表面工程技术的物理、化学基础

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1、表面工程技术的物理、化学基础表面工程技术的物理、化学基础表面工程技术是赋予材料或零部件表面以特殊的成分、结构和性能的化学、物理方法与工艺，它的实施对象是固体材料的表面。掌握材料表面与界面的基础知识是正确选择与运用表面工程技术的基础。运用表面工程技术的要素第一，掌握各种表面工程技术的特点；第二，了解与掌握影响材料表面性能的主要因素。固体的表面与界面工程材料中，大部分材料属于晶体，如金属、陶瓷和许多高分子材料。一般地，将固相和气相之间的分界面称为表面，把固相之间的分界面称为界面。不同凝聚相之间的分界面称为相界面，同一

2、相中晶粒之间的分界面称为晶界。晶粒尺寸小到微米级以下的晶粒，称为微晶；当晶粒尺寸小到1nm数量级时，则晶体结构的远程有序消失，物质呈非晶态。理想表面认为半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原来的无限晶体一样。表面原子的近邻原子数减少，使得其拥有的能量大于晶体内部原子的能量，超出的能量正比于减少的键数，该部分能量即为材料的表面能。表面能的存在使得材料表面易于吸附其它物质。洁净表面材料表层原子结构的周期性不同于体内，但如果其化学成分仍与体内相同，这种表面就称为洁净表面。洁净表面只有用特殊的方法才能得到，如高温热处理、离

3、子轰击加热退火、真空沉积、场致蒸发等。在高洁净度的表面上，可以发生多种与体内不同的结构和成分变化，如驰豫、重构、台阶化、偏析和吸附。洁净表面驰豫指表面附近的点阵常数在垂直方向上较晶体内部发生明显的变化；重构则是指表面原子在水平方向的周期性不同于体内的晶面；台阶化是指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶构成；偏析则是指化学组分在表面区的变化；偏析和析出的区别在于前者结构不变，后者则伴有新相的形成。机械加工过的表面评价实际加工零件表面的微观形貌，一般从垂直于表面的二维截面上测量、分析其轮廓变化。表面的不平整性包括波纹度和

4、粗糙度两个概念，波纹度指在一段较长距离内出现一个峰和谷的周期，粗糙度指在较短距离内(2-800μm)出现的凹凸不平(0.03-400μm)。grinding,(2)polishing,(3)superfinishingand(4)burnishing.ThebearingcurvesofsurfacesRa=0.1µm(B)grinding(C)polishing(D)superfinishing(E)burnishing(B),polished(C),andburnished(D)surfaces.Workpie

5、cematerialcarbonsteelAIS11045.HRC60.Tangential(B,C.D)andaxial(E.F.G)residualstressesinsurfacelayer(a)martensite,(b)troostite(c)sorbite,(d)ferrite-pearlite(e)ferrite.TheburnishingforceP=100N(D.H.K);P=200N(C.G,J):P=300N(B.E.F.1,L).Workpiecematerial:carbonsteelAI

6、SI1045.材料表面粗糙度的表示方法最常用的是轮廓的算术平均偏差Ra，其表达式为式中，yi真为波峰或者波谷的绝对值，n为测量的波峰或者波谷的个数。材料表面粗糙度的表示方法描述材料表面粗糙度的另一个表达式为式中，Ai为真实面积，Al为Ai的投影面积，即理想的几何学面积。显然，表面粗糙度i>=1。材料的表面粗糙度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。在气相沉积技术实施之前，要求加工材料表面有很低的粗糙度，以提高膜的连续性和致密性；热喷涂工艺施工前则要

7、求表面有一定的粗糙度，以提高涂层与基材的结合强度。一般表面由于表面原子的能量处于非平衡状态，一般会在固体表面吸附一层外来原子。对金属而言，除金以外，其它金属表面在常温常压下会被氧化。一般的零件经过机械加工以后，表面上有各种氧化物覆盖。表面预处理大部分表面覆层技术在工艺实施之前，都要求对表面进行预处理，清除掉表面的氧化皮，以便提高覆层与基材的结合强度。这些预处理工艺往往是表面工程技术能否成功实施的关键，必须引起充分重视。典型固体界面材料科学所定义的界面通常指两个块体相之间的过渡区，其空间尺度决定于原子间力作用影响范围

8、的大小，其状态决定于材料和环境条件特性。界面类型按照界面的形成过程与特点，最常见的界面类型为如下几种：基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面基于固相组织或晶体结构差异形成的界面基于固相宏观成分差异形成的界面1．基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面当外力作用于金属表面时，在距离表面几微米范围内，其显微组织有较大的变化。如图所示为抛光金属的表面组织，在离表