表面工程学复习

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表面工程

一、名词解释（本大题共5小题，每小题4分，总计20分）1、表面工程学答：表面工程学是指为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺。

其内涵包括以下几方面：1）表面改性技术；2）表面加工技术；3）表面合成材料技术；4）表面加工三维合成技术；5）上述几个要点的组合或综合。

2、贝尔比层答：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。

如在抛光金属的表面组织中，在离表面约5nm的区域内，点阵发生强烈畸变，形成厚度约1~100nm的晶粒极微小的微晶层，亦称为贝尔比层。

贝尔比层具有粘性液体膜似的非晶态外观，不仅能将表面覆盖的很光滑，而且能流入裂缝或划痕等表面不规则处。

3、标准电极电位答：标准电极电位是以标准氢原子作为参比电极，即氢的标准电极电位值定位0，与氢标准电极比较，电位较高的为正，电位较低者为负。

金属浸在只含有该金属盐的电解溶液中，达到平衡时所具有的电极电位，叫做该金属的平衡电极电位。

当温度为25℃时，金属离子的有效浓度为1mol/L（及活度为1）时测得的平衡电极电位，叫做标准电极电位。

标准电极电位负值较大的金属都易失掉电子被氧化，而标准电极电位正值较大的金属都易得到电子被还原。

4、化学镀答：化学镀是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金属并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面加工方法。

与电镀相比，化学镀的优点：1）不管零件形状如何复杂，其镀层厚度都很均匀；2）镀层外观良好，晶粒细，无孔，耐蚀性更好；3）无需电解设备及附件；4）能在非金属（塑料、玻璃、陶瓷等）以及半导体上沉积。

其缺点：溶液稳定性差，使用温度高，寿命短。

5、金属化学处理答：金属化学处理是通过化学或电化学手段，使金属表面形成稳定的化合物膜层的方法。

这种经化学处理生成的膜称之为化学转化膜。

化学成膜处理的机理是金属与特定的腐蚀液接触而在一定条件发生化学反应，由于浓度极化作用和阴极极化作用等，使金属表面生成一层附着力良好的，能保护金属不易受水和其他腐蚀介质影响的化合物膜。

表面工程学

名词解释：1、表面工程学：为满足特定的工程要求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能的化学、物理方法与工艺。

2、理想表面:是一种想象的平面，在无限晶体中插进一个平面，将其分为两部分后所形成的平面，并认为半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原来的无线晶体一样。

3、洁净表面：虽然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。

4、清洁表面：一般指零件经过清洗（脱脂、浸蚀等）以后的表面。

5、TLK模型：基本思想是在温度相当于0K时，表面原子结构呈静态。

表面原子层可以认为是理想的平面，其中的原子作完整二维周期性排列，且不存在缺陷和杂质。

当温度从0K升到T时，由于原子的热运动，晶体表面将产生低晶面指数的平台、一定密度的单分子或原子高度的台阶、单分子或原子尺度的扭折以及表面吸附的单原子及表面空位等。

6、固体表面的吸附包括物理吸附和化学吸附。

吸附是固体表面最重要的性质之一。

7、莱宾杰尔效应：因环境介质的影响及表面自由能减少导致固体强度、塑性降低的现象。

8、润湿：液体在固体表面铺展的现象。

9、脱脂的方法：化学脱脂、有机溶剂脱脂、水剂脱脂、电化学脱脂。

10、表面淬火技术：采用特定的热源将钢铁材料表面快速加热到AC3（对亚共析钢）或者AC1（对过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体变化，形成表面强化层的工艺过程。

11、受控喷丸：是利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。

12、热扩渗：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层（或掺杂层）的工艺。

13、电镀：是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其他惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。

14、化学镀：在无外加电流的状态下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。

表面科学与工程复习资料

表面科学与工程复习资料1、什么是清洁表面，清洁表面包括哪些？（P10）清洁表面指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。

包括弛豫、重构、台阶化、吸附、偏析。

2、固体表面有哪些特性？其中物理吸附与化学吸附有哪些区别？（P17-19）（1）、固体表面特性表现在以下几个方面：①固体表面分子（原子）的运动受缚性；②固体表面的不均一性；③固体表面的吸附性；3、什么是贝尔比层？（P22 倒数第三段）晶格畸变随深度变化，在最外的约5—10nm厚度可能会形成一种非晶态层，称为贝尔比层。

4、金属的真实表面层有几层？（P24 图）有3层：加工应变层、氧化层、吸附层。

5、金属的表面处理的目的是什么？有哪些方法？（P28-P30）目的：①去除表面氧化层、、吸附层、锈、焊渣、毛刺等；②获得表面粗糙度；③获得清洁表面。

方法：①机械性清理包括机械磨光和抛光、滚光和刷光、喷砂获喷丸；②脱脂包括化学脱脂、有机溶剂脱脂、水剂脱脂、电化学脱脂；③除锈包括化学侵蚀、抛光和电化学抛光。

7、用犁沟变形机制、微观切削模型解释磨料磨损过程？（P40-41）（1）犁沟变形机制模型如图所示，当磨粒的形状与位向不利于切削时，磨粒将使材料产生犁沟变形，即将材料推向前方或两侧并使沟底及沟槽附近的材料产生塑性变形。

后继的磨粒可能把沟槽附近的材料压平，也可能使已经犁沟变形的材料遭受再一次的犁沟变形，如此反复，将导致材料的加工硬化和其他强化作用，最后产生裂纹、断裂而形成磨损。

（2）微观切削机理磨粒作用在材料表面的力可以分解为法向分力（正压力）和切向分力（摩擦力）。

在法向分立作用下，磨粒压入材料表面形成压痕，在切向分力作用下，磨粒向前推进。

微观切削的基本形式如图所示，当具有锐利棱角和适当迎角的磨粒与材料表面发生相对运动时，就会像刀具一样对材料进行进行切削而形成切屑。

虽然切屑磨损量在总磨损量中所占的比例很大，但是，磨粒与表面接触发生切削的概率并不大，当磨粒形状较圆钝时，当磨粒与被磨材料表面间的夹角（迎角）太小时，或者表面材料塑性很高时，往往磨粒在表面滑过后只犁出一条沟来，把材料推向两边或前面，而不能切削出磨屑来。

表面工程学-金属磨损的基本理论

•2021/8/5
•表面技术与摩擦学实验室
低应力磨料磨损：
§2.3 磨料磨损
松散物料在表面自由滑动，磨料不破碎
•2021/8/5
•表面技术与摩擦学实验室
低应力磨料磨损：
松散物料自由在表面滑动，磨料不破碎
§2.3 磨料磨损
•2021/8/5
•表面技术与摩擦学实验室
§2.3 磨料磨损
高应力磨料磨损：
§2.1 金属磨损基本概念
•2021/8/5
•表面技术与摩擦学实验室
二、磨损评定参数 2、相对磨损量磨损速度：
磨损率：
§2.1 金属磨损基本概念
•2021/8/5
•表面技术与摩擦学实验室
二、磨损评定参数 3、磨损系数
§2.1 金属磨损基本概念
•2021/8/5
•表面技术与摩擦学实验室
§2.1 金属磨损基本概念
§2.2 粘着磨损
销/套
Cu/Fe Fe/Cu Cu/Cu Fe/Fe
•2021/8/5
失重（× 10-6）
V1=48mm/s V2=879mm/s
9.8
0.029
1.5
0.94
44
2.4
51
44
•表面技术与摩擦学实验室
材料特性对粘着磨损的影响
§2.2 粘着磨损
表2-5 材料特性对粘着磨损的影响
§2.3 磨料磨损
HRC－b（、k）－之间的关系
•2021/8/5
•表面技术与摩擦学实验室
润滑状态与磨损速率的关系：
§2.3 磨料磨损
•2021/8/5
•表面技术与摩擦学实验室
润滑状态与摩擦系数的关系：
§2.3 磨料磨损

表面工程学复习资料

表面工程学复习资料第一章绪论1．表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能的化学、物理方法与工艺。

2．表面工程技术内涵：（1）表面改性技术。

能够提高零部件表面的耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能，或使材料表面具有特殊功能（磁性能、光电性能）的有关技术。

（2）表面加工技术。

能在单晶硅表面制作大规模集成电路的光刻技术、离子刻蚀技术。

（3）表面合成技术。

借助各种手段在材料表面合成新材料的技术，离子注入制备或合成新材料。

（4）表面加工三维合成技术将二维表面加工累积成三维零件的快速原型制造技术。

（5）上述几个要点的组合或综合3．表面工程技术的分类：（1）表面改性技术：表面组织转换技术、表面涂镀技术、表面合金化和掺杂技术（2）表面微细加工技术（3）表面加工三维成型技术——快速原型制造⑷表面合成新材料技术4.表面工程技术功能：①提高耐腐蚀、耐磨性、耐疲劳、耐辐射性能，表面自润滑性；②实现表面自修复性（自适应、自补偿、自愈合），生物相容性。

第二章表面工程技术的物理化学基础1.理想表面：无限晶体中插进一个平面，将其分成两部分后所形成的表面，并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。

2.洁净表面：尽管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，这种表面就成为洁净表面。

3.清洁表面：指零件经过清洗（脱脂、浸蚀等）以后的表面，与洁净表面必须用特殊的方法才能得到不同。

4.典型固体界面分类：（1）基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面（2）基于固相组织或晶体结构差异形成的界面（3）基于固相宏观差异形成的界面：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5.物理吸附和化学吸附的区别：P12 表2-16.摩擦分类（实际工作条件差别）干摩擦，边界润滑摩擦、流体润滑摩擦、滚动摩擦7.固体润滑覆膜分类：（1）粘结固体润滑膜（2）化学反应法固体润滑膜（3）电镀和气相沉积方法形成固体润滑膜8.影响固体材料粘着磨损性能的因素：（1）润滑条件或环境。

表面工程学各章要点

性能比较
单盐电解液优点
成分简单，成本较低；阴极电流效率很高；废水处理方便；可以使用较大的阴极电流密度。
络盐电解液优点
阴极极化性能强，而且主要表现为电化学极化，所以镀层结晶细致，镀液分散能力好，氰化物电镀液是典型的例子。
问题和对策
简单金属离子还原反应的交换电流密度较大，阴极极化性能一般比较小(镍，铁，钴例外)，因此，镀层结晶较粗，镀液分散能力和覆盖能力也较差，仅适用于形状比较简单的工件。选择适当的添加剂，可以使镀层结晶得到明显细化，还可获取光亮镀层。镀液分散能力和覆盖能力可以改善。
附加盐的作用
增加溶液的导电性
如：硫酸盐镀镍电解液（主盐为 NiSO4）中加入Na2SO4 或 MgSO4，酸性镀铜电解液（主盐为 CuSO4）中加入 H2SO4。
提高阴极极化作用
多数附加盐都有较小的提高阴极极化作用，从而使镀层结晶细化。对此作用的解释是：由于金属离子（如上面所说的Na+离子）的存在及向阴极的迁移，使阴极附近放电金属离子的浓度降低。
电镀液组成
1. 单盐溶液→SnSO4 ↘CuSO4 溶液中是简单金属离子Sn2+和Cu2+ 。问题：→需要高的过电位，镀层质量不好→粗糙 2. 络和物溶液→金属离子与络和剂形成络和离子，如[Zn(NH3)4]2+ 络和后溶液的平衡电位向负方向移动，有利于电沉积进行。如：ψZn2+/Zn=－0.736v ψ [Zn(NH3)4]2+ /Zn=－0.1.26v 但是，关于络和离子的本质与沉积机理至今仍不清楚白猫黑猫→技术 3. 导电盐→不参加反应，↑溶液导电能力，↓槽端电压。如Na2SO4。 4. 缓冲剂→在弱酸、弱碱溶液中加入，可自行调节PH值，↑溶液稳定性。 5. 阳极活化剂→活化阳极，提高离子供给能力。 6. 添加剂→各种各样，视目的而定。如：光亮剂、整平剂、润湿剂、细化晶粒剂等等。

现代PVD表面工程技术期末复习内容及答案

PVD1810.221.PVD：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀。

2.真空泵的分类：气体传输泵、气体捕集器。

3.弧源、磁过滤器、真空靶室和其他附属部分4.PVD的前处理：清洗、去毛刺、喷砂抛光等。

5.分析膜层组织形貌可以采用：金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜。

6.涂层的微观结构和形状最终决定了其性质。

7.衍射峰位角2θ是反映衍射方向的问题，主要与辐射波长，晶胞类型，晶胞大小及形状有关。

遵循布拉格方程。

8.涂层结合力的检测方法：划痕、压痕、球痕测试法。

9.常见的应力测试方法：X射线和电子衍射法，试样变形分析法和光干涉法。

10.靶材按成分分为：单质金属、合金、陶瓷靶材。

11.PVD涂层的研究方向：设备、涂层组元、涂层膜结构、涂层纳米化。

12.真空泵主要分为：气体传输泵、气体捕集泵。

13.靶材形状分为：矩形平面靶材，圆形平面靶材和圆柱靶材。

14.传统靶材制造方法包括：铸造，粉末冶金和非金属粉末。

15.零件的主要失效形式：腐蚀、磨损、疲劳、断裂。

16.涂层内应力主要分为热应力和涂层生长应力。

17.涂层厚度的检测方法：断面法、球痕法、无损检测法。

判断题1.与化学气相沉积相比，物理气相沉积温度高、无污染。

（错，温度低）2.真空度即是气体的稀薄程度。

（错，真空度是指处于真空状态下的气体稀薄程度。

）3.与溅射镀和离子镀相比，蒸镀结合性能最好。

（错，最差）4.对刀具喷砂处理可起到刃口细化作用。

（对）5.氮铝化钛涂层是紫黑色，附着力比氮化钛涂层大，耐热性能优越（对）6.清洗是PVD涂层前必不可少的一道工序。

（对）7.刀具涂层要求周边厚度一致，因此涂层过程中必须有三个转动惯量。

（对，自转，公转，大工件台转动）8.在工业领域内，通常用自来水进行漂洗。

（错，杂质多）9.在刀具刃尖涂层沉积最厚，涂层内应力更高。

（对）10.一般情况下，涂层与基体的界限越明显，则涂层结合力越好。

（错，越明显越差）11.相比于平面靶材，旋转管靶材利用率较大。

表面工程学复习

表面工程学复习名词解释表面能：材料表面的内能，包括原子的动能，原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能。

表面扩散：是指原子、离子、分子以及原子团在固体表面沿表面方向的运动。

当固体表面存在化学势梯度场，扩散物质的浓度变化或样品表面的形貌变化时，就会发生表面扩散。

洁净表面：尽管材料表面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。

清洁表面：一般之零件经过清洗（脱脂、侵蚀）以后的表面。

滚光：将零件放入盛有磨料和化学溶液的滚筒中，借滚筒的旋转使零件与磨料、零件与零件表面相互摩擦，以达到清理零件表面的过程。

电化学抛光：电解抛光是以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面光亮度增大的效果。

表面淬火：采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到AC3或AC1之上，然后使其快速冷却，形成表面强化层的工艺过程。

表面形变强化：在金属的表面形变过程中当外力超过屈服强度后，要塑性变形继续进行必须不断增加外力，从而在真实的应力-应变曲线上表现为应力不断上升。

等离子体热扩渗: 利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，形成热扩渗层的工艺过程。

液体热扩渗：将工件浸渍在熔融的液体中，使表面渗入一种或几种元素的热扩渗工艺方法。

化学镀:：在无外加电流的状态下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。

复合镀：在电镀或化学镀溶液中加入非溶性的固体微粒，并使其与主体金属共沉积在基体表面，或把长纤维迈入或卷缠于基体表面后沉积金属，形成一层金属基的表面复合材料的过程。

合金镀：在一种溶液中，两种或两种以上金属离子在阴极上共沉积，形成均匀细致镀层的过程。

堆焊：在零件表面熔覆一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金属的技术。

热喷焊:采用热源使涂层料在机基体表面重新融化或部分熔化，实现涂层与基体之间，涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙。

0现代表面工程学导论-表面基本理论

过共析钢 400x
珠光体 P ，1800×
⑶基于固相宏观成分差异形成的界面
①冶金结合界面
• 当覆层与基体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，覆层与基材的结合就称
为“冶金结合”。
勇于开始，才能找到成功的路
• 冶金结合的实质是金属键结合。
机械加工表面
▪在磨削、研磨、抛光等机械作用下，金属表面能形成特殊
结构的表面层。
不同加工方法形成的材料表面轮廓曲线
经过处理的表面 DSC和DTA仪器样品台
实际零件的加工表面不可能绝对平整光滑，而是由许多微观不规则的峰谷组成。
②．贝尔比层：固体材料经切削加工后，在几个微米或十几个微米的表层中可能发生组织结构的晶格畸变。
0现代表面工程学导论表面基本理论
2023年5月31日星期三
2.1 表面晶体学
工程材料中，大部分为晶体材料。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。
物质存在的某种状态或结构，通常称为某一相。相是系统中均匀的、与其他部分有界面分开的部分。在一定温度和压力下，含有多个相的系统为复相系。两种不同相之间的交界区称为界面。
Fe-Al扩散界面
③外延生长界面
在工艺条件合适时，在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层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。
主要有两类：一种是气相外延，如化学气相沉积技术；另一种是液相外延，如电镀技术等。
厚度：0.1~400nm
结合强度高低决定于结合键的类型。
在离表面约5nm的区域内，点阵发生强烈畸变，形成厚度约1-100nm的晶粒极微小的微晶层，亦称为贝尔比层(Beilby层)，

材料表面工程技术复习题 2

第一章1）表面技术的作用：a、提高材料抵御环境作用的能力b、赋予材料表面某种功能特性第二章1材料表面三类结构：理想表面、清洁表面和实际表面2)实际表面的特点：a、表面粗糙度b、贝尔比层c、残余应力d、氧化和沾污3)金属腐蚀速度的三种表示方法：a、重量法b、深度法c、电流密度法4）电极极化现象定义：在腐蚀电池工作后，由于产生电流而引起的电极电位的变化现象称为电极极化现象第三章1）表面预处理目的：a、清除表面覆盖层b、提高覆盖层与基材的结合强度2）表面预处理内容：a、表面整平b、除油c、侵蚀3)表面预处理两个指标：a、表面清洁度b、表面粗糙度第四章1）热喷涂定义：利用热源将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，用高速气流将其雾化并喷射到基体表面形成涂层的技术。

2）热喷涂涂层形成四个阶段：a、熔化b、雾化c、加速飞行d、撞击3）热喷涂涂层结构的组成：变形颗粒、氧化物、气孔和未融化颗粒4）提高涂层质量的两个途径：a、提高热源温度b、提高粒子动能5）涂层和基体的结合方式：a、机械结合b、物理结合c、冶金结合6）涂层厚度与残余应力的关系：涂层内部存在的残余张应力的大小与涂层厚度成正比，当涂层厚度达到一定程度时，涂层内的张应力超过涂层与基体的结合强度时，涂层就会破坏。

7）自熔性合金粉末的定义：指熔点较低，重熔过程中能自行脱氧，造渣，能润湿基材表面而呈冶金结合的一类的合金。

自熔性合金粉末的成分：在Co基、Ni基、Fe基中添加适量的B、Si元素8）热喷涂一般工艺流程：a、工件表面预处理b、预热c、喷涂d、后处理9）喷涂与喷焊的区别：a、工件受热情况不同b、与基材的结合状态不同c、所用粉末不同d、覆盖层结构不同e、承载能力不同10）火焰喷涂特点：a、适用范围广，可喷金属、线材、棒材、粉末及塑料b、设备投资少，操作简单、便于携带c、无电力要求、沉积效率高11）电弧喷涂特点：a、热效率高b、生产率高c、喷涂成本低d、涂层结合强度高e、安全性高f、可方便地制造伪合金涂层。

第二讲表面科学与工程的基础理论-

➢ (2)吸附与脱附得速率不同前者类似凝聚现象,不需要活化能,吸附速度快。后者类似化学反应,需要活化能, 吸附速度慢。前者易脱附,可逆;后者不易脱附,不可逆。
➢ (3)化学吸附有选择性化学吸附有高度选择性。如氢会被钨与镍化学吸附,不能被铝化学吸附。物理吸附无选择性。
物理吸附与化学吸附得区别
俯视图
剖面图
顶吸附
桥吸附
填充吸附
中心吸附
固体对气体得吸附
一个气体分子被表面吸附主要分成物理与化学两类 :
➢ 物理吸附 (Physical adorption):任何气体在其临界温度以下,都会在其与固体表面之间得范德华力(Van der Waals)作用下,被固体吸附,但两者之间没有电子转移。
典型得固体表面
❖2. 洁净表面
➢洁净表面:材料表层原子结构得周期性不同于体内,但化学成分与体内相同,这种表面称为洁净表面。相对于表面受污染表面与理想表面而言得。 ➢允许有吸附物,只有经过特殊处理方法得到,如高温处理。
➢清洁表面(定义):一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后得表面。 ➢清洁表面易于实现,只要经过常规得清洗过程即可。 ➢洁净表面得“清洁程度”比清洁表面高。
习惯上,把多余半原子面在滑移面以上得位错称为正刃型位错,用符号“┻”表示,反之为负刃型位错,用 “┳”表示。刃型位错周围得点阵畸变关于半原子面左右对称。
Ø大家有疑问的, 可以询问和交流
➢可以互相讨论下, 但要小声点
典型得固体表面 (2)螺型位错:左螺型位错、右螺型位错
典型得固体表面
典型得固体表面
典型得固体表面
金属表面形貌对其表面特性得影响
➢ ①处于粗糙区域得原子比具有正常原子有更高得能量,具有更高得表面自由能与表面流动性。