固体表面计算和应

接触区的晶体结构和材料结构在不断变化，导致互相作用
的两表面摩擦特性的改变。所以原子由有序排列状态转化
为无序排列状态是材料结构变化的重要因素之一。
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1.2.3 表面结构
表面原子M 的配位数为 5。而基体 中的任一个 原子的配位 数为6。
面心立方表面原子的配位数 在表面的位置 配位数 表面所处晶面
角上原子
3
原子在(111)上
边缘原子
5
原子在(100)上
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配位数 9 8
表面上方原子的空缺，必然导致晶体表面电荷分布的变化， 从而使表面原子排列或多或少发生变化。不过，实验分析 表明，很多晶体材料的表面有着近乎理想的原子排列。当 然，也有很多例外。
金属表面出现“断键”，原子的能量会升高，为了达到一个 较稳定的状态，电子也要重新分布，也就是说电子与离子、 电子与电子之间的交互作用都会发生变化，使表面与体内 的电子分布不同，一般要在表面形成一电偶层，可降低十 分之几电子伏特的表面能。
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(3) 面缺陷
晶粒 （单晶体）
晶界
晶界对位错运动起阻碍作用，使金 属的强度升高。
晶粒越细，则晶界越多，强度和塑 性越高。
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亚晶界
1.4 表面成分
成份是决定材料性能的主要因素。 （1） 金属表面成分 一般特征：“金属/过渡层/空气”，而“金属/空气”极为少见。 过渡层中常由氧化物、氮化物、硫化物、尘埃、油脂、吸附
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1.2.2 晶体结构变化
晶体结构的变化可以改变金属表面的摩擦特性。如元素 钴在加热时，晶体结构从常温的密排六方晶格转变为面心 立方晶格，摩擦系数增大，而当温度降到室温时，摩擦系 数将减小到原来的数字。而四氯化物在温度升高到222.5K 时，摩擦系数大大降低。
在摩擦力的作用下，表层反复变形，温度也随之变化，
1 固体表面
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1.1 表面的基本特性
理想的晶体由原胞组成，并具有三维周期性。但实际物质不 是无限的，在晶体中原子或分子的周期性排列发生大面积突然 终止的地方就出现了界面，如固体－液体、固体－气体及固体 －固体的界面，常把固体－气体（或真空）、固体－液体的界 面称为固体的表面。
很多物理化学过程：催化、腐蚀、摩擦和电子发射等都发 生在“表面”，可见其重要性。
材料表面电子结构的不同，在很大程度决定表面的化学性 质，对金属表面的吸附和粘着是非常重要的。
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1.2.4 表面缺陷 按照几何特征，晶体缺陷主要分为： （1） 点缺陷 （2） 线缺陷 （3） 面缺陷
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(1) 点缺陷
杂质原子
a 空位
b 间隙原子
c 置换原子
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲—晶 格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生 变化。
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表面力的分类：
(1) 化学力（长程力）；
(2) 范德华力（分子引力）； 定向作用力FK(静电力) ：发生于极性分子之间 诱导作用力FD ：发生于极性与非极性分子之间。 分散作用力FL(色散力) ：发生于非极性分子之间。
F范＝FK＋FD＋FL 1/r7
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1.2 表面结构
a 体心立方晶格
b 面心立方晶格 晶体结构
c 密排六方晶格
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在常用金属中： 体心立方晶格：铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、铁
(α-Fe)等。 面心立方晶格：铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和铁
(γ-Fe)等。 密排六方晶格：镁(Mg)、镉(Cd)、铍(Be)、锌（Zn）等。
1.2.1 金属的晶格类型 金属及其合金都是由原子或分子所组成的一种物质的凝聚
集态，金属的性能不仅取决于其组成原子的本性和原子间 结合键的类型，同时也取决于原子规则排列的方式。 固态金属规则排列的原子即称为晶体结构。
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基本排列形式有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方 晶格。
表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象表面叫数 学表面，把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面，而把我 们常说实际的固体表面叫工程表面。
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1.1.1 固体表面的特点 (1) 固体表面的凹凸不平； (2) 固体中晶体晶面的不均一性：各相异性、晶面不完整； (3) 表面被外来物质所污染，表面吸附外来杂质； (4) 制备和加工条件；
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Байду номын сангаас
金属表面的实际构成示意图
工程表面 对于给定条件下的表面，其实际组成及各层的厚度与表面 制备过程、环境以及材料本身固体的表面性计算质和应有关。
1.1.2 固体表面力场 定义： 晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体内部，质 点力场是对称的；但在固体表面，质点排列的周期重复性 中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出 剩余的键力， 称之为固体表面力。
气体（氧、氮、二氧化碳和水汽等）所组成。
过渡层为氧化物最为常见。由于一些金属元素的氧化态可变， 因此，在氧化层中也包含不同氧化态的氧化物。
铜：1000℃以下为：空气/CuO/Cu2O/Cu;
1000℃以上为：空气/Cu2O/Cu。
铁：570℃以下为：空气/Fe2O3/Fe3O4/Fe;
570℃以上为：空气/Fe2O3/Fe3O4/FeO/Fe;
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（2）合金表面成分 一般特征：“金属/过渡层/空气”，其过渡层中出现的情况更为
复杂。 过渡层常见氧化物，但可能出现硫化物和碳化物等。如仅出
现氧化物层，那么其氧化物层中的组成与合金成分有关。
Fe-Cr合金(1200℃以下), 表面氧化物成分随Cr含量而变： 5%Cr 气相/Fe2O3/Fe3O4/FeO/FeO⋅Cr2O3/Fe+Cr2O3/Fe+Cr 10%Cr 气相/ Fe2O3/Fe3O4/FeO⋅ Cr2O3/Fe+ Cr2O3/Fe+Cr 25%Cr 气相/Cr2O3/Fe+Cr
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(2) 线缺陷
C D
B A
位错破坏了原子的有序排列，位错运动可使晶体产生弹性畸变和塑性 变形。位错的产生使金属接近表面处产生微孔隙，当微孔隙凝聚时就产生 相平行的裂纹，当裂纹生长到极限长度时，材料就会以“薄瓣状”剥落下来。 加工硬化就是当位错密度随塑性变形增加而增加时，许多位错相互作用的 结果。