道形成形成配鍵，配鍵， 而而M的的d軌道則與軌道則與CO的的LUMO形成反配位形成反配位鍵。鍵。KK12131422CO一氧化碳的吸附態(tài)一氧化碳的吸附態(tài)一氧化碳是最富有吸附變化的一種小分子氣體常作為研一氧化碳是最富有吸附變化的一種小分子氣體常作為研究固體表面性質(zhì)的探針使用。究固體表面性質(zhì)的探針使用。CO吸附態(tài)與催化活性的關(guān)系吸附態(tài)與催化活性的關(guān)系在不同的條件下，在不同金屬催化劑在呈現(xiàn)不同在不同的條件下，在

6、不同金屬催化劑在呈現(xiàn)不同的吸附態(tài)對(duì)反應(yīng)的活性是有很大影響的。的吸附態(tài)對(duì)反應(yīng)的活性是有很大影響的。如如CO甲烷化反應(yīng)：采用甲烷化反應(yīng)：采用Cu和和Pt，由于，由于CO吸附形吸附形式為線形一位吸附，反應(yīng)活性很低。而采用式為線形一位吸附，反應(yīng)活性很低。而采用Ni，Pd時(shí)，由于為橋接二位吸附，反應(yīng)活性很高。時(shí)，由于為橋接二位吸附，反應(yīng)活性很高。一氧化碳的吸附態(tài)一氧化碳的吸附態(tài)二氧化碳的吸附態(tài)二氧化碳的吸附態(tài)2M +CO2 MCO + MOFe、Cu、Ag、Mg、Nb、Pt、Ru 烴類的吸附態(tài)烴類的吸附態(tài)（1 1）不飽和烯烴）不飽和烯烴不飽和烴由于有不飽和烴由于有 鍵存在，故很易在金屬上化鍵存在，故很易

7、在金屬上化學(xué)吸附，其不發(fā)生解離的吸附態(tài)分兩類，即：學(xué)吸附，其不發(fā)生解離的吸附態(tài)分兩類，即：a. a. 型型 不飽和烴的不飽和烴的 鍵均裂，鍵均裂，C C原子從原子從sp2sp2雜雜化變?yōu)榛優(yōu)閟p3sp3雜化（對(duì)烯烴）雜化（對(duì)烯烴）b. b. - - 型型也存在也存在C=CC=C、C-HC-H發(fā)生離解吸附情況發(fā)生離解吸附情況 金屬的金屬的LUMO和不飽和物和不飽和物HOMO生成生成 配鍵，而配鍵，而M的的HOMO與烯烴的與烯烴的LUMO形成形成 配鍵配鍵 - 型型配位配位（2 2）乙炔）乙炔乙炔在金屬表面的吸附比乙烯強(qiáng)乙炔在金屬表面的吸附比乙烯強(qiáng)相應(yīng)有相應(yīng)有 一位或一位或二位吸附及離解吸附型。

8、二位吸附及離解吸附型。烴類的吸附態(tài)烴類的吸附態(tài)烴類的吸附態(tài)烴類的吸附態(tài)（3 3）苯）苯（4 4）飽和烴在金屬上）飽和烴在金屬上的化學(xué)吸附是離解吸附的化學(xué)吸附是離解吸附有六位有六位和二位和二位吸附締合和解離吸附吸附締合和解離吸附一、金屬材料概述一、金屬材料概述二、金屬的表面及表面反應(yīng)二、金屬的表面及表面反應(yīng)三、金屬表面上分子的吸附態(tài)三、金屬表面上分子的吸附態(tài)四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性第八章第八章 金屬材料的表面金屬材料的表面四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四

9、、金屬的表面腐蝕化學(xué)不均勻性化學(xué)不均勻性起因于異質(zhì)金屬，金屬氧化物或其他金屬化合物起因于異質(zhì)金屬，金屬氧化物或其他金屬化合物的夾雜。對(duì)于合金而言，則由結(jié)構(gòu)中存在的不同相而造成。化的夾雜。對(duì)于合金而言，則由結(jié)構(gòu)中存在的不同相而造成?；瘜W(xué)不均勻性是導(dǎo)致在金屬表面各點(diǎn)腐蝕速度各異的主要原因。學(xué)不均勻性是導(dǎo)致在金屬表面各點(diǎn)腐蝕速度各異的主要原因。能量不均勻性能量不均勻性源于材料中因各種原因產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力差異。能量源于材料中因各種原因產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力差異。能量不均勻性的存在是使金屬表面的均勻腐蝕變?yōu)榫植扛g或晶間不均勻性的存在是使金屬表面的均勻腐蝕變?yōu)榫植扛g或晶間腐蝕的主要原因。腐蝕的主要原因。四、金屬的表

10、面腐蝕四、金屬的表面腐蝕這些因素在腐蝕過程的初始階段決定熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)反應(yīng)參數(shù)，這些因素在腐蝕過程的初始階段決定熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)反應(yīng)參數(shù)，對(duì)腐蝕過程起決定性作用。對(duì)腐蝕過程起決定性作用。與內(nèi)部因素不同的是，與內(nèi)部因素不同的是，外部因素在外部因素在腐蝕過程中通常要發(fā)生變化。如在腐蝕的初始階段，溫度及壓腐蝕過程中通常要發(fā)生變化。如在腐蝕的初始階段，溫度及壓力是決定因素，但隨著表面氧的消耗，反應(yīng)所需要的氧只能靠力是決定因素，但隨著表面氧的消耗，反應(yīng)所需要的氧只能靠擴(kuò)散的方式向表面趨近，此時(shí)氧的擴(kuò)散就變成了決定性因素。擴(kuò)散的方式向表面趨近，此時(shí)氧的擴(kuò)散就變成了決定性因素。四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面

11、腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕腐蝕電池：腐蝕電池：產(chǎn)生的電流是由于它的兩個(gè)電極即鋅板和銅板在產(chǎn)生的電流是由于它的兩個(gè)電極即鋅板和銅板在硫酸溶液中的電位不同產(chǎn)生的電位差引起的，該電位差是電硫酸溶液中的電位不同產(chǎn)生的電位差引起的，該電位差是電池反應(yīng)的推動(dòng)力。池反應(yīng)的推動(dòng)力。鋅板與銅板在稀硫酸中的溶解示意圖鋅板與銅板在稀硫酸中的溶解示意圖腐蝕電池腐蝕電池四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金

12、屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕在全世界，因腐蝕造成的損失相當(dāng)驚人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全世界，因腐蝕造成的損失相當(dāng)驚人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，金屬腐蝕約為金屬腐蝕約為鋼年產(chǎn)量的鋼年產(chǎn)量的1/3，為，為有色金屬年產(chǎn)有色金屬年產(chǎn)量的量的1/6。四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金

13、屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕四、金屬的表面腐蝕五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各種機(jī)器零件的隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各種機(jī)器零件的表表面耐蝕性面耐蝕性、耐熱性、耐磨性以及各種模具和刃具、耐熱性、耐磨性以及各種模具和刃具的使用壽命的使用壽命的要求也不斷提高，由此各種金屬表的要求也不斷提高，由此各種金屬表面處理技術(shù)得到了迅速發(fā)展，各種新的工藝方法面處理技術(shù)得到了迅速發(fā)展，各種新的工藝方法競相出現(xiàn)，使表面處理技術(shù)成為一個(gè)種類繁多的競相出現(xiàn)，使表面處理技術(shù)成為一個(gè)種類繁多的龐大的工藝技

14、術(shù)門類。龐大的工藝技術(shù)門類。五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理離子注入離子注入表面改性表面改性表面鍍膜改性表面鍍膜改性激光表面改性激光表面改性 金屬表金屬表面改性面改性五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性激光：高輻射亮度、激光：高輻射亮度、高方向性、單色性高方向性、單色性五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性激光表面相變硬化又稱為激光淬火。它是以高能功率激光表面相變硬化又稱為激光淬火。它是以高能功率密度的激光束作用在金屬表面，使其迅速加熱至相變密度的激光束作用在金屬表面，使其迅速加熱至相變點(diǎn)以上，形成點(diǎn)以上，形成奧氏體奧氏體，并通過仍處在冷卻態(tài)的基體與，并通過仍處在冷卻態(tài)的基體與加熱表面之間形成的極高溫度梯度的熱傳導(dǎo)，在激光加熱表面之間形成的極高溫度梯度的熱傳導(dǎo)，在激光輻照停止后快速自冷淬火而得到輻照停止后快速自冷淬火而得到馬氏體馬氏體組織，由此形組織，由此形成表面相變硬化層。成表面相變硬化層。五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性五、金屬的表面改性五、