《金屬表面處理技術》（第2版） 課件 第1、2章 緒論、金屬表面工程技術基礎理論

目錄第1章緒論第2章金屬表面工程技術基礎理論第3章金屬表面預處理工藝第4章金屬表面改性技術第9章堆焊技術第10章表面微細加工技術第11章金屬表面再制造技術第12章先進特種表面處理技術第5章金屬表面鍍層技術第6章金屬表面轉(zhuǎn)化膜技術第7章涂裝技術第8章熱噴涂技術

第1章

緒論目錄介紹內(nèi)容講解考核方法學習方法啟發(fā)激勵【學習目標】掌握表面工程技術的含義、特征、體系及分類。熟悉金屬表面處理技術在材料科學與工程中和在腐蝕與防護中的應用。第01章緒論----------------------------------------------------------2學時第02章金屬表面工程技術基礎理論----------------------------2學時第03章金屬表面預處理工藝-------------------------------------4學時（含1個實驗）第04章金屬表面改性技術----------------------------------------6學時（含2個實驗）第05章金屬表面鍍層技術----------------------------------------6學時（含1個實驗）第06章金屬表面轉(zhuǎn)化膜技術-----------------------------------10學時（含3個實驗）第07章涂裝技術----------------------------------------------------2學時第08章熱噴涂技術-------------------------------------------------2學時第09章堆焊技術----------------------------------------------------4學時（含1個實驗）第10章表面微細加工技術----------------------------------------2學時第11章金屬表面再制造技術-------------------------------------2學時第12章先進特種表面處理技術----------------------------------2學時

其中：習題課2；半期考試2；

共48學時

目錄參考書目王學武.金屬表面處理技術。北京：機械工業(yè)出版社，2014.（ISBN:978-7-111-47157-8）生活中你經(jīng)常觀察到與表面防護相關的現(xiàn)象嗎？【案例導入】【案例導入】

眾所周知，所有物體都不可避免地與環(huán)境相接觸，而真正與環(huán)境接觸的是物體的表面。長期以來，人們認識到一旦使用的產(chǎn)品、零件等發(fā)生表面材料的損耗和流失，就會引起幾何尺寸的改變、使用性能的破壞，進而降低了其使用壽命，甚至不能完成正常的工作。例如：各種機械設備和零部件，它們在使用過程中發(fā)生腐蝕、磨損、氧化、浸蝕等，機件表面首先發(fā)生破壞，會引起整個機件的失效，造成巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，世界鋼產(chǎn)量的1/10由于腐蝕而損失，機電產(chǎn)品制造和使用中大約1/3的能源直接消耗于摩擦磨損。因此，提高產(chǎn)品的性能就需要從延緩和控制其表面失效著手?！景咐龑搿?/p>

表面工程是改善機械零件、電子電器元件等基體材料表面性能的一門學科。它是將材料表面與基體一起作為一個系統(tǒng)進行設計，利用各種物理、化學或機械等方法和技術，使材料表面獲得具有與基體不同性能的系統(tǒng)工程。表面工程既可對材料表面改性，制備各種性能的涂層、鍍層、滲層等覆蓋層，成倍地延長機件的壽命；又可對廢舊機件進行修復；還可用來制備新材料。目前表面工程已成為綠色再制造工程的關鍵技術之一。1.1表面工程技術概述

1.表面工程技術的定義

表面工程是對表面進行預處理后，通過表面涂覆、表面改性、多種表面技術復合處理，改變固定金屬表面或非金屬表面的化學成分、組織結(jié)構(gòu)和應力狀況，以獲得表面所需性能的系統(tǒng)工程。

簡而言之，表面工程是應用各種鍍覆層技術、表面改性技術等來提高產(chǎn)品和零件的質(zhì)量，延長其使用壽命的系統(tǒng)工程。表面工程是近代技術與經(jīng)典表面工藝相結(jié)合而繁衍發(fā)展起來的、既有堅實的科學基礎，又具有明顯的交叉、邊緣學科的性質(zhì)和極強的實用性。表面工程在實際應用中越來越彰顯出巨大的作用。

石油化工設備閥體熱噴涂零部件

2.表面工程技術的特征1）在不改變零件整體材質(zhì)的前提下，賦予了表面擁有基體材料不具備的特殊性能。2）可以實現(xiàn)多種基材與鍍覆層的組合?；目梢允墙饘?、有機材料、無機材料等；鍍覆層可以是金屬、合金、高分子、陶瓷、非晶態(tài)等構(gòu)成的單一的或復合材料。3）可對磨損、腐蝕破壞的零件進行再制造，從而達到節(jié)約能源、降低損耗、保護環(huán)境的目的。1.1表面工程技術概述3.表面工程技術的功能表面工程技術可使零件上局部或整個表面具備如下功能：提高耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞、耐氧化、防輻射性能；提高表面的潤滑性；實現(xiàn)表面的自修復；改善表面的傳熱性；改善表面的導電性或絕緣性；改善表面的黏著性。1.1表面工程技術概述4.表面工程技術的意義(1) 表面工程技術是保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎工藝藝術，滿足不同工況服役與裝飾外觀的要求，顯著提高產(chǎn)品的使用壽命、可靠性與市場競爭能力。(2) 表面工程技術是節(jié)能、節(jié)材和挽回經(jīng)濟損失的有效手段。(3) 表面工程技術在制備新型材料方面具有特殊的優(yōu)勢。(4) 表面工程技術是微電子技術發(fā)展的基礎技術。1.1表面工程技術概述

表面工程已經(jīng)發(fā)展為橫跨材料學、摩擦學、物理學、化學、力學、腐蝕與防護學、焊接學、光電子學等綜合性學科表面工程包括表面科學、表面應用基礎理論、表面工程技術、表面工程的應用、表面質(zhì)量的檢測與控制、表面工程的技術設計等。綜合來看，該體系主要由以下部分組成：(1)材料表面工程技術這是材料表面科學與工程體系的主體。(2)材料表面科學基礎主要由表面物理、表面化學及表面分析三部分組成。(3)材料表面工程應用主要指表面技術的應用、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。1.2表面工程技術體系為什么要進行分類？1.3表面工程技術分類1.3表面工程技術分類

表面工程技術的種類很多，應用范圍各異，從不同的角度觀察和分析，可以把表面工程技術按照如下方法進行分類：1.按學科特點進行分類

（1）表面涂鍍技術

表面涂鍍技術是指將液態(tài)涂料涂覆在材料表面，或者將鍍料原子沉積在材料表面，從而形成涂層或鍍層的技術。典型的表面涂鍍技術包括熱噴涂、堆焊、化學鍍、氣相沉積和涂裝等技術。

（2）表面改性技術

表面改性技術利用熱處理、機械處理、離子處理和化學處理等方法，改變材料表層的成分及性能的技術。常用的表面改性技術包括熱擴滲、轉(zhuǎn)化膜、表面合金化、離子注入和噴丸強化等技術。

（3）表面薄膜技術

表面薄膜技術采用各種方法在工件（或襯底）表面上沉積的厚度為100nm至1um或數(shù)微米厚薄膜的技術。按技術特點可以將薄膜分為光學薄膜、微電子學薄膜、光電子學薄膜、集成光學薄膜、信息存儲和保護功能薄膜六大類；但按膜層組成則可將薄膜分為金屬膜、合金膜、有機化合物膜、陶瓷膜等，其制備方法主要是氣相沉積。

2.按表面化學成分是否改變進行分類

（1）按表面化學成分改變進行分類

按表面化學成分改變進行分類，在改變表面化學成分的同時，也改變了表面的組織結(jié)構(gòu)，從而使表面擁有了不同的性能。1）表面有鍍覆層。通過涂裝、貼片、包箔、電鍍、化學鍍、氣相沉積、熔覆、熱噴涂、熱浸鍍、堆焊等表面覆層的方法，在基本表面形成一層或數(shù)層、有一定厚度的且與基體不同的材料，獲得化學組成、組織結(jié)構(gòu)及性能有別于基體的表面鍍覆層。

2）表面無附加覆層。利用陽極氧化、化學熱處理、表面合金化、離子注入等表面改性的方法，使所需的原子（或離子）進入基體表面，達到改變基體表面化學組成、相結(jié)構(gòu)以及性能的目的。

（2）按表面化學成分不改變進行分類

按表面化學成分不改變進行分類，保持原材料表面的化學成分不變，通過表面淬火、噴丸、滾壓、重熔等方法改變表面的組織結(jié)構(gòu)，進而改善或提高表面的使用性能。1.3表面工程技術分類

3.按表面覆層的種類分類（1）表面無覆層

表面無覆層通過化學預處理、精整、機械強化等，不改變基本表面的化學組成，只改變其表面形態(tài)、應力狀態(tài)、組織結(jié)構(gòu)等。（2）表面金屬覆層

表面金屬覆層利用電鍍、化學鍍、熱噴涂、熱浸鍍、熔鍍、氣相沉積、表面合金化等，在基體表面形成金屬、合金、金屬基復合層。（3）表面有機覆層

表面有機覆層使用涂裝等方法，在基體表面涂覆涂料、橡膠、塑料、柏油涂層等。（4）表面無機覆層

表面無機覆層借助熱噴涂、熔燒、烘烤等方法，在基體表面涂覆搪瓷、玻璃、陶瓷、水泥涂層等。（5）表面化學轉(zhuǎn)化層

表面化學轉(zhuǎn)化層通過電化學、化學處理、在鋼鐵或鋅、鋁、鎂、鈦金屬或合金表面形成氧化物、磷酸鹽、鉻酸鹽、草酸鹽膜層等。1.3表面工程技術分類

4.按作用機制分類（1）原子沉積

原子沉積是沉積物質(zhì)以原子，離子，分子和粒子團等原子尺度粒子形態(tài)在材料表面構(gòu)成外加鍍覆層，包括電鍍、化學鍍、氣相沉積等。（2）顆粒沉積

顆粒沉積是沉積物質(zhì)以宏觀顆粒的形態(tài)在材料表面形成覆蓋層，包括熱噴涂、搪瓷涂敷等。（3）整體覆蓋

整體覆蓋是將覆蓋材料均勻涂敷于材料的工作表面，包括熱浸鍍、貼片、涂裝、堆焊等。（4）表面改性

表面改性是利用物理、化學、機械等方法改變材料表面的結(jié)構(gòu)和性能，包括電化學轉(zhuǎn)化、表面處理、化學熱處理、離子注入、噴丸等。1.3表面工程技術分類

5.按工藝方法特點分類（1）電化學法

電化學法是利用電極反應在材料基體表面形成鍍覆層，如電鍍、電刷鍍、陽極氧化等。（2）化學方法

化學方法是利用化學物質(zhì)的相互作用和轉(zhuǎn)化，在基體表面形成鍍覆層，如化學鍍、化學轉(zhuǎn)化等。（3）熱加工法

熱加工法是在高溫下將材料熔融或熱擴散，在基體表面形成涂滲層，如熱噴涂、熱浸鍍、堆焊、熔覆、表面合金化等。（4）高真空法

高真空法是利用材料在高真空條件下汽化，受激離子化而形成的表面鍍覆層，如真空蒸鍍、離子鍍、濺射鍍等。1.3表面工程技術分類

6.按表面層功能特性分類（1）裝飾

裝飾是表面具有不同的色澤、花紋等，美化材料的外觀，增加視覺欣賞性。（2）耐磨減摩

耐磨減摩是表面耐磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損等，抗擦傷咬死，減摩自潤滑，可磨耗密封等。（3）耐磨減摩

耐磨減摩是耐大氣、海水、土壤、化學介質(zhì)浸漬腐蝕等。（4）耐熱及熱功能

耐熱及熱功能是耐熱、抗高溫氧化、抗熱疲勞、熱絕緣、熱輻射等。（5）光電磁

光電磁是指光、電、磁、透光、反光、消光、導電、超導、絕緣、半導體、軟磁、硬磁、磁光等。（6）其他

其他是指吸波、紅外反射、太陽能吸收、屏蔽、焊接性、熱加工、修復、催化、生物功能等。1.3表面工程技術分類1.4表面工程技術內(nèi)容表面技術可以從不同的角度進行歸納、分類，綜合來看，表面技術的內(nèi)容大致上可分為以下幾個部分：1）表面技術的基礎和應用理論。2）表面處理技術它又包括表面覆蓋技術、表面改性技術和復合表面處理技術三部分。3）表面加工技術。4）表面分析和測試技術。5）表面技術設計。1.4表面工程技術內(nèi)容1．表面技術的基礎和應用理論表面技術的應用理論，包括表面失效分析、摩擦與磨損理論、表面腐蝕與防護理論、表面結(jié)合與復合理論等，它們對表面技術的發(fā)展和應用有著直接的、重要的影響。2．表面覆蓋技術電鍍它是利用電解作用，把具有導電性能的工件表面與電解質(zhì)溶液接觸，并作為陰極，通過外電流的作用，在工件表面沉積與基體牢固結(jié)合的鍍覆層。電刷鍍它是電鍍的一種特殊方法，又稱接觸鍍、選擇鍍、涂鍍、無槽電鍍等。化學鍍又稱“不通電”鍍，鍍覆層主要是金屬和合金，最常用的是鎳和銅。1.4表面工程技術內(nèi)容(4)涂裝它是用一定的方法將涂料涂覆于工件表面而形成涂膜的全過程。黏結(jié)它是用黏結(jié)劑將各種材料或制件連結(jié)成為一個牢固整體的方法，稱為黏結(jié)或黏合。堆焊它是在金屬零件表面或邊緣，熔焊上耐磨、耐蝕或特殊性能的金屬層，修復外形不合格的金屬零件及產(chǎn)品。熔結(jié)它與堆焊相似，所用的工藝是真空熔覆、激光熔覆和噴熔涂覆等。熱噴涂經(jīng)熱噴涂的工件具有耐磨、耐熱、耐蝕等功能。1.4表面工程技術內(nèi)容(9)塑料粉末涂覆利用塑料具有耐蝕、絕緣、美觀等特點，主要起保護和裝飾的作用。(10)電火花涂覆這是一種直接利用電能的高密度能量對金屬表面進行涂覆處理的工藝(11)熱浸鍍主要目的是提高工件的防護能力，延長使用壽命。搪瓷涂覆陶瓷涂覆溶膠-凝膠技術真空蒸鍍1.4表面工程技術內(nèi)容（15）濺射鍍（16）離子鍍（17）化學氣相沉積（CVD）（18）分子束外延（MBE）（19）離子束合成薄膜技術（20）離子束輔助沉積（IBAD）（21）離子簇束（ICB）（22）化學轉(zhuǎn)化膜（23）熱燙?。?4）暫時性覆蓋處理1.4表面工程技術內(nèi)容3．表面改性技術噴丸強化在受噴材料的再結(jié)晶溫度下進行的一種冷加工方法表面熱處理指僅對工件表層進行熱處理，以改變其組織和性能的工藝?；瘜W熱處理將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。1.4表面工程技術內(nèi)容3．表面改性技術（4）等離子擴滲處理（PDT），是指在通常大氣壓力下的特定氣氛中利用工件（陰極）和陽極之間產(chǎn)生的輝光放電進行熱處理的工藝。（5）激光表面處理主要利用激光的高亮度、高方向性和高單色性的三大特點，對材料表面進行各種處理，顯著改善其組織結(jié)構(gòu)和性能。。（6）電子束表面處理。（7）高密度太陽能表面處理。（8）離子注入表面改性1.4表面工程技術內(nèi)容4．復合表面技術表面技術的另一個重要趨向是綜合運用兩種或更多種表面技術的復合表面技術將獲得迅速發(fā)展。目前已開發(fā)出一些復合表面技術，如等離子噴涂與激光輻射復合、熱噴涂與噴丸復合、化學熱處理與電鍍復合、激光淬火與化學熱處理復合、化學熱處理與氣相沉積復合等。5．表面加工技術表面加工技術也是表面技術的一個重要組成部分。例如對金屬材料而言，表面加工技術有電鑄、包覆、拋光、蝕刻等，它們在工業(yè)上獲得了廣泛的應用。目前高新技術不斷涌現(xiàn)，層出不窮，大量先進的產(chǎn)品對加工技術的要求越來越高，在精細化上已從微米級、亞微米級發(fā)展到納米級，對表面加工技術的要求越來越刻，其中半導體器件的發(fā)展是典型的實例。1.4表面工程技術內(nèi)容4．復合表面技術

表面技術的另一個重要趨向是綜合運用兩種或更多種表面技術的復合表面技術將獲得迅速發(fā)展。目前已開發(fā)出一些復合表面技術，如等離子噴涂與激光輻射復合、熱噴涂與噴丸復合、化學熱處理與電鍍復合、激光淬火與化學熱處理復合、化學熱處理與氣相沉積復合等。1.4表面工程技術內(nèi)容5．表面加工技術表面加工技術也是表面技術的一個重要組成部分。例如對金屬材料而言，表面加工技術有電鑄、包覆、拋光、蝕刻等，它們在工業(yè)上獲得了廣泛的應用。目前高新技術不斷涌現(xiàn)，層出不窮，大量先進的產(chǎn)品對加工技術的要求越來越高，在精細化上已從微米級、亞微米級發(fā)展到納米級，對表面加工技術的要求越來越刻，其中半導體器件的發(fā)展是典型的實例。6．表面分析和測試技術

各種表面分析儀器和測試技術的出現(xiàn)，不僅為揭示材料本性和發(fā)展新的表面技術提供了堅實的基礎，而且為生產(chǎn)上合理使用或選擇合適的表面技術，分析和防止表面故障，改進工藝設備，提供了有力的手段。1.4表面工程技術內(nèi)容

7．表面技術設計

按預定的技術和經(jīng)濟指標進行嚴密的設計，逐步形成一種充分利用計算機技術，借助數(shù)據(jù)庫、知識庫、推理機等工具，通過演繹和歸納等科學方法，而能獲得最佳效益的設計系統(tǒng)。這類設計系統(tǒng)包括：(1) 材料表面鍍涂層或處理層的成分、結(jié)構(gòu)、厚度、結(jié)合強度以及各種要求的性能。(2) 基體材料的成分、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)等。(3) 實施表面處理或加工的流程、設備、工藝、檢驗等。(4) 綜合的管理和經(jīng)濟等分析設計。1.5表面工程技術應用

表面工程技術以其高度的實用性以及優(yōu)質(zhì)、高效、低耗等特點，在制造業(yè)和維修中占領了日益廣泛的市場，其應用已經(jīng)遍布各行各業(yè)，可以說幾乎有表面的地方就離不開表面工程技術。

表面工程技術可以用于耐蝕、耐磨、修復、強化和裝飾等各個方面，也可以用于光、電、磁、聲、熱、化學和生物等方面，所使用的基體材料可以是金屬材料，也可以是無機非金屬材料、有機高分子材料及復合材料。1.減緩和消除金屬材料表面的變化和損傷

在自然界和工程實踐中，金屬機器設備和零部件需要承受各種外界負荷，并產(chǎn)生形式多樣、程度不一的表面變化及損傷。使用表面技術減緩材料表面變化及損傷，掩蓋表面缺陷，可以提高材料及其零部件使用的可靠性，延長服役壽命。圖1-3機械加工后表面受到損傷的軸1.5.1表面工程技術在結(jié)構(gòu)材料中的應用1.5表面工程技術應用2.獲得具有特殊功能的表面

使用表面技術在普通廉價的材料表面獲得某些稀有貴金屬（如金、鉑、鉭等）和戰(zhàn)略元素（如鎳、鈷、鉻等）具有特殊的性能，從而可以節(jié)約這些貴重金屬材料。例如：在銅中加入鉻可以提高銅的耐蝕性。圖1-4著色后的鋁合金零部件1.5表面工程技術應用

采用用表面工程技術在工件表面制備具有優(yōu)良性能的涂層，可以達到提高熱效率、降低能源消耗的目的。例如：熱工設備和在高溫環(huán)境中使用的部件，在表面實施隔熱涂層，可以實現(xiàn)較小的熱量損失，節(jié)省燃料。1.5表面工程技術應用圖1-5智能換熱機組熱工設備表面隔熱涂層3.節(jié)約能源、降低成本、改善環(huán)境

再制造工程對因磨損、腐蝕、疲勞、斷裂等原因造成的重要零部件的局部失效部位，采用先進的表面工程技術，優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、少污染地恢復其尺寸并改善其性能的系統(tǒng)性。再制造工程可以大量地節(jié)省因購置新品、庫存?zhèn)浼凸芾硪约巴C等所造成的對能源、原材料和經(jīng)費的浪費，并極大地減少了環(huán)境污染及廢物的處理。4.

再制造工程不可缺少的手段1.5表面工程技術應用圖1-6表面受損的軸進行再制造刷鍍

采用表面工程技術能在低成本基礎上制備出特殊功能性質(zhì)的表面涂層材料。為了提高材料性能，必須重視材料的制備與合成技術。例如：表面技術、薄膜技術以及目前正在興起的納米技術等。5.在發(fā)展新興技術和學術研究中起著不可忽視的作用1.5表面工程技術應用圖1-7Pvc制作的薄膜材料卡包

表面工程技術在表面裝飾方面得到了較好的應用。合理地利用電鍍、化學鍍、氧化等表面技術，可以獲得鍍層、全光亮鍍層、亞光鍍層、緞狀鍍層及不同顏色的鍍層，各種平面、立體花紋鍍層、仿金鍍層、仿古和仿大理石鍍層等。圖1-8發(fā)射塔配套噴水桁架緊固件表面防腐涂裝1.5表面工程技術應用6.在材料強化和裝飾性方面的作用在電學特性方面的應用。利用電鍍、化學鍍、氣相沉積、離子注入等技術可制備具有電學特性的功能薄膜及其元器件。在磁學特性方面的應用。通過氣相沉積技術和涂裝等表面技術能制備出磁記錄介質(zhì)、磁帶、磁泡材料、電學屏蔽材料、薄膜磁阻元件等。

在光學特性方面的應用。利用電鍍、化學鍍、轉(zhuǎn)化膜、涂裝、氣相沉積等方法，能夠獲得具有反光、光選擇吸收、增透性、光致發(fā)光、感光等特性的薄膜材料。在聲學特性方面的應用。利用涂裝、氣相沉積等表面技術，可以制備紅外隱身涂層、降低雷達波反射系數(shù)的納米復合雷達隱身涂層，聲反射和聲吸收涂層以及聲表面波器件等。在生物學特性方面的應用?？稍诒３只w材料特性的基礎上，提高基體表面的生物學性質(zhì)、耐磨性、耐蝕性和絕緣性等，阻隔基體材料離子向周圍組織溶出擴散，起到改善同人體機能的作用。在轉(zhuǎn)換功能方面的應用。采用表面工程技術可獲得能光－電，熱－電，光－熱，力－熱，磁－光等轉(zhuǎn)換功能的器件。1.5表面工程技術應用7.表面工程技術在功能材料中的作用8.表面工程技術在環(huán)境保護中的作用

表面技術可以為人類的可持續(xù)發(fā)展做出重大貢獻，但是在表面技術實施過程中，如果處理不當，又會帶來許多污染環(huán)境和大量消耗寶貴資源等嚴重問題。為此，要切實貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，這是表面技術的重要發(fā)展方向，而且在具體實施上有許多事情要做。例如：在電鍍生產(chǎn)過程中盡可能用三價鉻等低污染物取代六價鉻高污染物，同時做好“三廢”處理工作。1.5表面工程技術應用1.5.2表面工程技術在腐蝕與防護中的應用

腐蝕是金屬材料與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生相互作用而導致的破壞，腐蝕總是從材料與環(huán)境相接觸的界面開始。由于制造機器設備的材料總是在某種環(huán)境中服役，影響材料腐蝕的因素是很多的，任何一種材料不能保證在所有的環(huán)境下都耐蝕。在選擇制造材料時需要考慮三個方面的因素：材料在預計服役的環(huán)境中的耐蝕性；材料的物理、機械和工藝性能；經(jīng)濟因素。這三個方面需要兼顧。圖1-9海岸固定船只的金屬固定座腐蝕圖片1.5表面工程技術應用考核方法

全面考核學生對金屬表面處理知識和技能的掌握情況，課程考核包括平時過程考核、期末理論考核(期末統(tǒng)考，閉卷)兩部分。具體考核成績評定辦法如下：課程考核成績組成：總成績=期末考試成績60%

+平時過程考核成績40%平時過程考核成績包括：出勤情況20%；回答問題10%；課后作業(yè)30%+實驗成績30%+超星平臺10%。學習方法（1）善于思考學生在聽課的過程中要善于動腦、勤于思考。聽課過程中一味地聽老師講，而自己卻不善于思考的學生不是個好學生。因為這樣聽課，一節(jié)課下來學生總是處于被動狀態(tài)的，被老師牽著鼻子走，自己卻沒有一個良好的思維發(fā)展空間，這對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是不利的。學習方法（2）勤于動手

學生在聽課過程中做好課堂記錄，對提高學生的學習效率、歸納能力及期末復習都是有很大幫助的。教師利用板書把整節(jié)課的重點、難點寫在板書上，加深學生對重點、難點知識的理解和記憶。愛迪生學習方法（3）樂于復習

有些內(nèi)容在課堂上通過老師的講解，學生當時完全掌握了。但過段時間以后，由于遺忘效應肯定會或多或少地忘記?？朔z忘的最好方法就是勤于復習。時不時地把重點難點內(nèi)容在腦海里過一遍，或者把書在從前到后再翻一遍，這些都是加深記憶的有效途徑。啟發(fā)激勵

如果你認為工作好找，那他（她）們呢？啟發(fā)激勵如果你認為學習比較辛苦，那他呢？啟發(fā)激勵美國《讀者文摘》文章指出，讀書給身體帶來

7大好處:1.讀書不僅增長智慧，還對健康大有裨益。2.預防大腦衰老。就像身體上的肌肉一樣，大腦也需要通過鍛

煉來變得更強壯和健康，讀書能讓大腦保持活躍和忙碌，預防衰老。3.減壓，英國讀書俱樂部委托薩塞克斯大學的“心智實驗室”

研究發(fā)現(xiàn)，在各種減壓方式中，閱讀效果最佳，6分鐘內(nèi)就能使壓力水平降低68％，比聽音樂、散步效果都好。4.提高記憶力，讀書可以使記憶力明顯提高。5.生活方式更健康，熱愛閱讀的人，作息更合理，飲食習慣更

健康。6.注意力更加集中，學習動力十足。7.緩解疼痛，治療抑郁等多種疾病。

總結(jié)1.表面工程的定義？2.表面工程的特征？3.為什么要對表面工程進行分類？它是如何分類的？4.表面工程技術在材料科學與工程中有哪些應用？5.表面工程技術在腐蝕與防護中有哪些應用？6.表面工程的發(fā)展前景主要表現(xiàn)在哪幾個方面？

課后作業(yè)1.表面工程的定義？2.表面工程的特征？3.為什么要對表面工程進行分類？它是如何分類的？4.表面工程技術在材料科學與工程中有哪些應用？5.表面工程技術在腐蝕與防護中有哪些應用？6.表面工程的發(fā)展前景主要表現(xiàn)在哪幾個方面？第1章緒論第2章金屬表面工程技術基礎理論第3章金屬表面預處理工藝第4章金屬表面改性技術第9章堆焊技術第10章表面微細加工技術第11章金屬表面再制造技術第12章先進特種表面處理技術第5章金屬表面鍍層技術第6章金屬表面轉(zhuǎn)化膜技術第7章涂裝技術第8章熱噴涂技術

目錄回顧舊知識1.表面工程的定義？2.表面工程的特征？3.為什么要對表面工程進行分類？它是如何分類的？4.表面工程技術在材料科學與工程中有哪些應用？5.表面工程技術在腐蝕與防護中有哪些應用？6.表面工程的發(fā)展前景主要表現(xiàn)在哪幾個方面？第2章

金屬表面工程技術基礎理論學習新知識【學習目標】理了解固體材料表面特性，固體—氣體表面結(jié)構(gòu)，理想表面、清潔表面和實際表面。理解金屬表面特征，表面吸附、表面張力、表面能、表面振動和表面擴散。掌握金屬材料的表面技能，表面力學性能、表面物理性能、表面化學性能。導入案例長江三峽工程中挖泥船的發(fā)動機曲軸因潤滑系統(tǒng)缺油而導致第三道連桿軸頸嚴重拉傷，不能使用。當時如從日本購買新軸,加上運費和進口關稅等需人民幣120多萬元。從訂購到交貨需三個月以上，停產(chǎn)損失更為可觀。我國科技人員應用電弧噴涂技術成功地修復了曲軸，總費用僅3.5萬元,不足曲軸價格的3%。更重要的是，應用表面處理技術解決了進口備件的修復間題，為進口備件維修開辟了新途徑，其經(jīng)濟效益、社會效益不言而喻。導入案例

為什么要研究金屬表面處理技術？所有的金屬材料都不可避免與環(huán)境相接觸,而與環(huán)境真正接觸的是金屬的表面，如各種機械零件和工程構(gòu)件。磨損、腐蝕、斷裂是機械零件和工程構(gòu)件的三大失效形式，這些失效通常是從金屬材料表面開始的，往往是因其表面性能不高所致。發(fā)展金屬表面防護和強化有十分重要的意義，是各國普遍關心的重大課題。問題提出2.1固體材料的表面特性

按照材料的特性，固體材料可分為金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料三類；按照所起的作用，固體材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類；根據(jù)原子排列的特征，固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩類。晶體和非晶體原子排列如圖2-2所示。

晶體

非晶體圖2-2晶體和非晶體原子排列示意圖2.1.1固體材料

物質(zhì)的聚集態(tài)有固、液、氣三態(tài)，將兩凝聚相之邊界區(qū)域稱為界面（interface），兩凝聚相與氣相形成的界面稱為表面（surface）。界面有固-液、液-液、固-固三種類型，表面有固-氣、液-氣兩種類型。固體-氣體界面示意圖如圖2-3所示。圖2-3固體-氣體界面示意圖2.1.2固體-氣體的表面結(jié)構(gòu)2.1固體材料的表面特性

通常所說的表面是指固-氣表面。其大致可分為理想表面、清潔表面和實際表面三種類型。例如：氣體吸附于固-氣表面；許多固-固界面在形成過程中，不少反應物質(zhì)先以液態(tài)或氣態(tài)存在，即先出現(xiàn)固-氣表面和固-液界面，然后在一定條件下（通常為冷凝）才轉(zhuǎn)變?yōu)楣?固界面。圖2.4為固-固表面的結(jié)構(gòu),從截面形貌上可以看出膜層與基體之間的界面結(jié)合處形貌。圖2-4鋁合金微弧氧化Al2O3陶瓷膜層表面SEM形貌和截面膜層形貌2.1固體材料的表面特性2.1固體材料的表面特性理想表面清潔表面實際表面1.表面粗糙度2.殘余應力3.表面吸附4.表面反應與污染表面分類：2.1固體材料的表面特性1.理想表面

理想表面是一種理論的、結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面。在一些假設條件下把晶體的解離面認為是理想表面,實際不存在。理想表面如圖2-5所示。圖2-5理想表面示意圖2.1固體材料的表面特性2.清潔表面

清潔表面是在特殊環(huán)境中經(jīng)過特殊處理后獲得的。例如：經(jīng)過諸如離子轟擊、蒸發(fā)薄膜、化學反應、分子束外延等特殊處理后，保持在10-9～10-10Pa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。

制備清潔表面是十分困難的，通常需要在10-8Pa的超高真空條件下解理晶體，并且進行必要的操作，以保證表面在一定的時間范圍內(nèi)處于“清潔”狀態(tài)。潔凈表面弛豫和潔凈表面重構(gòu)示意圖如圖2-6和圖2-7所示。

圖2-6潔凈表面弛豫示意圖

圖2-7潔凈表面重構(gòu)示意圖2.1固體材料的表面特性

3.實際表面

實際表面是暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，這種表面的結(jié)構(gòu)會受到各種外界因素的影響而變得復雜化。因此，實際表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)是很復雜的。

研究實際表面，雖然受到氧化、吸附和沾污的影響而得不到確定的特性描述，但是它可取得一定的具體結(jié)論，直接應用于實際。不同加工方法的材料表面輪廓曲線如圖2-9所示。圖2-9不同加工方法的材料表面輪廓曲線2.1固體材料的表面特性實際表面與清潔表面相比，有下列一些重要情況：

（1）表面粗糙度

經(jīng)過切削、研磨、拋光的固體表面看起來似乎很平整，然而用電子顯微鏡進行觀察，可以看到表面有明顯的起伏，同時還可能有裂紋、空洞等。如圖2-10所示，TC4鈦合金板材經(jīng)過SEM掃面電鏡放大5000倍以后觀察，材料表面有明顯的空洞和溝痕，并且表面凸凹不平。圖2-10TC4鈦合金表面SEM形貌（放大5000倍）2.1固體材料的表面特性

表面粗糙度是指加工表面上具有較小間距的峰和谷所組成的微觀幾何形狀的特性。表面粗糙度峰谷形貌及Ra定量描述如圖2-11所示。圖2-11表面粗糙度峰谷形貌及Ra定量描述2.1固體材料的表面特性

（2）殘余應力

金屬在切割、研磨和拋光后，還存在著各種殘余應力，同樣對材料的許多性能產(chǎn)生影響。實際上殘余應力是材料經(jīng)各種加工、處理后普遍存在的。

圖2-14ASM1.0殘余應力檢測儀

殘余應力對材料的許多性能和各種反應過程會產(chǎn)生很大的影響。也有利有弊。例如：材料在受載時，內(nèi)應力與外應力一起發(fā)生作用。如果內(nèi)應力方向和外應力方向相反，就會抵消一部分外應力，從而起到有利的作用；如果方向相同則相互疊加，則起破壞作用。

殘余應力（內(nèi)應力）按其作用范圍大小可分為宏觀內(nèi)應力和微觀內(nèi)應力兩類。材料經(jīng)過不均勻塑性變形后卸載，就會在內(nèi)部殘存作用范圍較大的宏觀內(nèi)應力。例如焊接和材料受熱不均勻或各部分熱脹系數(shù)不同，均會在材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力。2.1固體材料的表面特性

（3）表面的吸附

固體與氣體的作用有三種形式：吸附、吸收和化學反應。固體表面出現(xiàn)原子或分子間結(jié)合鍵的中斷，形成不飽和鍵，這種鍵具有吸引外來原子或分子的能力。外來原子或分子被不飽和鍵吸引住的現(xiàn)象稱為吸附。

圖2-15涂覆在羥基鐵粉表面的金屬氧化物

（4）表面反應與污染

如果吸附原子與表面之間的電負性差異很大而有很強親和力時，則有可能形成表面化合物。金屬表面的氧化是表面反應的典型實例。金屬表面暴露在一般的空氣中就會吸附氧或水蒸氣，在一定的條件下，可發(fā)生化學反應而形成氧化物或氫氧化物。金屬在高溫下的氧化是一種典型的化學腐蝕。涂覆在羥基鐵粉表面的金屬氧化物如圖2-15所示。

2.1固體材料的表面特性

（5）特殊條件下的實際表面

實際表面還包括許多特殊的情況，如高溫下實際表面、薄膜表面、粉體表面、超微粒子表面等。舉例說明如下：

1）薄膜表面。薄膜通常是按照一定的需要，利用特殊的制備技術，在基體表面形成厚度為亞微米至微米級的膜層。采用濺射法制備的物理氣相沉積薄膜如圖2-16所示。

2）微納米固體顆粒的表面。納米粒子的結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)和納米粒子的特殊性質(zhì)引起了科學界的極大關注。例如：對半徑為10nm的水滴而言，其壓力有14MPa。實驗觀測表明，納米級粒子尺寸小于10nm時，其熔點甚至可以降低數(shù)百攝氏度。圖2-17為直徑10nm的納米顆粒。

圖2-16采用濺射法制備的物理氣相沉積薄膜圖片圖2-17直徑為10nm的納米顆粒2.1固體材料的表面特性作用于固體表面原子和分子的力與體內(nèi)不同，即固體表面存在著一些與作用于固體內(nèi)部原子和分子所不同的力。這些力的存在都可能對固體表面的結(jié)構(gòu)和性能，以及各種鍍層、涂層的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生顯著的影響。1.表面吸附力晶體內(nèi)存在的力場在表面處發(fā)生突變，但不會中斷，會向氣體一側(cè)延伸。當其他分子或原子進入這個力場范圍時，就會和晶體原子群之間產(chǎn)生相互作用力，這個力就是表面吸附力。表面吸附力有物理吸附力和化學吸附力兩種類型。（1）物理吸附力物理吸附力是在所有的吸附劑和吸附質(zhì)之間都存在的，這種力以色散力為主。色散力。色散力就是在這樣的反復作用下產(chǎn)生的。誘導力。Debye曾發(fā)現(xiàn)一個分子的電荷分布要受到其他分子電場的影響，因而提出了誘導力。取向力。Keesom認為，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，此作用力稱為取向力。（2）化學吸附力化學吸附與物理吸附的根本區(qū)別是吸附質(zhì)與吸附劑之間發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移或共有，形成了化學鍵。2.1.3固體表面特征2.1固體材料的表面特性

2.表面張力與表面能

表面張力是在研究液體表面狀態(tài)時提出來的。表面張力本質(zhì)上是由分子間相互作用力產(chǎn)生。例如：不粘鍋的出現(xiàn)，讓美食與好心情同時具有。大部分不粘鍋表面涂層的主要原料為具有憎水性的聚四氟乙烯。聚四氟乙烯具有固體材料中最小的表面張力，不容易被水、油等液體潤濕，所以不黏附任何物質(zhì)。圖2-18為采用表面張力最小的聚四氟乙烯制作的不粘鍋。

圖2-18采用表面張力最小的聚四氟乙烯制作的不粘鍋2.1固體材料的表面特性

3.表面振動與表面擴散

（1）表面振動

表面振動破壞了晶格的空間周期規(guī)律性，因而對固體的比熱容、熱膨脹、電阻、紅外吸收等性質(zhì)，以及一些固態(tài)相變有著重要的影響。

（2）表面擴散

表面擴散是指原子在固體表面的遷移。原子在多晶體中的擴散可按體擴散（晶格擴散）、表面擴散、晶界擴散和位錯擴散四種不同途徑進行。原子擴散原理如圖2-19所示。

圖2-19原子擴散原理2.1固體材料的表面特性2.2固體表面的性能

固體表面的性能包含使用性能和工藝性能兩個方面。使用性能是指固體表面在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能，包括力學、物理和化學性能。工藝性能是指固體表碾在加工處理過程中適應加工處理的性能。例如：固體的磨損、腐蝕、氧化、燒損以及疲勞斷裂和輻照損傷等。1.附著力（1）附著和附著力的概念附著是指涂層（包括涂和鍍）與基體接觸而兩者的原子或分子相互受到對方的作用。異種物質(zhì)之間的相互作用能稱為附著能。把附著能對其與基體間的距離微分，該微分的最大值為附著力。（2）附著力的測定方法附著力的測量方法是把涂層從基材上剝離下來所需的力。對于較厚的涂層，較多的采用黏結(jié)法使涂層剝離。這種方法還適用于具有較高附著力的涂層。2.2.1固體表面的力學性能2.2固體表面的性能

涂層附著力的定量評定方法主要有拉伸試驗法、剪切試驗法和壓縮試驗法三種，即以抗拉強度、抗剪強度、抗壓強度來分別表示涂層單位面積上的附著力。1）拉伸試驗法。利用試驗工具或設備使試樣承受垂直于涂層表面的拉伸力，測出涂層剝離時的載荷，以試樣的斷面積除該載荷，算出涂層的抗拉強度。2）剪切試驗法。通常將試樣做成圓柱形，在圓柱外表面中心部位制備涂層并磨制到要求尺寸，置于間隙配合的凹模中，在萬能材料的試驗機上緩慢加載，測出涂層被剪切剝離時的載荷，算出涂層的抗剪強度。3）壓縮試驗法。試樣用高強度材料制成，放在萬能材料試驗機上緩慢加壓，試樣受力方向與涂層表面垂直，加壓至涂層被破壞，測出此時最大負荷，算出涂層的抗壓強度。2.2固體表面的性能圖2-20劃痕實驗法4）劃格試驗方法。

用漆膜劃格器在測試表面劃出來一些小方格子，然后用力將透明膠帶黏到小方格子上，之后再把膠帶撕下，觀察小方格子是否脫落，來判斷附著力的好壞。圖2-20所采用的是劃痕實驗法。

生產(chǎn)實踐中，通常用以下方法來測定，方便快捷，適用于生產(chǎn)現(xiàn)場。2.2固體表面的性能

2.表面應力

（1）應力產(chǎn)生的原因

作用在表面或表層的應力稱為表面應力。它主要有作用于表面的外應力和由表層畸變引起的內(nèi)應力或殘余應力兩種類型。

放大100倍

放大5000倍

圖2-21鋼坯表面應力裂紋

很多工藝過程，如噴丸、表面淬火和表面滾壓等均能在表面或表層產(chǎn)生極高的殘余壓應力，從而顯著提高材料的疲勞使命。鋼坯表面由盈利導致的應力裂紋如圖2-21所示。

2.2固體表面的性能

表面應力產(chǎn)生的原因是多方面的。例如：同樣成分的薄膜用真空蒸鍍法制備會得到拉壓力或壓應力，而用濺射法制備往往得到壓應力。這些應力會影響到涂層的各種性能。

圖2-22為經(jīng)過微弧氧化的7075鋁合金表面陶瓷膜層應力裂紋微觀形貌。

（2）應力測量方法涂層殘余應力測試方法——薄板彎曲法。1903年，Stoney開發(fā)計算出薄膜的內(nèi)應力。圖2-227075鋁合金表面微弧氧化陶瓷膜層應力裂紋2.2固體表面的性能3.表面硬度

硬度是用一個較硬的物體向另一個材料壓人而該材料所能抵抗壓入的能力。硬度實驗的結(jié)果在許多情況下能反應材料在成分、結(jié)構(gòu)以及處理工藝上的差異。通常所測的硬度均為表面硬度，其測試方法可以采用洛氏硬度測試。但是，一般采用顯微維氏硬度法。圖2-23為顯微硬度測試方法。圖2-23膜層顯微硬度測試方法2.2固體表面的性能

4.表面韌性與脆性

（1）表面韌性

韌性是表示材料受力時雖然變形但不易折斷的性質(zhì)。韌性有以下三種:1）靜力韌性。

它是指材料試樣在拉伸試驗機中引起破壞而吸收的塑性變形功和斷裂功的能量，可從應力—應變曲線下的面積減去彈性恢復的面積來計算，單位是J/m2。2）沖擊韌性。它是指材料試樣在沖擊載荷下材料斷裂所消耗能量，常用沖擊吸收能量來衡量。擺錘沖擊試驗如圖2-24所示。圖2-24擺錘沖擊試驗示意圖3）斷裂韌性。它是指含裂紋材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展（從而導致材料斷裂）的能力，可用應力場強銀子的臨界值KIC、裂紋擴展的能量釋放臨界值GIC、J積分臨界值JIC以及裂紋張開位移的臨界值δc等來衡量。2.2固體表面的性能

（2）表面脆性

材料受拉力或沖擊時容易破碎的性質(zhì)稱為脆性。脆性與韌性是材料一對性能相反的指標，脆性大則韌性小，反之亦然。在許多場合下，表面脆性是材料發(fā)生早期破壞失效的重要原因，因此常將表面脆性列為測試項目。例如：電鍍層脆性的測試是經(jīng)常進行的，為鍍層質(zhì)量控制的一項指標。圖2-25為生活用花灑表面鍍層脫落對比圖。圖2-25生活用花灑表面鍍層脫落對比圖2.2固體表面的性能5.表面耐磨性能

（1）摩擦

摩擦是“抵抗兩物體接觸表面切向相對運動的現(xiàn)象”，也就是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，接觸面之間就會產(chǎn)生切向的運動阻力。圖2-26為齒輪運轉(zhuǎn)時的摩擦磨損現(xiàn)象。圖2-26齒輪運轉(zhuǎn)時的摩擦磨損現(xiàn)象2.2固體表面的性能

（2）磨損1）磨損的概念。摩擦時一般會伴隨著磨損的發(fā)生，磨損是材料不斷損失或破壞的現(xiàn)象，磨損造成的經(jīng)濟損失是巨大的。我國摩擦學會編寫的《摩擦學名詞術語》中對磨損定義為：“物體相對運動時，相對運動表面的物質(zhì)不斷損失或產(chǎn)生殘余變形稱為磨損”，也就是物體接觸表面是由于相對運動而產(chǎn)生材料逐漸分離和損耗的過程。圖2-27為軸表面磨損及修復形貌。

磨損的軸

熱噴涂修復磨損的軸

圖2-27軸表面磨損及修復形貌2.2固體表面的性能2）磨損的分類。目前比較通用的分類方法是以J.T．Burwell和C.D．Strang提出的按照磨損機理的分類方法為基礎，將磨損分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、微動磨損、沖蝕和氣蝕磨損。3）磨損的評定。材料磨損的評定方法至今尚無統(tǒng)一的標準，常用磨損量、磨損率和耐磨性來表示。磨損量。材料的磨損量的三個基本參數(shù)是長度磨損量Wl、體積磨損量Wv和質(zhì)量磨損量Wm。

實踐中往往是先測定質(zhì)量磨損量再換算成體積磨損量；②磨損率。它是單位時間或單位摩擦距離的磨損量；③耐磨性。是指材料在一定摩擦條件下抵抗磨損的能力。它可分為絕對耐磨性和相對耐磨性兩種。絕對耐磨性通常用磨損量或磨損率的倒數(shù)來表示，符號為W-1。相對耐磨性是指兩種材料（A與B）在相同的磨損條件下測得的磨損量的比值，符號為ε。2.2固體表面的性能

（3）影響固體材料耐磨性的因素1）硬度。通常認為材料的耐磨性可以由材料的硬度來衡量，但除硬度外，材料的組織成分也有一定影響。2）晶體結(jié)構(gòu)和晶體的互溶性。晶體結(jié)構(gòu)為密排六方材料，如鈷等即使在摩擦面非常干凈的情況下，其摩擦系數(shù)也不高，磨損率也低。研究還表明，冶金上互溶性差的一對金屬摩擦則可以獲得低摩擦系數(shù)和低磨損率。3）溫度。溫度對磨損的影響是間接的。例如，溫度升高，硬度下降，互溶性增加，磨損即加?。粶囟壬邔е卵趸俣燃觿∫部捎绊懩p性能。4）環(huán)境。在大氣條件下大多數(shù)金屬的磨損是極其嚴重的。除了金以外，在大氣條件下，許多金屬在經(jīng)過切削或磨削后，潔凈的表面在5分鐘內(nèi)就產(chǎn)生一層5～50分子層的氧化膜，氧化膜在防止粘著方面有重大作用。2.2固體表面的性能

（4）提高耐磨性的途徑

主要從以下幾個方面著手來提高耐磨性：1）耐磨設計。磨損與受力、環(huán)境、介質(zhì)、設計、制造、安裝、使用等多種因素有關。在許多情況下，增加材料硬度可以提高磨損抗力，但也存在著不少例外。2）抗磨材料的選擇。在選擇抗磨材料時，必須查清影響產(chǎn)品壽命的基本因素和磨損過程是否始終以同樣的磨損機理進行等，然后進行選材。3）運用表面技術。采用各種表面技術提高磨損發(fā)生的材料表面性能和降低摩擦系數(shù)。例如：采用噴丸方法在工件表面形成儲油性良好的大量均勻小坑，而降低摩擦副的摩擦因數(shù)；采用復合表面處理C-N共滲和Ni-P化學鍍。4）改善潤滑條件。改善潤滑條件，可以顯著降低摩擦磨損，因而工業(yè)上大量使用了各種潤滑劑。最常用的氣體潤滑劑是空氣，如氣體軸承。應用最廣的液體潤滑劑是潤滑油，包括礦物油、動植物油等。2.2固體表面的性能

（5）耐磨表面處理

在機械性能中，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。非金屬性質(zhì)的摩擦面是通過物理或化學的作用來減小磨損的。對于鋼材，一般通過各種表面技術如滲硫、氧、氮化、氧碳氮共滲、熱噴涂層中加MoS2物理氣相沉積、化學氣相沉積及離子注入等，使材料表面形成氮化物、氧化物、硫化物、碳化物以及它們的復合化合物的表面層。

二硫化鉬2.摩擦

磨損2.2固體表面的性能視野拓展2008年９月２6日，神舟七號上的航天員首次出艙進行太空行走，其工作項目之一為取回發(fā)射前就已安裝在飛船外、并已在太空環(huán)境中暴露43.5小時的固體潤滑材料實驗樣品，帶回到返回艙內(nèi)，最終帶回地面。在太空真空和失重環(huán)境，使地面上使用的任何一種液體潤滑劑在頃刻間氣化，而二硫化鉬（MoS2）等固體材料電鍍或沉積在轉(zhuǎn)動機構(gòu)表面，可以起到潤滑作用。（MoS2）請同學們課下查一查MoS2的性能及應用？2.2固體表面的性能6.表面抗疲勞性能

（1）疲勞

材料在循環(huán)（交變）載荷作用下發(fā)生損傷乃至斷裂的過程稱為材料的疲勞。例如：金屬材料制成的軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等零部件，在運行過程中各點所承受的載荷（應力）隨時間做周期性的變化，即處在循環(huán)（交變）載荷（應力）作用下，雖然金屬零部件所承受的應力低于材料的屈服強度，但經(jīng)過長時間運行會產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全的斷裂，這種過程稱為金屬的疲勞。

（2）疲勞分類

按材料疲勞斷裂前應力循環(huán)周次的多少，可將疲勞分為以下兩種：1）高周疲勞。在低于屈服強度的疲勞應力作用下發(fā)生的疲勞斷裂。高周疲勞也叫應力疲勞。2）低周疲勞。承受的最大疲勞應力接近或者高于材料的屈服強度。低周疲勞壽命主要取決于材料的塑性，所以在滿足強度的前提下應選用塑性較高的材料。承受交變載荷作用的彈簧2.2固體表面的性能2.2固體表面的性能

（3）疲勞斷裂的過程

疲勞裂紋的萌生與擴展：1）裂紋的萌生。裂紋的策源地（裂紋源）一般產(chǎn)生在晶界、相界以及材料中的缺陷等部位。2）裂紋的擴展。裂紋的擴展是決定材料疲勞壽命的關鍵階段。圖2-28形變鋁合金疲勞斷口裂紋擴展示意裂紋擴展可分為兩個階段：

第1階段：裂紋擴展方向與最大應力成45°角，主要受剪切應力的作用，稱為剪切型開裂。

第2階段：裂紋擴展方向與外部拉應力方向垂直，稱為張開型開裂。疲勞裂紋擴展的斷口微觀特征是疲勞輝紋的存在，它是由一條條平行的條紋組成。2.2固體表面的性能

（4）疲勞強度的測定

測定材料的疲勞強度時,要用較多的試樣（至少10個），在預測疲勞極限的應力水平下開始試驗，若前一試樣發(fā)生斷裂，則后一試樣的應力水平要下降，反之則應力上升，然后做出σ-N疲勞曲線。

（5）提高表面抗疲勞性能的途徑1）降低材料表面粗糙度。疲勞裂紋常起源于材料表面，表面粗糙度值越高，材料的疲勞強度就越高。

2）改善顯微組織穩(wěn)定性和均勻性。合金組織中若存在疏松、發(fā)裂、偏析、非金屬夾雜物、鐵素體條狀組織、游離鐵素體、石墨、網(wǎng)狀碳化物、粗晶粒、過燒、脫碳、大量的殘留奧氏體、魏氏組織等缺陷和不均勻分布，都會降低材料的疲勞強度。3）采用表面技術。這是提高表面疲勞強度的有效途徑。常用的表面技術很多，如噴丸強化、滲碳、滲氮、碳氮共滲、激光表面熱處理、離子注入等。2.2固體表面的性能所有的腐蝕破壞都是從損壞材料的表面開始的。腐蝕對材料表面的損害不僅導致資源與能源的浪費，帶來巨大的經(jīng)濟損失，而且容易造成污染與事故。圖2-29為海洋環(huán)境下金屬鐵護欄遭嚴重腐蝕形貌。圖2-29海洋環(huán)境下金屬鐵護欄遭嚴重腐蝕案例：1971年某天然氣管線發(fā)生腐蝕斷裂，產(chǎn)生爆炸，僅第一次爆炸的直接經(jīng)濟損失就達7000萬元。1997年北京某化工廠18個乙烯原料儲罐由于硫化物腐蝕引起大火，停產(chǎn)半年，直接損失達2億多元，間接損失更巨大。2000年6月16日，廣東某石化廠焦化裝置由于高溫管線硫化物腐蝕發(fā)生重大火災。2.2.2固體表面的化學性能1.腐蝕2.2固體表面的性能腐蝕分類化學腐蝕電化學腐蝕化學反應電化學反應2.2固體表面的性能2.2固體表面的性能1.表面耐化學腐蝕性能

（1）腐蝕及其分類

金屬與環(huán)境組分發(fā)生化學反應而引起的表面破壞稱為金屬腐蝕。按照腐蝕機理可將腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕。圖2-30原電池反應示意圖

金屬材料的化學腐蝕是在干燥的氣體介質(zhì)或不導電的液體介質(zhì)中通過化學反應而發(fā)生的。最重要的化學腐蝕形式是氣體腐蝕，或者是金屬與活性氣態(tài)介質(zhì)(如二氧化硫、硫化氫、鹵素、蒸汽和二氧化碳等)在高溫下的化學作用。

金屬材料的電化學腐蝕是在液體的介質(zhì)中因電化學作用而造成的，腐蝕過程中有電流產(chǎn)生。在自然條件上，如海水、土壤、地下水、潮濕大氣、酸雨以及工業(yè)生產(chǎn)中采用的各種介質(zhì)等，對金屬的腐蝕通常是電化學腐蝕。2.2固體表面的性能

（2）金屬的氧化

金屬在高溫處的氧化是一種典型的化學腐蝕。其腐蝕產(chǎn)物為氧化物，阻礙腐蝕擴散，從而使氧化速率降低。如在鋼中加入鎢、鉬等元素，會降低抗氧化能力，W、Mo可在金屬表面氧化膜內(nèi)生成MoO3和WO3。

（3）抗高溫氧化涂層

高溫涂層通常以非金屬、金屬氧化物、金屬間化合物、難熔化合物等為原料，用一定的表面技術涂覆在各種基材上。例如：高溫結(jié)構(gòu)材料Ni3Al表面滲鉻、滲鋁，生成Cr2O3、Al2O3保護層，可明顯改善Ni3Al在900～950℃下的高溫抗氧化性能。

（4）電化學腐蝕性能

金屬材料與電解質(zhì)接觸，在電解質(zhì)溶液中，同一金屬表面各部位，或者不同金屬相接觸，都可以因電位不同將發(fā)生電化學反應而構(gòu)成腐蝕電池，在界面處形成雙電層并建立相應的電位，其結(jié)果構(gòu)成了電化學腐蝕。2.2固體表面的性能

（5）金屬表面鈍化

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)象稱為鈍化。鈍化可增加金屬的耐蝕性。金屬的鈍化往往與氧化有關，如含有強氧化性物質(zhì)(硝酸、硝酸銀、氯酸、氯化鉀、重鉻酸鉀、高錳酸鉀和氧氣)的介質(zhì)都能使金屬鈍化，它們統(tǒng)稱為鈍化劑。

（6）金屬表面極化

1）極化的含義。極化是指事物在一定條件下發(fā)生兩極分化，其性質(zhì)相對于原來的狀態(tài)有所偏離的現(xiàn)象。2）陽極極化。當腐蝕電池接通而有電流時，陽極電位向正方向移動的現(xiàn)象，稱為陽極極化。3）陰極極化。當陰極上有電流通過時，其電位向更負的方向移動，稱為陰極極化。4）去極化。它是極化的相反過程。凡是能消除或抑制原電池陽極或陰極極化的過程，均稱為去極化。2.2固體表面的性能

（7）防腐蝕的方法

研究金屬腐蝕機理和規(guī)律的主要目的是為了避免和控制腐蝕。根據(jù)金屬腐蝕原理可知，控制腐蝕的主要途徑是：提高材料(主要是表面)的穩(wěn)定性，增強陽極極化和陰極極化。1）提高材料熱力學穩(wěn)定性的防腐蝕方法。一是材料本身采用或加入電位較正的合金元素；二是降低介質(zhì)的腐蝕性，除去有害的物質(zhì)乃至用涂層隔絕腐蝕介質(zhì)。2）增強陽極極化的防腐蝕方法。即在金屬中加入容易鈍化的元素，使金屬元素易于鈍化。此外，也可加入陽極性緩蝕劑或?qū)饘龠M行陽極保護。

3）增強陰極極化的防腐蝕方法。陰極性緩蝕劑的使用；減少和改善合金中陰極性雜質(zhì)的數(shù)量和分布；用外加電流或犧牲陽極進行陰極保護等。2.2固體表面的性能

（8）防腐蝕涂層的作用

如果腐蝕介質(zhì)和環(huán)境是不可變的，防腐蝕問題主要是設法提高材料本身的抗腐蝕性能。對此，除了采取不銹金屬或合金外，鑒于工藝、性能、成本等因素，工業(yè)上更多采用的是表面保護的方法。

（9）防腐涂層的分類1）轉(zhuǎn)換涂層。包括以電化學或化學方法進行的陽極氧化、磷化處理、鉻酸鹽化處理等。

2）金屬涂層。包括Zn、Al等多種金屬和合金涂層，主要有電鍍、化學鍍、物理氣相沉積、化學氣相沉積、熱噴涂、熱滲鍍、熱浸鍍等。

3）高分子涂層。包括多種有機涂料及塑料。施工方法有刷涂、噴涂、流化床法、靜電噴涂和熱噴涂等。

4）陶瓷涂層。包括各種氧化物、碳化物、氮化物等。涂層方法有熱噴涂、物理氣相沉積、化學氣相沉積、熱滲鍍等。2.2固體表面的性能1.熱學性能（1）熱容量在不發(fā)生相變和化學反應時，材料溫度升高1K時所需要的熱量（Q），常以C標記。

（2）熱傳導材料兩端存在溫度差時，熱量自動地從熱端傳向冷端，這種現(xiàn)象稱為熱傳導。

（3）熱膨脹表征物體受熱時長度或體積增大程度的熱膨脹系數(shù)。如果固體受熱時不能自由膨脹，則在物體內(nèi)會產(chǎn)生很大的內(nèi)應力，這種內(nèi)應力往往有很大的危害性，故在技術上要采取相應的措施，如在鐵軌接頭處留有空隙等。（4）熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的劇烈變化而不致破壞的能力。一般情況下，熱應力會影響到熱穩(wěn)定性。例如：對于一些高延性材料，由熱應力引起的熱疲勞是主要的問題，雖然溫度的變化不如熱沖擊時劇烈，但其熱應力可能接近材料的屈服強度，在溫度反復變化時，最終導致疲勞破壞。2.2.3固體表面的物理性能2.2固體表面的性能2.電學性能

（1）材料的電學性能及特征1）導電性。材料導電性能可因材料內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)的不同而有巨大的差異。導電性主要由導電率、電阻率和薄膜電阻來描述。2）超導性。金屬的電阻通常隨溫度降低而連續(xù)下降，但某些金屬在超低溫度下，電阻會突然下降到零，表現(xiàn)出異常大的超導性，這種性質(zhì)稱為超導性。3）半導體。半導體特點不僅表現(xiàn)在電阻率在數(shù)值上與導體和絕緣體的差別，而且表現(xiàn)在它的電阻率的變化受雜質(zhì)含量的影響極大。4）絕緣體。絕緣體的基本特點是傳導電子數(shù)目甚少，電阻率很大。在結(jié)構(gòu)上，它們大多是離子鍵和共價鍵結(jié)合，其中包括氧化物、碳化物、氮化物和一些有機聚合物等。5）離子導電。離子電導有兩種類型：其一是本證電導，它以離子、空位的熱缺陷做載流子，在高溫下十分顯著；其二是雜質(zhì)電導，它以雜質(zhì)離子等固定較弱的離子作為載流子，在較低溫度下電導已很顯著。2.2固體表面的性能

（2）材料電學性能在表面技術中的重要意義

表面技術涉及材料電學性能的領域廣泛，意義重大，現(xiàn)舉例如下：1）導電薄膜。用一定的方法在材料表面獲得具有優(yōu)良導電性能的薄膜稱為導電薄膜。2）導電涂層。用一定方法在絕緣體上涂覆具有一定導電能力、可代替金屬傳導體的涂層稱為導電涂層。電導率為10-12～10-13Ω/cm。3）電阻器用薄膜。薄膜電阻是用熱分解、真空蒸鍍、磁控濺射、電鍍、化學鍍、涂覆等方法，將有一定電阻率的材料鍍覆在絕緣體表面，形成一定厚度的導電薄膜。4）超導薄膜。由于超導體是完全反磁性的，超導電流只能在與磁場浸入深度30～300nm相應的表層范圍內(nèi)流動，因此薄膜處于最適合的利用狀態(tài)。5）半導體薄膜。薄膜技術對于半導體元件的微細化是不可缺少的，并且，薄膜可以大面積且均勻地制作，其優(yōu)勢更顯突出。6）介電薄膜。它是以電極化為基本電學特性的功能薄膜。介電薄膜通?？捎蒙漕l磁控濺射、離子束濺射、溶膠-凝膠、金屬有機物化學相沉積（MOCVD）、紫外激光熔覆等方法制作。7）固體電解質(zhì)。最早發(fā)現(xiàn)的固體電解質(zhì)是一些銀的鹽類，如碘化銀、硫化銀等。后來又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些金屬氧化物等在高溫下也具有很好的離子導電特性。按離子傳導的性質(zhì)，固體電解質(zhì)可以分為陰離子導體、陽離子導體和混合離子導體。2.2固體表面的性能3.磁學性能

（1）磁性

物質(zhì)按其磁性可分為順磁性、抗磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性等物質(zhì)。其中鐵磁性和亞鐵磁性屬于強磁性，通常說的磁性材料是指具有這兩種磁性的物質(zhì)。磁性材料主要有軟磁材料、硬磁材料和詞儲存材料三類。

（2）磁學基本量

一個磁體的兩端具有極性相反而強度相等的兩個磁極，它表現(xiàn)為磁體外部磁力線的出發(fā)點和匯集點。當磁體無線小時就成為一個磁偶極子。

（3）物質(zhì)的磁性分類

物質(zhì)的磁性大致可分為抗磁體；順磁體、鐵磁體、反鐵磁體和亞鐵磁體五類。

（4）鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性

Fe、Co、Ni、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm以及一些合金和化合物是鐵磁性物質(zhì)；在反鐵磁性材料中，由于電子之間的相互作用而使得相鄰偶極子排列成相反方向；亞鐵磁性材料內(nèi)部互為反向磁矩的大小并不完全相同，即彼此沒有完全抵消。2.2固體表面的性能4.光學性能

（1）電磁波

電磁波是以波的形式傳播的電場與磁場的交替變化，在真空中其位移方向與傳播方向垂直（即為一種橫波）。這種波動在傳播過程中不需要任何介質(zhì)，在真空中行進的速度大約為3X108m/s。通常稱為光速。光波是一種電磁波。

（2）反射、折射、吸收和透射

光波由某種介質(zhì)（例如空氣）進入另一種介質(zhì)（例如固體或液體）時，在不同介質(zhì)的界面上會有一部分被反射，其余部分經(jīng)折射而進入該介質(zhì)，如果沒有全被吸收，則剩下的部分就透過介質(zhì)。

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