第二章 发展方向.ppt

第二章 表面工程技术的物理、化学基础 表面与界面的区别 理想表面 单种原子组成的某物质，其理想表面的形成过程可想象按两步进行 洁净表面 晶体表面的成分和结构不同于晶体内部，一般大约要经过4－6个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原子层范围。 弛豫：表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同于体内原子间距（缩小或增大，也可以是有些原子间距增大，有些减小） 重构 ：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整 偏析 ：表面原子是从体内分凝出来的外来原子 台阶：表面不是原子级的平坦，表面原子可以形成台阶结构 化学吸附 ：外来原子（超高真空条件下主要是气体）吸附于表面并以化学键合 化合物： 外来原子进入表面，并与表面原子键合形成化合物 实际表面 机械加工过的表面 表面粗糙度 典型固体界面 基于固体晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面 BILBY层＋塑变层 基于固相组织或结晶结构差异形成的界面 例：钢表面淬火。表面显微结构是马氏体结构为主，心部仍是原来的退火状态，中间是马氏体＋铁素体＋珠光体过渡区。 基于固相宏观成分差异形成的界面 贝尔比层 贝尔比层特点 表面晶体结构 二维的布拉菲晶格（点阵）加上结点来描述，二维无限点阵。 TLK模型(Terrace-Ledge-Kink) 各种缺陷的平台，还是台阶和扭折都会对表面的一些性能产生显著的影响 图2－3 单晶表面的TLK模型 表面扩散 扩散：物质中原子（分子）的迁移现象称为扩散。FICK1,2定律。 Q表〈Q界〈Q位〈Q体，Q：扩散激活能 D表 〉D界〉D位 〉D体，D：扩散系数 表面能和表面张力 表面能：材料表面的内能；产生1cm2新表面需要消耗的等温可逆功。 表面张力 固体表面的吸附 分类：物理吸附：范德华力 化学吸附：化学键力 固体对气体的吸附 常见气体对大多数金属而言，吸附强度有顺序： O2 〉C2H2 〉C2H4CO 〉H2 〉CO2 〉N2 固体对液体的吸附 固体对固体的吸附 莱宾杰尔效应 固体表面的润湿 润湿现象和机理 固体表面的润湿 应用 增大润湿性：表面重熔、合金化、涂装技术，提高与基体的结合力 减小润湿性：“不粘锅”，在锅底表面涂覆上憎水性材料，如PTFE 2.2 材料磨损原理及耐磨性 摩擦 遵循摩擦三定律 1、干摩擦 无润滑摩擦，磨损最大 应用：制动器，传送带 2、边界润滑摩擦：很薄油层〈 0.1μm 摩擦降低2～10倍 3、流体润滑摩擦：F取决于润滑油粘度 4、滚动摩擦：很小 一种摩擦包含几种磨损机理 磨损 粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、高温磨损 典型情况 硬－软：抗剪切强度↓，实际面积↑，摩擦力↑ 硬－硬：实际面积↓，抗剪切强度↑，摩擦力↑ 磨粒磨损：占磨损失效的50％ 磨粒磨损过程 硬质磨粒——绝对刚体 塑性材料接触：显微切削、显微犁沟 脆性材料接触：断裂破坏，显微疲劳、显微裂纹 例:a.模具钢中，高铬钢和高速钢耐磨性好，如果 在钢中存在严重的碳化物偏析或大颗粒的碳化物情况下，冲压模易因冲击磨损出现表面剥落，成为磨粒，加速磨损。 b.热作模：型腔表面由于高温软化——耐磨性↓，氧化皮起到磨粒作用。 c.塑料模具：硬质塑料成型过程中，硬质填料充当磨粒。 磨粒磨损 影响因素 磨粒特性 a.硬度的影响 Ha/ Hm 1 W速率低－软磨粒W Ha/ Hm 1.2 W速率高－硬磨粒W 1 Ha/ Hm 1.2 随磨粒硬度增加，W速率增加很快，呈线性 对非均质材料，规律相似，但W速率不同 磨粒磨损 形状与粒度对W速率的影响不大 W率：尖锐型 多角形圆形 当磨粒在某一尺寸一下时，材料的体积W率随尺寸的增大而增大。 当尺寸超过这一临界尺寸时，增加幅度降低。 磨粒磨损 材料力性、组织 硬度 耐磨性 （一般具有伴随关系） 耐磨性：奥氏体、贝氏体珠光体、马氏体 环境影响 提高零件耐磨性的途径 工程结构的合理设计 零件磨损机理预测、分析和耐磨材料的选择 材料表面耐磨与减摩处理 拉深模 改善方法 选材 粘附易发生在性质相近的材料之间，根据被拉深材料选择模具材料。 如：被拉深材料：有色金属 黑色金属 模具材料：铸铁、钢材、硬质合金； 有色金属、硬质合金、亲和力小钢材 合理设计模具 凸、凹模间隙设计合理 间隙小，摩擦阻力大，磨损↑ 间隙过大，制件起皱，