表面工程技术的相关基础

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1、2表面工程技术的物理、化学基础教学目的和要求掌握固体(金属)的重要表面特性，材料磨损及腐蚀基本原理。前言成功运用表面工程技术的三要素：掌握材料表面与界面的基础知识掌握各种表面工程技术的特点了解与掌握影响材料表面性能的主要因素2.1固体的表面和界面表面（定义）：固体与周围环境（气相、液相和真空）间的过渡区称为金属的（外）表面。因环境不同，过渡区的组成和深度不同。界面（定义）：界面是一种二维的结构缺陷。在体系中，结构和成分不同的区域间；或结构和成分均相同，但取向不同的两晶粒间的交界面都称为界面。前者称相界，而后者称为晶界。界面种类：外表面

2、和内表面两大类。外表面：固体和周围环境间的过渡区；内表面：晶界、相界、亚晶界、孪晶界、层错界及胞壁界等。一、典型固体表面1.理想表面定义：向无限晶体内插入一个平面并切断插入面两侧的原子结合键后，将其分为两部分而形成的两个新的表面称为理想表面。特点：此过程中除了晶体附加了一组边界条件外，无任何其它改变。在半无限晶体内部，原子和电子的状态与原来无限晶体的情况一样。理想表面实际不存在。实际表面存在表面能。理想表面形成示意图1-1.实际表面定义：与理想表面不相同的实际表面（温度在0K以上的表面）。J.W.Gibbs于1877年首先提出：在气固

3、相界面处存在一种二维凝聚物相。特点：驰豫及重构合金的表面偏析表面吸附和表面化合物表面缺陷驰豫重构表面原子的驰豫与重构表面吸附表面偏析2.洁净表面与清洁表面洁净表面（定义）：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表面。洁净表面允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。洁净表面只有用特殊的方法才能得到清洁表面（定义）：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。洁净表面与清洁表面这一对概念很重要。3.机械加工后的表面表面的粗糙度和波纹

4、度构成了金属的表面形貌。粗糙度:加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状就构成了其特征，粗糙度的波距与波深之比常常为150：1~5。波纹度:金属表面呈波浪形的有规律和无规律的表面反复结构误差称为波纹度。波纹度的波距与波深的比为：1000：1~100。经过仔细研磨的金属：i≥2材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要的概念之一。它与表面工程技术的特征及实施前的预备工艺紧密联系，并严重影响材料的摩擦磨损、腐蚀性能、表面磁性能和电性能等。经过仔细研磨的金属：i≥2经过仔细研磨的金属：i≥2表面粗糙度+波纹度+形状公差=实际表面形

5、貌金属表面的宏观与微观粗糙度4.一般表面由于表面原子处于非平衡状态，一般表面会吸咐一层外来原子。要求进行表面预处理。二、典型固体界面1.基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面微晶层(比尔比层(Bilby)层)：1—100nm厚的晶粒微小的微晶层。塑性变形层：塑变程度和它的深度有关。其它变质层：(1)形成孪晶：Zn,Ti等密排六方结构的金属表层会形成孪晶;(2)发生相变：18-8型奥代体不锈钢，β黄铜、淬火钢中的残余奥氏体，高锰钢等会形成相变层；(3)发生再结晶：Sn、Pb、Zn等低熔点金属加工后表层能够形成再结晶层。(4)发生时效和

6、出现表层裂纹等。塑变深度(μm)010203054321ε变形量(%)2.基于固相组织或晶体结构差异形成的界面典型特征是两相之间的微观成分与组织存在很大的差异，但无宏观成分上的明显区别（珠光体），且宏观组织变化存在渐变区域。3.基于固相宏观成分差异形成的界面（结合界面）冶金结合界面扩散结合界面外延生长界面化学键结合界面分子键结合界面机械结合界面实际表面改性层中界面的结合机理常常是上述几种机理的综合。应根据需要设计、控制界面的结合机理。结合强度较高结合强度较低结合强度较高结合强度较低结合强度较高结合强度较低冶金结合界面定义：当覆层与基体

7、材料之间的界面结合是通过处于熔融状态的覆层材料沿处于半熔化状态下的固体基材表面向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合界面。实质：金属键结合特点：结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。技术：激光熔覆技术、堆焊与喷焊技术等。扩散结合界面定义：两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成的结合界面。特点：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子级别的混合或合金化。技术：热扩渗工艺、离子注入工艺（“类扩散”界面）等。外延生长界面定义：当工艺条件合适时，在（单晶）衬底表面沿原来的结晶轴向生成

8、一层晶格完整的新单晶层的工艺过程，就称为外延生长，形成的界面称为外延生长界面。关键：结晶相容性（晶格失配数m小）m=│b-a│/aa-基体晶格常数，b-薄膜晶格常数特点：理论上应有较好的结合强度。具体取决于所形成的单晶层