1、第一節(jié)第一節(jié) 固體的表面與界面固體的表面與界面第二章第二章 表面工程技術的物理、化學基礎表面工程技術的物理、化學基礎 與固體材料相關的表面與界面 表面：固體材料與氣相接觸的面； 界面：固相之間的分界面；(1) 相界面：固體中成分、結構不同的兩相之間的界面；(2) 晶界：晶粒與晶粒之間的分界面；(3) 微晶：尺寸在微米級以下的晶粒；(4) 非晶態(tài)：尺寸小于納米級的晶粒。（1）理想表面：將晶體切開后形成的表面；一、典型固體表面一、典型固體表面（1）理想表面 典型的固體表面有：理想表面、潔凈表面、清潔表面、機加工表面和一般表面。在特殊條件下獲得的固體表面，表面有極少量的吸附物。 幾種獲得潔凈表面的方

2、法:(1) 在超高真空的環(huán)境下用簡單的晶面劈開法獲得清潔表面，如NaCl的（100）面；(2) 在還原氣氛中加熱，使沾圬物形成可揮發(fā)的化合物，如在氫氣中加熱還原氧化物。(3) 在真空中用惰性氣體離子轟擊濺射表面，(4) 通過真空蒸發(fā)法獲得理想的單晶和多晶薄膜。（2）潔凈表面）潔凈表面 零件經(jīng)過去油、除銹等預處理后的表面。（3） 清潔表面清潔表面 機械加工后的表面，表面粗糙度取決于加工方法（圖21）。（4）機加工表面）機加工表面機械加工面的表面粗糙度Ra加工方法 Ra（m） 珩磨 0.01 0.05 研磨 0.08 0.63 磨削 0.32 2.5 銑削 1.25 5 車削 0.63 5 鉆削

3、1.25 10不同加工方法形成的材料表面輪廓曲線11iiaynR一般機加工后金屬表面示意圖一般機加工后金屬表面示意圖l 畢氏層（ Bilby層）： 因機械加工力引起的晶格點陣強烈畸變而形成的非晶態(tài)層，具有粘性液體膜似的非晶態(tài)外觀，厚約510 nm。金屬材料在工業(yè)環(huán)境中被污染的實際表面示意圖（5） 一般表面一般表面（實際表面） 放置在大氣中的材料表面。一般表面一般表面（實際表面）加熱過的金屬表面Fe-O平衡相圖 二、表面技術中的界面（典型固體界面）二、表面技術中的界面（典型固體界面） 表面改性處理后，新生成的表面層與基材之間結合的界面，按其結合狀態(tài)可分為：（1）冶金結合：覆層與基材之間是通過熔化

4、或熔融后重新凝固結晶而成，如堆焊。 冶金結合屬于金屬鍵結合，結合強度最高。 兩個固相平面在加熱、加壓等條件下，固相原子在界面處相互擴散并連接在一起，如擴散焊。 擴散結合屬于原子級的冶金結合。（2）擴散結合）擴散結合分子擴散焊軟連接 沿單晶襯底的晶軸向外延伸，生成與原晶格相同的新單晶涂層。如電鍍的初始階段。 外延生長界面結合強度取決于結合鍵的類型，如分子鍵、共價鍵、離子鍵和金屬鍵（依次增強）。（3）外延生長）外延生長 涂層與基材之間發(fā)生化學反應形成化合物，如在Ti表面沉積TiN時，界面處的N和基體的Ti作用形成Ti-N化學鍵。 化學鍵的結合強度高，但界面韌性差。 （4）化學鍵結合）化學鍵結合以范

5、德華力結合的界面，界面上沒有發(fā)生擴散或化學反應，如物理氣相沉積。雖然分子鍵的結合力稍差，但可以滿足某些要求。（5）分子鍵結合）分子鍵結合物理氣相沉積TiN 涂層與基體之間靠相互鑲嵌連接結合在一起，如噴涂。 機械結合的結合強度較差。（6）機械結合）機械結合 單晶體潔凈表面的晶體結構可以看作是由二維布拉菲晶格(點陣)加上結點(陣點)組成的二維周期排列形成的無限點陣。三、表面晶體結構三、表面晶體結構（1）五種可能的布拉維點陣表面晶體結構表面晶體結構（2） 由于單晶體表面外側沒有固體原子的鍵合，形成附加表面能。表面原子有向能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展。 使表面原子處于穩(wěn)定狀態(tài)的方式：（1） 自行調整，使表面

6、原子的排列與內部不同；（2） 依靠表面成分偏析或吸附外來原子或分子降低表面能。 為了使表面原子結構和體內原子晶格匹配，表面數(shù)個原子層將發(fā)生重組（排）。 一般表面原子要經(jīng)過46個原子層之后才與體內原子結構基本相似。表面原子的重組表面原子的重組（1）表面原子的重組表面原子的重組（2） 晶體表面的最外層往往不是一個原子級的平面，這樣的熵值較小，自由能比較高，所以潔凈表面必然存在各種類型的表面缺陷才能得到最小的表面能，如體內缺陷在表面的露頭、點缺陷、臺階、彎折等。三、表面晶體結構三、表面晶體結構（3） TLK模型平臺(Terrace) ：低晶面指數(shù)平臺；臺階(Ledge) ：單分子或單原子高度的平臺

7、；扭折(Kink) ：單分子或單原子尺度的扭折 。三、表面晶體結構三、表面晶體結構（4） 固體表面上的能量是不均勻的，有的部位高，有的部位低，這將導致表面的吸附和化學反應是不均勻的。 D與溫度T和擴散激活能Q的關系dxdCDJ222222zCDyCDxCDtCzyxDtcX )exp(0RTQDD四、表面原子擴散四、表面原子擴散（1） Fick擴散第一定律： （擴散流量與濃度的關系）Fick擴散第二定律：（濃度與擴散時間的關系）擴散過程中原子平均（垂直）擴散距離 式中， c常數(shù)； D擴散系數(shù)；t擴散時間。 固體表面原子或分子要從一個位置移到另一個位置，必須克服一定的位壘（擴散激活能Q），而且要

8、達到的位置是空著的（有缺陷）。表面擴散表面擴散（2）吸附原子在（100）面上的擴散路徑表面吸附原子擴散能量 固體原子的活動能力按表面、界面、位錯、體內依次下降，故激活能 Q表Q界Q位D界D位D體。 表面擴散表面擴散（3）1 表面張力（1） 液體表面張力：使液體表面向最小表面積趨向的力。（2） 固體表面張力。五、表面能及表面張力五、表面能及表面張力 2 表面能 因物質表面原子和內部原子排列差別引起的一種物理表現(xiàn)。其物理意義是指產生1cm2新表面需消耗的等溫可逆功。 液態(tài)表面能與表面張力在數(shù)學上是相等的。表面自由能與表面張力的關系 Wf （）因為 f = 2l，所以 W表2l（）（A）或 W表dA

9、 外力做的功使表面自由能增加： dG表W表dA積分 AdAdG00表表AG表表面能及表面張力的關系表面能及表面張力的關系（1） 在等溫等壓下，AB移動 ，液膜面積增加A，所以有：所以 G表=A表面能及表面張力的關系表面能及表面張力的關系（2）（2）當A一定時，dA= 0，則 dG= A d。 若要dG0，則必須d0。即表面張力減小的過程是自發(fā)過程。如固體或液體物質表面發(fā)生的吸附現(xiàn)象，就是因為該吸附物質可以減小表面張力。 將上式微分得： dG= dA+ A d（1） 當一定時，d= 0，則 dG= dA。 若要dG0，則必須dAC2H2C2H4COH2CO2N22固體對氣體的吸附固體對氣體的吸附

10、 固體對液體分子的吸附有：（1） 電解質的吸附：固體和溶液之間發(fā)生離子交換，如電鍍；（2） 非電解質的吸附：液體在固體表面為單分子層吸附。 溶液吸附的吸附熱很小，說明液體在固體表面的結合不牢。3固體對液體的吸附固體對液體的吸附（1） 凡是能夠顯著降低溶液表面張力的物質叫做該液體的表面活性物質或表面活性劑；（2） 能使液體表面張力升高或降低很小的物質，則叫表面非活性物質或表面非活性劑。 表面活性物質與表面非活性物質表面活性物質與表面非活性物質 若溶液是由溶劑和溶質組成，根據(jù)被固體的吸附物質有：（1） 正吸附：表面層內溶質的濃度比液相本體大；（2） 負吸附：表面層內溶質的濃度比液相本體小。 液體表

11、面的吸附液體表面的吸附1） 當鐵液中溶有O，S，C，P，Si，B等非金屬元素時，可使鐵液表面張力大大降低，它們是鐵液的表面活性物質，它們在鐵液表面發(fā)生正吸附；2） Co，Ni等使鐵液表面張力略有升高，在鐵液表面發(fā)生負吸附，它們是鐵液的表面非活性物質。3） P2O5、SiO2、TiO2是煉鋼爐渣的表面活性物質，它們能顯著降低爐渣的表面張力。 冶金過程中的表面活性和表面非活性現(xiàn)象冶金過程中的表面活性和表面非活性現(xiàn)象1潤濕現(xiàn)象與機理 液體在固體表面上鋪展的現(xiàn)象，稱為潤濕（圖25）。（1） 親水物質：能被水潤濕的材料，如玻璃、石英等；（2） 疏水材料：不能被水潤濕的物質，如石蠟、石墨等。 七、固體表面

12、的潤濕七、固體表面的潤濕 潤濕角： 或式中：S-G固氣之間的界面張力；S-L固液之間的界面張力； L-G液氣之間的界面張力。cosGLLSGSgllsgscos潤濕現(xiàn)象與機理潤濕現(xiàn)象與機理 (2) (3) 當=0和180時，則相應地稱為完全潤濕和完全不潤濕。潤濕現(xiàn)象與機理潤濕現(xiàn)象與機理 (3)（1） 當S-GS-L時，cos為正值，90，潤濕狀態(tài)；（2） 當S-G90，不潤濕狀態(tài); 液體在固體表面的鋪展系數(shù)定義為 當=0時，SL/S = 0，液體L在固體S表面上會自動展開； 當SL/S0時，液體在固體表面上不易鋪展，負值越大越難鋪展。 當固體表面粗糙度為i時，上式可修正為 所以粗糙表面的鋪展系

13、數(shù)遠大于光滑表面。) 1cos(/iSGLSL) 1(cos/GLGLLSGSSLS2鋪展系數(shù)鋪展系數(shù) 在金屬炊具表面涂一層憎水的聚四氟乙烯(PTFE)。 加入使L-G和S-L 減小的表面活性物質，增加潤濕程度，如清洗劑。 加入使L-G和S-L 增大的表面惰性物質，降低潤濕程度，如防雨布。 釬焊的釬劑可提高釬料在高溫液態(tài)下對基材的潤濕能力。3潤濕理論的應用實例潤濕理論的應用實例 (1) 在液態(tài)金屬中加入一些與液態(tài)金屬之間界面張力小的雜質(如氧化物、氮化物等)，作為非自發(fā)形核起到細化晶粒的作用。 堿性電爐煉鋼用鎂砂(MgO)作爐襯，因鋼水與鎂砂的接觸角=118136，可降低鋼水對爐襯的浸蝕，延長

14、爐體壽命。潤濕理論的應用實例潤濕理論的應用實例 (2)機械零部件的失效磨損 腐蝕 粘著磨損 磨粒磨損 腐蝕磨損 氣蝕磨損 化學腐蝕 電化學腐蝕高溫氧化腐蝕工程材料的表面失效方式斷裂第二節(jié)第二節(jié) 材料的磨損與耐磨性材料的磨損與耐磨性 1 摩擦的定義和分類 兩個相互接觸物體在外力作用下發(fā)生相對運動或具有相對運動趨勢時，在接觸面間產生切向的運動阻力，這一阻力稱為摩擦力，這種現(xiàn)象稱為摩擦。一、固體材料的摩擦與磨損一、固體材料的摩擦與磨損 摩擦的界面條件對摩擦系數(shù)有很大的影響。 （1） 按摩擦副的運動狀態(tài)分類：1） 靜摩擦：一個物體沿另一個物體表面有相對運動趨勢時產生的摩擦稱為靜摩擦，這種摩擦力稱為靜摩

15、擦力。靜摩擦力隨作用于物體上的外力變化而變化。2） 動摩擦：一個物體沿另一個物體表面相對運動時產生的摩擦稱為動摩擦，其阻礙物體運動的切向力稱為動摩擦力。動摩擦力通常小于靜摩擦力。摩擦的分類摩擦的分類（1）（2） 按摩擦副的運動形式分類1） 滑動摩擦：物體接觸表面相對滑動時產生的摩擦。2）滾動摩擦：在力矩作用下，物體沿接觸表面滾動時產生的摩擦。滾動摩擦系數(shù)比滑動摩擦小得多。摩擦的分類摩擦的分類（2）滑動摩擦滾動摩擦（3） 按摩擦副表面的潤滑狀況（工作狀態(tài)）分類： 純凈摩擦：摩擦表面沒有任何吸附膜或化合物的摩擦，如在真空中的摩擦。 干摩擦（無潤滑摩擦）：在大氣條件下，摩擦表面之間不存在潤滑劑時的摩

16、擦。 邊界潤滑摩擦：摩擦面之間有一層極薄的潤滑膜存在時的潤滑。這層膜稱為邊界膜，厚度小于0.01m。摩擦的分類摩擦的分類（3） 流體潤滑摩擦：相對運動的兩物體表面完全被流體隔開時的摩擦，流體可以是液體或氣體。流體潤滑時，摩擦發(fā)生在流體的內部，摩擦阻力取決于流體的性質（如粘度）。 固體潤滑摩擦：相對運動的兩物體表面間有固體潤滑存在時的摩擦。按摩擦副表面的按摩擦副表面的潤滑狀況潤滑狀況（工作狀態(tài)工作狀態(tài)）分類）分類（2） 摩擦學的三定律（1） 第一定律：摩擦力與兩接觸體之間的接觸面積無關；（2） 第二定律：摩擦力與兩接觸體之間的法向載荷成正比； F=N 式中：F摩擦力；N法向力；摩擦系數(shù)。（3）

17、第三定律：兩個相對運動物體表面的界面滑動摩擦阻力與滑動速度無關。摩擦理論摩擦理論滑動摩擦理論滑動摩擦理論（1）（1）機械嚙合理論 摩擦的起因是由于表面上的微小凹凸不平造成兩物體相互嚙合，產生了阻礙兩固體相對運動的阻力。表面越粗糙，摩擦系數(shù)就越大?；瑒幽Σ晾碚摶瑒幽Σ晾碚摚?）（3）粘著理論 金屬表面相互壓緊時，僅有微凸體的頂端相互接觸，接觸面積小，壓強大，造成接觸點發(fā)生塑性變形和粘著（冷焊）。當表面相互運動時，冷焊點被切斷，產生了摩擦力。（2）分子作用理論 摩擦力產生于兩物體摩擦表面間的分子吸引力。摩擦是由于分子運動鍵的斷裂過程所引起的。所以摩擦系數(shù)與接觸面積成正比，與載荷的立方根成反比。 當

18、摩擦界面實際接觸面積與載荷呈線性關系時，滑動摩擦系數(shù)與接觸面積無關；當實際接觸面積接近名義接觸面積時，滑動摩擦系數(shù)隨載荷的增加而減小。磨損的定義和分類磨損的定義和分類 磨損的定義：物體相對運動時，相對運動的表面的物質不斷損失或產生殘余變形稱為磨損。 機械零件的正常磨損過程可分為三個階段：（1） “跑合”階段（0a段）：粗糙表面逐漸磨平，接觸面積逐漸增大，磨損速度開始很快，然后逐漸減慢。 磨損過程磨損過程 (1)（3）“急劇”磨損階段（b點以后）：由于摩擦條件發(fā)生較大的變化，磨損速度急劇增加。 磨損過程磨損過程 (2)（2）“穩(wěn)定”磨損階段（ab段）：“跑合”后摩擦表面加工硬化，微觀幾何形狀改變

19、，磨損開始趨于穩(wěn)定，磨損量與時間成正比。（1） 磨損量： 尺寸磨損量Wl：磨損過程中材料表面尺寸的改變量； 體積磨損量Wv：磨損過程中材料表面被磨掉的體積； 重量磨損量Wg：在磨損過程中材料的失重。 相對磨損量：材料在單位時間或單位距離內的磨損量。3 磨損評定參數(shù)磨損評定參數(shù) (1)（2） 磨損系數(shù)： 式中：V磨損體積，P載荷，L距離LPVK磨損評定參數(shù)磨損評定參數(shù) (2)（3） 耐磨性： 1）相對耐磨性：A、B兩種材料磨損量的比值 2）絕對耐磨性：磨損量或體積磨損量的倒數(shù)BAAWW /WW11磨損評定參數(shù)磨損評定參數(shù) (3)磨損的分類（表22）表22 典型磨損失效類型及提高耐磨性對材料表面的

20、性能要求1粘著磨損機理（焊合剪切理論） 固體表面微凸體相接觸時，在外作用下形成微觀應力場（圖26,7）。二、粘著磨損、潤滑和固體潤滑二、粘著磨損、潤滑和固體潤滑圖27 相互接觸的粗糙表面微凸體之間的應力調幅分布圖26 摩擦面的名義接觸 面積與實際接觸面積 當接觸應力較大時，將引起材料塑性變形和“冷焊”現(xiàn)象。此時若摩擦副相對滑動，焊合點被剪斷。若微凸體較硬，也會對較軟的對磨材料造成犁削作用。 粘著磨損粘著磨損 (1)粘著點的剪切過程 粘著摩擦力可近似表示為 Fr = Ab式中，A剪切的微凸體總面積；b焊合點的平均抗剪強度 因為材料的正壓力FN = As，則摩擦系數(shù) 最合適的耐磨材料體系應該同時具

21、有高的硬度和低的抗剪強度。粘著磨損粘著磨損 (2)sbsbNrAAFFNF 粘著磨損過程中的粘焊（膠合）： 第一類膠合：以塑性變形為主要原因引起的粘焊，分子吸引起重要作用。特點是相對滑動速度不高(0.5m/s)，表層溫度較低(100)，金屬摩擦表層沒有相變和成分變化。 第二類膠合：由于摩擦熱引起接觸表面溫度升高而引起的粘焊。特點是接觸壓力高、相對滑動速度快，摩擦面溫度超過臨界點，有相變發(fā)生。 粘著磨損粘著磨損 (3) 根據(jù)粘著的程度，粘著磨損類型有： 輕微磨損：剪切發(fā)生在粘著結合面上，表面轉移的材料極輕微，如缸套活塞環(huán)的正常磨損。 涂抹：剪切發(fā)生在軟金屬淺層里面，軟金屬轉移到硬金屬表面上，如重

22、載蝸輪副的蝸桿的磨損。 擦傷：剪切發(fā)生在軟金屬表層，硬表面可能被軟金屬內的硬質點劃傷，如內燃機鋁活塞壁與缸體摩擦的“拉傷”。粘著磨損粘著磨損 (4) 撕脫：剪切發(fā)生在摩擦副一方或兩方金屬較深的地方，如在主軸軸瓦摩擦副的軸承表面可見到這種現(xiàn)象。 咬死：若摩擦副之間咬死，不能相對運動，如不銹鋼螺栓與不銹鋼螺母在擰緊過程中常發(fā)生咬死的現(xiàn)象。粘著磨損粘著磨損 (5) 減小粘著摩擦最好措施是采用流體潤滑(圖28c)2流體潤滑和邊界潤滑流體潤滑和邊界潤滑 (1)圖28 不同摩擦副條件下摩擦力的大小 流體潤滑狀態(tài)分為： 流體動壓潤滑：摩擦表面之間由粘性流體產生油膜壓力以平衡外載荷。此時的摩擦為潤滑油之間的“

23、內摩擦”。 彈流潤滑：摩擦面接觸壓力較高，使油膜承載能力、油膜厚度、摩擦力都發(fā)生變化，潤滑條件變差。 邊界潤滑：摩擦面接觸壓力太大，表面太粗糙度，摩擦運動速度又太低，導致油膜被刺穿，微凸體發(fā)生接觸，使磨損增加。流體潤滑和邊界潤滑流體潤滑和邊界潤滑 (2) 不同潤滑狀態(tài)對摩擦系數(shù)和磨損率的影響（圖29，10） 。流體潤滑和邊界潤滑流體潤滑和邊界潤滑 (3)圖210 潤滑狀態(tài)與磨損速率的關系圖29 潤滑狀態(tài)與摩擦系數(shù)的關系 固體潤滑可分為：（1）固體粉末潤滑：固體潤滑材料以粉末形式加入潤滑油中；（2）固體潤滑膜 粘結固體潤滑膜；將固體潤滑劑與粘結劑混合并涂抹在摩擦面上，干燥后即成干膜。 化學反應法

24、固體潤滑膜：用化學反應法形成的固體潤滑膜，如Fe和S反應生成FeS； 電鍍和氣相沉積方法制備的固體潤滑膜，如Ni-PTFE復合鍍。 3固體潤滑固體潤滑 利用低剪切力的固體材料來制造摩擦副，以降低摩擦系數(shù)。 金屬基復合材料：用粉末冶金的辦法將金屬粉末和固體潤滑劑粉末混合，經(jīng)壓制、燒結而成。 塑料基復合材料：將塑料與固體潤滑劑按比例混合，制成的塑料復合材料。 碳基復合材料：用石墨為原料，和粘結劑混合擠壓成形后燒結，制成的多孔復合材料。 （3） 自潤滑復合材料自潤滑復合材料（1）自潤滑復合材料自潤滑復合材料（2）表 23 鋼鐵零件中幾種典型固體潤滑材料的摩擦系數(shù) 材 料 穩(wěn)定溫度 (大氣環(huán)境) 穩(wěn)定

25、溫度 (真空環(huán)境) 摩擦系數(shù) Pb 0.12 Ag 0.14 In 0.10 石墨 350 不穩(wěn)定 0.20 MoS2 350 1350 0.18 WS2 440 1350 0.17 NbN 350 1350 0.08 Cu - Pb 0.10 聚四氟乙烯 0.080.20 注：固體潤滑的摩擦系數(shù)與工作環(huán)境有關。 （1） 潤滑條件或環(huán)境：在真空條件下大多數(shù)金屬材料的磨損十分嚴重。（2） 硬度：對摩擦副材料的硬度而言，材料越硬，耐磨性越好。（3） 晶體結構和晶體的互溶性：密排六方的材料摩擦系數(shù)最低，體心立方材料最高。冶金上互溶性好的一對金屬摩擦副摩擦系數(shù)和磨損率都高。（4） 溫度：溫度升高，磨損

26、加劇。影響固體材料粘著磨損性能的因素影響固體材料粘著磨損性能的因素 根據(jù)磨損件相互位置 ，分為二體磨料磨損和三體磨料磨損。 三、磨粒磨損三、磨粒磨損（磨料磨損） 硬的顆粒或硬的突出物在摩擦過程中引起物體界面材料脫落的現(xiàn)象，稱為磨料磨損。 磨料磨損的實質是一種“微觀切削過程”。 若磨粒是個剛性三角錐體，被磨損材料呈塑性時，磨粒與材料之間會發(fā)生顯微切削和顯微犁溝兩種塑性變形的磨損方式（圖211a、b），磨粒錐體在滑動一定距離所磨掉的材料體積 V = KPH-1L 式中，K比例系數(shù)，P施加載荷，H被磨材料的硬度，L滑動距離。圖211 材料磨粒磨損過程示意圖a) 顯微切削 b) 顯微犁溝1磨粒磨損機理

27、磨粒磨損機理（1） 當磨粒和脆性材料表面接觸時，主要以表面斷裂破壞為主（圖211c、d）。此時材料去除體積 V = KP5/4d1/2KIC-3/4H-1/2L 式中，KIC材料的斷裂韌度；K是與磨粒形狀及其分布狀態(tài)有關的函數(shù)。磨粒磨損磨粒磨損（2）圖211 材料磨粒磨損過程示意圖c) 顯微疲勞 d) 顯微裂紋(1) 磨粒特性的影響： 1) 磨粒硬度：磨粒硬度Ha和材料硬度Hm的比Ha/Hm 當Ha/Hm 1.2時，為硬磨粒磨損，繼續(xù)增加Ha對磨損速率的影響不大； 當1.0Ha/Hm1.2時，磨損速率與Ha/Hm成正比，磨損速率很高。2磨粒磨損過程的影響因素磨粒磨損過程的影響因素（1）圖212

28、 磨料硬度和材料硬度比值對材料耐磨性的影響規(guī)律3) 磨粒形狀：磨粒越尖銳，磨損速率越大。4） 磨粒脆性：脆性的磨料磨?？赡芩榱眩鼓チ＿吘壸兊娩J利，因而磨損率又可能增高。磨粒磨損過程的影響因素磨粒磨損過程的影響因素（2）2) 磨粒粒度：當磨粒在某一臨界尺寸以下，材料的磨損率隨磨粒尺寸增加而大幅度增加；超過臨界尺寸后，磨損增大的幅度顯著降低。(2) 材料力學性能：材料耐磨粒磨損性能主要決定于其硬度，而與其它力學性能關系不大。磨粒磨損過程的影響因素磨粒磨損過程的影響因素（3）(4) 工況和環(huán)境條件：速度、載荷、磨粒沖擊角、環(huán)境濕度、溫度和腐蝕介質等工況和環(huán)境條件都會影響到材料的磨粒磨損性能。磨粒磨

29、損過程的影響因素磨粒磨損過程的影響因素（4）(3) 材料微觀組織：在同樣硬度條件下，奧氏體、貝氏體的耐磨性優(yōu)于珠光體和馬氏體。夾雜物和內部缺陷會大大降低耐磨性。磨粒磨損過程的影響因素磨粒磨損過程的影響因素（5）1疲勞磨損 當兩個接觸體相對滾動或滑動時，在接觸區(qū)形成的循環(huán)應力超過材料的疲勞強度的情況下，表面層將引發(fā)裂紋，并逐步擴展，最后裂紋以上的材料斷裂剝落下來的磨損過程。 四、其它磨損形式四、其它磨損形式 材料內部夾雜物的存在方式與數(shù)量； 材料表面粗糙度； 材料的硬度； 材料組織結構； 潤滑狀態(tài)和零件工作環(huán)境等。 對于一些要求疲勞磨損壽命較高的零件，應采用高純度的鋼材，盡量降低材料表面粗糙度，

30、提高表面硬度，盡量使零件在良好潤滑條件下工作。影響疲勞磨損因素影響疲勞磨損因素 摩擦時材料與周圍介質發(fā)生化學或電化學相互作用的磨損叫做腐蝕磨損。 腐蝕磨損是材料同時受腐蝕和機械磨損的綜合作用而產生的磨損過程。 腐蝕對磨損的影響：腐蝕使材料表面生成疏松或脆的腐蝕產物，在磨粒作用下容易破碎去除，導致材料磨損的增加； 磨損對腐蝕的影響：金屬表面鈍化膜可阻止材料進一步腐蝕，若鈍化膜被磨掉，裸露出新鮮表面可加速電化學反應，所以磨損可以使腐蝕速度增加幾個數(shù)量級。 2腐蝕磨損腐蝕磨損（1） 腐蝕磨損分為：（1） 氧化磨損：大多數(shù)金屬表面都被氧化膜覆蓋，氧化膜分：1） 脆性氧化膜：氧化膜的磨損速度大于氧化速度

31、，容易磨損，如氧化鐵；腐蝕磨損腐蝕磨損（2） 影響氧化磨損的因素有滑動速度、接觸載荷、氧化膜的硬度、介質的含氧量、潤滑條件及材料性能等因素。 一般說來，氧化磨損率比其它磨損輕微得多。腐蝕磨損腐蝕磨損（3）2） 韌性氧化膜：氧化膜與基體結合牢固，磨損速度小于氧化速度，氧化膜可以起到保護作用，磨損率小，如氧化鋁。（2） 特殊介質腐蝕磨損： 摩擦副在酸、堿、鹽等特殊介質中發(fā)生的磨損叫特殊介質腐蝕磨損。腐蝕磨損腐蝕磨損（4） 小而松散的流動粒子(固體或液體)高速沖擊材料表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象 沖蝕磨損可以根據(jù)流動介質及第二相粒子分類(表29)。 3沖蝕磨損沖蝕磨損（1） 粒子沖擊固體表面時發(fā)生能量

32、交換，根據(jù)粒子的入射速度和材料的流動應力，固體表面可能發(fā)生彈性變形，也可能出現(xiàn)塑性壓痕。沖蝕磨損機制沖蝕磨損機制（1） (1) 脆性磨損機制：脆性材料受到粒子的沖擊作用時，不發(fā)生塑性變形，而出現(xiàn)裂紋并很快脆斷。脆性沖蝕時的磨損體積 V = v03.2r3.71.58 KIC-1.3H-0.25式中，KIC斷裂韌度，H硬度，v0粒子速度，r粒度，密度(2) 延性磨損機制：當撞擊角為90時沖蝕很小，而在撞擊角為20時沖蝕最大（切削磨損）。 沖蝕磨損機制沖蝕磨損機制（2） 氣蝕： 流體高速運動時產生大量的氣泡，不斷生成、長大和破滅，在氣泡破滅的瞬間可產生幾千個大氣壓，足以使金屬粒子脫離金屬表面，在材

33、料表面產生蝕坑。 材料的沖蝕率： 噴砂型沖蝕：單位重量粒子造成材料流失的重量或體積（其量綱為mg/g或mm2/g）； 液滴沖蝕或氣蝕：除用單位時間的失重表示外，還可用減薄的厚度表示(材料沖蝕失重除以密度與沖蝕面積的乘積，單位為mm)。 沖蝕磨損沖蝕磨損（3） 沖蝕主要受三個方面因素的控制：（1）環(huán)境參數(shù)：如粒子的入射角、速度、濃度、沖蝕時間、環(huán)境溫度等；沖蝕磨損沖蝕磨損（4） 入射角：粒子入射軌跡與固體表面的夾角。 材料沖蝕率隨入射角變化：（1）塑性材料在2030入射角時沖蝕率出現(xiàn)最大值；（2）脆性材料最大沖蝕率出現(xiàn)在90入射角處。 2） 速度：粒子速度對材料沖蝕率有很大的影響 = Kn 式中

34、 粒子速度，n、K常數(shù)。 實驗證明，粒子動能是造成材料沖蝕的主要原因。粒子入射速度低到某一下限時，只在沖擊時出現(xiàn)彈性變形而無材料流失，稱此速度下限為門坎速度值。這個速度值隨粒子材質、形狀及材料性能而變化。沖蝕磨損沖蝕磨損（5）3）沖蝕時間：沖蝕磨損存在較長的潛伏期或孕育期。首批粒子沖擊表面時主要造成加工硬化和表面粗糙化，經(jīng)過一定的累積損傷后才能逐漸過渡到穩(wěn)定沖蝕階段。 對于噴砂型沖蝕，沖蝕初期可能因粒子嵌入而呈現(xiàn)“增重”。 沖蝕磨損沖蝕磨損（6）4） 環(huán)境溫度：一般隨著溫度增加，材料沖蝕率上升。但溫度過高時，材料表面生成的氧化膜反而會提高材料的抗沖蝕能力。 （2）磨料性質：如硬度、粒度、可破碎

35、性、固體還是液體等。沖蝕磨損沖蝕磨損（7） 入射粒子性能： 1）固體粒子：固體粒子的形狀和粒度對沖蝕有很大影響。當粒子超過臨界尺寸后，沖蝕率趨于平穩(wěn)。尖顆粒造成的破壞要比球形粒子嚴重；硬粒子產生的沖蝕破壞比軟粒子嚴重。2）液滴：沖蝕中液滴直徑變大其沖蝕能力也增大。在滴徑從1.02.5mm范圍內，相對沖蝕率幾乎不變。隨著材料表面粗糙度的降低，其抗沖蝕能力增高。沖蝕磨損沖蝕磨損（8）（3）材料性能：如熱物理性能和材料強度等。(b) 磨損量與載荷的關系不同摩擦條件對磨損機制的轉換不同摩擦條件對磨損機制的轉換(c) 磨粒尺寸對磨損機制的轉換 (a) 磨損量與滑動速度的關系常用磨損實驗機常用磨損實驗機（

36、1）常用磨損實驗機常用磨損實驗機（2）常用磨損實驗機常用磨損實驗機（3）常用磨損實驗機常用磨損實驗機（4）1 材料選擇 要根據(jù)不同的磨損類型來選擇不同的耐磨材料。（1） 粘著磨損的選材原則： 塑性材料比脆性材料容易產生粘著磨損。 相同金屬或晶格類型、電化學性能相近的金屬制造的摩擦副粘著傾向大。 金屬與非金屬材料組成的摩擦副粘著傾向小。五、提高零件耐磨性的途徑五、提高零件耐磨性的途徑（1）（2） 磨料磨損的選材原則： 一般是提高材料的硬度來提高它的耐磨性。（3） 疲勞磨損的選材原則： 要求鋼材質量好，控制鋼中有害的非金屬夾雜物。提高零件耐磨性的途徑提高零件耐磨性的途徑（2） 2 潤 滑 降低摩擦

37、系數(shù)是減少磨損的有效辦法，如液體潤滑可使摩擦系數(shù)降到0.003以下。3 表面處理 提高材料的表面硬度：如表面淬火、滲碳、滲氮、涂覆硬涂層等。 降低表面摩擦系數(shù)：在材料摩擦表面形成低摩擦系數(shù)的化合物，如滲硫等。提高零件耐磨性的途徑提高零件耐磨性的途徑（3）4 結構設計 正確設計摩擦副的結構。如有利于摩擦副間潤滑膜的形成、摩擦熱的散失、防止外界雜物的進入等。5 使用保養(yǎng) 機器的正確的使用和保養(yǎng)有利于提高機器的使用壽命。提高零件耐磨性的途徑提高零件耐磨性的途徑（4）第三節(jié)第三節(jié) 金屬腐蝕原理與防護技術金屬腐蝕原理與防護技術一、化學腐蝕與電化學腐蝕原理 根據(jù)熱力學第二定律（一切自發(fā)過程都是不可逆的），

38、產生金屬腐蝕的驅動力是腐蝕過程中金屬與環(huán)境介質組成系統(tǒng)總自由能的降低，是一個不可逆的過程，如純金屬材料向化合物狀態(tài)轉變。1腐蝕的基本概念腐蝕的基本概念（分類1） 按照腐蝕原理可分為(1) 化學腐蝕：金屬在干燥的氣體介質中或不導電的液體介質中發(fā)生的腐蝕，腐蝕過程中無電流產生。如鋼鐵的高溫氧化。(2) 電化學腐蝕：金屬在導電的液態(tài)介質中因電化學作用導致的腐蝕，在腐蝕過程中有電流產生。如金屬在潮濕環(huán)境中的氧化。 電化學腐蝕的四個主要因素：陽極、陰極、電解質、電流通路。 按材料使用環(huán)境可分為(1) 濕蝕：在潮濕的環(huán)境中發(fā)生的腐蝕；(2) 干蝕：在干燥的環(huán)境中發(fā)生的腐蝕；(3) 微生物腐蝕：在有微生物環(huán)

39、境中發(fā)生的腐蝕。腐蝕的基本概念腐蝕的基本概念（分類2） 按腐蝕形態(tài)可分為(1) 全面腐蝕：腐蝕均勻分布在整個金屬表面上；(2) 局部腐蝕：腐蝕局限在金屬的某一部位，而其余部分幾乎沒有發(fā)生腐蝕。腐蝕的基本概念腐蝕的基本概念（分類3） 保證氧化膜完整的必要條件是：即 或式中，V氧化物 氧化物摩爾體積；V金屬氧化消耗掉的金屬摩爾體積；M金屬的摩爾質量，金屬的密度，M1mol金屬原子所生成氧化物的質量，x代表一個分子的氧化物中所含金屬原子的個數(shù)，D表示氧化物的密度。 這樣生成的氧化膜才能對金屬表面產生一定的保護作用，氧化速度幾乎為零。MVxDMV金屬氧化物1金屬氧化物VV1xDMM2金屬化學腐蝕的基本

40、原理金屬化學腐蝕的基本原理（1） 依照表面反應速度及氧化膜的致密程度不同，金屬氧化的動力學過程有三種典型情況：(1) 直線生長規(guī)律（圖213中1）： 氧化速度取決于金屬表面化學反應的速度，是一個常數(shù)。氧化膜隨時間的延長按直線規(guī)律增厚。此時金屬易于腐蝕。金屬化學腐蝕的基本原理金屬化學腐蝕的基本原理（2）圖213 金屬材料的典型化學腐蝕動力學過程 (2) 拋物線生長規(guī)律（圖213中的2）：膜的生長速度與膜的增厚成反比。膜厚與時間的關系 y2 = kt + B式中，y氧化膜厚度；k與溫度有關的常數(shù)；t時間；B積分常數(shù)。(3) 對數(shù)生長規(guī)律（圖213中的3）：在氧化過程中容易生成致密的氧化膜時，膜的厚

41、度與時間的關系 y = ln(kt)金屬化學腐蝕的基本原理金屬化學腐蝕的基本原理（2）圖213 金屬材料的典型化學腐蝕動力學過程 金屬的電極電位：金屬電極與溶液界面之間存在的電位差。 標準電極電位：以金屬為陽極，標準氫電極為負極構成原電池所測得原電池的電動勢。 可逆電極：電極上的氧化還原反應為可逆反應時的電極。3金屬電化學腐蝕原理金屬電化學腐蝕原理（1） 金屬材料與電解質接觸，將發(fā)生電化學反應，在界面處形成雙電層并建立相應的電位。 平衡電位：沒有電流通過時，可逆電極所具有的電位 式中，平平衡電極電位；0標準電極電位；R氣體常數(shù)；T電解質溫度；Z參加反應的電子數(shù)；F法拉第參數(shù)；a金屬離子活度。

42、標準電位序：將金屬的標準電極電位按其代數(shù)值增大順序排列。aZFRTln0平金屬電化學腐蝕原理金屬電化學腐蝕原理（2） 腐蝕電位序：將金屬在某種介質中的穩(wěn)定電位值按其代數(shù)值大小排列的順序。腐蝕電位值越負的金屬越容易腐蝕。 表2-4是部分金屬的標準電極電位及其在3NaCl溶液中的腐蝕電位。由表可見，一些標準電極電位低的金屬如A1、Cr等，在3NaCI溶液中的腐蝕電極電位要高得多。金屬電化學腐蝕原理金屬電化學腐蝕原理（3） 在Cu-Zn構成的原電池中（圖214），Zn陽極發(fā)生氧化反應 Zn 2e Zn 2+Cu負極發(fā)生的還原反應 2H+ 2e 2H 2H H2 腐蝕電池的總反應為 Zn + 2H+

43、Zn 2+ + H24腐蝕原電池與腐蝕微電池腐蝕原電池與腐蝕微電池（1）圖214 Cu - Zn 腐蝕原電池 兩種直接接觸的異種金屬在電解液中組成的腐蝕原電池（圖2-15a）。 材料中的不同組織和電解液一起構成了腐蝕微電池（圖2-15b）。腐蝕原電池與腐蝕微電池腐蝕原電池與腐蝕微電池（2）圖215 無需導線連接的腐蝕電池與腐蝕微電池a) Cu - Fe接觸腐蝕電池示意圖 b) Fe - Fe3C微腐蝕電池示意圖 在電化學腐蝕過程中，腐蝕速度的大小取決于腐蝕電流的大小。金屬溶解量與電量之間服從法拉第定律：式中，W金屬腐蝕量；Q流過的電量；F法拉第常數(shù)；n金屬的價數(shù)；A金屬的相對原子質量；J電流密

44、度；t時間。 FnJAtFnQAW5電化學腐蝕速率電化學腐蝕速率（1） 腐蝕速率 g(m2h) 式中，S為腐蝕面積。 腐蝕速率的其它表示方法 單位時間的腐蝕深度：通常用mm/年表示； 腐蝕電流密度Jc：在腐蝕原電池中，大陰極、小陽極是極其有害的。SFnJAStWK3600電化學腐蝕速率電化學腐蝕速率（2）二、金屬表面的極化、鈍化及活化二、金屬表面的極化、鈍化及活化1金屬表面的極化現(xiàn)象 極化：陰、陽極之間的電位差比初始電位差小的現(xiàn)象。 極化減小了腐蝕電流,從而降低了金屬的腐蝕速率。腐蝕電池接通前后陰、陽極電位變化 陽極極化曲線：陽極電位隨電流密度增大而向正的方向變化。 陰極極化曲線：陰極電位隨電流密度增大而向負的方向變化。a）陽極極化曲線b）陰極極化曲線 電極電位與電流密度J之間的變化規(guī)律繪成的曲線（圖2-16）。極化曲線極化曲線 產生極化的機理：(1) 電化學極化：電極上的電化學反應速度小于電子運動速度而造成的極化。(2) 濃差極化：溶液中的物質擴散速度小于電化學反應速度而造成的極化。(3) 電阻極化：電極表面生成了具有保護作用的鈍化膜或不溶性的腐蝕產物，阻礙電極反應，使電極電位發(fā)生變化。金屬表面的極化現(xiàn)象金屬表面的極化現(xiàn)象（3） 去極化作用：減少或消除電極極化的作用，如對電解液加強攪拌，使陽極附近金屬