摩擦磨损原理1固体的表面特性

CHENLI
17
表面能的大小与晶体类型有关，随结合键能的增加而增 加。任一金属都有一定的结合键能。金属的许多性能都与结 合键能有关。对于过渡族金属，结合键能越高，则弹性模数 越高，金属的变形越困难。而且，结合键能越高，金属的熔 点也越高。
原子有规则的周期性 重复排列
CHENLI
3
（1）面心立方晶胞(fcc)
面心立方的晶胞: 在8个顶角各有1个原子，在立方体每一面 中心还各有1个原子。金属钢、银、金、铝、镍、铅、铑、γ 铁、γ钴、δ锰等，均为面心立方结构。
面心立方晶胞
每1个原子周围与其等距 离的最近邻的原子数目叫 配位数(CN)。它是描述原 子排列紧密程度的参量， 配位数越高，原子排列越 紧密，面心立方晶胞的配 位数为12。
位错可视为晶体中一部分晶体相对于另一 部分晶体局部滑移的结果，晶体滑移部分 与末滑移部分的交界线即为位错线。
最基本的位错类型有两类：刃型位错和螺型位错。若同时 既包含刃型位错又包含螺型位错，则称为混合位错。
位错的基本类型 a）刃位错； b）螺位错
CHENLI
12
❖位错的相互作用
晶体中的位错靠近自由表面时，自由表面将与此位错产生 相互作用。由于位错在晶体中引起晶格畸变，产生应变能。 如果位借由晶体内部运动到晶体表面，应变能将会降低，故 位错由晶体内部运动到晶体表面是一种自发的过程，其结果 将使表面层中位错密度降低。
1 固体表面特性
CHENLI
1
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。
CHENLI
8
面心立方表面原子的配位数（FCC）
在表面的位置 配位数 表面所处晶面 配位数
角上原子
3
原子在(111)上
9
边缘原子
5
原子在(100)上
8
晶体表面原子的配位数与晶体的位向有关，面心立方晶体 不同位向表面，原子的配位数见表。
晶体表面原子不仅能量较高，而且还存在着许多缺陷。这 些缺陷不是静止、稳定不变的，而是随着条件的改变而不 断变化和交互作用的。它们对晶体表面的机械性能、物理 性能和化学性能有很大的影响。
CHENLI
7
1.2 表面晶体结构及缺陷
•金属表面就是金属晶体与周围介质的界面。图为理想金属 晶体表面原子的排列情况。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。由此可知，表面原子的配 位数比基体中的配位数少，表面原子少了在表面上层原子 对它的约束，这将使表面原子处于高能状态。
晶体表面的原子
密排六方晶胞: 六棱柱体的各角有一个原子，在其上、下 面中心还各有一个原子，此外在两面的中间还有三个原子。 配位数为12。属于这类结构的金属有镁、锌、镉、锆、α 铍、α钛、α钴等。
密排六方晶胞
CHENLI
6
3种典型金属晶体结构特征
以上所述都是理想晶体的结构，即把金属晶体中的原子排列 看作是规则的、完整的，而且每个原子都是在阵点上静止不动 的。然而，实际上金属晶体由于原子热振动，以及受到温度、 辐射、压力加工等各种外界条件影响，在原子规则排列区中常 出现原子排列的不规则区，这些不规则区称为“晶体缺陷”。
CHENLI
9
晶体表面缺陷
CHENLI
按几何特征，晶 体缺陷主要有以 下3类： （1）点缺陷 （2）线缺陷 （3）面缺陷
10
❖点缺陷 在三维方向上尺寸都很小的缺陷称为点
缺陷，如空位、间隙原子和置换原子等。
➢晶体中原子在其平衡位置上作高频率的热振动，振动能量 经常变化，此起彼伏，称为能量起伏。在一定温度下，部分 具有超额能量的原子有可能克服周围原子对它的束缚，而离 开原来的平衡位置，于是在阵点上产生空位。
➢即使在极纯的金属中，也总会存在一定量的杂质原子。杂 质原子使周围的晶体发生畸变，明显地影响晶体的性质。
➢点缺陷的存在对金属的物理和机械性能，以及热处理性能 都有较大的影响。产生一个空位引起的体积膨胀约为0.5个 原子体积；产生一个间隙原子引起的体积膨胀相当于一个原 子体积。
CHENLI
11
Βιβλιοθήκη Baidu线缺陷
当金属表面有氧化膜时，则表面对位错是相斥的，亦即表 层不会产生低位错密度区。这主要是由于在两个弹性模量不 同材料边界附近的位错，界面也会对它产生相互作用。如果 位错处于弹性模量低的介质一侧，则界面对位错给予斥力； 若位错处于弹性模量高的介质一侧，则界面对位错给予吸力。 金属表面常常被氧化膜覆盖，而一般金属氧化膜的弹性模量 比金属大，所以氧化膜覆盖的表面对位错有排斥作用。
CHENLI
14
表面能的物理图像
以面心立方金属的（100）面作为表面
只有当每个原子有12个最近邻，能量才最低，结 构最稳定。当少了四个最近邻原子，出现了四个“断 键”时，表面原子的能量就会升高。和表面原子的这 种高出来的能量相连的就是表面能。
CHENLI
15
CHENLI
16
晶面的表面能
不同晶面作表面时，断键数目不同，因而表面能不同。
CHENLI
2
1 洁净的固体表面
1.1 金属的晶体结构
•通常，金属在固态下都是晶体， 其原子均为有规则的周期性重 复排列、晶体结构是指组成晶 体的物质质点(分子、原子、离 子、原子集团)依靠一定的结合 键在三维空间做有规律的周期 性重复排列的方式。
•金属元素中，约有百分之九十 以上的金属属于FCC、BCC、HCP 3种晶体结构.
CHENLI
13
2 表面张力与表面能
固体表面上的原子比其内部的原子具有较高的势 能，固体表面的所有原子势能的总和称为固体表面 能或表面自由能。单位为J／m2或N／m。
固体表面的原子在固体内部引力作用下有从其 表面进入固体内部的趋向，同时使其表面的面积尽 量收缩，这种使表面收缩而沿固体表面切向作用的 力叫做表面张力。
CHENLI
4
（2）体心立方晶胞(bcc)
体心立方晶胞: 在8个顶角各有1个原子，在其立方体的 中心还有一个原子。显然，每一个原子周围有8个最近邻 原子，因此，配位数为8。属于这种结构的；金属有钒、 铌、钽、钼、铬、钡、β钛、α铁、δ铁、α钨等。
体心立方晶胞
CHENLI
5
（3）密排六方晶胞(hcp)