課件表面工程修訂稿

表面工程講稿第二章表面工程技術(shù)理論基礎(chǔ)序2.1表面晶體學(xué)基礎(chǔ)2.2表面能與表面張力2.3表面力2.4表面吸附與偏析2.5固體表面的吸附理論2.6固體表面的潤濕2.7表面動力學(xué)2.8表面電子學(xué)2.1表面晶體學(xué)基礎(chǔ)2.1.1理想表面結(jié)構(gòu)2.1.2清潔表面結(jié)構(gòu)2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)2.1.4典型固體表面和界面2.1.5幾種重要材料的表面晶體結(jié)構(gòu)

表面表面：一種凝聚態(tài)物質(zhì)與另外的物質(zhì)（狀態(tài)）或者真空之間的過渡區(qū)域，一般由一個或者幾個原子層組成（0.5~10nm）.對于晶體，表面所包括的所有原子層不具備體相晶體結(jié)構(gòu)的三維周期性。表面分為理想表面、清潔表面（含潔凈表面）、實際表面等。常見的界面氣-液界面氣-固界面

液-液界面

固-固界面固體的表面材料均具有表面，材料的制備及使用過程發(fā)生的各種物理化學(xué)變化，都是從材料的表面向材料內(nèi)部逐漸進行的，這些過程的進行都依賴于材料的表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。固體表面相與其體相內(nèi)部的組成和結(jié)構(gòu)有所不同，同時還存在各種類型的缺陷以及彈性形變等，這些都將對固體表面的性質(zhì)產(chǎn)生很大影響。固體表面與界面的區(qū)別：表面：一個相和它本身蒸汽或真空接觸的分界面。界面：一相與另一相(結(jié)構(gòu)不同)接觸的分界面。相界面：相鄰相之間的交界面。一般有三類：固-固、固-液、固-氣。固氣界面：實際上由固態(tài)物質(zhì)靠近氣體或真空的一個或幾個原子層（0.5～10nm）組成，是固體凝聚態(tài)對氣體或真空的一種過渡區(qū)域。固液界面：是一種凝聚態(tài)物質(zhì)向另一種凝聚態(tài)物質(zhì)的過渡區(qū)域。表面所包括的所有原子層不具備體相的三維周期性，但晶面上的大部分原子的排列還是有序的，具備二維周期性。2.1.1理想表面結(jié)構(gòu)二維晶格的周期性與對稱性理想表面：理想化的表面。想象為無限晶體被分成兩個表面，且表面上的原子位置和電子密度都和原來的一樣。獲得：難！固體表面種類理想表面清潔、潔凈表面吸附表面理想表面定義：理論上近似地假設(shè)除了固-氣界面的幾何限制外，而系統(tǒng)不發(fā)生任何變化的表面。

d內(nèi)部表面理想表面示意圖理想表面理想表面是忽略了晶體內(nèi)部周期性勢場在晶體表面中斷、表面原子的熱運動、熱擴散、熱缺陷及外界對表面的物理－化學(xué)作用等的影響的表面。其周期性與理想晶體完全一樣。從晶態(tài)物質(zhì)基礎(chǔ)看，固體材料的理想表面就是一種理論上認(rèn)為的結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面。二維點陣是點在平面上按某一規(guī)則的周期排列，圍繞每一個點的環(huán)境和圍繞每一個其它點的環(huán)境是相同的。理想表面：表面上的原子仍保持解理前的三維周期結(jié)構(gòu)。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。從晶態(tài)物質(zhì)基礎(chǔ)看，固體材料的理想表面就是一種理論上認(rèn)為的結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面。二維點陣是點在平面上按某一規(guī)則的周期排列，圍繞每一個點的環(huán)境和圍繞每一個其它點的環(huán)境是相同的。這種表面可用二維晶格結(jié)構(gòu)來描述，它存在5種布喇菲格子，9種點群和17種二維空間群。如下圖示。表1二維布喇菲格子二維點陣點群及空間群點陣符號點群符號空間群符號序號全稱簡稱斜方P12P1P211P1P212正交PC1mP1m1P1g1C1m1PmPgCm3452mmP2mmP2mgP2ggC2mmPmmPmgPggCmm6789正方P4P4P410正方P4mmP4mmP4gmP4mP4g1112六角P33m66mmP3P3m1P3m1P6P6mmP3P3m1P3m1P6P61.2潔凈表面和清潔表面清潔表面結(jié)構(gòu)也可以細(xì)分為潔凈度較高，接近于理想表面的潔凈表面結(jié)構(gòu)，以及潔凈度較低的工業(yè)清潔表面結(jié)構(gòu)。很多時候二個概念通用。潔凈表面：表層原子結(jié)構(gòu)的周期性不同于體內(nèi)，但成分和體內(nèi)相同；無污染但允許有吸附物。獲得：較難！清潔表面：零件經(jīng)過清洗（脫脂、浸蝕等）以后的表面。獲得：較容易！潔凈表面結(jié)構(gòu)潔凈表面：指不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面。相對于受污染表面而言，一般地，當(dāng)表面吸附物的摩爾分?jǐn)?shù)在單分子覆蓋層上為1%量級時，稱為潔凈表面。通常，必須在大約Pa及以下的超真空室內(nèi)采用高溫?zé)崽幚怼㈦x子轟擊退火、真空解理、場效應(yīng)蒸發(fā)等方法才能實現(xiàn)。這種潔凈表面也是很難獲得的。潔凈表面表層原子結(jié)構(gòu)的周期性不同于體內(nèi)，但成分和體內(nèi)相同；無污染但允許有吸附物。只有用特殊的方法，如高溫?zé)崽幚?、離子轟擊加退火、真空解理、真空沉積、場致蒸發(fā)等才能得到清潔表面，同時還必須保持在1.33×10-10Pa的超高真空中。表面層

弛豫重構(gòu)

偏析潔凈表面上可能的結(jié)構(gòu)：化學(xué)吸附化合物臺階迭層潔凈表面的結(jié)構(gòu)臺階弛豫偏析重構(gòu)化合物化學(xué)吸附潔凈表面的典型結(jié)構(gòu)：表面弛豫：點陣常數(shù)在垂直方向發(fā)生明顯變化。包括正弛豫和負(fù)弛豫。表面重構(gòu)：水平方向的周期性不同與內(nèi)部原子。表面臺階結(jié)構(gòu)：TLK模型（教材圖2－2）T（平臺，Terrace）L（臺階，Ledge）K（扭折，Kink）模型迭層：由于其他原子進入晶體表面，而出現(xiàn)體內(nèi)不存在的表面結(jié)構(gòu)層。表面弛豫定義：當(dāng)晶體的三維周期性在表面處突然中斷，在表面上原子的配位情況發(fā)主了變化，并且在表面原子附近的電荷分布也有改變．使表面原子所處的力場與體內(nèi)原子不同，因此．表面上的原子會發(fā)生相對位置的上下位移，以降低體系的能量。表面上原子的這種位移（壓縮或膨脹）稱為表面弛豫。

ds內(nèi)部表面d0弛豫表面：由于固相的三維周期性在固體表面處突然中斷，表面上原子產(chǎn)生的相對于正常位置的上、下位移。例如：鎳的（100）面的體相晶面間距是0.222nm，而表面層和下層原子面間距是0.178nm，收縮19.8%，（負(fù)弛豫）；鋁（111）面的體相晶面間距是0.233nm，而面間距是0.241nm，膨脹3.4%，（正弛豫）。表面弛豫表面弛豫現(xiàn)象表現(xiàn)在晶體結(jié)構(gòu)基本相同，但點陣參數(shù)略有差異，特別是在表面及其下少數(shù)幾個原子層間距的變化上。因此：表面弛豫的最明顯處是表面第一層原子與第二層之間距離的變化；越深入體相，弛豫效應(yīng)越弱，并且是迅速消失。表面重構(gòu)定義：在平行基底的表面上，原子的平移對稱性與體內(nèi)顯著不同，原子位置做了較大幅度的調(diào)整。特點：表面原子間距與晶體內(nèi)原子間距不同如圖示：

表面水平方向原子間距as與晶體內(nèi)部原子間距a0不相同，但在垂直方向的層間距ds與體內(nèi)相同晶面的間距d0是相同的。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間距d0與體內(nèi)相同。d0內(nèi)部表面d0表面重構(gòu)重構(gòu)表面：重構(gòu)是指表面原子層重新排列，形成不同于體內(nèi)的晶面。在平行基底的表面上，原子的平移對稱性與體內(nèi)顯著不同，原子位置作了較大幅度的調(diào)整。最常見的表面重構(gòu)有缺列型重構(gòu)和重組型重構(gòu)。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。表面重構(gòu)能使表面結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)的變化，在許多情況下，重構(gòu)在降低表面能方面比表面弛豫要有效的多。重構(gòu)表面示意圖臺階表面（表面臺階結(jié)構(gòu)）定義：表面不是平面，由規(guī)則或不規(guī)則的臺階組成。如圖示：

其中：T表示低晶面指數(shù)平臺（Terrace）；L表示單分子或單原子高度的臺階（Ledge）；K表示單分子或單原子尺度的扭折（Kink）。臺階表面：臺階表面不是一個平面，它是由有規(guī)則的或不規(guī)則的臺階的表面所組成。[112][111][110](001)周期有序的臺階表面示意圖TLK模型TLK表面形貌模型是根據(jù)小面化理論及對金屬表面的實際觀察后提出的。模型認(rèn)為當(dāng)表面與點陣致密面之間的位相差不太大的時候，表面將由平臺（Terrace）、臺階（Ledge）和曲折（Kink）所構(gòu)成，稱為TLK模型。

根據(jù)表面自由能最小的原則，臺面和臺階面一般都為低指數(shù)面，如（111）、（110）、（100）等。臺面上的原子配位數(shù)比體內(nèi)少，臺階上原子的配位數(shù)比臺面少，扭折處原子的配位數(shù)更少，這些特殊位置的原子的價鍵具有不同程度的不飽和性。所以，臺階和扭折處容易成為晶體的生長點、優(yōu)先吸附位置、催化反應(yīng)活性中心、腐蝕反應(yīng)起點。晶面1（平面）晶面3（連接面）晶面2（立面）臺階表面臺階表面實例吸附表面

定義：在清潔表面上有來自體內(nèi)擴散到表面的雜質(zhì)和/或來自表面周圍空間吸附在表面上的質(zhì)點所構(gòu)成的表面。吸附表面可分為四種吸附位置：頂吸附、橋吸附、填充吸附、中心吸附吸附表面類型頂吸附橋吸附俯視圖剖面圖填充吸附中心吸附吸附和偏析：化學(xué)組分在表面區(qū)的變化，前者指氣相中的原子或分子在氣-固或液-固界面上的聚集，后者指溶液或溶質(zhì)在相界、晶界或缺陷上的聚集?；瘜W(xué)吸附偏析表面化合物清潔（潔凈）表面的化學(xué)組成與體內(nèi)相同，但結(jié)構(gòu)可以不同于體內(nèi)。表面組分與材料內(nèi)部不同的原因：①原子表面的自行調(diào)整，原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同；②依靠表面的成分偏析和表面對外來原子或分子的吸附，以及這兩者相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)。表面的成分金屬的表面成分合金表面的成分化合物的表面成分（1）化合物半導(dǎo)體（2）氧化物（3）玻璃二元合金表面的富集元素合金Au-AgCu-NiAg-PdIn-PbAl-CuNi-PdAu-CuFe-CrAu-InPt-SnAu-Ni富集元素AgCuAgPbAlPdAuCrInSnAuSi/NaSi/CaSi/KSi/Al“老”的表面280900223剛制成的表面14045055晶體的平衡形狀固體分子的活動性較小，每個晶面的表面自由能大小與該晶面上分子的排列有關(guān)。而較密實堆積的晶面表面自由能較低，晶體的外表面傾向于取此種類型的晶面數(shù)目多一些，而其它表面自由能較高的晶面相對少些。一個多面體的外表面總是由若干種原子排列不同的晶面組成的。因此，對固體而言，最致密的晶面有最低的表面能，以斷裂等方式制造新的表面的時候，這些晶面也最容易出現(xiàn)在表面上。表面結(jié)構(gòu)的小面化Chalmers,Moore,Mullins以及Mykura等人提出了小面化理論以闡明晶體實際表面的結(jié)構(gòu)。小面化是指一個表面被分解成兩個與點陣最密面平行的小面和一個連接面。小面化是否能進行，取決于小面化后表面能的總和是否有所降低。實際的表面缺陷小面化的表面主要是由平臺、臺階、曲折所組成，但是晶體中的點缺陷以及吸附的異物原子會使平臺變得凹凸不平，這是表面上最容易出現(xiàn)的最簡單缺陷。表面上可能出現(xiàn)最多的顯微缺陷是位錯的露頭。位錯是晶體中存在的重要缺陷，密度一般是108/cm2，經(jīng)過冷加工的金屬位錯可達1012/cm2。晶粒間界1）堆垛層錯2）孿晶界面3）小角度晶界4）大角度晶界相界1）共格相界2）半共格相界3）非共格相界問題思考：假定武林中一位武功蓋世的絕頂高手，手持一把削鐵如泥的寶刀，猛力一刀將一塊鐵劈為兩半，新出現(xiàn)的兩個表面最可能是由鐵的哪個晶面組成？如果被劈的是銅，新出現(xiàn)的兩個表面又最可能是銅的哪個晶面？2.1.3實際表面結(jié)構(gòu)表面的外形和表面粗糙度表面的組織表面的成分常見表面的特點1）理想表面：是指清潔的單晶表面，或是說由前述的平臺、臺階、曲折及各種缺陷構(gòu)成的表面。2）一般表面：一般是多晶體，在空氣中易與氧發(fā)生作用生成氧化膜，而且也難免因油脂之類的物質(zhì)吸附而造成污染。3）機械加工過的表面：機械加工過的表面都有一定的顯微粗糙度，且表面的位錯密度特別高。晶體表面結(jié)構(gòu)表面力的存在使固體表面處于較高能量狀態(tài)系統(tǒng)總會通過各種途徑來降低這部分過剩的能量，這就導(dǎo)致表面質(zhì)點的極化、變形、重排并引起原來晶格的畸變。對于不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，其表面力的大小和影響不同，因而表面結(jié)構(gòu)狀態(tài)也會不同。威爾（Weyl）等人基于結(jié)晶化學(xué)原理，研究了晶體表面結(jié)構(gòu)，認(rèn)為晶體質(zhì)點間的相互作用，鍵強是影響表面結(jié)構(gòu)的重要因素，提出了晶體的表面雙電層模型。固體表面的幾何結(jié)構(gòu)實驗觀測固體實際表面是不規(guī)則而粗糙的，存在著無數(shù)臺階、裂縫和凹凸不平的峰谷。這些不同的幾何狀態(tài)同樣會對表面性質(zhì)產(chǎn)生影響，其中最重要的是表面粗糙度和微裂紋。表面粗糙度會引起表面力場變化，進而影響其表面性質(zhì)。表面微裂紋是由于晶體缺陷或外力作用而產(chǎn)生。微裂紋同樣會強烈地影響表面性質(zhì)，對于脆性材料的強度這種影響尤為重要。晶體表面結(jié)構(gòu)實例表面離子受內(nèi)部離子作用電子云變形離子重排表面能減少離子晶體表面的電子云變形和離子重排NaCl

晶體

晶體內(nèi)部晶體表面0.281nm0.266nm0.020nmNaCl表面層中Na+向里；

Cl-向外移動并形成雙電層粉體表面結(jié)構(gòu)粉體在制備過程中，由于反復(fù)地破碎，不斷形成新的表面。表面層離子的極化變形和重排使表面晶格畸變，有序性降低。因此，隨著粒子的微細(xì)化，比表面增大，表面結(jié)構(gòu)的有序程度受到愈來愈強烈的擾亂并不斷向顆粒深部擴展，最后使粉體表面結(jié)構(gòu)趨于無定形化或粒度極小的微晶結(jié)構(gòu)。粉體性質(zhì)組成粉體最小單位是初次(一次)顆粒。顆粒尺寸、顆粒形狀、顆粒晶型、顆粒表面缺陷等都對整體性質(zhì)有影響。顆粒常以團聚體形式發(fā)揮作用。團聚程度(尺寸及分布)、團聚體內(nèi)顆粒結(jié)合強度等會影響粉體性質(zhì)加工過程中，宏觀尺度粉末集合體性質(zhì)。比表面、包裝密度、粉體堆積角度等影響粉體性質(zhì)。表面效應(yīng)隨微粒尺寸減小，表面原子數(shù)比例增加。隨微粒尺寸減小，表面能也迅速增加。超微粒子與納米材料玻璃表面結(jié)構(gòu)表面張力的存在，使玻璃表面組成與內(nèi)部顯著不同。在熔體轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａw的過程中，為了保持最小表面能，各成分將按其對表面自由能的貢獻能力自發(fā)地轉(zhuǎn)移和擴散。在玻璃成型和退火過程中，堿、氟等易揮發(fā)組分自表面揮發(fā)損失。因此，即使是新鮮的玻璃表面，其化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)也會不同于內(nèi)部。玻璃中的極化離子會對表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生影響。實際表面實際表面：實際的表面情況。由于表面原子的能量較高，一般會在表面吸附一層外來原子以降低表面的能量。除了吸附，為了降低體系的能量還可能發(fā)生馳豫、表面化學(xué)組成變化以及表面相轉(zhuǎn)變。一般零件在機加工后，表面都會覆蓋一層氧化物，清潔表面時需除去這層氧化物。實際表面定義：指暴露于大氣環(huán)境中的固體表面，或經(jīng)過一定加工處理（諸如清洗、拋光、研磨、切割等）保持在常溫常壓或低真空或高溫下的表面。

與清潔表面相比，實際表面有以下幾個特點：①表面粗糙度②貝爾比層和殘余應(yīng)力③表面氧化、吸附和沾污典型固體界面基于固相晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)差異形成的界面。例如，在外力作用下加工形成的表面。基于固相組織或晶體結(jié)構(gòu)差異形成的界面：微觀組織差異，宏觀成分無區(qū)別。如珠光體。基于固相宏觀成分差異形成的界面：

1)冶金結(jié)合界面：激光融覆、焊接；

2）擴散結(jié)合界面：熱擴散；

3）外延生長界面：CVD、電鍍；還有化學(xué)鍵結(jié)合、分子鍵結(jié)合、機械結(jié)合界面等。表面氧化、吸附和沾污

貝爾比層和殘余應(yīng)力貝爾比（Beilby）層是一種在固體材料表層5~10nm厚度形成的一層因晶格畸變等原因而產(chǎn)生的一種非晶態(tài)層，其成分為金屬和它的氧化物，其性能與體內(nèi)明顯不同。由于貝爾比層是非晶態(tài)層，因此具有較高的耐磨性和耐蝕性，這一點在機械工程上可以利用，但是在其它情況下，貝爾比層又是有害的。例如：在硅的外延生長上，在氧化、擴散前，必須用腐蝕法把貝爾比層去除，否則，會感生出位錯、層錯等缺陷，這會對器件性能產(chǎn)生極其有害的影響。殘余應(yīng)力是材料加工、處理后普遍存在的，它同樣影響著材料的各種性能。表面粗糙度

表面粗糙度是指零件加工表面具有的較小間距和峰谷所形成的微觀幾何形狀誤差。其兩波峰和波谷之間的距離（波距）很小（在1mm以下）。

表面粗糙度，是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷不平度。其兩波峰或兩波谷之間的距離（波距）很?。ㄔ?mm以下），用肉眼是難以區(qū)別的，因此它屬于微觀幾何形狀誤差。表面粗糙度不包括由機床幾何精度力面的誤差等所引起的表面宏觀幾何形狀誤差(如直線度、平面度和圓柱度等)，也不包括加工過程中由機床、刀具、工具系統(tǒng)的松弛振動等所引起的介于宏觀和微觀幾何形狀之間的波度。形狀誤差、表面波度和表面粗糙度三者之間只有分級的不同，而沒有原則上的區(qū)別。三者經(jīng)常是按兩波峰與兩波谷之間的距離(即波距)的大小來區(qū)分的。波距小于1mm并呈周期性變化的，屬于表面粗糙度范圍；波距在1-10mm之間并呈周期性變化的，屬于表面波度范圍；波距在10mm以上，不呈周期性變化的，屬于表面形狀誤差的范圍。表面粗糙度形成的原因

主要有：1）加工過程中的刀痕；2）切削分離時的塑性變形；3）刀具與已加工表面間的摩擦；4）工藝系統(tǒng)的高頻振動。表面粗糙度產(chǎn)生的原因1加工過程中的刀痕2切削分離時的塑性變形3刀具與已加工表面間的摩擦4工藝系統(tǒng)的高頻振動表面的外形和表面粗糙度1）表面粗糙度的主要參數(shù)（1）輪廓算術(shù)平均偏差Ra

（2）微觀不平整十點高度Rz

（3）輪廓最大高度Ry

2）表面粗糙系數(shù)R在機械加工過程中，工件表面粗糙度的大小，是衡量工件表面質(zhì)量的重要標(biāo)志，對機械零件的使用性能具有很大的影響。工件表面粗糙度越小，表面越光滑。但并不是表面越光滑越好。表面粗糙度的符號表面粗糙度的代號表面粗糙度的標(biāo)注示例和意義評定參數(shù)

國家規(guī)定表面粗糙度的參數(shù)由高度參數(shù)、間距參數(shù)和綜合參數(shù)組成。表面粗糙度高度參數(shù)共有三個：（1）輪廓算術(shù)平均偏差Ra在取樣長度L內(nèi)，輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值。（2）微觀不平度十點高度Rz在取樣長度L內(nèi)五個最大的輪廓峰高的平均值與五個最大的輪廓谷深的平均值之和。（3）輪廓最大高度Ry在取樣長度內(nèi)，輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離。

表面粗糙度間距參數(shù)共有兩個：（4）輪廓單峰平均間距S兩相鄰輪廓單峰的最高點在中線上的投影長度Si，稱為輪廓單峰間距，在取樣長度L內(nèi)，輪廓單峰間距的平均值，就是輪廓單峰平均間距。（5）輪廓微觀不平度的平均間距Sm含有一個輪廓峰和相鄰輪廓谷的一段中線長度Smi，稱輪廓微觀不平間距。表面粗糙度綜合參數(shù)：（6）輪廓支承長度率tp輪廓支承長度率就是輪廓支承長度np與取樣長度L之比。1）輪廓算術(shù)平均偏差Ra：是指在取樣長度l內(nèi)，輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值，如下圖所示。其值為：或近似為：表面粗糙度的評定參數(shù)1：高度特征參數(shù)2）輪廓的最大高度Rz：在取樣長度l內(nèi)輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離，一般為五個最大的輪廓峰高的平均值與五個最大的輪廓谷深的平均值之和。如下圖所示。表面粗糙度的評定參數(shù)2：間距特征參數(shù)反映零件表面加工的細(xì)密程度，有密封功能要求的表面要使用這兩個參數(shù)。1）輪廓的單峰平均間距S：取樣長度l內(nèi)輪廓的單峰間距Si平均值。

單峰間距Si：兩相鄰輪廓單峰最高點在基準(zhǔn)上的投影間距。

2）輪廓微觀不平度的平均間距Sm：取樣長度l內(nèi)輪廓微觀不平度的間距Smi的平均值：Sm=（1/n）ΣSmi微觀不平度的間距Smi：含有一個輪廓峰和相鄰輪廓谷的一段基準(zhǔn)線長度。表面粗糙度的評定參數(shù)3：形狀特征參數(shù)反映零件表面耐磨性的指標(biāo)。輪廓支承長度率tp：支撐長度（取樣長度內(nèi)bi之和）與取樣長度的比值。tp=ηp/lbi：一平行于基準(zhǔn)線的線與輪廓相截得到的截線長度。表面粗糙度參數(shù)的選擇1）如無特殊要求，一般僅選用高度參數(shù)。推薦優(yōu)先選用Ra值，因為Ra能充分反映零件表面輪廓的特征；2）對某些不可以出現(xiàn)較大加工痕跡和受交變應(yīng)力的表面，應(yīng)選用Ra和Rz聯(lián)用；3）當(dāng)測量面積很小時，如頂尖、刀具的刃部、儀表的小元件的表面，可選用Rz值。表面粗糙度的評定基準(zhǔn)1）取樣長度：用于判別具有表面粗糙度特征的一段基準(zhǔn)線長度。取樣長度應(yīng)根據(jù)零件實際表面的形成情況及紋理特征，選取能反映表面粗糙度特征的那一段長度，量取取樣長度時應(yīng)根據(jù)實際表面輪廓的總的走向進行。輪廓線存在表面波紋度和形狀誤差，當(dāng)選取的取樣長度不同時得到的高度值是不同的。規(guī)定和選擇取樣長度是為了限制和減弱表面波紋度對表面粗糙度的測量結(jié)果的影響。2）評定長度：Gp評定輪廓所必須的一段長度，它可包括一個或幾個取樣長度。由于零件表面各部分的表面粗糙度不一定很均勻，在一個取樣長度上往往不能合理地反映某一表面粗糙度特征，故需在表面上取幾個取樣長度來評定表面粗糙度。不同粗糙度的取樣長度和評度長度參數(shù)及數(shù)值L(mm)La(La=5l)mmRaRz≥0.008-0.02≥0.025-0.10.080.4＞0.02-0.1＞0.1-0.50.251.25＞0.1-2.0＞0.5-10.00.84.0＞2.0-10.0＞10.0-50.02.512.5＞10.-80.0＞50-3208.040.03）基準(zhǔn)線：用以評定表面粗糙度參數(shù)給定的線，是表面粗糙度二維評定的基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)線有下列兩種:①輪廓的最小二乘中線:具有幾何輪廓形狀并劃分輪廓的基準(zhǔn)線，在取樣長度內(nèi)使輪廓線上各點的輪廓偏距的平方和為最小。②輪廓的算術(shù)平均中線:具有幾何輪廓形狀在取樣長度內(nèi)與輪廓走向一致的基準(zhǔn)線。表面粗糙度的影響主要表現(xiàn)在以下方面：1）影響零件的耐磨性；2）影響機器和儀器的工作精度；3）影響配合性質(zhì)；4）對零件強度造成影響；5）影響零件耐腐蝕性；表面粗糙度對零件使用性能的影響表面粗糙度影響零件的耐磨性。表面越粗糙，配合表面間的有效接觸面積越小，壓強越大，磨損就越快。表面粗糙度影響配合性質(zhì)的穩(wěn)定性。對間隙配合來說，表面越粗糙，就越易磨損，使工作過程中間隙逐漸增大；對過盈配合來說，由于裝配時將微觀凸峰擠平，減小了實際有效過盈，降低了聯(lián)結(jié)強度。表面粗糙度影響零件的疲勞強度。粗糙零件的表面存在較大的波谷，它們像尖角缺口和裂紋一樣，對應(yīng)力集中很敏感，從而影響零件的疲勞強度。表面粗糙度影響零件的抗腐蝕性。粗糙的表面，易使腐蝕性氣體或液體通過表面的微觀凹谷滲入到金屬內(nèi)層，造成表面腐蝕。表面粗糙度影響零件的密封性。粗糙的表面之間無法嚴(yán)密地貼合，氣體或液體通過接觸面間的縫隙滲漏。表面粗糙度影響零件的接觸剛度。接觸剛度是零件結(jié)合面在外力作用下，抵抗接觸變形的能力。機器的剛度在很大程度上取決于各零件之間的接觸剛度。影響零件的測量精度。零件被測表面和測量工具測量面的表面粗糙度都會直接影響測量的精度，尤其是在精密測量時。此外，表面粗糙度對零件的鍍涂層、導(dǎo)熱性和接觸電阻、反射能力和輻射性能、液體和氣體流動的阻力、導(dǎo)體表面電流的流通等都會有不同程度的影響。如何降低表面粗糙度（1）（2）（3）（4）選用好的刀具合理使用加工參數(shù)合理使用切削液影響工件表面質(zhì)量的其他因素機械加工方法的表面粗糙度表面特征表面粗糙度加工方法舉例明顯可見刀痕Ra100粗車、粗刨、粗銑、鉆孔微見刀痕Ra12.5精車、精刨、精銑、粗鉸、粗磨看不見加工痕跡，微辯加工方向Ra1.6精車、精磨、精鉸、研磨暗光澤面Ra0.2研磨、珩磨、超精磨、拋光機械加工面的表面粗糙度Ra加工方法Ra(10-6cm)摩擦2～25珩磨10～50拉拔40～400壓鑄25～400研磨50～250磨削300～600粗糙度的測量方法

按照是否接觸，分為接觸測量法和非接觸測量法；按照測量的精確程度，分為定性測量法和定量測量法；按照采用的基準(zhǔn)不同，分為基準(zhǔn)線測量法和基準(zhǔn)面測量法等。下面幾種方法是比較常用比較基本的方法：干涉法干涉法是利用光波干涉原理來測量表面粗糙度。針描法針描法是利用觸針直接在被測表面上輕輕劃過，從而測出表面粗糙度的Ra值。比較法比較法是車間常用的方法。將被測表面對照粗糙度樣板，用肉眼判斷或借助于放大鏡、比較顯微鏡比較；也可用手摸，指甲劃動的感覺來判斷被加工表面的粗糙度。此法一般用于粗糙度參數(shù)較大的近似評定。光切法光切法是利用"光切原理"來測量表面粗糙度。表面粗糙度的測量方法常用材料的比表面和粗糙系數(shù)材料加工條件測試氣體比表面(m2/g)粗糙系數(shù)純鐵1000℃燒氫,210金剛砂拋光,苯去脂,2號金剛砂拋光,苯去脂C2H6C2H6Kr1.223.43.8鐵膜Kr22.660鋁箔板材拋光陽極氧化層,厚20μmKrKrKr61.6200-900鉑箔,光亮酸洗、火焰加熱鍍鉑KrKrKr

4.52.23.3183鉑膜Kr7鎳拋光,新拋光,舊Kr9.7鎳膜Kr4.39鈷膜Kr4.910鉭膜Kr24.238鎢膜Kr39.240鈦膜Kr13.615表面粗糙度的應(yīng)用原則1）工作表面比非工作表面的粗糙度數(shù)值要??；2）摩擦表面比非摩擦表面的粗糙度數(shù)值小。摩擦表面的摩擦速度越高，所受的單位壓力越大，則應(yīng)越高；滾動摩擦表面比滑動摩擦表面要求粗糙度數(shù)值?。?）對間隙配合，配合間隙越小，粗糙度數(shù)值應(yīng)越??；對過盈配合，為保證連接強度的牢固可靠，載荷越大，要求粗糙度值越??；4）配合表面的粗糙的值應(yīng)與其尺寸精度要求相當(dāng)。2.2表面能與表面張力2.2.1表面能的概念2.2.2液體的表面張力2.2.3液體的表面自由能2.2.4固體的表面張力和表面自由能1)表面能表面能：表面所具有的內(nèi)能。包括表面原子的動能，原子間的位能和原子中原子核及電子的動能和勢能等。新表面的出現(xiàn)會伴隨表面能的產(chǎn)生，外界對物體做功，該功轉(zhuǎn)化為新生表面的表面能和表面自由能。例：切菜、劈柴。實際上表面的內(nèi)能的絕對值是無法測量的，可以測量到的僅是當(dāng)物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生改變時，其內(nèi)能的改變量△U，按熱力學(xué)第一定律：

△

U＝Q十W表面可以認(rèn)為是體相沿某個方向劈開造成的，由于表面的形成使體相狀態(tài)發(fā)生了改變，因此內(nèi)能產(chǎn)生△U的改變。但通常并不是用內(nèi)能的變化量△U來描述表面能．而是用表面自由能增量△F來描述表面能的大小。

△F＝△U-T△S顯然，實際的表面能△U要比△

F大一個熵?zé)嶂?。又因為我們接觸的大部分表面是處于等溫等壓的環(huán)境下，因此，一般采用自由焓△G。[△G＝△F+△(PV)]而對于固體和液體，由于等溫等壓下體積幾乎無變化，自由焓△G也可用表面自由能增量△F表示。為什么表面的出現(xiàn)會伴隨表面能的產(chǎn)生呢？不論液體還是固體，從無表面到生成一個表面，必須依靠環(huán)境對其做功，該功即轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婺芑虮砻孀杂赡?。下面以面心立方晶格金屬的表面形成為例來說明設(shè)兩個原子間的鍵能為Ua，則制造表面時每斷一根鍵，該原子的能量將增加Ua/2，切斷4根鍵增加能量2Ua，這種能量的增加稱為斷鍵功。顯然斷鍵功不僅與原子的內(nèi)聚功有關(guān)，也與表面上的原子取向有關(guān)。當(dāng)表面為(111)面時，斷鍵功是1.5Ua，為(110)面時為2.5Ua。通過斷鍵功劈開的新表面，每個原于并不是都原封不動地保留在原來的位置上，由于鍵合力的變化必然會通過弛豫等重新組合，因而消耗掉一部分能量，稱為松弛能。嚴(yán)格講表面能應(yīng)等于斷鍵功和松弛能之和，但是由于松弛能一般都很小，僅占其中的2％一6％，因此，也可近似用斷鍵功表示表面自由能的大小。2)表面張力表面張力：單位面積上的表面能，是由原子間的作用力以及原子在表面和內(nèi)部的排列狀態(tài)的差別引起的。物質(zhì)的表面具有表面張力σ在恒溫恒壓下可逆地增大表面積dA，則需功G=σdA，因為所需的功等于物系自由能的增加，且這一增加是由于物系的表面積增大所致，故稱G為表面能或表面自由能。單位J/m2。溫度是調(diào)節(jié)表面張力的最好方法。液體內(nèi)部分子所受的力可以彼此抵消，但表面分子受到體相分子的拉力大，受到氣相分子的拉力小(因為氣相密度低)，所以表面分子受到被拉入內(nèi)部的趨勢；對于固體，也同樣會這樣。這種趨勢會使表面自動收縮到最小，最終使表面吉布斯函數(shù)下降。分子力：在液體內(nèi)部的分子之間，彼此互相吸引力。分子力和分子所帶電荷的大小與分布，及分子之間的距利有關(guān)，當(dāng)距離增大時，分子力迅速地減弱。在液體內(nèi)部的分子所受的合力為零，但在液體表面層內(nèi)的分子則受到向下的力，因此使液面向內(nèi)收縮。當(dāng)液體的表面積增大時，液體內(nèi)部的分子會上升來填補，所以液體表面分子之間的距離保持不變。液體所受的表面張力，其作用方向垂直于邊界。液體的表面層受到來自其下方分子力的吸引而向內(nèi)收縮，如同張緊的彈性皮膚，在膜面上產(chǎn)生表面張力。表面張力的示意圖接觸角與表面張力接觸角θ為在液體內(nèi)部接觸管壁的液面和管壁之間的夾角。接觸角決定于液體的種類以及接觸面的性質(zhì)，F(xiàn)1為來自液體內(nèi)部分子的內(nèi)聚力，F(xiàn)2則為來自管壁分子的附著力。若，則接觸角為銳角。若，則接觸角為鈍角。接觸角分子力可分為內(nèi)聚力：同類分子之間的吸引力。附著力：異類分子之間的吸引力。內(nèi)聚力和附著力F1為來自液體內(nèi)部分子的內(nèi)聚力F2則為來自管壁分子的附著力。內(nèi)聚力和附著力作用的實例表面張力的示范實驗

橄欖油滴在同密度的水和酒精的混合液體中。由于表面張力的作用，油滴形成完美的球形。表面張力的示范實驗

在圓形金屬框上沾有肥皂泡沫，若將膜面中棉線圈內(nèi)部的泡沫戳破，則棉線圈將被液體的表面張力拉成圓形。液體的表面張力σ由于表面層分子受到內(nèi)部分子的吸引，它們都趨向于擠入液體內(nèi)部，以使液體表面層盡量縮小，結(jié)果在表面的切線方向上便有一種縮小表面積的力作用著。上圖的現(xiàn)象說明，這種作用力是沿著液面和液面相切、使液面縮小的一種力。如果液面是水平的，這種作用力也是水平的；如果液面是彎曲的，那么這種作用力的方向就是這個曲面的切線方向；液體表面的這種作用力被形象地稱作表面張力。表面張力是施于液體表面單位長度上的力。表面張力的方向是與液體表面相切，其單位是N·m-1。液體表面自由能液體內(nèi)部分子受到周圍分子的吸引其合力為零，因而，分子在液體內(nèi)部移動時．不需要消耗額外的能量。表面層分子則不然，它們受到一個垂直于液面指向液體內(nèi)部的力，這個力力圖將表面分子拉入液體內(nèi)部，從而使液體表面具有自動收縮的趨勢。因此．如要把液體分子從液體內(nèi)部移到表面(增加表面積)，就必須克服指向液體內(nèi)部的引力而做功。由熱力學(xué)第二定律可知，在等溫等壓可逆過程中，外界對體系所作的最大非體積功等于體系自由焓的增加。即

δW可=dGT,P在上圖中ABCD為液體膜，為了保持液體膜的穩(wěn)定，必須外加一個與表面張力方向相反的力f。在等溫等壓下，若將AB可逆地移動一個距離△λ。這時液體膜的表面積增加了△A，同時環(huán)境消耗了功。根據(jù)力學(xué)原理，功等于力乘距離，外界所消耗的功為：

W=f△λ因為f=2σL,所以，W=2σL△λ

又因為：2L△λ=△A,所以W=σ△A

即：δW=σdA,再由熱力學(xué)第二定律：

dG=δW=σdA

此式表明在等溫等壓可逆條件下，在形成新表面過程中所消耗的功等于體系自由焓或自由能的增量。這一增量是由于體系表面積增大而產(chǎn)生的，所以稱為表面自由能。積分上式∫dG=σ∫dA得G=σA

由上式可知，一個體系的表面自由能在數(shù)值上等于表面張力和表面積的乘積。體系表面張力和表面積越大，則表面自由能越大。另外：σ=G/A

由此可知，表面張力的另一物理意義是單位表面所具有的表面自由能。所以又稱σ為比表面自由能(或比表面能)，單位用J/m2表示。表面張力和比表面自由能是從不同的角度反映了物質(zhì)表面層分子受力不均衡的特性，它們的量綱相同，數(shù)值相等。因為：

J/m2=N*m/m2=N/m對于只有表面積和表面張力發(fā)生變化的體系，根據(jù)熱力學(xué)的最小自由能原理，表面自由能減小的過程是自動進行的過程。于是將式G=σA微分得：dG=σdA+Adσ（1）當(dāng)σ一定時，即dσ=0，即dG=σdA

若要dG<0,則dA<0.所以縮小表面積的過程是自發(fā)過程。這說明了雨滴和露珠為什么呈球狀。此外，金屬熔體中的小氣泡合并成大氣泡，鋼液、鐵水中的夾雜物由小顆粒合并為大顆粒，結(jié)晶時固相中的小晶粒合并成大晶粒，這些都是縮小表面積的過程，所以是能夠自動進行的。（2）當(dāng)A一定時，即dA＝0(亦即表面積不變)，則上式為dG=Adσ

若要dG＜0，則必須dσ＜0。也就是說，表面張力減小的過程是自發(fā)過程，固體與液體物質(zhì)表面所產(chǎn)生的吸附現(xiàn)象，就是因為吸附物質(zhì)可以減小表面張力。如果物質(zhì)不能使其表面張力減少，此時不能吸附此物質(zhì)。

(3)σ和A均發(fā)生變化，則總的效果如果是引起自由能減小，則為自發(fā)過程。例如，水滴在玻璃上鋪展，整個體系的σ及A都發(fā)生了變化，綜合結(jié)果引起了體系自由能減小，所以是自發(fā)過程。這種現(xiàn)象稱為潤濕現(xiàn)象。對于各向異性的固體，設(shè)在兩個方向上的面積增量分量為dA1及以dA2有σ=G+0.5[A1(dG/dA1)+A2(dG/dA2)]式中G為單位面積表面自由能對于各向同性的固體：

σ=G+A(dG/dA)對于液體，dG/dA=0,所以σ=G（1）不同液體的表面張力系數(shù)不同，密度小、容易蒸發(fā)的液體表面張力系數(shù)小。（2）同一種液體的表面張力系數(shù)與溫度有關(guān)，溫度越高，表面張力系數(shù)越小。（3）液體表面張力系數(shù)與相鄰物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。（4）表面張力系數(shù)與液體中的雜質(zhì)有關(guān)。表面張力系數(shù)的基本性質(zhì)影響液體表面張力的主要影響因素：⑴物質(zhì)本身結(jié)構(gòu)的影響表中，列出了某些物質(zhì)的表面張力?？梢钥闯鼍徒Y(jié)構(gòu)面言，金屬鍵的物質(zhì)σ最大；離子鍵的物質(zhì)次之；極性共價鍵的物質(zhì)再次之，非極性共價鍵的σ最小。⑵所接觸介質(zhì)的影響下表是常溫下同一種液體與某些不同物質(zhì)接觸時的表面張力數(shù)據(jù)，因為表面層分子與不同物質(zhì)接觸時所受的力不同，所以σ也有差異。⑶溫度的影響一般來說，溫度升高，物質(zhì)的密度降低，使物體內(nèi)部的分子對表面層分子的引力減弱，所以σ下降。

通常，溫度對表面張力的影響極為顯著。不同溫度下水的的表面張力（N·m-1

）溫度/℃σ溫度/℃σ溫度/℃σ051015200.07540.074750.074010.073260.0725325303540450.071760.071030.070290.069540.0686506070800.06780.06600.06420.0623如表所示，隨著溫度升高，水的表面張力降低某些物質(zhì)的表面張力(N/m)金屬鍵離子鍵共價鍵物質(zhì)t/℃σ物質(zhì)t/℃σ物質(zhì)t/℃σFe熔點1.880NaCl10000.098Cl2

-200.025Cu熔點1.250KCl9000.090O2

-1830.007Zn熔點0.768RbCl8280.089N2

-1830.013Mg熔點0.583CsCl8300.078H2O180.073表面張力的大小除了和液體的種類及狀態(tài)有關(guān)外，也和液體表面接觸的介質(zhì)有關(guān)。當(dāng)液體的溫度升高時，其表面張力減小。2.2.4固體的表面張力及表面能1）固體表面張力2）固體表面能3）影響固體表面自由能的因素4）表面化學(xué)勢固體的表面張力及表面能固體的表面張力不同于液體，很難測得定值。因為即使對同一晶體，由于處于表面上的晶面不同，其表面張力也會不同，更何況表面微觀形態(tài)復(fù)雜多變，晶格缺陷存在的程度也不相同。通常最簡單的測量方法是用解理單晶時所消耗的功即斷裂功來表示。也有人提出用溶解熱的方法求出，即由晶體和其粉末的溶解熱的差別求出表面張力。當(dāng)固體界面被溶解時表面能即表現(xiàn)為額外的溶解熱。利用精密的量熱計有可能測定粒度不同的結(jié)晶物質(zhì)的溶解熱差異。例如，粗粒NaCl的溶解熱為3897.6J/mol，細(xì)粒NaCl是用升華法制備的，直徑約為1μm，其溶解熱比粗粒的大67.2J／mol，由此可算出比表面能，即表面張力為1680J／cm2。但粒度大小對表面能有重要影響。對于接近熔點時的固體，因為在接近熔點時固體會發(fā)生一定程度的體相流動，其應(yīng)變速度正比于所施之力。右圖是φ0.025mm金絲在1000℃附近時應(yīng)變速度對應(yīng)力的關(guān)系。由圖可見，當(dāng)負(fù)荷小時近于直線，負(fù)荷為零時應(yīng)變速度的負(fù)值可認(rèn)為是金屬的表面張力所引起的。所以應(yīng)變速度為零時的負(fù)荷必正好與沿金屬絲周線的表面張力平衡。物質(zhì)所接觸的介質(zhì)σ/N·m-1

物質(zhì)所接觸的介質(zhì)σ/N·m-1

水銀水銀水酒精苯空氣0.36430.3620.073水水苯戊醇0.03260.0044與不同介質(zhì)接觸時的表面張力不同溫度下水的的表面張力（N·m-1

）溫度/℃σ溫度/℃σ溫度/℃σ051015200.07540.074750.074010.073260.0725325303540450.071760.071030.070290.069540.0686506070800.06780.06600.06420.0623NaCl顆粒大小對比表面能的影響5.4×10-5

4.2×10-44.2×10-3

4.2×10-2

4.2×10-14.2×103.6282802.8×1032.10