表面工程學(xué)全冊(cè)配套完整教學(xué)課件

1、表面工程學(xué)全冊(cè)配套表面工程學(xué)全冊(cè)配套完整教學(xué)課件完整教學(xué)課件1 緒論緒論教學(xué)目的和要求教學(xué)目的和要求掌握表面工程的定義、分類、特點(diǎn)（意義）等。掌握表面工程的定義、分類、特點(diǎn)（意義）等。 1.1表面工程學(xué)的定義和內(nèi)涵表面工程學(xué)的定義和內(nèi)涵n表面工程學(xué)是上個(gè)世紀(jì)八十年代中期才出現(xiàn)的一門(mén)新型綜合性學(xué)科。表面工程學(xué)是上個(gè)世紀(jì)八十年代中期才出現(xiàn)的一門(mén)新型綜合性學(xué)科。它是在傳統(tǒng)的表面硬化技術(shù)和腐蝕防護(hù)基礎(chǔ)上，引入了一些科技新成就，如氣它是在傳統(tǒng)的表面硬化技術(shù)和腐蝕防護(hù)基礎(chǔ)上，引入了一些科技新成就，如氣相沉積，離子注入，激光、電子束和等離子等技術(shù)后，拓寬了表面工程的應(yīng)用范圍，相沉積，離子注入，激光、電子束和

2、等離子等技術(shù)后，拓寬了表面工程的應(yīng)用范圍，使其成為表面硬化、表面防腐、機(jī)械修復(fù)使其成為表面硬化、表面防腐、機(jī)械修復(fù)(再制造再制造)，新材料制造、功能材料、復(fù)合，新材料制造、功能材料、復(fù)合材料、表面裝飾和表面精細(xì)加工等方面不可或缺的工藝手段，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、材料、表面裝飾和表面精細(xì)加工等方面不可或缺的工藝手段，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、冶金、建筑、交通、航空航天、核工業(yè)及日常生活用品等領(lǐng)域，逐漸形成了電子、冶金、建筑、交通、航空航天、核工業(yè)及日常生活用品等領(lǐng)域，逐漸形成了一門(mén)一門(mén)獨(dú)立獨(dú)立的學(xué)科。的學(xué)科。 1983年，英國(guó)伯明翰大學(xué)成立沃福森表面工程研究所年，英國(guó)伯明翰大學(xué)成立沃福森表面工程研究所

3、 1985年，年，“表面工程表面工程”國(guó)際刊物創(chuàng)刊；第一界表面工程國(guó)際會(huì)議國(guó)際刊物創(chuàng)刊；第一界表面工程國(guó)際會(huì)議 1988年，我國(guó)年，我國(guó)“表面工程研究所表面工程研究所”成立成立(屬機(jī)械工程學(xué)會(huì)屬機(jī)械工程學(xué)會(huì))；“表面工程表面工程”創(chuàng)刊創(chuàng)刊n上世紀(jì)上世紀(jì)80年代后期，美國(guó)商業(yè)部就將表面工程技術(shù)列入影響年代后期，美國(guó)商業(yè)部就將表面工程技術(shù)列入影響21世世紀(jì)人類生活的七大關(guān)鍵技術(shù)之一紀(jì)人類生活的七大關(guān)鍵技術(shù)之一（計(jì)算機(jī)科學(xué)、生命科學(xué)、新能源技術(shù)、（計(jì)算機(jī)科學(xué)、生命科學(xué)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)）。新材料技術(shù)、信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)）。n表面工程技術(shù)被喻為上個(gè)世紀(jì)表面工程技術(shù)被喻

4、為上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)年代以來(lái)世界十項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)世界十項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。之一。n表面工程學(xué)是近表面工程學(xué)是近20年來(lái)（材料科學(xué)與工程中）發(fā)展最為迅速的學(xué)年來(lái)（材料科學(xué)與工程中）發(fā)展最為迅速的學(xué)科之一。科之一。n表面工程已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要組成部分和部分產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵表面工程已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要組成部分和部分產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)支撐。技術(shù)支撐。n材料表面工程的應(yīng)用范圍材料表面工程的應(yīng)用范圍： 表面強(qiáng)化表面強(qiáng)化 防腐工程防腐工程 零部件修復(fù)零部件修復(fù) 電子電路電子電路 傳感器與自動(dòng)控制傳感器與自動(dòng)控制 表面強(qiáng)化、耐蝕、耐磨、表面強(qiáng)化、耐蝕、耐磨、修復(fù)、裝飾、微細(xì)加工修復(fù)、裝飾、微細(xì)加工在航空航天方面的應(yīng)

5、用在航空航天方面的應(yīng)用 在防護(hù)上常用涂鍍技術(shù)，熱浸鍍技術(shù)，物理和化學(xué)氣相沉積技術(shù)（在防護(hù)上常用涂鍍技術(shù)，熱浸鍍技術(shù)，物理和化學(xué)氣相沉積技術(shù)（PVD，CVD）來(lái)提高飛機(jī)、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、宇宙飛船、導(dǎo)彈在各種飛行惡劣環(huán)）來(lái)提高飛機(jī)、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、宇宙飛船、導(dǎo)彈在各種飛行惡劣環(huán)境下對(duì)材料性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行防護(hù)。境下對(duì)材料性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行防護(hù)。在航空航天方面的應(yīng)用在航空航天方面的應(yīng)用在航空航天方面的應(yīng)用在航空航天方面的應(yīng)用 如第四、五代的飛如第四、五代的飛機(jī)，在停飛和飛行過(guò)程機(jī)，在停飛和飛行過(guò)程中，可能遇到中，可能遇到50的的空氣摩擦升溫至空氣摩擦升溫至200，因而在飛機(jī)蒙皮的表面因而在飛機(jī)蒙皮的

6、表面涂上高聚物涂料免受環(huán)涂上高聚物涂料免受環(huán)境介質(zhì)侵蝕，減少阻力。境介質(zhì)侵蝕，減少阻力。 飛機(jī)的蒙皮、雷達(dá)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)的尾飛機(jī)的蒙皮、雷達(dá)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管、座艙都采用隱身涂層，雷達(dá)罩噴管、座艙都采用隱身涂層，雷達(dá)罩和尾噴管采用和尾噴管采用SnO2和和In2O3等摻雜半導(dǎo)等摻雜半導(dǎo)體材料作填料和適當(dāng)?shù)妮d流子濃度及體材料作填料和適當(dāng)?shù)妮d流子濃度及遷移率以及等離子體頻率，使其具有遷移率以及等離子體頻率，使其具有兼容雷達(dá)和紅外隱身。美國(guó)的兼容雷達(dá)和紅外隱身。美國(guó)的TF39發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承，離子注入鉻磷，可解決動(dòng)機(jī)軸承，離子注入鉻磷，可解決點(diǎn)蝕、磨蝕，提高發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的使用點(diǎn)蝕、磨蝕，提高發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的使用壽命

7、。壽命。 在航空航天方面的應(yīng)用在航空航天方面的應(yīng)用奔 馳 系 列 在車(chē)身涂裝上，設(shè)計(jì)選用電泳底漆、中間涂層、面漆三涂層體在車(chē)身涂裝上，設(shè)計(jì)選用電泳底漆、中間涂層、面漆三涂層體系，不僅使車(chē)身具有防腐蝕功能，更具有亮麗、閃光色彩。系，不僅使車(chē)身具有防腐蝕功能，更具有亮麗、閃光色彩。一、表面工程技術(shù)的定義一、表面工程技術(shù)的定義n為滿足特定的工程需求，使為滿足特定的工程需求，使材料或零部材料或零部件件表面表面具有特殊的具有特殊的成分、成分、結(jié)構(gòu)和性能結(jié)構(gòu)和性能(或功能或功能)的化學(xué)、物理方法與工藝。的化學(xué)、物理方法與工藝。關(guān)于表面工程：關(guān)于表面工程：n表面工程是以表面科學(xué)為理論基礎(chǔ)，以表面工程是以表面

8、科學(xué)為理論基礎(chǔ)，以表面表面和和界面界面行為為研究對(duì)行為為研究對(duì)象，把相互依存、相互分工的零件基體與零件表面構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，象，把相互依存、相互分工的零件基體與零件表面構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)又綜合了失效分析、表面技術(shù)、表面層材料、表面層性能、同時(shí)又綜合了失效分析、表面技術(shù)、表面層材料、表面層性能、預(yù)處理和后加工、表面檢測(cè)技術(shù)、表面質(zhì)量控制、使用壽命評(píng)估、預(yù)處理和后加工、表面檢測(cè)技術(shù)、表面質(zhì)量控制、使用壽命評(píng)估、表面施工管理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、三廢處理和重大工程實(shí)踐等多項(xiàng)表面施工管理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、三廢處理和重大工程實(shí)踐等多項(xiàng)內(nèi)容。內(nèi)容。n表面工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。表面工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。二、表面工程技術(shù)的內(nèi)

9、涵二、表面工程技術(shù)的內(nèi)涵n表面改性技術(shù)表面改性技術(shù)n表面（微細(xì)）加工技術(shù)表面（微細(xì)）加工技術(shù)n表面合成材料技術(shù)表面合成材料技術(shù)n表面加工三維合成技術(shù)表面加工三維合成技術(shù)n上述要點(diǎn)的組合或綜合上述要點(diǎn)的組合或綜合高深寬比高深寬比GaN深刻蝕深刻蝕 （深：（深：4m，寬：，寬：0.6m）1.2表面工程技術(shù)的特點(diǎn)與意義表面工程技術(shù)的特點(diǎn)與意義表面工程技術(shù)具有一般整體材料加工技術(shù)不具備的優(yōu)點(diǎn)。表面工程技術(shù)具有一般整體材料加工技術(shù)不具備的優(yōu)點(diǎn)。n主要作用在基材表面，對(duì)遠(yuǎn)離表面的基材內(nèi)部組織與性能影響不大主要作用在基材表面，對(duì)遠(yuǎn)離表面的基材內(nèi)部組織與性能影響不大。因此，可以。因此，可以制備表面性能與基材性

10、能相差很大的復(fù)合材料。制備表面性能與基材性能相差很大的復(fù)合材料。n采用表面涂采用表面涂(鍍鍍)、表面合金化技術(shù)取代整體合金化，使普通、廉價(jià)的材料表面具、表面合金化技術(shù)取代整體合金化，使普通、廉價(jià)的材料表面具有特殊的性能，有特殊的性能，不僅可以節(jié)約大量貴重金屬，而且可以大幅度提高零部件的耐磨不僅可以節(jié)約大量貴重金屬，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蝕性，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。性和耐蝕性，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。n可以兼有裝飾和防護(hù)功能可以兼有裝飾和防護(hù)功能，有力推動(dòng)了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。，有力推動(dòng)了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。n表面薄膜技術(shù)和表面微細(xì)加工技術(shù)具有微細(xì)加工功能，表面薄膜技術(shù)和表面

11、微細(xì)加工技術(shù)具有微細(xì)加工功能，是制作大規(guī)模集成電路、是制作大規(guī)模集成電路、光導(dǎo)纖維和集成光路、太陽(yáng)能薄膜電池等元器件的基礎(chǔ)技術(shù)。光導(dǎo)纖維和集成光路、太陽(yáng)能薄膜電池等元器件的基礎(chǔ)技術(shù)。n二維的表面處理技術(shù)已發(fā)展成為三維零件制造技術(shù)二維的表面處理技術(shù)已發(fā)展成為三維零件制造技術(shù)（生長(zhǎng)型制造法），不僅大幅（生長(zhǎng)型制造法），不僅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使設(shè)計(jì)與生產(chǎn)速度成倍提高。度降低了零部件的制造成本，亦使設(shè)計(jì)與生產(chǎn)速度成倍提高。n表面工程技術(shù)已成為制備新材料的重要方法表面工程技術(shù)已成為制備新材料的重要方法，可以在材料表面制備整體合金化難，可以在材料表面制備整體合金化難以做到的特殊性能合金等。以

12、做到的特殊性能合金等。金屬材料表面工程學(xué)的地位：金屬材料表面工程學(xué)的地位： n表面工程技術(shù)所涉及的基材包括幾乎所有的工程材料，如金屬、表面工程技術(shù)所涉及的基材包括幾乎所有的工程材料，如金屬、陶瓷、半導(dǎo)體材料、高分子材料、混凝土、木材和各類復(fù)合材料陶瓷、半導(dǎo)體材料、高分子材料、混凝土、木材和各類復(fù)合材料等。等。n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。的主要材料。 機(jī)械行業(yè)中：機(jī)械行業(yè)中： 鋼鐵材料：鋼鐵材料：93% 有色金屬：有色金屬：2% 非金屬材料：非金屬材料：5%據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界鋼材的據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界鋼材的10%

13、因腐蝕而損失。因腐蝕而損失。（2015年，世界鋼鐵產(chǎn)量約為年，世界鋼鐵產(chǎn)量約為16億噸，億噸，其中我國(guó)約為其中我國(guó)約為8億噸。）億噸。）機(jī)械零件失效的主要形式：機(jī)械零件失效的主要形式： n塑性變形：材料強(qiáng)度不足或過(guò)載使用；塑性變形：材料強(qiáng)度不足或過(guò)載使用；n斷裂：韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂；斷裂：韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂；n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等七大類；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等七大類；n腐蝕：在環(huán)境及周?chē)橘|(zhì)作用下產(chǎn)生。腐蝕：在環(huán)境及周?chē)橘|(zhì)作用下產(chǎn)生。n在以上四種失效形式中，磨損、疲勞和腐蝕占在以上四種失效形式中

14、，磨損、疲勞和腐蝕占80%以上。以上。 實(shí)驗(yàn)證實(shí)：失效通常是從材料的表面開(kāi)始的，而且往往是因其表面性能不高所致。實(shí)驗(yàn)證實(shí)：失效通常是從材料的表面開(kāi)始的，而且往往是因其表面性能不高所致。 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。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。1.3表面工程技術(shù)的分類表面工程技術(shù)的分類n表面改性技術(shù)表面改性技術(shù)表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù)表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù)表面涂鍍技術(shù)表面涂鍍技術(shù)表面合金化和摻雜技術(shù)表面合金化和摻雜技術(shù)n表面微細(xì)加工技術(shù)表面微細(xì)加工技術(shù)n表面加工三維成型技術(shù)表面加工三維成型技術(shù)n表面合成新材料技術(shù)表面合成新材料技術(shù)n復(fù)合表面技術(shù)復(fù)合表面技術(shù)（

15、上述幾個(gè)要點(diǎn)的組合或綜合）（上述幾個(gè)要點(diǎn)的組合或綜合）思考題思考題 n從機(jī)械零部件失效的主要形式及比例出發(fā)，說(shuō)明研發(fā)表面工程技術(shù)從機(jī)械零部件失效的主要形式及比例出發(fā)，說(shuō)明研發(fā)表面工程技術(shù)的重要意義。的重要意義。n試舉例說(shuō)明表面工程技術(shù)的效用。試舉例說(shuō)明表面工程技術(shù)的效用。 2 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ)表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)目的和要求教學(xué)目的和要求 掌握固體掌握固體(金屬金屬)的重要表面特性，材料磨損及腐蝕基的重要表面特性，材料磨損及腐蝕基本原理。本原理。 前言前言成功運(yùn)用表面工程技術(shù)的三要素：成功運(yùn)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(shí)掌握材料表面與界面的基礎(chǔ)知識(shí)

16、n掌握各種表面工程技術(shù)的特點(diǎn)掌握各種表面工程技術(shù)的特點(diǎn)n了解與掌握影響材料表面性能的主要因素了解與掌握影響材料表面性能的主要因素2.1固體的表面和界面固體的表面和界面 n（外）表面（定義）：（外）表面（定義）： 固體與周?chē)h(huán)境（氣相、液相和真空）之間的分界面（固體與周?chē)h(huán)境（氣相、液相和真空）之間的分界面（過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)）。）。 因環(huán)境不同，過(guò)渡區(qū)的組成和深度不同。因環(huán)境不同，過(guò)渡區(qū)的組成和深度不同。n界面（定義）：界面（定義）： 固體之間的分界面稱為界面；界面是一種二維的結(jié)構(gòu)缺陷。固體之間的分界面稱為界面；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

17、不同的兩晶粒在體系中，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面都稱為界面。間的交界面都稱為界面。 前者稱前者稱相界相界，而后者稱為，而后者稱為晶界晶界。一、典型固體表面一、典型固體表面1. 理想表面理想表面n 定義：向無(wú)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)合鍵后，將其分為定義：向無(wú)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。兩部分而形成的兩個(gè)新的表面稱為理想表面。n 特點(diǎn)：此過(guò)程中除了晶體附加了一組邊界條件外，無(wú)任何其它改變。在半無(wú)限晶特點(diǎn)：此過(guò)程中除了晶體附加了一組邊界條件外，無(wú)任何其它改變。在半

18、無(wú)限晶體內(nèi)部，原子和電子的狀態(tài)與原來(lái)無(wú)限晶體的情況一樣。體內(nèi)部，原子和電子的狀態(tài)與原來(lái)無(wú)限晶體的情況一樣。 理想表面實(shí)際不存在（是理論分析的基礎(chǔ)）。理想表面實(shí)際不存在（是理論分析的基礎(chǔ)）。實(shí)際表面存在表面能。實(shí)際表面存在表面能。理想表面形成示意圖理想表面形成示意圖1-1.實(shí)際表面實(shí)際表面n定義：與理想表面不相同的實(shí)際的表面定義：與理想表面不相同的實(shí)際的表面（溫度在（溫度在0K以上的表面）。以上的表面）。 nJ.W.Gibbs于于1877年首先提出：在氣固相界面年首先提出：在氣固相界面處存在一種二維凝聚物相。處存在一種二維凝聚物相。 n特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.馳豫及重構(gòu)馳豫及重構(gòu) 2.合金的表面偏析合金

19、的表面偏析 3.表面吸附和表面化合物表面吸附和表面化合物 4.表面缺陷表面缺陷 馳馳 豫豫重重 構(gòu)構(gòu)表面原子的馳豫與重構(gòu)表面原子的馳豫與重構(gòu) 表面吸附表面吸附表面偏析表面偏析2.潔凈表面與清潔表面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(xué)成分仍與潔凈表面（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(xué)成分仍與體內(nèi)相同的表面。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(yīng)該非常低。潔凈表面允許有吸附物，但其覆蓋的幾率應(yīng)該非常低。n潔凈表面只有用特殊的方法才能得到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(guò)清洗清潔表面（

20、定義）：一般指零件經(jīng)過(guò)清洗(脫脂、浸蝕等脫脂、浸蝕等)以后的表面。以后的表面。n清潔表面易于實(shí)現(xiàn)，只要經(jīng)過(guò)常規(guī)的清洗過(guò)程即可。清潔表面易于實(shí)現(xiàn)，只要經(jīng)過(guò)常規(guī)的清洗過(guò)程即可。n潔凈表面的潔凈表面的“清潔程度清潔程度”比清潔表面高。比清潔表面高。潔凈表面與清潔表面這一對(duì)概念很重要。潔凈表面與清潔表面這一對(duì)概念很重要。3.機(jī)械加工后的表面機(jī)械加工后的表面表面的粗糙度和波度構(gòu)成了金屬的表面形貌。表面的粗糙度和波度構(gòu)成了金屬的表面形貌。n波紋度波紋度:金屬表面呈波浪形的有規(guī)律和無(wú)規(guī)律的表面反復(fù)結(jié)構(gòu)誤差稱為波紋度。金屬表面呈波浪形的有規(guī)律和無(wú)規(guī)律的表面反復(fù)結(jié)構(gòu)誤差稱為波紋度。波紋度的波距與波深的比為：波紋

21、度的波距與波深的比為：1000：1100。 n粗糙度粗糙度: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。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粗糙度的波距與波深之比常常為150：15。波紋度是間距大于表面粗糙度但小于表面幾何形狀誤差的表面幾何不平度，屬波紋度是間距大于表面粗糙度但小于表面幾何形狀誤差的表面幾何不平度，屬于微觀和宏觀之間的幾何誤差。于微觀和宏觀之間的幾何誤差。 n粗糙度的表示粗糙度的表示: :1、輪廓的算術(shù)平均偏差、輪廓的算術(shù)平均偏差Ra：式中：式中：y i 為為波峰高或波谷深的數(shù)值波峰高或波谷

22、深的數(shù)值，n為測(cè)量的波峰或波谷的個(gè)數(shù)。為測(cè)量的波峰或波谷的個(gè)數(shù)。2、真實(shí)面積與投影面積之比、真實(shí)面積與投影面積之比 i ： i A i /A l 式中：式中： A i為真實(shí)面積，為真實(shí)面積，A l 為的投影面積（理想的幾何學(xué)面積）為的投影面積（理想的幾何學(xué)面積） 顯然，顯然， i 1表面光潔度表面光潔度 1 3 5 7 9 11 13表面粗糙度表面粗糙度Ra（m）5012.53.20.800.200.0500.012式式(2-1)式式(2-2)經(jīng)過(guò)仔細(xì)研磨的金屬：經(jīng)過(guò)仔細(xì)研磨的金屬： i 2它與表面工程技術(shù)的特征它與表面工程技術(shù)的特征及實(shí)施前的預(yù)備工藝緊密及實(shí)施前的預(yù)備工藝緊密聯(lián)系，并嚴(yán)重影響

23、材料的聯(lián)系，并嚴(yán)重影響材料的摩擦磨損、腐蝕性能、表摩擦磨損、腐蝕性能、表面磁性能和電性能等。面磁性能和電性能等。材料的表面粗糙度是表面工程技術(shù)中材料的表面粗糙度是表面工程技術(shù)中最重要最重要的概念之一。的概念之一。（控制最后一道加工工序。）（控制最后一道加工工序。）（與實(shí)際情況的對(duì)應(yīng)關(guān)系）（與實(shí)際情況的對(duì)應(yīng)關(guān)系） 14 （0.006m）：鏡面）：鏡面 13（0.012m）：霧狀鏡面）：霧狀鏡面 12 （0.025m）：鏡狀光澤面）：鏡狀光澤面 11 （0.050m）：亮光澤面）：亮光澤面 10（ 0.10m）：暗光澤面）：暗光澤面 9（0.20m）：不可見(jiàn)加工痕跡方向）：不可見(jiàn)加工痕跡方向8（0

24、.40 m）：微見(jiàn)加工痕跡方向）：微見(jiàn)加工痕跡方向 7 （0.80m）：可見(jiàn)加工痕跡方向）：可見(jiàn)加工痕跡方向 6 （1.60 m）：看不清加工痕跡方向）：看不清加工痕跡方向5（3.2m）：微見(jiàn)加工痕跡方向）：微見(jiàn)加工痕跡方向 4（6.3m）：可見(jiàn)加工痕跡方向）：可見(jiàn)加工痕跡方向 3（12.5m）：微見(jiàn)刀痕）：微見(jiàn)刀痕 2（25m）：可見(jiàn)刀痕）：可見(jiàn)刀痕 1（50m）：明顯可見(jiàn)刀痕）：明顯可見(jiàn)刀痕 4.一般表面一般表面n由于表面原子處于非平衡狀態(tài)，一般表面會(huì)吸咐一層外來(lái)原子。由于表面原子處于非平衡狀態(tài)，一般表面會(huì)吸咐一層外來(lái)原子。n常溫常壓條件下，金屬表面會(huì)被氧化（金除外）。常溫常壓條件下，金屬

25、表面會(huì)被氧化（金除外）。n要求進(jìn)行表面預(yù)處理。要求進(jìn)行表面預(yù)處理。二、典型固體界面二、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微晶層微晶層(比爾比層比爾比層(Bilby)層層)：1100nm厚的晶粒微小的厚的晶粒微小的微晶層。微晶層。n塑性變形層：塑變程度和它的深度有關(guān)。塑性變形層：塑變程度和它的深度有關(guān)。n其它變質(zhì)層：其它變質(zhì)層： (1)形成孿晶：形成孿晶：Zn,Ti等密排六方結(jié)構(gòu)的金屬表層會(huì)形成孿晶等密排六方結(jié)構(gòu)的金屬表層會(huì)形成孿晶;(2)發(fā)生相變：發(fā)生相變：18-8型奧代體不銹鋼，型奧代體不銹鋼，黃銅、淬火鋼中的殘黃銅、淬火鋼中的

26、殘余奧氏體，高錳鋼等會(huì)形成相變層；余奧氏體，高錳鋼等會(huì)形成相變層；(3)發(fā)生再結(jié)晶：發(fā)生再結(jié)晶：Sn、Pb、Zn等低熔點(diǎn)金屬加工后表層能夠等低熔點(diǎn)金屬加工后表層能夠形成再結(jié)晶層。形成再結(jié)晶層。(4)發(fā)生時(shí)效和出現(xiàn)表層裂紋等。發(fā)生時(shí)效和出現(xiàn)表層裂紋等。塑變深度塑變深度(m)0 10 20 3054321變形量變形量(%)2.基于固相組織或晶體結(jié)構(gòu)差異形成的界面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(wú)宏觀成分上的明顯區(qū)別（珠光體），且差異，但無(wú)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)域宏

27、觀組織變化存在漸變區(qū)域(表面淬火組織表面淬火組織)，在服，在服役過(guò)程中役過(guò)程中不易出現(xiàn)不易出現(xiàn)表層剝落等情況。表層剝落等情況。3.基于固相宏觀成分差異形成的界面（基于固相宏觀成分差異形成的界面（覆層界面覆層界面）n冶金結(jié)合界面冶金結(jié)合界面n擴(kuò)散結(jié)合界面擴(kuò)散結(jié)合界面n外延生長(zhǎng)界面外延生長(zhǎng)界面n化學(xué)鍵結(jié)合界面化學(xué)鍵結(jié)合界面n分子鍵結(jié)合界面分子鍵結(jié)合界面n機(jī)械結(jié)合界面機(jī)械結(jié)合界面 實(shí)際表面改性層中界面的結(jié)合機(jī)理常常是上述幾種機(jī)理的綜合。實(shí)際表面改性層中界面的結(jié)合機(jī)理常常是上述幾種機(jī)理的綜合。應(yīng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)、控制界面的結(jié)合機(jī)理。應(yīng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)、控制界面的結(jié)合機(jī)理。結(jié)合強(qiáng)度較高結(jié)合強(qiáng)度較高結(jié)合強(qiáng)度較低結(jié)

28、合強(qiáng)度較低冶金結(jié)合界面冶金結(jié)合界面n定義：當(dāng)覆層與基體材料之間的界面結(jié)合是通過(guò)處于熔融狀態(tài)的覆層材料沿處于定義：當(dāng)覆層與基體材料之間的界面結(jié)合是通過(guò)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(shí)，覆層與基材的結(jié)合界面。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(shí)，覆層與基材的結(jié)合界面。n實(shí)質(zhì)：金屬鍵結(jié)合實(shí)質(zhì)：金屬鍵結(jié)合n特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度很高，可以承受較大的外力或載荷，不易在服役過(guò)程中發(fā)生剝落。特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度很高，可以承受較大的外力或載荷，不易在服役過(guò)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。技術(shù)：激光熔覆技術(shù)、堆焊與噴焊技術(shù)等。擴(kuò)散結(jié)合界面擴(kuò)散結(jié)合界面n

29、定義：兩個(gè)固相直接接觸，通過(guò)抽真空、加熱、加壓、定義：兩個(gè)固相直接接觸，通過(guò)抽真空、加熱、加壓、界面擴(kuò)散和反應(yīng)等途徑所形成的結(jié)合界面。界面擴(kuò)散和反應(yīng)等途徑所形成的結(jié)合界面。n特點(diǎn)：覆層與基材之間的成分梯度變化，并形成了原子特點(diǎn)：覆層與基材之間的成分梯度變化，并形成了原子級(jí)別的混合或合金化。級(jí)別的混合或合金化。n技術(shù)：熱擴(kuò)滲工藝、離子注入工藝（技術(shù)：熱擴(kuò)滲工藝、離子注入工藝（“類擴(kuò)散類擴(kuò)散”界面）界面）等。等。金屬間化合物：兩種或兩種以上金屬以整數(shù)比（化學(xué)計(jì)量）金屬間化合物：兩種或兩種以上金屬以整數(shù)比（化學(xué)計(jì)量）組成的化合物。組成的化合物。除離子鍵和共價(jià)鍵之外，金屬間化合物有很強(qiáng)的金屬鍵結(jié)除離子

30、鍵和共價(jià)鍵之外，金屬間化合物有很強(qiáng)的金屬鍵結(jié)合，因而它具有金屬的一些特性。合，因而它具有金屬的一些特性。金屬間化合物仍然是金屬材料。金屬間化合物仍然是金屬材料。 (異質(zhì)異質(zhì))外延生長(zhǎng)界面外延生長(zhǎng)界面n定義：當(dāng)工藝條件合適時(shí)，在（單晶）襯底定義：當(dāng)工藝條件合適時(shí)，在（單晶）襯底表面沿原來(lái)的結(jié)晶軸向生成一層晶格完整的表面沿原來(lái)的結(jié)晶軸向生成一層晶格完整的新單晶層的工藝過(guò)程，就稱為外延生長(zhǎng)，形新單晶層的工藝過(guò)程，就稱為外延生長(zhǎng)，形成的界面稱為外延生長(zhǎng)界面。成的界面稱為外延生長(zhǎng)界面。n關(guān)鍵：結(jié)晶相容性（晶格失配數(shù)關(guān)鍵：結(jié)晶相容性（晶格失配數(shù)m?。┬。﹎=b-a/aa-基體晶格常數(shù)，基體晶格常數(shù)，b-薄

31、膜晶格常數(shù)薄膜晶格常數(shù)n特點(diǎn)：理論上應(yīng)有較好的結(jié)合強(qiáng)度。具體取特點(diǎn)：理論上應(yīng)有較好的結(jié)合強(qiáng)度。具體取決于所形成的單晶層與襯底的結(jié)合鍵類型，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(jià)鍵、離子鍵或金屬鍵等。如分子鍵、共價(jià)鍵、離子鍵或金屬鍵等。n技術(shù)：氣相外延（化學(xué)氣相沉積技術(shù)等）、技術(shù)：氣相外延（化學(xué)氣相沉積技術(shù)等）、液相外延（電鍍技術(shù)等）。液相外延（電鍍技術(shù)等）。襯底襯底SubstrateFilm缺失面缺失面失配位錯(cuò)失配位錯(cuò)Film襯底襯底Substrate化學(xué)鍵結(jié)合界面化學(xué)鍵結(jié)合界面n定義：當(dāng)覆層材料與基材之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，定義：當(dāng)覆層材料與基材之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成成分固定的化合物

32、時(shí)，兩種材料的界面形成成分固定的化合物時(shí)，兩種材料的界面就稱為化學(xué)鍵結(jié)合界面。就稱為化學(xué)鍵結(jié)合界面。n特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度較高，界面的韌性較差；表特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度較高，界面的韌性較差；表面發(fā)生粘連、氧化、腐蝕等化學(xué)作用也會(huì)產(chǎn)面發(fā)生粘連、氧化、腐蝕等化學(xué)作用也會(huì)產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合界面。生化學(xué)鍵結(jié)合界面。n技術(shù)：物理和化學(xué)氣相沉積技術(shù)、離子注入技術(shù)：物理和化學(xué)氣相沉積技術(shù)、離子注入技術(shù)、熱擴(kuò)滲技術(shù)、轉(zhuǎn)化膜技術(shù)等。技術(shù)、熱擴(kuò)滲技術(shù)、轉(zhuǎn)化膜技術(shù)等。陽(yáng)極氧化陽(yáng)極氧化+涂裝涂裝分子鍵結(jié)合界面分子鍵結(jié)合界面n定義：涂定義：涂(鍍鍍)層與基材表面以范德華力結(jié)合的界面。層與基材表面以范德華力結(jié)合的界面。n特點(diǎn)：覆層與基材特

33、點(diǎn)：覆層與基材(或襯底或襯底)之間未發(fā)生擴(kuò)散或化學(xué)之間未發(fā)生擴(kuò)散或化學(xué)作用。結(jié)合強(qiáng)度較低。作用。結(jié)合強(qiáng)度較低。n技術(shù)：部分（低溫）物理氣相技術(shù)、涂裝技術(shù)等。技術(shù)：部分（低溫）物理氣相技術(shù)、涂裝技術(shù)等。陽(yáng)極氧化陽(yáng)極氧化+涂裝涂裝機(jī)械結(jié)合界面機(jī)械結(jié)合界面n定義：覆層與基材的結(jié)合界面主要通過(guò)兩種定義：覆層與基材的結(jié)合界面主要通過(guò)兩種材料相互鑲嵌等機(jī)械連接作用而形成。材料相互鑲嵌等機(jī)械連接作用而形成。n特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度不高，但可起輔助作用。特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度不高，但可起輔助作用。n技術(shù)：熱噴涂、包鍍技術(shù)、涂裝技術(shù)等。技術(shù)：熱噴涂、包鍍技術(shù)、涂裝技術(shù)等。實(shí)際表面改性層中界面的結(jié)合機(jī)理常常實(shí)際表面改性層中界面的

34、結(jié)合機(jī)理常常是上述幾種機(jī)理的綜合。是上述幾種機(jī)理的綜合。應(yīng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)、控制界面的結(jié)合機(jī)理。應(yīng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)、控制界面的結(jié)合機(jī)理。機(jī)械結(jié)合界面示意圖機(jī)械結(jié)合界面示意圖陽(yáng)極氧化膜的多孔結(jié)構(gòu)陽(yáng)極氧化膜的多孔結(jié)構(gòu)三、表面晶體結(jié)構(gòu)三、表面晶體結(jié)構(gòu)n二維晶體結(jié)構(gòu)二維晶體結(jié)構(gòu)(二維布拉菲晶格二維布拉菲晶格) 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)陣）加上結(jié)點(diǎn)（陣點(diǎn)）來(lái)描任何一個(gè)二維周期性的結(jié)構(gòu)均可用一個(gè)二維晶格（點(diǎn)陣）加上結(jié)點(diǎn)（陣點(diǎn)）來(lái)描述，稱為二維晶格。述，稱為二維晶格。(呈二維周期性排列而形成的無(wú)限平面點(diǎn)陣，每個(gè)結(jié)點(diǎn)周?chē)那槌识S周期性排列而形成的無(wú)限平面點(diǎn)陣，每個(gè)結(jié)點(diǎn)周?chē)那闆r是相同的。況是相

35、同的。) 五種布拉菲二維晶格及晶胞五種布拉菲二維晶格及晶胞nTLK模型（模型（當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為0K時(shí)時(shí)理想表面理想表面）：在溫度相當(dāng)于在溫度相當(dāng)于0K時(shí)，表面原子結(jié)構(gòu)呈靜態(tài)。表面原子層可認(rèn)為是理想平面，時(shí)，表面原子結(jié)構(gòu)呈靜態(tài)。表面原子層可認(rèn)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)。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五種布拉菲二維晶格及晶胞nTLK模型（模型（當(dāng)溫度在當(dāng)溫度在0K以上時(shí)以上時(shí)實(shí)際表面實(shí)際表面）：當(dāng)溫度在當(dāng)溫度在0K以上時(shí)，由于原子的熱運(yùn)動(dòng)，晶體表面將產(chǎn)生低晶面指數(shù)的以上時(shí)，由于原子的熱運(yùn)動(dòng)，晶體表面將產(chǎn)生低晶面指數(shù)

36、的平臺(tái)平臺(tái)、一定密度的單分子或原子高度的一定密度的單分子或原子高度的臺(tái)階臺(tái)階、單分子或原子尺度的、單分子或原子尺度的扭折扭折，以及表面吸附，以及表面吸附的單原子及表面空位等。的單原子及表面空位等。n實(shí)際表面上還存在大量各種類型的缺陷，如原子空位、位錯(cuò)露頭實(shí)際表面上還存在大量各種類型的缺陷，如原子空位、位錯(cuò)露頭和晶界痕跡等和晶界痕跡等物理缺陷物理缺陷，材料組分和雜質(zhì)原子偏析等，材料組分和雜質(zhì)原子偏析等化學(xué)缺陷化學(xué)缺陷。上述表面缺陷對(duì)于固體材料的表面狀態(tài)和表面形成過(guò)程都有重上述表面缺陷對(duì)于固體材料的表面狀態(tài)和表面形成過(guò)程都有重要影響。要影響。（表面吸附、表面擴(kuò)散、形核等）（表面吸附、表面擴(kuò)散、形核

37、等）TLK模型：平臺(tái)模型：平臺(tái)(Terrace)一臺(tái)階一臺(tái)階(Ledge)一扭折一扭折(Kink)模型模型（補(bǔ)充）表面現(xiàn)象（補(bǔ)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(xué)現(xiàn)象稱為表面現(xiàn)象。定義：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。n種類：表面擴(kuò)散、吸附、潤(rùn)濕、粘著和毛細(xì)現(xiàn)象等。種類：表面擴(kuò)散、吸附、潤(rùn)濕、粘著和毛細(xì)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。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(hù)、表面涂覆等均會(huì)涉及到。在鑄造、焊接、金屬表面技術(shù)及防護(hù)、表面涂覆等均會(huì)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

38、遍存在于多相體系內(nèi)。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(shí)際表面存在表面能。實(shí)際表面存在表面能。四、表面擴(kuò)散四、表面擴(kuò)散n物質(zhì)中原子或分子的遷移現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。物質(zhì)中原子或分子的遷移現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。n可由可由Fick第第和第和第定律來(lái)描述，擴(kuò)散過(guò)程中原子平均擴(kuò)散距離定律來(lái)描述，擴(kuò)散過(guò)程中原子平均擴(kuò)散距離X為為: c 其中：其中：t為擴(kuò)散時(shí)間；為擴(kuò)散時(shí)間；c為受幾何因素影響的常數(shù)；為受幾何因素影響的常數(shù)；D為擴(kuò)散系數(shù)，為擴(kuò)散系數(shù)，決定擴(kuò)散決定擴(kuò)散速率大小速率大小。 D=D0exp( - Q/RT) Q為擴(kuò)散激活能，受材料的晶格結(jié)構(gòu)，固溶體的類型，合金元素的為擴(kuò)散激活能

39、，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濃度及含量和擴(kuò)散路徑擴(kuò)散路徑等因素的影響。等因素的影響。Dt 擴(kuò)散系數(shù)：擴(kuò)散系數(shù)：D=D0exp( - Q/RT)n原子的擴(kuò)散途徑除了最基本的體擴(kuò)散過(guò)程外，還有原子的擴(kuò)散途徑除了最基本的體擴(kuò)散過(guò)程外，還有表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散和位錯(cuò)擴(kuò)散和位錯(cuò)擴(kuò)散(短路擴(kuò)散短路擴(kuò)散)。Q表表 Q界界 Q位位 Q體體D表表 D界界 D位位 D體體n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。小得多。 表面擴(kuò)散在表面工程技術(shù)中的薄膜形核及長(zhǎng)大過(guò)程中起十分重要的

40、作用。表面擴(kuò)散在表面工程技術(shù)中的薄膜形核及長(zhǎng)大過(guò)程中起十分重要的作用。五、五、 表面（自由）能與表面張力表面（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(duì)稱狀態(tài)，故存在固體和液體的表面均處于空間三向不對(duì)稱狀態(tài)，故存在表面自由能表面自由能和和表表面張力面張力。 液體的表面自由能液體的表面自由能n產(chǎn)生原因：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)橐后w（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?，即增大表面積，需要環(huán)境對(duì)體系作功，從而形成表面能。表面原子，即增大表面積，需要環(huán)境對(duì)體系作功，從而形成表面能。n定義：定義：

41、 增大增大(液體液體)表面積所需要的功表面積所需要的功(能量能量)就是就是(液體液體)表面自由能。表面自由能。液體的表面張力液體的表面張力n產(chǎn)生原因：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(jìn)入液體內(nèi)部的趨勢(shì)，即縮小表面積處于表面的原子在向內(nèi)的吸引力作用下，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。的趨勢(shì)，從而產(chǎn)生表面張力。n定義：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。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(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)： 如上圖，在無(wú)摩擦的活動(dòng)邊如上圖，在無(wú)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)在的鐵絲框

42、上涂滿肥皂沫，為使膜不收縮，應(yīng)在活動(dòng)邊上加外力活動(dòng)邊上加外力F。n試驗(yàn)證明：試驗(yàn)證明： 施加的外力施加的外力F與活動(dòng)邊邊長(zhǎng)與活動(dòng)邊邊長(zhǎng)L成正比，即成正比，即 F=2 L =F/2L 式中：式中：“2”是因?yàn)橐耗び袃蓚€(gè)表面；是因?yàn)橐耗び袃蓚€(gè)表面； 即為表面張力即為表面張力(或張力系數(shù)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：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。 xLFAB肥皂膜肥皂膜增大增大(液體液體)表面積所需要的功表面積所需要的功(能量能量)就是就是(液體液體)表面自由能。表面自由能。n表面自由能：表面自由能：若使上圖活動(dòng)邊若使上圖活

43、動(dòng)邊AB移動(dòng)移動(dòng)dx的距離，根據(jù)表面自由能的定義，表面自由能與液膜面的距離，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：積的變化關(guān)系為： G=Fdx=2Ldx 稱單位面積的表面自由能為稱單位面積的表面自由能為比表面自由能比表面自由能(Fs)，即：，即： Fs=G/S=2Ldx/2Ldx = 由此可知，液體的由此可知，液體的比表面自由能比表面自由能Fs與表面張力與表面張力在數(shù)值上是相等的在數(shù)值上是相等的，其單位為：，其單位為：J/m2 （實(shí)際上，（實(shí)際上，1J/ m2=1Nm/m2=1N/m，故二者是有聯(lián)系的。但一個(gè)是單位面積的能，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

44、單位長(zhǎng)度的力。而另一個(gè)則為單位長(zhǎng)度的力。 ）液體表面自由能和表面張力在數(shù)值上是相等的，容易測(cè)定。液體表面自由能和表面張力在數(shù)值上是相等的，容易測(cè)定。xLFAB肥皂膜肥皂膜1.（固體）表面（自由）能（固體）表面（自由）能n嚴(yán)格意義上的表面能是指材料表面的內(nèi)能，無(wú)法測(cè)量其絕對(duì)值。嚴(yán)格意義上的表面能是指材料表面的內(nèi)能，無(wú)法測(cè)量其絕對(duì)值。n常用常用表面自由能表面自由能來(lái)描述材料表面能量的來(lái)描述材料表面能量的變化變化，其物理意義是指產(chǎn)生，其物理意義是指產(chǎn)生1cm2新表面需新表面需消耗的等溫可逆功。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(shí)總?cè)A球狀，因?yàn)檫@樣表面積最小，表面若不考慮重力，一定

45、體積的液體平衡時(shí)總?cè)A球狀，因?yàn)檫@樣表面積最小，表面能最低。能最低。n固體的外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固體的外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(tuán)聚）構(gòu)成總的表面自由能最低的形狀。（粉末團(tuán)聚）2（固體）表面張力（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原子在表面和內(nèi)在表面和內(nèi)部的排列狀態(tài)的差別而引起的。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。表面張力和表面自由能的關(guān)系密切。n液體表

46、面自由能和表面張力在數(shù)學(xué)上是相等的，容易測(cè)定。液體表面自由能和表面張力在數(shù)學(xué)上是相等的，容易測(cè)定。n固體的表面張力很難準(zhǔn)確測(cè)定。固體的表面張力很難準(zhǔn)確測(cè)定。表面自由能和表面張力對(duì)其表面性能影響極大，應(yīng)充分重視。表面自由能和表面張力對(duì)其表面性能影響極大，應(yīng)充分重視。六、固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附六、固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附1吸附的基本特性吸附的基本特性n吸附作用：物體表面上的原子或分子力場(chǎng)不飽和，有吸引周?chē)渌镔|(zhì)吸附作用：物體表面上的原子或分子力場(chǎng)不飽和，有吸引周?chē)渌镔|(zhì)(主要是氣主要是氣體、液體體、液體)分子的能力。分子的能力。n定義：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

47、液體增加或減少的定義：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液體增加或減少的現(xiàn)象稱為吸附現(xiàn)象現(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。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(xué)吸附兩類。（表固體表面的吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類。（表2-1）n化學(xué)吸附中，吸附原子與固體表面之間的結(jié)合力比物理吸附中的范德華力大得多。化學(xué)吸附中，吸附原子與固體表面之間的結(jié)合力比物理吸附中的范德華力大得多。n物理吸附中吸附劑和固體表面之間不發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移；化學(xué)吸附中有電子的轉(zhuǎn)移。物理吸附中吸附劑和固體表面之間不發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移；化學(xué)吸附中有電子的轉(zhuǎn)移。n物理吸附往往很容

48、易解吸，為可逆過(guò)程；而化學(xué)吸附很難解吸，為不可逆過(guò)程。物理吸附往往很容易解吸，為可逆過(guò)程；而化學(xué)吸附很難解吸，為不可逆過(guò)程。n有時(shí)會(huì)出現(xiàn)化學(xué)吸附和物理吸附同時(shí)存在的現(xiàn)象。有時(shí)會(huì)出現(xiàn)化學(xué)吸附和物理吸附同時(shí)存在的現(xiàn)象。2.固體對(duì)氣體的吸咐固體對(duì)氣體的吸咐n任何氣體在其任何氣體在其臨界溫度臨界溫度以上，都會(huì)被吸附于固體表面，即發(fā)生物理吸附。以上，都會(huì)被吸附于固體表面，即發(fā)生物理吸附。n常見(jiàn)氣體對(duì)大多數(shù)金屬而言，其吸附強(qiáng)度大致可以按下列順序排列：常見(jiàn)氣體對(duì)大多數(shù)金屬而言，其吸附強(qiáng)度大致可以按下列順序排列： 02 C2H2 C2H4 CO H2 C02 N2n固體表面對(duì)氣體的吸附在表面工程技術(shù)中的作用非

49、常重要。固體表面對(duì)氣體的吸附在表面工程技術(shù)中的作用非常重要。 氣相沉積中薄膜的形核，氣體滲碳、滲氮等工藝氣相沉積中薄膜的形核，氣體滲碳、滲氮等工藝使物質(zhì)由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的最高溫度。使物質(zhì)由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的最高溫度。3.固體對(duì)液體的吸咐固體對(duì)液體的吸咐n固體對(duì)液體的吸附：物理吸附和化學(xué)吸附。固體對(duì)液體的吸附：物理吸附和化學(xué)吸附。n物理吸附膜一般對(duì)溫度很敏感：溫度提高后會(huì)引起吸附膜的解吸、重新排列甚至物理吸附膜一般對(duì)溫度很敏感：溫度提高后會(huì)引起吸附膜的解吸、重新排列甚至熔化。熔化。n化學(xué)吸附膜往往是先形成物理吸附膜，然后在界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成化學(xué)吸附。化學(xué)吸附膜往往是先形成物理吸附膜，然后在界面

50、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成化學(xué)吸附。n固體表面的粗糙度、污染程度、液體表面張力和潤(rùn)濕條件等對(duì)吸附有很大的影響。固體表面的粗糙度、污染程度、液體表面張力和潤(rùn)濕條件等對(duì)吸附有很大的影響。n固體表面對(duì)液體分子有吸附作用：固體表面對(duì)液體分子有吸附作用：對(duì)電解質(zhì)的吸附，對(duì)非電解質(zhì)的吸附。對(duì)電解質(zhì)的吸附，對(duì)非電解質(zhì)的吸附。n對(duì)電解質(zhì)的吸附將使固體表面帶電或者雙電層中的組分發(fā)生變化，產(chǎn)生對(duì)電解質(zhì)的吸附將使固體表面帶電或者雙電層中的組分發(fā)生變化，產(chǎn)生離子交換離子交換作用。（電化學(xué)腐蝕、電鍍）作用。（電化學(xué)腐蝕、電鍍）n對(duì)非電解質(zhì)溶液的吸附，一般表現(xiàn)為單分子層吸附，吸附層以外就是本體相溶液。對(duì)非電解質(zhì)溶液的吸附，一般表

51、現(xiàn)為單分子層吸附，吸附層以外就是本體相溶液。n固體可能同時(shí)吸附溶劑和溶質(zhì)，但吸附的程度不同：固體可能同時(shí)吸附溶劑和溶質(zhì)，但吸附的程度不同：吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比本體相大，稱為正吸附；反之則稱為負(fù)吸附。吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比本體相大，稱為正吸附；反之則稱為負(fù)吸附。（溶質(zhì)被正吸附時(shí)，溶劑必然被負(fù)吸附；反之亦然。）（溶質(zhì)被正吸附時(shí)，溶劑必然被負(fù)吸附；反之亦然。）n在稀溶液中可忽略溶劑對(duì)吸附的影響，將溶質(zhì)的吸附簡(jiǎn)單當(dāng)作氣體的物理吸附處在稀溶液中可忽略溶劑對(duì)吸附的影響，將溶質(zhì)的吸附簡(jiǎn)單當(dāng)作氣體的物理吸附處理。而當(dāng)溶質(zhì)濃度較大時(shí)，則必須把溶質(zhì)的吸附和溶劑的吸附同時(shí)考慮。理。而當(dāng)溶質(zhì)濃度較大時(shí)，則必須把溶質(zhì)的吸

52、附和溶劑的吸附同時(shí)考慮。4.固體表面之間的吸咐固體表面之間的吸咐n固體和固體表面同樣有吸附作用（在原子間距范圍內(nèi)）。固體和固體表面同樣有吸附作用（在原子間距范圍內(nèi)）。n粘附程度的大小可用粘附功粘附程度的大小可用粘附功WAB表示：表示：WAB A B AB式中：式中： WAB為粘附功；為粘附功； A 、B分別為分別為A、B兩種固體的表面張力；兩種固體的表面張力； AB為為A、B形成新的界面時(shí)的界面張力。形成新的界面時(shí)的界面張力。n兩個(gè)不同物質(zhì)間的粘附功往往超過(guò)其中較弱物質(zhì)的內(nèi)聚力。兩個(gè)不同物質(zhì)間的粘附功往往超過(guò)其中較弱物質(zhì)的內(nèi)聚力。n表面的污染會(huì)使粘附力大大減小。表面的污染會(huì)使粘附力大大減小。n

53、固體的粘附作用只有當(dāng)固體斷面很小并且很清潔時(shí)才能表現(xiàn)出來(lái)。固體的粘附作用只有當(dāng)固體斷面很小并且很清潔時(shí)才能表現(xiàn)出來(lái)。式式(2-6)5.吸附對(duì)材料力學(xué)性能的影響吸附對(duì)材料力學(xué)性能的影響萊賓杰爾效應(yīng)萊賓杰爾效應(yīng)n由于環(huán)境介質(zhì)的作用，材料的強(qiáng)度、塑性、耐磨性等力學(xué)性能大大降低。其原因：由于環(huán)境介質(zhì)的作用，材料的強(qiáng)度、塑性、耐磨性等力學(xué)性能大大降低。其原因：1、不可逆的物理過(guò)程與物理化學(xué)過(guò)程引起的效應(yīng)（如腐蝕等）：與化學(xué)、電化、不可逆的物理過(guò)程與物理化學(xué)過(guò)程引起的效應(yīng)（如腐蝕等）：與化學(xué)、電化學(xué)過(guò)程及反應(yīng)有關(guān)；學(xué)過(guò)程及反應(yīng)有關(guān)；2、可逆的物理過(guò)程和可逆物理化學(xué)過(guò)程引起的效應(yīng)，這些過(guò)程降低固體、可逆的物

54、理過(guò)程和可逆物理化學(xué)過(guò)程引起的效應(yīng)，這些過(guò)程降低固體表面自表面自由能由能，并不同程度地改變材料本身的力學(xué)性能。，并不同程度地改變材料本身的力學(xué)性能。n因環(huán)境介質(zhì)的影響及表面自由能減少導(dǎo)致固體強(qiáng)度、塑性降低的現(xiàn)象，稱為萊賓杰因環(huán)境介質(zhì)的影響及表面自由能減少導(dǎo)致固體強(qiáng)度、塑性降低的現(xiàn)象，稱為萊賓杰爾效應(yīng)。（爾效應(yīng)。（1928年）年）n任何固體（晶體和非晶體、連續(xù)的和多孔的、金屬和半導(dǎo)體、離子晶體和共價(jià)晶體、任何固體（晶體和非晶體、連續(xù)的和多孔的、金屬和半導(dǎo)體、離子晶體和共價(jià)晶體、玻璃和聚合物）都有萊賓杰爾效應(yīng)：玻璃和聚合物）都有萊賓杰爾效應(yīng)：玻璃和石膏吸附水蒸氣后，其強(qiáng)度明顯下降；玻璃和石膏吸附水

55、蒸氣后，其強(qiáng)度明顯下降；銅表面覆蓋熔融薄膜后，會(huì)使其固有的高塑性喪失；銅表面覆蓋熔融薄膜后，會(huì)使其固有的高塑性喪失；n萊賓杰爾效應(yīng)具有如下顯著特征：萊賓杰爾效應(yīng)具有如下顯著特征： 1)環(huán)境介質(zhì)的影響有很明顯的化學(xué)特征。（水銀對(duì)鋅有影響，但對(duì)鎘無(wú)影響）環(huán)境介質(zhì)的影響有很明顯的化學(xué)特征。（水銀對(duì)鋅有影響，但對(duì)鎘無(wú)影響） 2)只要很少量的表面活性物質(zhì)就可以產(chǎn)生萊賓杰爾效應(yīng)。（表面微米量級(jí)、幾滴）只要很少量的表面活性物質(zhì)就可以產(chǎn)生萊賓杰爾效應(yīng)。（表面微米量級(jí)、幾滴） 3)表面活性熔融物的作用十分迅速。表面活性熔融物的作用十分迅速。 4)表面活性物質(zhì)的影響是可逆的，即從固體表面去除活性物質(zhì)后，其力學(xué)性能

56、一般表面活性物質(zhì)的影響是可逆的，即從固體表面去除活性物質(zhì)后，其力學(xué)性能一般會(huì)會(huì)完全完全恢復(fù)?；謴?fù)。 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。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。n萊賓杰爾效應(yīng)的本質(zhì)：金屬表面對(duì)活性介質(zhì)的吸附，使表面原子的萊賓杰爾效應(yīng)的本質(zhì)：金屬表面對(duì)活性介質(zhì)的吸附，使表面原子的不飽和鍵不飽和鍵得到得到補(bǔ)償，使表面能降低，改變了表面原子間的相互作用，使金屬的表面強(qiáng)度降低。補(bǔ)償，使表面能降低，改變了表面原子間的相互作用，使金屬的表面強(qiáng)度降低。n在生產(chǎn)中，萊賓杰爾效應(yīng)具有重要的實(shí)際意義。一方面可利用此效應(yīng)提高金屬加在生產(chǎn)中，萊賓杰爾效應(yīng)具有重要的實(shí)

57、際意義。一方面可利用此效應(yīng)提高金屬加工工(壓力加工、切削、磨削、破碎等壓力加工、切削、磨削、破碎等)效率，大量節(jié)省能源。另一方面，應(yīng)注意避效率，大量節(jié)省能源。另一方面，應(yīng)注意避免因此效應(yīng)所造成的材料早期破壞。免因此效應(yīng)所造成的材料早期破壞。七、固體表面的潤(rùn)濕七、固體表面的潤(rùn)濕1. 潤(rùn)濕現(xiàn)象與機(jī)理潤(rùn)濕現(xiàn)象與機(jī)理n定義：液體在固體表面上鋪展的現(xiàn)象。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)：親水物質(zhì)、疏水物質(zhì)：n潤(rùn)濕角：潤(rùn)濕角：LGLGSGSLn潤(rùn)濕程度的定義：潤(rùn)濕程度的定義：潤(rùn)濕和不潤(rùn)濕不是截然分開(kāi)的。潤(rùn)濕和不潤(rùn)濕不是截然分開(kāi)的。nYoung方程：方程：nYoung方程反映了潤(rùn)濕角的

58、大小與三相方程反映了潤(rùn)濕角的大小與三相界面張力界面張力之間的定量關(guān)系：之間的定量關(guān)系：n表面能表面能(表面張力表面張力)高的固體高的固體(金屬及其氧化物、無(wú)機(jī)鹽等金屬及其氧化物、無(wú)機(jī)鹽等)比表面能低的固體比表面能低的固體(有機(jī)有機(jī)物等物等)更易被液體所潤(rùn)濕。更易被液體所潤(rùn)濕。式式(2-7)式式(2-8)n機(jī)理：機(jī)理：潤(rùn)濕與否取決于液體分子間相互吸引力潤(rùn)濕與否取決于液體分子間相互吸引力(內(nèi)聚力內(nèi)聚力)和液和液-固分子間吸引力固分子間吸引力(粘附力粘附力)的相對(duì)大小。若液的相對(duì)大小。若液-固粘附力較大，則液體在固體表面鋪展，呈潤(rùn)濕；若液體內(nèi)聚固粘附力較大，則液體在固體表面鋪展，呈潤(rùn)濕；若液體內(nèi)聚力

59、占優(yōu)勢(shì)則不鋪展，呈不潤(rùn)濕。力占優(yōu)勢(shì)則不鋪展，呈不潤(rùn)濕。當(dāng)液體（或固體）種類確定時(shí)，選擇合適極性的固體（或液體）將直當(dāng)液體（或固體）種類確定時(shí)，選擇合適極性的固體（或液體）將直接影響潤(rùn)濕程度。接影響潤(rùn)濕程度。2.鋪展系數(shù)鋪展系數(shù)n液體在固體表面（液體在固體表面（理想的平滑表面理想的平滑表面）的鋪展系數(shù)定義為：）的鋪展系數(shù)定義為：當(dāng)當(dāng)SL/S=0時(shí)，鋪展（完全潤(rùn)濕）時(shí)，鋪展（完全潤(rùn)濕）當(dāng)當(dāng)SL/S0時(shí)，不鋪展（不完全潤(rùn)濕或完全不潤(rùn)濕）時(shí)，不鋪展（不完全潤(rùn)濕或完全不潤(rùn)濕）當(dāng)當(dāng)SL/S 0時(shí)，自動(dòng)展開(kāi)，時(shí)，自動(dòng)展開(kāi)， Young方程已不適用方程已不適用n液體在粗糙的固體表面的鋪展系數(shù)為：液體在粗糙的固

60、體表面的鋪展系數(shù)為：n粗糙表面的鋪展系數(shù)遠(yuǎn)大于光滑表面的粗糙表面的鋪展系數(shù)遠(yuǎn)大于光滑表面的（當(dāng)當(dāng)cos0時(shí)時(shí)）表面工程技術(shù)實(shí)施前，材料表面狀態(tài)（表面預(yù)處理工藝）對(duì)表面改性表面工程技術(shù)實(shí)施前，材料表面狀態(tài)（表面預(yù)處理工藝）對(duì)表面改性層質(zhì)量的影響至關(guān)重要。層質(zhì)量的影響至關(guān)重要。0式式(2-9)式式(2-10)式式(2-7)式式(2-8)Young方程：方程：3.潤(rùn)濕理論的應(yīng)用潤(rùn)濕理論的應(yīng)用潤(rùn)濕理論在各種工程技術(shù)尤其是表面工程技術(shù)中應(yīng)用很廣泛。潤(rùn)濕理論在各種工程技術(shù)尤其是表面工程技術(shù)中應(yīng)用很廣泛。n增強(qiáng)潤(rùn)濕程度：增強(qiáng)潤(rùn)濕程度：表面活性物質(zhì)減小潤(rùn)濕角表面活性物質(zhì)減小潤(rùn)濕角表面適度粗化增大鋪展系數(shù)表面適