金属表面特性

§4表面能与表面张力
❖表面能大小与晶格类型有关
✓ 随结合键能增加而增加。 ✓ 根据结合键能可以预计断开一个粘着接点所需
的能量。
❖表面自由能
✓ 指晶体表面的单位面积自由能的增加，J/m2 ✓ 也可以用单位长度的表面张力（N/m）来表示。 ✓ 表面张力作用与表面上，力图使表面缩小。
❖低表面能的晶面暴露在晶体的外表面
✓ 波峰与摩擦磨损有很大关系 ✓ 波谷与润滑情况下贮油性有关
§3金属的表面结构
❖金属的晶体结构
✓ 面心立方晶胞 fcc • 铜、银、金、铝、镍、铅、铑、γ铁、……. ✓ 体心立方晶胞 bcc • 钒、铌、钼、铬、钡、α铁、α钨…… ✓ 密排六方晶胞 hcp • 镁、锌、镉、锆、α铍、α钛、α钴
❖表面晶体结构及缺陷
Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe
金属表面特性
§1 金属表面几何形状
❖ 固体的表面性质 ❖ 表面形貌：表面的形状 ❖ 表面组成：表面结构和物理、化学性质 ❖ 微凸体：…凸起的波峰…… ❖ 表面几何形状误差 ❖ 用表面波纹度、表面粗糙度描述
1.表面波纹度
❖ 又称宏观粗糙度 ❖ 是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差。 ❖ 减少零件实际支承表面面积，在动配合中使零件
5
5
hpi hvi
Rz i1
i1
5
hpi—第i个最高的轮廓峰高 hvi —第i个最低的轮廓谷深
❖轮廓最大高度Ry
✓ 是表面经常出现的微观不平度的最大高度。 ✓ 即在标准取样长度内轮廓顶线和轮廓谷底线之
间的距离。 ✓ 一般取若干段，求Ry的平均值， ✓ 避免出现用R偶然代替 Ry
❖相互换算（在一定程度上）
❖化学吸附
✓ 吸附膜与固体表面之间发生电子互换或存在共用 电子对。
✓ 吸附膜与固体表面的结合力强。 ✓ 稳定，不可逆，高温下才脱吸。 ✓ 一般是在中等载荷、中等滑动速度及中等温度下
形成。 ✓ 吸附强弱与固体表面和被吸附物质的特性有关。 ✓ 基本是一单层过程。
❖氧化
✓ 金属表面在加工过程中，新生表面一旦暴露，很 快与空气中的氧起化学反应，形成金属氧化膜
§2支承面积曲线
❖ 能表示粗糙表层的微凸体的高度分布 ❖ 表示表面磨损到一定程度时，支承面积的大小 ❖ 主要用于计算实际接触面积 ❖ 简便起见，一般用二维作图法求支承面积曲线
x3 x2 x1
a1 a2 a3
b1 b2
c1 a1 c1
c2 c3
a2 b2 c2 a3 b3 c3
l
l
理想支承面积曲线
数工程表面轮廓高度都接近正态分布
❖支承面积曲线可表示为
x
z
dz
Z为从中线开始测量的轮廓高度
ψ（z）为轮廓高度分布的概率密
度函数
❖轮廓图形的高度层
✓ 按支承面积大小将轮廓图形分为三个高度层
✓ <25%-----为波峰，为最高层 ✓ 25%~75%------为波中，为中间层 ✓ >75%--------为波谷，为最低层
✓ 点缺陷 肖脱基空位、弗兰克尔空位
✓ 线缺陷 位错---刃型位错、螺型位错、混合位错
✓ 面缺陷
界面
❖固态金属材料的重要界面
✓表面 指所研究的金属材料系统与周围气相或液相介 质的接触面。 ✓晶界、亚晶界 指多晶体材料内部，结构及成分相同，而位向 不同的两部分晶体之间的界面。 ✓相界 指晶体内部，结构不同，甚至成分也不同的两 部分晶体之间的界面
磨损加剧。 ❖ 波高h：波峰与波谷之间的距离。 ❖ 波距s：相邻两波形对应点的距离。
❖ h /s≈1：40 ；s一般1~10mm
表面形貌轮廓
中线：实体面积=空间面积
Zi
m
m
样品长度l
x
微凸体
空间
实体
2.表面粗糙度
❖又称微观粗糙度，无明显的周期性 ❖波距s较短（约2~800μm） ❖波高h较小（约0.03~400μm ）
❖轮廓支承长度率tp
✓ tp=(a+b+c+……)/l ✓ tp=Ax/A0 ✓ tp=bxν (近似逼近支承面积开始的一小段) ✓ Ax—距峰顶为x处的支承面积 ✓ A0 —距峰顶为Ry处的支承面积 ✓ x —距峰顶的距离
✓ B、ν —支承面积曲线参数，实测或计算获得
❖支承面积曲线
❖ 即轮廓支承长度率 ❖ 是所有纵坐标分布曲线的累计分布，由于大多
❖然后求出同一Z值的个数，作为该高度的纵标频数。
(z)
1
z2
ve 2 2
2
✓ 微凸体高度分布 ✓ 微凸体高度分布曲线 ✓ 表面粗糙度越低，曲线越接近正态分布
Z
Δl
Zi
x
Z1
Z2
频率
频率
80 60 40 20
-075 -05 –025 0 0.25 0.5 0.75
高度z（μ）
磨削表面轮廓高度分布曲线
❖表面粗糙度越低，则表面越光亮。 ❖评定指标： ❖Ra---轮廓算术平均偏差、Rq---轮廓均方根偏差 ❖Rz---微观不平度十点高度、Ry---轮廓最大高度。
轮廓算术平均偏差Ra
✓ 中线m：实体面积＝空间面积
z Ra 1 n
ni i 1
Ra 1 l f (x) dx l0
Zi—以中线为起点度量出的廓形高度 n—在样品标准长度l内的测量次数 l —随粗糙度而定，粗糙度等级不同， l 值不同
轮廓均方根偏差Rq
✓ 轮廓图形上各点和中线之间距离平方的平均值 的平方根
✓ Zi大的点比重大，能高度反映粗糙度 ✓ Ra≈0.8Rq
1
(z ) Rq 1 nFra bibliotekn i1
2 2 i
1
Ra
1 l
l 0
f
2 (x)dx 2
微观不平度十点高度Rz
✓ 是在标准长度l内五个最高的轮廓峰高的平均值与 五个最低的轮廓谷深的平均值之和
表面
车削 磨削 研磨 随机统计
Rq/Ra
1.10~1.15 1.18~1.30 1.30~1.50
1.25
Rz/Ra
4~5 5~7 -------
Ry/Ra
4~5 7~14 7~14 8.0
3.表面轮廓高度的分布
❖ 以表面轮廓中线为x轴， ❖ 在标准长度l内，每隔一定距离Δl，测量轮廓图形
距参考中线的高度Z1、Z2、……Zi
✓ 晶体中各个晶面能不相同 ✓ 密排面的表面能较小（因为层面间距较大）。 ✓ 表面能愈低的面，摩擦也越小。
§5金属表面的化学性质
❖物理吸附
✓ 由于分子或原子相互吸引而产生的吸附。 ✓ 吸附能力较弱，对温度敏感，热量可使分子脱吸 ✓ 一般能量小于104J/mol。 ✓ 一般是在常温、低速、轻载条件形成。 ✓ 吸附和脱吸是完全可逆