2现代表面技术-材料表面工程技术基本理论.ppt

2.1 表面晶体学 液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。（P22） 第2章 材料表面工程技术基本理论 2.1 表面晶体学 理想表面结构 清洁表面结构 实际表面结构 2.2 材料表面现象 表面缺陷 表面吸附 表面润湿 表面扩散 2.3 基体表面预处理 平整 清洁 抛光 喷砂和喷丸 2.2.1材料表面缺陷 点缺陷 定义：在三维方向上尺寸都很小的缺陷称为点缺陷，如空位（P20）、间隙原子和置换原子等 点缺陷的存在，破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，从而引起性能变化，使金属的电阻率增加，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。 空位：是指晶格中某些缺排原子的空结点，空位的产生是由某些能量高的原子通过热振动离开平衡位置引起的。 间隙原子：某些挤进晶格间隙中的原子称为间隙原子，间隙原子可以是基体金属原子，也可以是外来原子。 置换原子：如果外来原子取代了结点上原来原子的位置，这种原子称为置换原子。 2.2.1材料表面缺陷 线缺陷 定义：特征是在两维方向上的尺寸很小，仅在另一维方向上的尺寸较大，亦称为一维缺陷。例如位错。 以一条线为中心发生的结构错乱，有刃位错和螺形位错。 2.2.1材料表面缺陷 面缺陷 特征是在两维方向上的尺寸较大，只在另一维方向上的尺寸很小，亦称为二维缺陷。例如晶体表面、晶界、相界和堆垛层错等。 晶体：如果一块晶体内部的晶格方位完全一致，这种晶体称为单晶体。实际使用的金属材料几乎都是多晶体（如下图所示），即由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。 2.2.1材料表面缺陷 晶界：晶粒与晶粒之间的交界面称为晶界。晶界是两个晶粒的过渡部位，原子排列不规则。晶界对位错运动有阻碍作用，是金属中的强化部位。金属的晶粒越细，晶界总面积越大，金属的强度也越高，因而实际使用的金属材料力求获得细晶粒。 亚晶界：晶粒本身也不是完整的理想晶体，它是由许多尺寸很小、位向差也很小的小晶块镶嵌而成的（如下图所示），这些小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的交界面称为亚晶界。亚晶界对金属同样有强化作用。 （1）固体对气体的吸附 物理吸附－被吸附分子靠范德瓦尔斯力吸附在固体表面，两者之间没有电子转移。 化学吸附－气体和固体之间发生电子的转移，二者产生化学键力，吸附原子与固体表面之间的这种结合力比范德瓦尔斯力大的多，与化合物中原子间形成化学键的力相似。 吸附—当气体或液体分子趋近固体表面时，受到固体表面分子或原子的吸引力被吸附到表面，在固体表面富集，且仅限于固体表面的现象。 2.2.2材料表面吸附 任何气体在其临界温度以下，都会被吸附于固体表面，即发生物理吸附。但并不是任何气体在任何表面上都可以发生化学吸附。物理吸附和化学吸附有时会同时发生。 对于一个洁净的金属表面，化学吸附是连续进行直到饱和的过程，由于化学吸附是单层吸附，也就是说，当化学吸附由局部覆盖金属表面直至整个表面完全被单分子层覆盖时，化学吸附便达到饱和，化学吸附终止，进一步输入气体分子时，则可能发生物理吸附或者发生化学反应形成某种化合物。 2.2.2材料表面吸附 （2）固体对液体的吸附 物理吸附－液体与金属表面发生比较弱的分子引力结合，形成了物理吸附膜(润滑油)。 化学吸附－先形成物理吸附膜，然后在界面发生化学反应转化成化学吸附。 （3）固体表面之间的吸附 当两固体表面之间接近到表面力作用的范围内(即原子间距范围内)时，固体表面之间产生吸附作用。 2.2.2材料表面吸附 固体对固体的吸附特点： a.两种不同物质间的粘附功往往超过其中较 弱的那种物质的内聚力。 b.表面的污染会使粘附功大大减小，而这种 污染往往是非常迅速的(Fe在水银中断裂)。 C.固体的吸附作用只有当固体断面很小,并且 很清洁时才能表现出来。 2.2.2材料表面吸附 2.2.3材料表面润湿 接触角 当θ90o时，称为润湿。θ角越小，润湿性越好，液体越容易在固体表面上铺展开。 当θ90o时，称为不润湿。θ角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面上铺展开，并越容易收缩至圆球状。 当θ=0o和180o时，则相应的称为完全润湿和完全不润湿。 润湿理论在表面工程技术上的应用主要是调整润湿角。比如加入表面活性物质，可使θ减小，润湿程度增大；反之，加入表面惰性物质，可使θ增大，润湿程度降低。 2.2.4材料表面扩散 1. 表面缺陷模型 表面扩散：原子或分子沿表面的二维迁移！ 单个原子跳跃几个晶格后越过一个平台！ 吸附原子沿边缘的长度方向扩散！ 空位被表面原子填充形成扩散！ 2.2.4材料表面扩散 2. 表面扩散 第2章 材料表面工程技术基本理论 2.1 表面晶体学 理想表面结构 清洁表面结构