01固体表面特性.ppt

河海大学机电工程学院 赵占西 第一章 固体表面特性 §1.1 固体表面结构 §1.2 固体表面吸附 §1.3 固体表面几何特性的表述 §1.4 金属表面的接触 第一章 固体表面特性 §1.1 固体表面结构 一、固体表面结构 二、固体表面吸附 三、固体表面几何特性及其表述 第一章 固体表面特性 §1.3 固体表面几何特性的表述 1．表面波纹度 2．表面粗糙度 3．表面轮廓高度的分布 不同加工方法形成的表面轮廓线 1. 表面波纹度 1. 表面波纹度 2．表面粗糙度 具有相同Ra的不同表面 第一章 固体表面特性 §1.4 金属表面的接触 1.接触表面间微凸体相互作用 2.接触面积 微凸体互嵌 宏观位移 接触面积（一） 接触面积（二） * Ch1 固体表面特性 * 一、固体的表面结构 固体：晶体、非晶体。 从固体物理学的角度看，结晶固体的表面是晶体中原子周期性排列发生大面积突然中止的地方。在很多方面与周期性排列的内部原子有差别： 结构上会出现重新调整和改变。结果会使结晶学性质及能量发生变化； 表面原子会与环境(介质)发生相互作用，产生物理吸附、化学吸附或化学反应。 §1 固体的表面结构 金属表面的实际构成 一、固体的表面结构 §1 固体的表面结构 一、固体的表面结构 不同晶面作表面时，断键数目不同，因而表面能不同。即在单晶体中，表面能各向异性。 §1 固体的表面结构 1.070 1.038 （410） 1.065 1.025 （310） 1.16 （210） 1.083 1.025 （111） 1.15 （110） 1.068 1.019 （211） 1.119 （311） 1.050 1.022 （100） 1.047 （100） 1.00 1.00 （110） 1.00 （111） Ta 1400K W 1200K 面 Au、Ag、Cu、Ni 面 体心立方 面心立方 表1-1 不同晶面的表面能 （10-7J/cm2） 表面偏聚 表面成分不同于合金的整体平均成分的现象叫做表面偏聚。 一是溶质原子在表面富集(表面偏聚多指这种情况)； 二是表面溶质原子减少(也称此为反偏聚)。 §1 固体的表面结构 二、固体表面吸附 晶体表面原子或分子的力场不饱和，清洁的固体表面处于不稳定的高能状态。如果某种物质能与表面作用，降低其表面能，则这种物质就将吸附于固体表面，这是发生表面吸附的热力学依据。 吸附是固体表面最重要的性质之一。 固体表面上气体的吸附 固体表面上液体的吸附 固体表面之间的吸附 固体表面化学反应——氮化膜的形成 §2 固体的表面吸附 §2 固体的表面吸附 化学热处理的基本过程： 加热—将工件加热到一定温度使之有利于吸收渗入 元素活性原子； 分解—由化合物分解或离子转变而得到渗入元素活 性原子； 吸附—活性原子被吸附并溶入工件表面形成固溶体 或化合物； 扩散—渗入原子在一定温度下，由表层向内部扩散 形成一定深度的扩散层。 固体表面化学反应——氮化膜的形成 较高温度 低温 吸附温度 形成新的化合物 同吸附分子机构 吸附层结构 不可逆 可逆（脱附） 可逆性 需要，较高 不需要 吸附活化能 慢 快 吸附速率 有 无 吸附选择性 单分子层 单或多分子层 吸附层 化学键，强 范德华力，弱 吸附力 接近反应热40～400KJ/mol 接近液化热1～40KJ/mol 吸附热 化学吸附 物理吸附 比较项目 物理吸附与化学吸附的区别 二、固体表面吸附 §2 固体的表面吸附 表面张力 图1-38 表面张力与接触角的关系 二、固体表面吸附 §2 固体的表面吸附 材料表面润湿现象（润湿理论的应用） 润湿＜90° 不润湿＞90° 二、固体表面吸附 §2 固体的表面吸附 二、固体表面吸附 晶体晶界、位错、台阶等部位 能量高，氧化也就往往从此处开始，然后逐渐向周围区域扩散，直到将表面覆盖。另外，由于表面上各部位能量不同，形成氧化物的厚度也不相同。 §2 固体的表面吸附 图1-20 金属镍表面上“氧化物岛”形成示意图 固体的表面形貌 经加工的金属零件表面宏观上似乎很平整、光滑，但在显微镜下观察就可发现很粗糙，呈现凹凸不平的波峰和波谷，凸起的波峰称微凸体。 几何形状误差：表面波纹度(宏观粗糙度) 表面粗糙度(微观粗糙度) §3 固体表面几何特性及其表述 1．表面波纹度 §3 固体表面几何特性及其表述 表面波纹度是零件表