(表面工程学课件)2表面工程技术的相关基础

2 表面工程技术的物理、化学基础
教学目的和要求
掌握固体(金属)的重要表面特性，材料磨损及腐蚀基 本原理。
Hale Waihona Puke 一、典型固体表面1. 理想表面
理想表面形成示意图
定义：向无限晶体内插入一个平面并切断插入面两侧的原子结合键后，将其分为 两部分而形成的两个新的表面称为理想表面。
特点：此过程中除了晶体附加了一组边界条件外，无任何其它改变。在半无限晶 体内部，原子和电子的状态与原来无限晶体的情况一样。
(异质)外延生长界面
定义：当工艺条件合适时，在（单晶）衬底 表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的 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。
关键：结晶相容性（晶格失配数m小） m=│b-a│/a
a-基体晶格常数，b-薄膜晶格常数
特点：理论上应有较好的结合强度。具体取 决于所形成的单晶层与衬底的结合键类型， 如分子键、共价键、离子键或金属键等。
技术：气相外延（化学气相沉积技术等）、 液相外延（电镀技术等）。
结合强度较高 结合强度较低
实际表面改性层中界面的结合机理常常是上述几种机理的综合。 应根据需要设计、控制界面的结合机理。
冶金结合界面
定义：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，覆层与基材的结合界面。
实质：金属键结合 特点：结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。 技术：激光熔覆技术、堆焊与喷焊技术等。
1
0
10
20
30
塑变深度(μm)
2.基于固相组织或晶体结构差异形成的界面
典型特征是两相之间的微观成分与组织存在很大的 差异，但无宏观成分上的明显区别（珠光体），且 宏观组织变化存在渐变区域(表面淬火组织)，在服 役过程中不易出现表层剥落等情况。
3.基于固相宏观成分差异形成的界面（覆层界面）
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
理想表面实际不存在（是理论分析的基础）。 实际表面存在表面能。
1-1.实际表面
定义：与理想表面不相同的实际的表面 （温度在0K以上的表面）。
J.W.Gibbs于1877年首先提出：在气固相界面 处存在一种二维凝聚物相。
特点： 1.驰豫及重构 2.合金的表面偏析 3.表面吸附和表面化合物 4.表面缺陷
4.一般表面
由于表面原子处于非平衡状态，一般表面会吸咐一层外来原子。 常温常压条件下，金属表面会被氧化（金除外）。 要求进行表面预处理。
二、典型固体界面
1.基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面
微晶层(比尔比层(Bilby)层)：1—100nm厚的晶粒微小的 微晶层。
塑性变形层：塑变程度和它的深度有关。
洁净表面与清洁表面这一对概念很重要。
3.机械加工后的表面
表面的粗糙度和波度构成了金属的表面形貌。
波纹度:
金属表面呈波浪形的有规律和无规律的表面反复结构误差称为波纹度。 波纹度的波距与波深的比为：1000：1~100。
粗糙度:
加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状就构成了其特征。 粗糙度的波距与波深之比常常为150：1~5。
式(2-1)
式中：y i 为波峰高或波谷深的数值，n为测量的波峰或波谷的个数。
2、真实面积与投影面积之比 i ：
i ＝A i /A l 式(2-2)
式中： A i为真实面积， A l 为的投影面积（理想的几何学面积）
显然， i ≥1
经过仔细研磨的金属： i ≥2
它与表面工程技术的特征 及实施前的预备工艺紧密 联系，并严重影响材料的 摩擦磨损、腐蚀性能、表 面磁性能和电性能等。
重构
驰豫
表面原子的驰豫与重构
表面偏析
表面吸附
2.洁净表面与清洁表面
洁净表面（定义）：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 体内相同的表面。
洁净表面允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。 洁净表面只有用特殊的方法才能得到
清洁表面（定义）：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。 清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。 洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。
材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要的概念之一。
（控制最后一道加工工序。）
▽ 14 （0.006μm）：镜面 ▽ 13（0.012μm）：雾状镜面 ▽ 12 （0.025μm）：镜状光泽面 ▽ 11 （0.050μm）：亮光泽面 ▽ 10（ 0.10μm）：暗光泽面 ▽9（0.20μm）：不可见加工痕迹方向 ▽8（0.40 μm）：微见加工痕迹方向 ▽ 7 （0.80μm）：可见加工痕迹方向 ▽ 6 （1.60 μm）：看不清加工痕迹方向 ▽5（3.2μm）：微见加工痕迹方向 ▽ 4（6.3μm）：可见加工痕迹方向 ▽ 3（12.5μm）：微见刀痕 ▽ 2（25μm）：可见刀痕 ▽ 1（50μm）：明显可见刀痕
其它变质层： (1)形成孪晶：Zn,Ti等密排六方结构的金属表层会形成孪晶; (2)发生相变：18-8型奥代体不锈钢，β黄铜、淬火钢中的残
ε变形量(%) 5
4
余奥氏体，高锰钢等会形成相变层；
3
(3)发生再结晶：Sn、Pb、Zn等低熔点金属加工后表层能够 2
形成再结晶层。 (4)发生时效和出现表层裂纹等。
波纹度是间距大于表面粗糙度但小于表面几何形状误差的表面几何不平度，属于 微观和宏观之间的几何误差。
表面光洁度 ▽ 1 ▽3 ▽5 ▽7 ▽9 ▽11 ▽13
粗糙度的表示:
表面粗糙度 Ra（μm）
50 12.5 3.2 0.80 0.20 0.050 （与实际情况的对应关系）
0.012
1、轮廓的算术平均偏差Ra：
扩散结合界面
定义：两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、 界面扩散和反应等途径所形成的结合界面。
特点：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子 级别的混合或合金化。
技术：热扩渗工艺、离子注入工艺（“类扩散”界面） 等。
•金属间化合物：两种或两种以上金属以整数比（化学计量） 组成的化合物。 •除离子键和共价键之外，金属间化合物有很强的金属键结合， 因而它具有金属的一些特性。 •金属间化合物仍然是金属材料。