材料表面工程基础
材料表面工程课件
跨学科交叉与合作可以促进 材料表面工程的发展和创新
。
国内外学术交流与合作有助 于推动材料表面工程的发展 。
环保与可持续发展的问题
01
材料表面工程需要考虑环保和 可持续发展的问题。
02
环保和可持续发展的需求推动 材料表面工程向绿色、低碳方 向发展。
03
材料表面工程中需要考虑资源 节约、能源消耗降低、废弃物 减少等问题。
要点二
详细描述
不锈钢是一种具有优异耐腐蚀性和美观性的金属材料，广 泛应用于建筑、装饰、医疗器械等领域。然而，在某些腐 蚀环境下，不锈钢的耐腐蚀性仍需提高。通过表面处理技 术，如氮化处理、钝化处理等，可以增强不锈钢的耐腐蚀 性和抗疲劳性，提高其使用寿命。
铝合金的硬质表面处理
总结词
提高铝合金的硬度和耐磨性。
硬质涂层
通过电子束加热和蒸发金属或非金属材料，在金属表面形成一层具有高硬度和耐磨性的涂层。
纳米结构涂层
通过电子束加热和蒸发金属或非金属材料，在金属表面形成一层具有纳米尺度的涂层，提高表面性能和耐腐蚀性 。
04
材料表面工程的应用案例
高温合金的表面强化
总结词
提高高温合金的耐磨性、抗疲劳性和耐腐蚀 性。
科植入物等。然而，钛合金的表面性质直接影响到其与人体组织的相容性和生物活性。通过表面处理技术，如 涂层技术、等离子处理等，可以改善钛合金的表面性质，提高其在生物医学领域的适用性。例如，通过涂层技 术可以在钛合金表面形成一层生物活性陶瓷涂层，提高其与人体组织的相容性和生物活性；通过等离子处理可 以改变钛合金表面的化学性质和微观结构，提高其抗细菌粘附和抗炎性能。
实践环节与操作技巧
实践环节注意事项
在实践环节中需要注意的事项和细节，包括安全操作、 设备维护和环境保护等。
材料表面工程
材料表面工程材料表面工程是一种用于改善材料表面性能的技术。
通过对材料表面进行物理或化学的处理，可以改变其表面的化学组成、形貌结构和物理性能，从而提高材料的耐磨、耐腐蚀、抗氧化、附着力等性能。
材料表面工程常用的处理方法有机械加工、化学处理、热处理和表面镀层等。
机械加工包括抛光、研磨、切削、喷砂等。
这些方法可以去除材料表面的氧化层、残留物和裂纹等，使表面平整光滑。
同时，机械加工还可以提高材料的表面硬度和强度，增加疲劳寿命。
化学处理包括酸洗、碱洗、电化学沉积等。
酸洗可以去除材料表面的氧化物和污染物，净化材料表面。
碱洗可以改变材料表面的化学组成，增加材料的抗腐蚀性能。
电化学沉积是一种通过电化学反应在材料表面沉积金属或合金的方法，可以提高材料的导电性、耐磨性和抗腐蚀性能。
热处理是一种通过加热材料到一定温度并保持一定时间，使材料发生相变或晶体结构改变的方法。
热处理可以改善材料的机械性能、热稳定性和耐腐蚀性能。
常用的热处理方法有淬火、回火、退火等。
表面镀层是一种在材料表面覆盖一层金属或合金的方法。
表面镀层可以增加材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和导热性。
常用的表面镀层方法有镀金、镀铬、镀镍、镀锌等。
材料表面工程的应用非常广泛。
在汽车制造业中，材料表面工程可以提高发动机零件和车身材料的耐磨性和抗腐蚀性，延长汽车的使用寿命。
在航空航天工业中，材料表面工程可以增加航空发动机和飞行器的高温抗氧化性能和高温强度，提高航空器的安全性。
在电子工业中，材料表面工程可以提高半导体材料和电子元器件的导电性和耐热性，增加电子设备的可靠性和稳定性。
此外，在船舶、化工、建筑等行业中也广泛应用了材料表面工程技术。
总之，材料表面工程是一种改善材料表面性能的重要技术。
通过适当的处理方法，我们可以改变材料表面的化学组成和形貌结构，提高材料的质量和性能，满足各种工业领域的需求。
金属材料的表面工程与加工
金属材料的表面工程与加工金属材料是工业生产中最常用的材料之一。
对于金属材料的加工与表面工程，往往会涉及到许多技术和理论，本篇文章将从金属材料的表面工程和加工两个角度来探讨这个话题。
一、金属材料的表面工程金属材料的表面工程即将金属材料表面进行加工处理，以使其表面特性或表面性能得以改变或提高。
常用的表面工程技术有金属表面处理、电化学处理、镀膜、喷涂、氮化等。
其中，金属表面处理是指对于金属材料表面进行腐蚀或机械加工等处理方法，以清除表面的氧化皮、锈迹等杂质，使其表面变得光滑，提高其整体美观度和表面的耐腐蚀性能。
电化学处理则是通过电化学反应使金属表面形成一层保护膜，以提高其耐腐蚀性和硬度。
镀膜是指将金属材料表面浸入金属溶液中进行电镀，形成一层金属保护层，提高其抗氧化性能、耐腐蚀性能和使用寿命。
喷涂则是指利用气流将合金或涂料等物品喷涂到金属表面，以提高其表面硬度、耐磨性和耐侵蚀性。
而氮化则是在高温高压条件下，将金属表面与氮气反应，形成一层高硬度、高抗磨层，以提高其硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。
二、金属材料的加工金属材料的加工是指对金属材料进行物理或化学加工，使其形态、性质、结构等方面发生变化，以适应制品的要求。
金属材料的加工可以分为塑性加工和切削加工两种。
塑性加工是指将金属材料在一定温度下使其发生塑性变形，以改变其形态和性能。
常用的塑性加工方法有铸造、锻造、挤压、拉伸、轧制等。
其中，铸造是将熔化金属倒入铸模中进行成型，以制造所需的金属制品，工艺简单、适用范围广。
锻造则是将金属材料在高温下进行塑性变形，以得到所需的形状和性质，可分为自由锻造、模锻和精锻等三种方式。
挤压是将金属材料在一定条件下通过挤压机将其加工成带有特定截面形状的制品，常用于制造管材、棒材等；拉伸则是利用拉压机让金属材料进行线性拉伸得到一定长度和不同截面的制品；轧制则是利用轧机对金属材料进行挤压、拉伸、剪切等复杂变形，从而得到所需的轧制制品。
切削加工则是通过加工切屑和切削轮廓以改变金属材料的结构和性能。
材料表面工程基本
《材料表面工程基础》课后习题目录及答案1.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展?2.表面工程技术的目的和作用是什么?3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科?4.为什么会造成表面原子的重组？5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？7.热喷涂技术有什么特点？8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？12.镀层如何分类？怎样选择使用？13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。
14.电镀的基本原理？15.共沉积合金的相特点有几种类型？16.电刷镀的原理及特点是什么？17.什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。
18.与电镀相比，化学镀有何特点？19.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？20.形成热浸镀层应满足什么条件？21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。
22.热镀铝的优缺点怎样？23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。
24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。
25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。
26.喷丸强化技术原理、特点、应用范围。
27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。
28.工件感应加热淬火的工艺流程。
29.各种表面淬火的特点和应用范围。
30.什么是表面工程？表面工程技术的作用是什么？31.金属离子电沉积的热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么？32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂的特点。
33.热喷涂的涂层结构特点是什么？其涂层与基体的结合机理是什么？一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么？34.化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一？你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议？36.材料表面耐腐蚀的技术有哪些？我国规定煤矿系统的井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必须要进行钢结构长效防腐处理。
表面工程基础知识
表面工程基础1.表面工程的定义表面工程—是表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能的系统工程。
表面工程技术分类：表面改性、表面处理、表面涂覆、复合表面工程、纳米表面工程技术。
表面工程与人们的生产、生活息息相关。
表面工程技术的应用，带来了材料的节约和优化使用，减少了设备的腐蚀。
据估算，中国主要支柱产业部门每年因机器磨损失效所造成的损失在400亿元人民币以上，而通过表面技术改善润滑，降低磨损可能带来的经济效益约占国民经济总产值的2％以上。
表面工程技术在表面物理、表面化学理论的基础上，融汇了现代材料学、信息技术、工程物理、医学、农业、制造技术，显现出了边缘学科的强大生命力。
在知识经济占主导地位的21世纪，表面工程技术将更深地融入高新技术的各个领域。
生物技术将是表面工程技术研究最活跃的领域之一。
在基因图谱识别与地址图谱编制中，识别和分辨率的高低很大程度上取决于传感器的表面材料。
随着表面技术的发展，复制基因片断、肽链体和活性生物体将不会只是理想。
表面工程技术是微电子与信息技术发展的重要支柱。
计算机的集成电路、光盘读写头、显示器、存储器、接口，以及光缆、卫星，表面技术遍及信息网络的各个角落。
表面技术还将为人类探索外星宇宙、开采海底资源保驾护航。
专家们正在开发对太阳能进行选择性波断吸收的涂层材料，一旦获得突破太阳能将深入到各类建筑物，深入到家家户户。
大量能源利用设备采用表面合金涂层，提高了导热或绝热性能，大大降低了能耗。
表面工程技术通过各种装备渗透到社会生活的方方面面。
随着表面工程技术研究的深入，将来的表面材料不仅美观耐用，而且会向环保型、智能型、仿生型发展。
21世纪，表面技术将为提高人类生活质量，优化人类生活环境作出贡献。
不用擦拭的皮鞋、不用清洗的高楼玻璃幕墙、既美观又免于打扫的公路路标和隔离墙、防雨又透气的衣服鞋帽，这些听似异想天开的事物，将因为"表面工程技术"的不断进展最终实现。
材料表面工程技术课件
功能材料表面改性实例
高分子材料表面改性
通过化学或物理方法，改变高分子材料的表面能、极性和 润湿性，提高其与其它材料的粘结性和相容性。
石墨烯表面修饰
通过化学反应，在石墨烯表面引入官能团或其它基团，改 变其物理和化学性质，实现其在传感器、电池等领域的应 用。
通过电解作用在材料表面附着一层金属膜的技术
详细描述
电镀技术利用电解原理，在材料表面附着一层金属膜，以提高材料的耐腐蚀性 、耐磨性和装饰性。电镀技术广泛应用于汽车、电子、建筑和航空航天等领域 。
化学镀技术
总结词
通过化学反应在材料表面沉积金属或合金的技术
详细描述
化学镀技术利用化学反应在材料表面沉积一层金属或合金，以提高材料的耐腐蚀 性、耐磨性和导电性。化学镀技术广泛应用于电子、生物医学和装饰等领域。
生物材料表面改性
通过物理或化学方法，改变生物材料的表面性质，使其具 有更好的生物相容性和功能性，如组织工程、药物传递和 生物检测等领域的应用。
05
材料表面工程技术展望
新材料表面工程技术的发展趋势
纳米表面工程技术
利用纳米技术提高材料表 面的耐磨、耐腐蚀和抗疲 劳等性能，满足高精度、 高性能的应用需求。
化学气相沉积技术
总结词
通过化学反应将气态物质转化为固态物质沉积在材料表面的技术
详细描述
化学气相沉积技术利用化学反应将气态物质转化为固态物质，并沉积在材料表面，形成一层薄膜。化 学气相沉积技术广泛应用于电子、光学和生物医学等领域。
03
材料表面改性技术
表面合金化技术
表面合金化技术是通过在材料表面添加合金元素，改变材料表面的成分和结构，从 而提高材料表面的性能。
材料表面工程的研究与应用
材料表面工程的研究与应用近年来，越来越多的生产加工企业开始注重材料表面处理，这是因为好的表面处理可以大大提升材料的性能，从而提高产品的质量和可靠性。
而表面工程的研究和应用是为了改善材料的表面性能，以使其适应更加复杂和严峻的工作环境，从而提高材料的性能和可靠性。
1. 表面工程基础知识表面工程是指通过物理、化学或生物学的手段改变材料表面的物理性质、化学性质、生物学性质等一系列表面性质，达到提高或改善其表面性能的目的。
表面工程包括表面涂层、表面改性和表面修复等。
表面涂层：是指在材料表面涂覆一层具有特定性能的材料，如防腐涂层、电导层等。
表面涂层不仅可以保护材料，还可以改善其表面性能。
表面改性：是指通过物理、化学或机械手段对材料表面进行改性，以达到提高其表面性能的目的。
如冷硬化、离子束改性等。
表面修复：是指对已经受损或老化的材料表面进行修复或再生，以恢复其原有的性能。
如表面喷涂、化学修复等。
2. 表面工程的作用表面工程在工程领域中的作用不可忽视，它主要体现在以下几个方面：（1）提高材料的表面硬度和强度，增强材料的抗磨损、抗腐蚀性。
（2）提高材料的表面平整度、光洁度，改善其表面质量。
（3）对材料进行加工，改变其物理、化学和机械性质，增强其耐磨损性和耐氧化性，提高其使用寿命。
（4）改善产品的外观质量，提高产品的附加值。
（5）提高产品的能效、使用寿命、稳定性等性能指标。
3. 表面工程的应用表面工程广泛应用于各行各业，其主要应用领域包括：（1）航空航天领域：表面工程应用于航空航天领域，可以提高材料的高温强度、耐蚀性和抗磨损性，增强材料的抗拉伸性和耐风化性，这些有助于提高航空航天器材料的可靠性和使用寿命。
（2）机械制造领域：表面工程应用于机械制造领域，可以改善零部件的表面性能，如滑动性能、耐疲劳性等，从而提高整个机械产品的可靠性和使用寿命。
（3）电子工业领域：表面工程应用于电子工业领域，可以提高电子器件的可靠性和性能指标，如稳定性、寿命等。
材料表面工程概述
概述
第1章 绪 论
2
材料表面工程的定义
表面工程是将材料的表面与基体一起作为一 个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的 表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系 统工程。
3
1.1 表面工程技术的意义、目的、途径和应用
1.1.1 表面工程技术的意义
⑴ 避免和减少经济损失 ⑵ 赋予材料表面功能特性
的结果。 2. 抗磨材料的选择：选择材料前要首先查清影响产品寿命的
基本因素和磨损过程是否始终以同样的磨损机理进行等情 况，然后进行选材。 3. 耐磨表面处理：表面处理，提高耐磨性。
25
第4章 表面腐蚀基本理论
26
4.1 腐蚀的定义与分类
金属腐蚀：金属与环境组分发生化学反应而引起的表面破 坏称为金属腐蚀.
④表面改性
7
第2章 固体表面的物理化学特征
8
2.1.1固体的理想表面和清洁表面
清洁表面
☆ 指在特殊环境中经过特殊处理后获得的表面，是不存在任 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。
☆ 清洁表面是相对于受环境污染的表面而言的。只有用特殊 的方法，如高温热处理、离子轰击加退火、真空解理、真空 沉积、场致蒸发等才能得到清洁表面。
32
4.1 腐蚀的定义与分类
④丝状腐蚀：涂有透明清漆或油漆膜的金属暴露在潮湿的大 气中时，金属表面由于漆膜能渗透水分和空气而发生腐蚀. 腐蚀产物呈丝状纤维网样，这种腐蚀称丝状腐蚀。其产生 原因是潮湿大气的作用，其机理为氧的浓差电池作用.
⑤应力腐蚀开裂：金属和合金在腐蚀与拉应力的同时作用下 产生的破裂，称为应力腐蚀开裂。 一般认为纯金属不会发生应力腐蚀的，含有杂质的金 属或是合金才会发生应力腐蚀.
第二讲表面科学与工程的基础理论-PPT
➢ (1)螺位错线与其滑移矢量d平行,故纯螺位错只能
就是直线。 ➢ (2)根据螺旋面得不同,螺位错可分左与右两种,当
螺旋面为右手螺旋时,为右螺位错,反之为左螺位错。 ➢ (3)螺位错没有多余原子面,它周围只引起切应变而
无体应变。
典型得固体表面
洁净表面得获得
➢ 在表面技术得预处理中,常常要获得清洁表面。但 从清洁表面得定义上讲,用任何高效能洗涤剂清洗 过得晶体材料得表面,也不就是清洁表面,因为材料 表面上必然会吸附有洗涤剂分子或空气中得某些成 分得原子。
➢洁净表面存在着:弛豫、重构、台阶化、偏析与吸附等表面 现象。
典型得固体表面
➢2、 洁净表面
(1)弛豫:表面最外层原子与第二层原子之间得距离不同于体 内间距(缩小或增大)得现象,即表面附近得点阵常数在垂直 方向上不同与晶体内部。
原因:晶体得三维周期性在表面处突然中 断,引起表面原子得配位数、附近得电荷 分布、所处得力场等均与体内原子有所不 同,因此使表面上得原子会发生相对于正 常位置得上、下位移,以降低表面能量。
(2)发生相变:18-8型奥代体不锈钢,β黄铜、淬火钢中 ε 变 形 量
得残余奥氏体,高锰钢等会形成相变层;
(%5)
4
(3)发生再结晶:Sn、Pb、Zn等低熔点金属加工后表 3
层能够形成再结晶层。
2
(4)发生时效与出现表层裂纹等。
10
10
20
30 塑 变 深 度
(μm)
粗晶环
➢疲劳强度大幅度下降
❖ 二、固体得表面现象 ❖ 吸附 ❖ 润湿 ❖ 扩散(自学)
➢ 对于大多数表面都就是有效得,还可以清除用第二种方法清除 不了得难蒸发得原子。
表面工程 考点汇总
表面工程葵花宝典第一章：表面工程技术概论考点1：表面工程的概念：从材料的表面特性出发，利用表面改性技术、涂镀层技术和薄膜技术，使材料表面获得原来没有的新性能的系统工程。
考点2：润湿：固体表面与液体接触时原来的固相-气相界面消失，形成新的固相-液相界面的现象。
润湿是液体与固体表面接触时产生的一种表面现象，液体对固体表面的润湿程度可以用液滴在固体表面的散开程度来说明考点3：表面技术按作用原理分类：原子沉积、颗粒沉积、整体覆盖、表面改性。
第二章：材料表面工程技术基本理论考点4：在几个原子范围内的清洁表面其偏离三维周期性结构的主要特征是表面弛豫、表面重构和表面台阶结构、表面偏析、化合物、化学吸附考点5：表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度考点6：吸附、吸收和化学反应是固体与气体发生作用的三种表现考点7：按几何特征，晶体表面缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类考点8：表面平整一般采用磨光、滚光、抛光及刷光和振动磨光(1)磨光是借助粘有磨料的特制磨光轮(或带)的旋转，以磨削金属零件表面的过程(2)滚光是将成批零件与磨削介质一起在滚筒中作低速旋转，靠零件和磨料的相对运动进行光饰处理的过程(3)抛光是用抛光轮和抛光膏或抛光液对零件表面进一步轻微磨削以降低粗糙度，也可用于镀后的精加工(4)刷光是把刷光轮装在抛光机上，用刷光轮上的金属丝(钢丝、黄铜丝等)刷，同时用水或含某种盐类，表面活性剂的水溶液连续冲洗去除零件表面锈斑、毛刺、氧化皮及其他杂物(5)振动磨光是将零件与大量磨料和适量抛磨液置入容器中，在容器振动过程中使零件表面平整光洁考点9：基体表面清洁的目的是：(1)作为前序处理工艺的一部分，为下一涂装或其他表面加工(如电镀、热喷涂等)打基础(2)作为一项单独表面处理技术，可提高工件寿命或恢复工件原状态或节能需要(锅炉清除水垢，提高热效率)；(3)消除工件(设备)隐患，提高安全性(如传热设备局部过热可通过清洗来解决)，消毒、灭菌，除放射性污染，有利于人体健康考点10：喷砂是用机械或净化的压缩空气，将砂流强烈地喷向金属制品表面，利用磨料强力的撞击作用，打掉其上的污垢物，达到清理或修饰目的的过程考点11：喷丸的原理和设备与喷砂相似，只是采用的磨料不同。
材料工程基础名词解释
材料工程基础名词解释一、强度（Strength）：强度是衡量材料抵抗外部力量破坏的能力。
它通常是指抗拉强度，即材料在受拉力作用下破坏的抗力。
强度与材料内部原子、分子的结构和排列方式有关，不同材料的强度也会有所差异。
二、韧性（Toughness）：韧性指材料在受到外部应力时能够吸收较大的能量而不断延展或变形的能力。
韧性可以用材料断裂前的能量吸收能力来衡量，一般通过断裂面下的面积来表示。
韧性高的材料具有较大的断裂应变和抗冲击能力。
三、硬度（Hardness）：硬度是指材料表面对外部压力或划伤的抵抗能力。
硬度与材料的分子排列、化学成分和晶体结构有关。
一般来说，硬度高的材料对于划伤和磨损具有较好的抵抗能力。
四、可塑性（Ductility）：可塑性是指材料在受力作用下能够延展变形而不断裂的能力。
可塑性高的材料可以通过塑性变形改变形状，例如拉伸成不同长度的线材。
常见的具有良好可塑性的材料包括铜和铝。
五、脆性（Brittleness）：脆性是指材料在受力作用下容易发生断裂的性质。
脆性材料具有较低的韧性和可塑性，容易遭受应力集中导致断裂。
常见的脆性材料有陶瓷、玻璃和一些合金。
六、弹性模量（Elastic modulus）：弹性模量是指材料在受力时发生弹性变形的能力。
它衡量了材料在受力后恢复原始形状和尺寸的能力。
弹性模量高的材料会产生较小的变形。
七、导电性（Electrical conductivity）：导电性是指材料对电流的传导能力。
通常使用电导率来衡量。
具有较高电导率的材料能够快速传输电流，例如铜和银。
八、导热性（Thermal conductivity）：导热性是指材料对热量的传导能力。
导热性高的材料能够快速传输热量，例如金属材料。
以上是一些常见的材料工程基础名词的解释。
这些术语在材料工程研究、设计和制造中都非常重要，对于理解和选择合适的材料具有指导意义。
在实际应用中，我们需要综合考虑这些性能指标，以满足特定的工程要求。
材料表面工程技术及其应用发展
材料表面工程技术及其应用发展材料表面工程技术是一种针对材料表面进行改性的工艺方法，是将表面物理化学效应作为主要手段，通过材料表面的改性，使之具有所需的物理化学性能，并能够在一定的应用领域内寻找到具体应用。
随着工业发展，新型材料和新工艺的发展，在材料表面工程技术领域又出现了一些新的进展和发展。
这些新技术不仅能够改善材料表面的性能，而且还能降低加工成本、提高生产效率、延长产品寿命等诸多优点。
本文将从材料的基本表面工程技术和新型表面工程技术两个方面入手，探讨材料表面工程技术的应用发展现状及其未来发展趋势。
一、材料基本表面工程技术材料表面工程技术有着悠久的历史，其中最基本的工艺方法就是表面处理。
表面处理技术主要分为化学方法和物理方法两种，它们都可以提高材料表面的性能，以适应所需的特殊应用。
1. 化学方法化学方法是利用化学反应的原理，将一种材料的表面改变成另一种具有良好性能的物质。
工艺技术包括酸碱蚀刻、镀层、硅化等多个步骤，常见的有以下几种：（1）镀层技术。
镀层技术是在材料表面沉积一层具有特定性质的金属或合金，以提高它的耐腐蚀性、导电性、机械性等性能。
（2）合金化技术。
合金化技术是指通过某种方法，将一种单一金属与另一种非金属物质混合起来，形成一种新的化合物，以提高材料的密实度、耐腐蚀性、硬度、抗磨损等性能。
（3）氧化技术。
氧化技术是将材料表面经过氧化处理，形成一层氧化膜，以提高材料的氧化稳定性、机械强度、电学性能等。
2. 物理方法物理方法是利用材料表面的物理化学性质，通过物理手段达到改性的目的。
物理方法工艺技术包括机械加工、薄膜技术、沉积技术等，常见的有以下几种：（1）机械加工技术。
机械加工技术是指在材料表面切削、磨削、拋光等加工过程中，使其表面得到平坦、光滑、无毛刺的效果。
它可以提高材料的机械强度、表面光泽度、耐磨性等性能。
（2）热喷涂技术。
热喷涂技术是指将一种或多种材料加热至高温状态，喷出来的材料在表面冷凝形成一层膜，膜与基体结合强度高，不易脱落，可提高材料的耐磨、耐腐蚀等性能。
(精选)表面工程技术的基础理论
35
物理吸附的位能曲线可近似地用Lennard-Jones势 表示：
排斥力
吸附力
兰纳-琼斯势（LennardJones potential function, 又
称L-J势能函数或6-12势能函
数）是计算化学中用来模拟
两分子间作用势能的一个函
数。
ε等于势能阱的深度，σ是互
13
理想表面 这种理想表面在自然界
中是不存在的。
14
清洁表面结构
清洁表面是指经过特殊处理后，保持在超真空 条件下，使外来污染少到不能用一般表面分析 方法探测的表面。获得清洁界面的方法诸如离 子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄 膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等。 清洁界面是客观存在的。但实际上，即使在10 －6Pa－10－9Pa超高真空下，清洁表面仍会吸 附外来原子薄层。
2．贝尔比层
固体材料经过切削加工后，在几个微米或者十 几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变 化，既造成一定程度的晶格畸变。
这种晶格的畸变随深度变化，而在最外的，约 5nm-10nm厚度可能会形成一种非晶态层。这 层非晶态称为贝尔比层。
其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明 显不同。
29
能力。
45
润湿理论的应用
润湿理论在各种工程技术尤其是表面工程技术中应用 很广泛。
在金属炊具表面涂一层憎水的聚四氟乙烯(PTFE)。 加入使σL-G和σS-L 减小的表面活性物质，增加润湿
程度，如清洗剂。 加入使σL-G和σS-L 增大的表面惰性物质，降低润湿
程度，如防雨布。 钎焊的钎剂可提高钎料在高温液态下对基材的润湿
这类材料常用来制造各种装备中具有独特功能的 核心部件。
表面工程的基本涵义、特点、分类及常用工艺方法
热喷涂可以制备各种涂层，如耐磨、 耐腐蚀、隔热等，广泛应用于机械、 能源、化工等领域。
激光表面处理
总结词
激光表面处理是一种利用高能激光束对金属表面进行快速加热和冷却的过程， 可以改变金属表面的物理和化学性质。
详细描述
激光表面处理具有高精度、高效率、低损伤等特点，主要用于金属材料的表面 强化、合金化、熔覆等，在汽车、航空航天、模具等领域有广泛应用。
总结词
激光表面处理是一种利用高能激光束对材料 表面进行快速加热和冷却，实现表面改性或 加工的工艺。
详细描述
激光表面处理具有高精度、高效率、低损伤 等特点，可应用于各种材料的表面强化、合 金化、熔覆、雕刻等。激光表面处理技术广 泛应用于航空航天、汽车、模具等领域。
其他表面处理工艺
总结词
除上述常用工艺外，还有许多其他表面处理 工艺，如化学转化膜技术、阳极氧化、微弧 氧化等。
表面工程涉及的领域广泛，包括材料科学、化 学、物理、机械工程等多个学科。
表面工程的主要目的是提高材料的耐腐蚀性、 耐磨性、抗疲劳性等性能，延长材料的使用寿 命，同时改善材料的外观和功能特性。
表面工程的应用领域
航空航天
表面工程在航空航天领域中广泛 应用于提高飞机和航天器的耐腐
蚀、抗氧化和抗疲劳性能。
提高材料性能
表面工程能够显著提高材料的耐 腐蚀、耐磨、抗疲劳等性能，延 长材料的使用寿命。
节约资源
表面工程可以减少对昂贵材料的 需求，降低生产成本，同时减少 对环境的污染。
促进科技进步
表面工程技术的发展推动了相关 学科的进步，为新材料的研发和 应用提供了有力支持。
PART 02
表面工程的特点
REPORTING
第二章-表面工程技术的基础理论
☻ 但这种方法不能除去像碳等难于蒸发的原子。
清洁表面的获得
3．离子多次轰击法
☻ 把样品表面在真空中循环地用惰性气体离子 轰击和退火的方法。
☻ 单次轰击后晶体内的杂质还可分离到表面上 来，这种方法必须进行多次的反复轰击和退火。
☻ 对于大多数表面都是有效的，还可以清除用 第二种方法清除不了的难蒸发的原子。
所以要获得清洁表面，必须采取一些特殊的 处理措施。
清洁表面的获得
1．在真空中解理晶体
☻ 金属(合金)沿某些严格的结晶学平面发生分离的断 裂(穿晶)称为解理。 在真空条件下，使金属产生解理， 可获得清洁表面。
☻ 受可解理的材料和平面的限制，仅能解理几种金属 的单晶，如铍、锌、铋和 锑等。
2．把表面在真空中作热处理，使温度高到足以 蒸发掉表面的污染物
③两者可在一定条件下转化，如在铜上，氢分子 的物理吸附，经活化而进一步与铜催化表面接近， 就可以转化为解理面氢化学吸附。
• 物理吸附与化学吸附的比较
吸附力 吸附层数
可逆性 吸附热 吸附速率 吸附选择性
物理吸附 范德华力 多分子层或单分子层 “可逆” 小(近于冷凝热)
快 无或很差
化学吸附 化学键力 单分子层 “不可逆” 大(近于反应热)
(5)吸附态的光谱不同 物理吸附只能使原吸附分 子的特征吸收峰发生某些位移，或使强度改变。 而化学吸附会在光谱区产生新的吸收峰。
物理吸附和化学吸附的联系
①某些情况下，物理吸附物和吸附剂之间相互作 用拉长某些化学键，使分子化学性质改变，这样 很难断言为何种吸附；
②有些化学吸附可以直接在吸附物与吸附剂之间 进行，而相当多的化学吸附必须先经过物理吸附， 然后再进行化学吸附；
材料科学与工程基础表面能(“表面”有关文档)共8张
表面能 0.48 0.75 1.10 1.10~1.27 1.56
0.442 0.92 1.865 0.075 0.059 0.114 0.105 0.209 0.585 0.70
液体与固体表面特点
• 液体表面有自行缩小的 • 固体是一种刚性物质，
• 对于许多固体金属、氮化物和碳化物的表面， 氧能产生类似的影响。在这些材料的表面一旦 形成氧的吸附层，就较难将其除去。
第第75页页，共/共8页9。页
表面活化剂的一些应用
第第86页页，/共共8页9。页
液体表面有自行缩小的趋势（表面分子相互吸引的结果） 杂质对物质的表面能产生的影响 液体表面有自行缩小的趋势（表面分子相互吸引的结果） 液体的表面张力随温度的升高而减小，这是因为热扰动减小了原子之间或分子之间的吸引力。 要使液体表面增大就必须消耗一定数量 的功，所消耗的功便转化为表面能。 固体的表面张力是根据在固体表面上增加 的原子以建立新的表面时所作的可逆功定义的。 液体表面张力与表面能的数值是一样的，但是物理概念是不同的。 在这些材料的表面一旦形成氧的吸附层，就较难将其除去。 如果某物质中含有少量表面张力较大的其他组分，则这些组分便倾向于再该物质的体积内部富集，即这些组分在体内的浓度高于在表面层 的浓度，对该物质的表面张力只有微弱的影响。 要使液体表面增大就必须消耗一定数量 的功，所消耗的功便转化为表面能。 固体是一种刚性物质，其表面上 分子的流动性较差，它能够承受剪应力的错用，银子可以抵抗表面收缩的趋势。 表面活化剂：对于物质表面张力能产生强烈影响的其他组分。 例如：水的表面张力在25℃时为0. 要使液体表面增大就必须消耗一定数量 的功，所消耗的功便转化为表面能。
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《材料表面工程基础》课后习题目录及答案1.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展?2.表面工程技术的目的和作用是什么?3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科?4.为什么会造成表面原子的重组？5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？7.热喷涂技术有什么特点？8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？12.镀层如何分类？怎样选择使用？13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。
14.电镀的基本原理？15.共沉积合金的相特点有几种类型？16.电刷镀的原理及特点是什么？17.什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。
18.与电镀相比，化学镀有何特点？19.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？20.形成热浸镀层应满足什么条件？21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。
22.热镀铝的优缺点怎样？23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。
24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。
25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。
26.喷丸强化技术原理、特点、应用范围。
27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。
28.工件感应加热淬火的工艺流程。
29.各种表面淬火的特点和应用范围。
30.什么是表面工程？表面工程技术的作用是什么？31.金属离子电沉积的热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么？32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂的特点。
33.热喷涂的涂层结构特点是什么？其涂层与基体的结合机理是什么？一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么？34.化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一？你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议？36.材料表面耐腐蚀的技术有哪些？我国规定煤矿系统的井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必须要进行钢结构长效防腐处理。
一般的寿命要求30～50年。
请对该项要求进行设计：所需要的材料涂层体系、工艺、涂层厚度等。
37.材料表面的耐磨损技术有哪些？试简述分析各自的技术特点和适用范围。
38.提高零件表面表面耐蚀性能的涂层技术主要有哪些？试简述分析各自的技术特点和适用范围。
39.热喷涂有哪些主要的喷涂工艺？各有什么技术特点？热喷涂工艺选用的基本原则是什么？40.举例说明对于耐腐蚀、耐磨损、耐高温、绝缘导电以及可磨损涂层的各种情况下的选用工艺和材料？1．材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展?1.工业发展对机电产品提出更高要求(高温、高压、高速、重载以及腐蚀介质等恶劣工况下可靠地工作)。
2.相关科技的发展为表面工程注入活力、提供支撑:如高分子材料和纳米材料的发展,激光束、离子束、电子束三种高能量密度热源的实用化等。
3.表面工程适合我国国情,能大量节约能源、资源,体现了科技尽快转化为生产力的要求,符合可持续发展战略。
1）社会生产、生活的需要2）通过表面处理大幅度提高产品质量 3）节约贵重材料4）实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题 5）良好的节能、节材效果 6）促进了新兴工业的发展2．表面工程技术的目的和作用是什么?表面工程技术的主要目的：就是在于通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改变。
具体说：表面工程技术是在不改变基体材料的成分、不削弱基体材料的强度的条件下，通过物理手段或化学手段赋予材料表面以特殊的性能，从而满足工程技术上对材料提出的要求的技术。
表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种作用：提高材料或零件的耐蚀性、抗高温氧化性及提高抗浸蚀能力；提高耐摩擦磨损、磨蚀、粘结、咬合、冲刷、减磨及润滑的能力；提高耐热、导热、隔热、吸热、与热反射的作用；赋予材料特定的物理特性，赋予材料特定的化学特性，赋予制件表面装饰特性，鲜艳的色彩及图文；非金属表面金属化、光化及抗老化；提高材料制件表面完整性、光洁度、提高抗疲劳和抗腐蚀疲劳的能力；3. 为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科?材料表面工程是一门很新的边缘学科，它不但涉及到诸如：表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论，而且其本身也溶入了诸多学科的新技术。
4. 为什么会造成表面原子的重组？处于界面上的原子除受到来自内部自身原子的作用力外，还受到外部介质分子(或原子）的作用力。
显然其力是不平衡的，若外部为真空更是如此。
这使得表面原子偏离正常的平衡位置，从而牵动着附近的几层原子，造成表层产生畸变，表面的各种缺陷更加重了这种畸变。
这样就使表层原子的能量比内部的要高很多。
比较大的表面能有剩余吸引力，必然有通过原子迁移或吸附外来物质以调整结构向低能态演变的趋势，以晶态物质、表面有众多微孔和巨大表面积以及活性大的物质尤甚。
处于界面上的原子其原子结构与内部的也存在区别，表面原子周围的电子无论是能量或是空间分布都不同于内部原子，这就在很大程度上决定了材料表面的化学特性。
5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？实际表面：一是所谓“内表面层”，它包括基体材料和加工硬化层；另一部分是所谓“外表面层”，它包括吸附层、氧化层等。
清洁表面：清洁表面是经过特殊处理（即保证组成上的确定性）后，保持在超高真空下的表面（即保证表面不随时间而改变）理想表面：是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。
6. 常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？1、基体表面平整：磨光滚光抛光刷光振动磨光2、基体表面清洁：除油（有机溶剂除油化学除油电化学除油超声除油）除锈除锈除油联合处理3、基体表面抛光处理：化学抛光电化学抛光4、基体表面喷砂与喷丸处理：喷砂喷丸7. 热喷涂技术有什么特点？⑴涂层的基体材料几乎不受限制⑵涂层材料的种类选择范围广泛⑶喷涂施工对象的尺寸大小和形状不受限制⑷母材性能不变化⑸涂层厚度可在较大范围内变化⑹可喷涂成形⑺节能高效，但涂层面积小时经济性差⑻环保性好，对环境污染小8. 热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？喷涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构。
颗粒与颗粒之间存在一定量的空隙和孔洞。
其孔隙率一般在1~15%之间。
涂层中还伴有氧化物和夹杂。
从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段： 1）喷涂材料被加热(heating)、熔化(melting)； 2）熔化的喷涂材料被雾化(atomizing)；3）熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行(accelerated)；4）粒子在基体表面发生碰撞、变形、凝固和堆积(impacting & flatten)。
9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。
涂层与基体的结合强度称为结合力；涂层内部的结合强度称为内聚力。
涂层中颗粒与基体表面之间的结合以及颗粒之间的结合机理目前尚无定论：1）机械结合——抛锚效应 2）扩散-冶金结合3）化学－物理结合-----范德华力等10. 热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？火焰喷涂火焰喷涂技术的基本特点是：①一般金属、非金属基体均可喷涂，对基体的形状和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能喷涂；②涂层材料广泛，金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料，可使表面具有各种性能，如耐腐蚀、耐磨；耐高温、隔热等：③涂层的多孔性组织有储油润滑和减摩性能，含有硬质相的喷涂层宏观硬度可达450HB，喷焊层可达65HRC；④火焰喷涂对基体影响小，基体表面受热温度为200～250℃，整体温度约70℃～80℃，故基体变形小，材料组织不发生变化。
火焰喷涂技术的缺点：①喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷；②基体表面制备要求高；③火焰喷涂工艺受多种条件影响，涂层质量尚无有效检测方法。
丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、粉末火焰喷焊、棒材火焰喷涂、超音速火焰喷涂（HVOF）爆炸喷涂、普通、高速、超音速丝材电弧喷涂、真空电弧喷涂、惰性气氛电弧喷涂、高频喷涂、线材电爆喷涂大气等离子喷涂、低压真空等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂、水稳等离子喷涂、超音速等离子喷涂激光喷涂 ------ 激光喷涂、激光喷焊电弧喷涂的特点 (1)热效率高 (2)生产率高 (3)喷涂成本低 (4)涂层结合强度高 (5)可方便地制备伪合金涂层等离子喷涂：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。
②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。
③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。
11. 热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？（1）根据热喷涂材料的不同形状，可以分为丝材、棒材、软线和粉末四类（2）根据喷涂材料的成分，可以分为金属、合金、陶瓷和塑料喷涂材料四大类（3）根据喷涂材料的性质以及获得的涂层性能，可以分为隔热材料，抗高温氧化材料，耐磨材料，耐腐蚀材料，自润滑减磨材料，导电、绝缘材料，黏结底层材料和功能材料八类轧钢辊 767起落架轴汽车气缸表面等离子喷涂陶瓷生物人造骨关节航空发动机有3000多处需要热喷涂表面长效防护火箭发射燃烧筒热障涂层造纸辊水轮机叶片汽轮机高度集成化和操作简单化(智能傻瓜型) 节能、高效（喷涂速率和沉积效率）新型涂层材料的开发(非晶态、准晶态、纳米材料和金属间化合物)清洁生产非晶态涂层准晶态涂层纳米涂层金属间化合物涂层超混杂涂层(金属、聚合物、陶瓷层间交替) 其它12. 镀层如何分类？怎样选择使用？1）按使用性能可分为：①防护性镀层②防护-装饰性镀层③装饰性镀层④耐磨和减磨镀层⑤电性能镀层⑥磁性能镀层⑦可焊性镀层⑧耐热镀层⑨修复用镀层2）按镀层与基体金属之间的电化学性质可分为：阳极性镀层和阴极性镀层3）按镀层的组合形式，可分为：单层镀层和复合镀层4）按镀层成分分类，可分为：单一金属镀层、合金镀层及复合镀层选择使用：首先要了解镀层是否具有所要求的使用性能，然后按照零件的服役条件及使用性能要求，选用适当的镀层，还要按基材的种类和性质，选用相匹配的镀层；另外要依据零件加工工艺选用适当的镀层；此外，要考虑镀覆工艺的经济性。
13. 金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。
1）．传质步骤：液相中的反应粒子（金属水化离子或配合离子）向阴极表面传递的步骤，有电迁移、扩散及对流三种不同方式。
2）．前置化学步骤：研究表明，直接参加阴极电化学还原反应的金属离子往往不是金属离子在电解液中的主要存在形式。