1、材料表面工程材料表面工程1第二章固體表面的物理化學(xué)特征 材料表面工程材料表面工程2主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 2.1 固體表面的結(jié)構(gòu) 2.2 固體表面的吸附 2.3 固體表面原子的擴(kuò)散 2.4 摩擦、磨損與潤滑材料表面工程材料表面工程32.1 固體表面的結(jié)構(gòu)固體表面的結(jié)構(gòu)固體材料固體材料-工程技術(shù)中最普遍使用的材料。按材料特性分為：金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料按所起的作用分為結(jié)構(gòu)材料-以力學(xué)性能為主的工程材料，主要用來制造工程建筑中的構(gòu)件，機(jī)械裝備中的零件以及工具、模具等。功能材料利用物質(zhì)的各種物理和化學(xué)特性及其對(duì)外界環(huán)境敏感的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)各種信息處理和能量轉(zhuǎn)換的材料。材料表面工程材料表面工

2、程4原子、離子或分子排列情況晶體非晶體-原子、離子或分子在三維空間呈周期性規(guī)則排列，即存在長程有序。-短程有序常見晶體結(jié)構(gòu)面心立方密排立方體心立方-密排型，配位數(shù)是12-非密排型，配位數(shù)是8表面能表面能-表面上方?jīng)]有原子存在，出現(xiàn)“斷鍵”，表面原子能量升高，這種高出來的能量就是。材料表面工程材料表面工程5 物質(zhì)存在的某種狀態(tài)或結(jié)構(gòu)，通常稱為某一相相。嚴(yán)格地說，相是系統(tǒng)中均勻的、與其他部分有界面分開的部分。 復(fù)相系復(fù)相系-在一定溫度和壓力下，含有多個(gè)相的系統(tǒng)為復(fù)相系。n指這部分的成分和性質(zhì)從給定范圍或宏觀來說是相同的，或是以一種連續(xù)的方式變化，也就是沒有突然的變化。材料表面工程材料表面工程6 界

3、面界面-兩相接觸的約幾個(gè)分子厚度的過渡區(qū)，或兩種不同相之間的交界區(qū)稱為界面。若其中一相為氣體，這種界面通常稱為表面。 嚴(yán)格地講，表面表面應(yīng)是液體和固體與其飽和蒸氣之間的界面，但習(xí)慣上把液體或固體與空氣的界面稱為液體或固體的表面液體或固體的表面。 常見的界面有：氣氣-液液界面，氣氣-固固界面，液液-液液界面，液液-固固界面，固固-固固界面。材料表面工程材料表面工程7常見的界面常見的界面氣氣-液界面液界面材料表面工程材料表面工程8氣氣-固界面固界面常見的界面常見的界面材料表面工程材料表面工程9液液-液界面液界面常見的界面常見的界面材料表面工程材料表面工程10液液-固界面固界面常見的界面常見的界面材

4、料表面工程材料表面工程11固固-固界面固界面材料表面工程材料表面工程12固體材料的界面有三種：固體材料的界面有三種：（l）表面表面固體材料與氣體或液體的分界面。（2）晶界晶界（ 或 亞 晶界）（ 3 ） 相相界界多晶材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒（或亞晶）之間的界面。固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面。材料表面工程材料表面工程13 （1）理想表面（實(shí)際上不存在） （2）清潔表面 （3）實(shí)際表面2.1.1 固體材料與氣體界面固體材料與氣體界面材料表面工程材料表面工程14 理想表面理想表面 理想表面理想表面沒有雜質(zhì)的單晶，作為零級(jí)近沒有雜質(zhì)的單晶，作為零級(jí)近似可將表面看作為一個(gè)理想表面

5、。從理論上似可將表面看作為一個(gè)理想表面。從理論上看，它是看，它是結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面。 理想表面的前提條件：理想表面的前提條件： 忽略了晶體內(nèi)部忽略了晶體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)周期性勢(shì)場(chǎng)在晶體表面中斷的影響；在晶體表面中斷的影響； 忽略了忽略了表面原子表面原子的熱運(yùn)動(dòng)、熱擴(kuò)散和熱缺陷等；的熱運(yùn)動(dòng)、熱擴(kuò)散和熱缺陷等； 忽略了忽略了外界外界對(duì)表面的物理化學(xué)作用等。對(duì)表面的物理化學(xué)作用等。材料表面工程材料表面工程15理想表面的特點(diǎn)：理想表面的特點(diǎn)： 理想表面作為半無限的晶體，體內(nèi)原子的位置及其結(jié)構(gòu)的周期性，與原來無限的晶體完全一樣。圖 理想表面結(jié)構(gòu)示意圖材料表面工程材料表面工程16

6、清潔表面清潔表面 清潔表面清潔表面經(jīng)過諸如離子轟擊、高溫脫附、經(jīng)過諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空中解理、蒸發(fā)薄膜、場(chǎng)效應(yīng)蒸發(fā)、超高真空中解理、蒸發(fā)薄膜、場(chǎng)效應(yīng)蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、分子束外延等特殊處理后，保持化學(xué)反應(yīng)、分子束外延等特殊處理后，保持在在106Pa109Pa超高真空下外來沾污少到超高真空下外來沾污少到不能用一般表面分析方法探測(cè)的表面不能用一般表面分析方法探測(cè)的表面 不存在任何吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴(kuò)散等物不存在任何吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴(kuò)散等物理、化學(xué)效應(yīng)的表面。理、化學(xué)效應(yīng)的表面。材料表面工程材料表面工程17清潔表面的一般情況清潔表面的一般情況依熱力學(xué)的觀點(diǎn)，表面附近的原子排列總是趨于能

7、量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到這種穩(wěn)定態(tài)的方式有兩種：u自行調(diào)整，原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同；u依靠表面成分偏析和表面對(duì)外來原子或分子的吸附 以及兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)，因而使表面組分與材料內(nèi)部不同。材料表面工程材料表面工程18表表2-3 幾種清潔表面的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)幾種清潔表面的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 材料表面工程材料表面工程19材料表面工程材料表面工程20材料表面工程材料表面工程21 晶體表面的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，一般大約要經(jīng)過46個(gè)原子層之后才與體內(nèi)基本相似，所以晶體表面實(shí)際上只有幾個(gè)原子層范圍。 晶體表面的缺陷：平臺(tái)、臺(tái)階、扭折、表面吸附、表面空位、位錯(cuò)。 各種材料表面上的點(diǎn)缺陷類型和濃度都依

8、一定條件而定，最為普遍的是吸附。材料表面工程材料表面工程22 嚴(yán)格地說，清潔表面是指不存在任何污染嚴(yán)格地說，清潔表面是指不存在任何污染的化學(xué)純表面，即不存在吸附、催化反應(yīng)的化學(xué)純表面，即不存在吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴(kuò)散等一系列物理、化學(xué)效應(yīng)的表或雜質(zhì)擴(kuò)散等一系列物理、化學(xué)效應(yīng)的表面。因此制備清潔表面是很困難的，而在面。因此制備清潔表面是很困難的，而在幾個(gè)原子層范圍內(nèi)的清潔表面，其偏離三幾個(gè)原子層范圍內(nèi)的清潔表面，其偏離三維周期性結(jié)構(gòu)的主要特征應(yīng)該是：維周期性結(jié)構(gòu)的主要特征應(yīng)該是：表面臺(tái)表面臺(tái)階階、表面弛豫表面弛豫、表面重構(gòu)表面重構(gòu)。材料表面工程材料表面工程23圖 Pt（557）有序原子臺(tái)階表面示

9、意圖 臺(tái)階表面不是一個(gè)平面，它是由有規(guī)則的或不規(guī)則的臺(tái)階所組成。（1）臺(tái)階表面）臺(tái)階表面材料表面工程材料表面工程24圖 弛豫表面示意圖 在固體表面處，由于固相的三維周期性突然中斷，表面上原子產(chǎn)生的相對(duì)于正常位置的上、下位移，稱為表面弛豫。（2）弛豫表面）弛豫表面LiF（001）弛豫表面示意圖，LiF 材料表面工程材料表面工程25 重構(gòu)是指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內(nèi)，但在垂直方向上的層間距則與體內(nèi)相同。（3）重構(gòu)（或再構(gòu)）表面）重構(gòu)（或再構(gòu)）表面圖 重構(gòu)表面示意圖材料表面工程材料表面工程26缺列型重構(gòu)缺列型重構(gòu)-表面周期性地缺失原子列造成的超結(jié)構(gòu)表面周期性地缺失原子列造成的超結(jié)構(gòu)重

10、組型重構(gòu)重組型重構(gòu)-并不減少表面的原子數(shù)，但卻顯著地改變并不減少表面的原子數(shù)，但卻顯著地改變表面的原子排列方式。表面的原子排列方式。材料表面工程材料表面工程27 實(shí)際表面實(shí)際表面 實(shí)際表面暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經(jīng)過一定加工處理（如切割、研磨、拋光、清洗等），保持在常溫和常壓（也可能在低真空或高溫）下的表面。（也稱吸附表面吸附表面）圖 實(shí)際表面示意圖內(nèi)表層外表層基體材料層加工硬化層吸附層氧化層材料表面工程材料表面工程28實(shí)際表面與清潔表面相比有較大不同：實(shí)際表面與清潔表面相比有較大不同： 表面粗糙度表面粗糙度 -指加工表面上具有的較小間距的波峰和波谷所組成的指加工表面上具有的

11、較小間距的波峰和波谷所組成的微觀幾何形狀誤差，也稱微觀粗糙度。微觀幾何形狀誤差，也稱微觀粗糙度。相鄰波峰與波谷的間距小于1mm，并且大體上呈周期性起伏，主要是由加工過程中刀具與工件表面間的摩擦、切削分離工件表面層材料的塑性變形、工藝系統(tǒng)的高頻振動(dòng)以及刀尖輪廓痕跡等原因形成。 （1） 輪廓算術(shù)平均偏差：Ra （2） 微觀不平度+點(diǎn)高度：Rz （3） 輪廓最大高度：Ry 從宏觀宏觀看，經(jīng)過切削、研磨、拋光的固體表面似乎很平整，然而從微觀角度微觀角度觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)表面有明顯的起伏、同時(shí)不可能有裂縫、空洞等。材料表面工程材料表面工程29 貝爾比層和殘余應(yīng)力貝爾比層和殘余應(yīng)力 固體材料經(jīng)過切削加工后，在幾個(gè)

12、微米或者十幾個(gè)微米的表層中可能發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的劇烈變化，既造成一定程度的晶格畸變。 這種晶格的畸變隨深度變化，而在最外的，約5nm-10nm厚度可能會(huì)形成一種非晶態(tài)層。 這層非晶態(tài)稱為貝爾比層貝爾比層。 其成分為金屬和它的氧化物，而性質(zhì)與體內(nèi)明顯不同。 貝爾比層具有效高的耐磨性和耐蝕性。材料表面工程材料表面工程30 材料經(jīng)各種加工、處理后普遍存在殘余應(yīng)力。 殘余應(yīng)力按其作用范圍分為： 宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力兩類。 殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力-由于材料各部分變形不均勻而造成的宏觀范圍內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力-物體的各晶?；騺喚ЯＶg不均勻的變形而產(chǎn)生的晶粒或亞晶粒間的內(nèi)應(yīng)力材料表面

13、工程材料表面工程312.1.2 固體表面的成分偏聚固體表面的成分偏聚 表面偏聚表面偏聚-合金的表面成分一般不同于合金的整體平合金的表面成分一般不同于合金的整體平均成分，這種現(xiàn)象稱為均成分，這種現(xiàn)象稱為表面偏聚表面偏聚。溶質(zhì)原子在表面富集溶質(zhì)原子在表面富集表面溶質(zhì)原子減少（稱為反偏聚）表面溶質(zhì)原子減少（稱為反偏聚）平衡偏聚平衡偏聚非平衡偏聚非平衡偏聚-整個(gè)系統(tǒng)中溫度和組元的化學(xué)位都是不變的，整個(gè)系統(tǒng)中溫度和組元的化學(xué)位都是不變的，可以用平衡熱力學(xué)來描述?？梢杂闷胶鉄崃W(xué)來描述。-動(dòng)力學(xué)過程的結(jié)果動(dòng)力學(xué)過程的結(jié)果材料表面工程材料表面工程322.2 固體表面的吸附固體表面的吸附 吸附劑（吸附劑（ad

14、sorbent）：表面上發(fā)生吸附作用的固體。 吸附質(zhì)（吸附質(zhì)（adsorbate）：被吸附的氣體等物質(zhì)。 吸附吸附：由于物理或化學(xué)的作用力場(chǎng)，某物質(zhì)分子附著或結(jié)合在兩相界面上的濃度與兩相本體濃度不同的現(xiàn)象。 吸收吸收：被吸附物質(zhì)深入到固體體相中。 吸附量吸附量：達(dá)吸附平衡時(shí)，單位質(zhì)量的吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的數(shù)量（標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積）。吸附平衡吸附平衡材料表面工程材料表面工程332.2.1 吸附現(xiàn)象吸附現(xiàn)象1固體表面上氣體的吸附物理吸附物理吸附化學(xué)吸附化學(xué)吸附-僅僅是一種物理作用，沒有電子轉(zhuǎn)移，沒有化學(xué)鍵的生成與破壞，也沒有原子重排等。-相當(dāng)與吸附劑表面分子與吸附質(zhì)分子發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，在紅外、紫外

15、-可見光譜中會(huì)出現(xiàn)新的特征吸收帶。材料表面工程材料表面工程34物理吸附和化學(xué)吸附物理吸附和化學(xué)吸附材料表面工程材料表面工程35 吸附熱：吸附熱：在吸附過程中的熱效應(yīng)稱為吸附熱吸附熱。物理吸附過程的熱效應(yīng)相當(dāng)于氣體凝聚熱，很小；化學(xué)吸附過程的熱效應(yīng)相當(dāng)于化學(xué)鍵能，比較大。 吸附熱的取號(hào)： 吸附是放熱過程，但是習(xí)慣把吸附熱都取成正值。材料表面工程材料表面工程36化學(xué)吸附速率決定于以下幾個(gè)因素化學(xué)吸附速率決定于以下幾個(gè)因素 氣體分子對(duì)固體表面的碰撞頻率； 必須碰撞在表面上空著的活性點(diǎn)上； 吸附活化能材料表面工程材料表面工程372.2.1 吸附現(xiàn)象吸附現(xiàn)象2固體表面上液體的吸附（1）固體表面對(duì)液體中溶

16、質(zhì)和溶劑的吸附正吸附負(fù)吸附-吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比液體中原溶質(zhì)的濃度大-吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比液體中原溶質(zhì)的濃度小材料表面工程材料表面工程38（2 2）固體表面對(duì)液體吸附的規(guī)律性和影響因素）固體表面對(duì)液體吸附的規(guī)律性和影響因素1）使固體表面自由能降低得越多的物質(zhì)，越容易被吸附。2）與固體表面極性相近的物質(zhì)較易被吸附。3）與固體表面有相同性質(zhì)或與固體表面晶格大小適當(dāng)?shù)碾x子較易被吸附。4）溶解度小或吸附后生成化合物的物質(zhì)，較易被吸附。5）固體表面帶電時(shí)，較易吸附反電性離子或易被極化的離子。6）固體表面污染程度對(duì)吸附有很大影響。材料表面工程材料表面工程397）液體表面張力對(duì)吸附有重要的影響。F固液=（1

17、+cos）F固液-固-液吸附粘結(jié)力， 液體的表面張力， 為液-固接觸角。 8）被吸附物質(zhì)的濃度對(duì)吸附的影響。9）溫度對(duì)吸附的影響。吸附是放熱過程，故溫度升高，吸附量應(yīng)減少。但有時(shí)，吸附量反而隨溫度升高而增加。材料表面工程材料表面工程403固體表面之間的吸附條件條件：當(dāng)兩固體表面之間接近到表面力作用范圍內(nèi)（即原子間距范圍內(nèi)）時(shí)，固體表面之間產(chǎn)生吸附作用。如： 將兩根新拉制的玻璃絲相互接觸，它們就會(huì)相互粘附。粘附功粘附功：粘附程度的大小。材料表面工程材料表面工程41 固體的粘附作用只有當(dāng)固體斷面很小并且很清潔時(shí)才能表現(xiàn)出來。 兩個(gè)固體表面的吸附力受材料的變形能力大小，即彈性模量大小的影響。材料表面

18、工程材料表面工程422.2.3 表面吸附力表面吸附力物理吸附力物理吸附力化學(xué)吸附力化學(xué)吸附力-物理吸附物理吸附：在所有的吸附劑與吸附：在所有的吸附劑與吸附質(zhì)之間都存在，相當(dāng)于液體內(nèi)部分子質(zhì)之間都存在，相當(dāng)于液體內(nèi)部分子間的內(nèi)聚力。間的內(nèi)聚力。-化學(xué)吸附化學(xué)吸附材料表面工程材料表面工程43 物物理理吸吸附附力力色散力色散力誘導(dǎo)力誘導(dǎo)力取向力取向力-分子相互靠攏時(shí)，它們的瞬時(shí)偶極分子相互靠攏時(shí)，它們的瞬時(shí)偶極矩之間會(huì)產(chǎn)生很弱的吸引力，這種吸矩之間會(huì)產(chǎn)生很弱的吸引力，這種吸引力成為色散力。引力成為色散力。-一個(gè)分子的電荷分布要受到其他分子一個(gè)分子的電荷分布要受到其他分子電場(chǎng)的影響。電場(chǎng)的影響。-具有

19、偶極而無附加極化作用的兩個(gè)具有偶極而無附加極化作用的兩個(gè)不同分子的電偶極矩間有靜電相互作不同分子的電偶極矩間有靜電相互作用，此作用力稱之為用，此作用力稱之為取向力取向力。材料表面工程材料表面工程44 化學(xué)吸附力化學(xué)吸附力吸附鍵吸附鍵-吸附質(zhì)與吸附劑之間發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移或吸附質(zhì)與吸附劑之間發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移或共有，形成的化學(xué)鍵。共有，形成的化學(xué)鍵。吸附鍵吸附鍵的特點(diǎn)：的特點(diǎn)： 吸附質(zhì)粒子僅與一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)吸附劑表面原子相吸附質(zhì)粒子僅與一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)吸附劑表面原子相鍵合；鍵合； 吸附鍵的強(qiáng)度依賴于表面的結(jié)構(gòu)，在一定程度上與吸附鍵的強(qiáng)度依賴于表面的結(jié)構(gòu)，在一定程度上與底物整體電子性質(zhì)也有關(guān)系。底物整體

20、電子性質(zhì)也有關(guān)系。材料表面工程材料表面工程45 表面吸附力的影響因素表面吸附力的影響因素（1）吸附鍵性質(zhì)會(huì)隨溫度的變化而變化）吸附鍵性質(zhì)會(huì)隨溫度的變化而變化物理吸附只發(fā)生在接近或低于被吸附物質(zhì)所在壓力下的沸點(diǎn)溫度化學(xué)吸附發(fā)生的溫度遠(yuǎn)高于沸點(diǎn)溫度隨溫度的增加，被吸附分子中的鍵還會(huì)陸續(xù)斷裂以不同形式吸附在表面上。材料表面工程材料表面工程46（2）吸附鍵斷裂與壓力變化的關(guān)系）吸附鍵斷裂與壓力變化的關(guān)系 固體表面加熱到相同溫度時(shí)，被吸附物壓力的變化，脫附物發(fā)生變化。（3）表面不均勻性對(duì)表面鍵合力的影響）表面不均勻性對(duì)表面鍵合力的影響 表面有階梯和折皺等不均勻性存在，對(duì)表面化學(xué)鍵有明顯的影響。（4）其他

21、吸附物對(duì)吸附質(zhì)鍵合的影響）其他吸附物對(duì)吸附質(zhì)鍵合的影響 吸附物質(zhì)的相互作用而引起。材料表面工程材料表面工程472.2.4 固體表面的吸附理論固體表面的吸附理論 Langmuir 吸附理論吸附理論 單分子層吸附理論單分子層吸附理論假定：假定：（1）吸附是單分子層的；（2）固體表面的吸附作用均勻；（3）被吸附的分子之間無橫向相互作用；（4）吸附是一動(dòng)態(tài)平衡。材料表面工程材料表面工程48吸附等溫方程：材料表面工程材料表面工程49材料表面工程材料表面工程50 Freundlich 吸附等溫方程吸附等溫方程Freundlich經(jīng)驗(yàn)公式： nkpmxr1式中，m為吸附劑的質(zhì)量，常以g或kg表示；x為被吸附

22、的氣體量，常以mol、g或標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積表示；r為單位質(zhì)量吸附劑吸附的氣體量；p為吸附平常時(shí)氣體的壓力；k和1/n是一個(gè)真分?jǐn)?shù)，在01之間。材料表面工程材料表面工程51 BET多分子層吸附理論多分子層吸附理論觀點(diǎn)：Brunauer、Emmett和Tellor接受Langmuir理論的假定（2）和（3），但認(rèn)為吸附是多分子層的。材料表面工程材料表面工程52材料表面工程材料表面工程53 表面化合物表面化合物2.2.5 固體表面的化學(xué)反應(yīng)固體表面的化學(xué)反應(yīng) 當(dāng)吸附物與固體表面的負(fù)電性相差較大，化學(xué)親當(dāng)吸附物與固體表面的負(fù)電性相差較大，化學(xué)親和力很強(qiáng)時(shí)，化學(xué)吸附會(huì)在表面上導(dǎo)致新相的生成，和力很強(qiáng)時(shí)，

23、化學(xué)吸附會(huì)在表面上導(dǎo)致新相的生成，即稱為即稱為表面化合物表面化合物。 表面化合物的特點(diǎn)：表面化合物的特點(diǎn)： 一種二維化合物，不同于一般的化學(xué)吸附態(tài)，具有一定的一種二維化合物，不同于一般的化學(xué)吸附態(tài)，具有一定的化合比例，且隨鍵合性質(zhì)的不同表現(xiàn)不同性能；化合比例，且隨鍵合性質(zhì)的不同表現(xiàn)不同性能； 不同于體相的化合物，不僅化合比不同，化合物的性質(zhì)也不同于體相的化合物，不僅化合比不同，化合物的性質(zhì)也不同，而且通常的相圖中也不存在。不同，而且通常的相圖中也不存在。 表面化學(xué)反應(yīng)表面化學(xué)反應(yīng)-吸附物質(zhì)與固體相互作用形成了吸附物質(zhì)與固體相互作用形成了一種新的化合物。一種新的化合物。材料表面工程材料表面工程5

24、42.3 固體表面原子的擴(kuò)散固體表面原子的擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散平行表面的運(yùn)動(dòng)平行表面的運(yùn)動(dòng)垂直表面向內(nèi)垂直表面向內(nèi)部的擴(kuò)散運(yùn)部的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)動(dòng)得到均質(zhì)的、理想的表面強(qiáng)化得到均質(zhì)的、理想的表面強(qiáng)化層層得到一定厚度的合金強(qiáng)化層得到一定厚度的合金強(qiáng)化層 表面上的原子同樣可以通過擴(kuò)散從一個(gè)格表面上的原子同樣可以通過擴(kuò)散從一個(gè)格位遷移到另一個(gè)格位。在一定溫度下這個(gè)原子位遷移到另一個(gè)格位。在一定溫度下這個(gè)原子遷移距離遷移距離 x2=2Dt 材料表面工程材料表面工程552.3.1 隨機(jī)行走擴(kuò)散理論與宏觀擴(kuò)散系數(shù)1. 表面原子的擴(kuò)散表面原子的擴(kuò)散 指原子、離子、分子和小的原子簇等單個(gè)實(shí)指原子、離子、分子和小的原子簇等單個(gè)

25、實(shí)體在體在物體表面物體表面上的運(yùn)動(dòng)。上的運(yùn)動(dòng)。 這些單個(gè)實(shí)體通過熱運(yùn)動(dòng)而活化，從而進(jìn)行擴(kuò)散。這些單個(gè)實(shí)體通過熱運(yùn)動(dòng)而活化，從而進(jìn)行擴(kuò)散。 活化能活化能原子熱運(yùn)動(dòng)的不均勻性，隨溫度升高越來越多的表原子熱運(yùn)動(dòng)的不均勻性，隨溫度升高越來越多的表面原子得到足夠的活化能而沿表面進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。面原子得到足夠的活化能而沿表面進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。表面原子構(gòu)造的特點(diǎn)，使得許多原子的能量本來就表面原子構(gòu)造的特點(diǎn)，使得許多原子的能量本來就不一樣，在臺(tái)階、位錯(cuò)等缺陷處，原子能量比其他不一樣，在臺(tái)階、位錯(cuò)等缺陷處，原子能量比其他地方的高。地方的高。材料表面工程材料表面工程562. 隨機(jī)行走（隨機(jī)行走（Random Walk）

26、理論）理論 假定原子運(yùn)動(dòng)方向是任意的，隨機(jī)的，原子假定原子運(yùn)動(dòng)方向是任意的，隨機(jī)的，原子每次跳躍的距離是等長的，并等于最近的距離每次跳躍的距離是等長的，并等于最近的距離d。 式中，式中，D為擴(kuò)散系數(shù)，為擴(kuò)散系數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，為熱力學(xué)溫度，kB為為Boltzmann常數(shù)，常數(shù)，Hm為為擴(kuò)散勢(shì)壘的高度或遷移能；擴(kuò)散勢(shì)壘的高度或遷移能； Hf為吸附原子的生成能；為吸附原子的生成能； 為原子為原子沖擊勢(shì)壘的頻率，沖擊勢(shì)壘的頻率，b為坐標(biāo)的方向數(shù)；為坐標(biāo)的方向數(shù)；z為配位數(shù)。為配位數(shù)。材料表面工程材料表面工程573. 宏觀擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)宏觀擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù) 實(shí)際表面上不是一個(gè)原子而是實(shí)際表面上不是一個(gè)

27、原子而是許多原子同時(shí)許多原子同時(shí)進(jìn)行進(jìn)行擴(kuò)散。擴(kuò)散。)exp(0RTQDD式中，式中，D為擴(kuò)散系數(shù)，為擴(kuò)散系數(shù)，Q為整個(gè)擴(kuò)散過程中的活化能，為整個(gè)擴(kuò)散過程中的活化能，D0為擴(kuò)散為擴(kuò)散常數(shù)，可在常數(shù)，可在10-3103cm/s一個(gè)很寬的范圍里變動(dòng)。一個(gè)很寬的范圍里變動(dòng)。材料表面工程材料表面工程582.3.2 表面擴(kuò)散定律圖圖 表面原子擴(kuò)散模型表面原子擴(kuò)散模型)(xCDxdtdCFick第二擴(kuò)散定律的一維形式第二擴(kuò)散定律的一維形式材料表面工程材料表面工程592.3.3 表面的自擴(kuò)散和多相擴(kuò)散自擴(kuò)散自擴(kuò)散多相擴(kuò)散多相擴(kuò)散在一個(gè)單組分的基底上同種原子的表面擴(kuò)散在一個(gè)單組分的基底上同種原子的表面擴(kuò)散在表

28、面上其他種吸附原子的擴(kuò)散在表面上其他種吸附原子的擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散本征擴(kuò)散系數(shù)本征擴(kuò)散系數(shù)傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)不包括缺陷生成能的擴(kuò)散系數(shù)不包括缺陷生成能的擴(kuò)散系數(shù)包括缺陷生成能的擴(kuò)散系數(shù)包括缺陷生成能的擴(kuò)散系數(shù)材料表面工程材料表面工程60 摩擦學(xué)摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用表面間的摩擦、磨損和潤滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊緣學(xué)科。p 摩擦摩擦 兩個(gè)接觸的物體在相互運(yùn)動(dòng)過程中，表面之間所產(chǎn)生的阻礙運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)；p 磨損磨損 由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；p 潤滑潤滑 減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。 關(guān)于摩擦、磨損與潤滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)。2.4 摩擦、磨損與潤

29、滑摩擦、磨損與潤滑材料表面工程材料表面工程61 世界上使用的能源大約有世界上使用的能源大約有1/31/2消耗于摩擦。消耗于摩擦。機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報(bào)廢和更換的。減少摩擦節(jié)省能源；減少磨損降低設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，節(jié)省制造零件及其所需材料的費(fèi)用。材料表面工程材料表面工程622.4.1 2.4.1 摩擦摩擦 摩擦的定義 摩擦不僅會(huì)使材料磨耗，而且還會(huì)發(fā)熱，摩擦不僅會(huì)使材料磨耗，而且還會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致接觸表導(dǎo)致接觸表面瞬時(shí)溫度升高，降低工件的機(jī)械效率，加重材料磨耗面瞬時(shí)溫度升高，降低工件的機(jī)械效率，加重材料磨耗，故生產(chǎn)中總是力圖減少摩擦，降低摩擦系數(shù)。只有某些情故生產(chǎn)中總是力圖減

30、少摩擦，降低摩擦系數(shù)。只有某些情況才需增大摩擦力，如車輛制動(dòng)器、摩擦離合器等。況才需增大摩擦力，如車輛制動(dòng)器、摩擦離合器等。摩擦摩擦-兩個(gè)接觸的物體在相互運(yùn)動(dòng)過程中，表面之間所產(chǎn)生的阻礙運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)。材料表面工程材料表面工程63 摩擦的大小大小一般用摩擦系數(shù)來表示，其值等于摩擦力F（切向力）與法向力N（載荷）的比值，即=F/N 摩擦力摩擦力-兩個(gè)相互接觸物體在外力作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在接觸面間產(chǎn)生切向的運(yùn)動(dòng)阻力，這一阻力稱為摩擦力。 有動(dòng)靜區(qū)分，有動(dòng)靜區(qū)分，靜靜動(dòng)動(dòng)。 材料表面工程材料表面工程64 摩擦的分類摩擦的分類 按摩擦副的按摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類分類靜摩擦靜摩

31、擦動(dòng)摩擦動(dòng)摩擦-僅有相對(duì)運(yùn)動(dòng)僅有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)趨勢(shì)時(shí)的摩擦?xí)r的摩擦-在相對(duì)運(yùn)動(dòng)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行中進(jìn)行中的摩擦的摩擦材料表面工程材料表面工程65 按摩擦副的按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)形式分類分類滑動(dòng)摩擦滑動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)滑動(dòng)滑動(dòng)物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)物體表面間的運(yùn)動(dòng)形式是相對(duì)滾動(dòng)滾動(dòng)材料表面工程材料表面工程66 按發(fā)生部位分類按發(fā)生部位分類內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦外摩擦外摩擦在物質(zhì)的在物質(zhì)的內(nèi)部內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對(duì)運(yùn)發(fā)生的阻礙分子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象動(dòng)的現(xiàn)象在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間表面間發(fā)生的相互阻發(fā)生的相互阻礙作用現(xiàn)象。礙作用現(xiàn)象。材

32、料表面工程材料表面工程67 按摩擦副按摩擦副表面的潤滑表面的潤滑狀況分類狀況分類純凈摩擦純凈摩擦摩擦表面沒有任何吸附膜或化合物存在時(shí)的摩擦摩擦表面沒有任何吸附膜或化合物存在時(shí)的摩擦干摩擦干摩擦（無潤滑摩擦）（無潤滑摩擦）在大氣條件下，摩擦表面之間名在大氣條件下，摩擦表面之間名義上沒有潤滑劑存在時(shí)的摩擦義上沒有潤滑劑存在時(shí)的摩擦邊界潤滑摩擦邊界潤滑摩擦摩擦表面間有一層極薄的潤滑膜存在的摩擦摩擦表面間有一層極薄的潤滑膜存在的摩擦流體潤滑摩擦流體潤滑摩擦相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩物體表面完全被流體隔開時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩物體表面完全被流體隔開時(shí)的摩擦的摩擦固體潤滑摩擦固體潤滑摩擦相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩物體表面間有固體潤滑存在相對(duì)

33、運(yùn)動(dòng)的兩物體表面間有固體潤滑存在時(shí)的摩擦?xí)r的摩擦混合摩擦混合摩擦介于上述各摩擦之間，即接觸表面間同時(shí)出現(xiàn)干介于上述各摩擦之間，即接觸表面間同時(shí)出現(xiàn)干摩擦、邊界摩擦、流體潤滑摩擦和固體潤滑摩擦的一種混摩擦、邊界摩擦、流體潤滑摩擦和固體潤滑摩擦的一種混合摩擦狀態(tài)。生產(chǎn)實(shí)際中最常見的一種摩擦狀態(tài)。合摩擦狀態(tài)。生產(chǎn)實(shí)際中最常見的一種摩擦狀態(tài)。材料表面工程材料表面工程68 按摩擦副按摩擦副所處的工況條件所處的工況條件分類分類正常摩擦正常摩擦機(jī)械設(shè)備的摩擦副在正常溫度、壓力、機(jī)械設(shè)備的摩擦副在正常溫度、壓力、速度等工況條件下的摩擦速度等工況條件下的摩擦特殊工況條件下的摩擦特殊工況條件下的摩擦摩擦副處于高速

34、、高溫、摩擦副處于高速、高溫、低溫等特殊環(huán)境條件下工作時(shí)產(chǎn)生的摩擦低溫等特殊環(huán)境條件下工作時(shí)產(chǎn)生的摩擦材料表面工程材料表面工程69 摩擦的機(jī)理摩擦的機(jī)理“機(jī)械說機(jī)械說”摩擦原因是表面微凸體的相互阻礙作用；摩擦原因是表面微凸體的相互阻礙作用；“分子說分子說”摩擦原因是表面材料分子間的吸力作用；摩擦原因是表面材料分子間的吸力作用；“機(jī)械機(jī)械-分子說分子說”兩種作用均有兩種作用均有材料表面工程材料表面工程70 摩擦理論摩擦理論圖 粘著理論示意圖 粘著理論材料表面工程材料表面工程71大量的試驗(yàn)表明，工程表面的實(shí)際接觸面積約為名義接觸面積的10-210-3，這樣接觸區(qū)壓力很高，使材料發(fā)生塑性變形，表面污

35、染膜遭到破壞，從而使基體金屬發(fā)生粘著現(xiàn)象，形成冷焊結(jié)點(diǎn)（如圖a 所示）。當(dāng)發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，必須先將結(jié)點(diǎn)剪斷（如圖b 所示），同時(shí)，當(dāng)較硬的凸峰在較軟的材料上滑過時(shí)，將切出溝紋（即犁刨作用），從而相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的摩擦力為上述兩種因素所形成的阻力之和。由于后者相對(duì)來說較小，故可忽略。HHAAFFadh/材料表面工程材料表面工程72 影響摩擦的因素影響摩擦的因素1. 材料性能材料性能-當(dāng)摩擦副是同一種金屬或是非常類似當(dāng)摩擦副是同一種金屬或是非常類似的金屬，或這兩種金屬有可能形成固溶合金時(shí)，則的金屬，或這兩種金屬有可能形成固溶合金時(shí)，則摩擦較嚴(yán)重。摩擦較嚴(yán)重。2. 接點(diǎn)長大接點(diǎn)長大材料表面工程材料表面工程73

36、3. 摩擦環(huán)境摩擦環(huán)境摩擦狀況摩擦系數(shù)干摩擦相同金屬： 黃銅-黃銅；青銅-青銅異種金屬：銅鉛合金-鋼巴氏合金-鋼非金屬：橡膠-其他材料 聚四氟乙烯-其他材料0.81.5 0.150.3 0.150.3 0.61.9 0.040.12固體潤滑石墨-二硫化鉬潤滑鉛膜潤滑0.060.20 0.080.20邊界潤滑礦物油濕潤表面加油性添加劑的油潤滑：鋼-鋼；尼龍-鋼 尼龍-尼龍0.150.300.050.10 0.100.20流體潤滑液體動(dòng)力潤滑液體靜力潤滑0.080.20 0.001(與設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān))滾動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦系數(shù)與接觸面材料的硬度、粗糙度、濕度等有關(guān)。球和圓柱滾子軸承的摩擦大體與液體動(dòng)力潤滑

37、相近，其它滾子軸承則稍大表 不同摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)（大致值） 材料表面工程材料表面工程742.4.2 2.4.2 磨損磨損 磨損的定義磨損的定義 磨損（磨損（WearWear）-由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象稱為磨損。 磨屑的形成是材料發(fā)生變形和斷裂的結(jié)果。磨損是磨屑的形成是材料發(fā)生變形和斷裂的結(jié)果。磨損是發(fā)生在材料表面的局部變形與斷裂，這種變形與斷裂是發(fā)生在材料表面的局部變形與斷裂，這種變形與斷裂是反復(fù)進(jìn)行的，具有反復(fù)進(jìn)行的，具有動(dòng)態(tài)特征動(dòng)態(tài)特征。這種動(dòng)態(tài)特征的另一標(biāo)志。這種動(dòng)態(tài)特征的另一標(biāo)志是是材料表層組織經(jīng)過每次循環(huán)后總要變到新的狀態(tài)材料表層組織經(jīng)過每次循環(huán)后總要變到新

38、的狀態(tài)。所。所以由以由常規(guī)試驗(yàn)得到材料力學(xué)性能不一定能如實(shí)反映出材常規(guī)試驗(yàn)得到材料力學(xué)性能不一定能如實(shí)反映出材料耐磨性的優(yōu)劣料耐磨性的優(yōu)劣。 材料表面工程材料表面工程75 材料的磨損除主要由力學(xué)因素引起外，在整個(gè)過程中材料的磨損除主要由力學(xué)因素引起外，在整個(gè)過程中材料還將發(fā)生一系列物理、化學(xué)狀態(tài)的變化。材料還將發(fā)生一系列物理、化學(xué)狀態(tài)的變化。 如因表面材料的塑性變形引起的如因表面材料的塑性變形引起的形變硬化及應(yīng)力分布形變硬化及應(yīng)力分布的改變的改變，因摩擦熱引起的二次相變，因摩擦熱引起的二次相變淬火、回火及回復(fù)再結(jié)淬火、回火及回復(fù)再結(jié)晶晶，因外部介質(zhì)產(chǎn)生的吸附和腐蝕作用等都將影響材料的，因外部介

39、質(zhì)產(chǎn)生的吸附和腐蝕作用等都將影響材料的耐磨性能。耐磨性能。材料表面工程材料表面工程76 機(jī)件正常運(yùn)行的磨損過程如圖所示，一般分為機(jī)件正常運(yùn)行的磨損過程如圖所示，一般分為3 3個(gè)階個(gè)階段，曲線上各點(diǎn)斜率即為段，曲線上各點(diǎn)斜率即為磨損速率磨損速率。圖圖 磨損量與時(shí)間的關(guān)系示意圖（磨損曲線）磨損量與時(shí)間的關(guān)系示意圖（磨損曲線）材料表面工程材料表面工程77 (1) (1)跑合跑合( (磨合磨合) )階段階段。該階段隨著表面被磨平，實(shí)際接。該階段隨著表面被磨平，實(shí)際接觸面積不斷增大，表層應(yīng)變硬化，磨損速率不斷減小。表面觸面積不斷增大，表層應(yīng)變硬化，磨損速率不斷減小。表面形成牢固的氧化膜，也降低了該段的磨

40、損速率。形成牢固的氧化膜，也降低了該段的磨損速率。 (3) (3)劇烈磨損階段劇烈磨損階段。隨磨損過程的增長，磨耗增加，。隨磨損過程的增長，磨耗增加，摩擦副接觸表面間隙增大，機(jī)件表面質(zhì)量惡化，潤滑膜被摩擦副接觸表面間隙增大，機(jī)件表面質(zhì)量惡化，潤滑膜被破壞，引起劇烈振動(dòng)，磨損重新加劇，機(jī)件快速失效。破壞，引起劇烈振動(dòng)，磨損重新加劇，機(jī)件快速失效。 (2) (2)穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段。該段的斜率就是磨損速率，為一穩(wěn)。該段的斜率就是磨損速率，為一穩(wěn)定值。實(shí)驗(yàn)室的磨損試驗(yàn)就是根據(jù)該段經(jīng)歷的時(shí)間、磨損速定值。實(shí)驗(yàn)室的磨損試驗(yàn)就是根據(jù)該段經(jīng)歷的時(shí)間、磨損速率或磨損量來評(píng)定材料耐磨性能的。大多數(shù)工件均在

41、此階段率或磨損量來評(píng)定材料耐磨性能的。大多數(shù)工件均在此階段服役，磨合得越好，該段磨損速率就越低。服役，磨合得越好，該段磨損速率就越低。材料表面工程材料表面工程78 磨損的分類磨損的分類粘著磨損（粘著磨損（Adhesive Wear）磨料磨損（磨料磨損（Abrasivee Wear）表面疲勞磨損（表面疲勞磨損（ Surface Fatigue Wear）腐蝕磨損（腐蝕磨損（ Corrosive Wear） 磨損是多種因素相互影響的復(fù)雜過程。根據(jù)不同磨損機(jī)理，分為四個(gè)主要類別：材料表面工程材料表面工程79粘著磨損（粘著磨損（Adhesive Wear）(又稱咬合磨損又稱咬合磨損)定義-是指兩個(gè)相對(duì)

42、運(yùn)動(dòng)的表面發(fā)生相互焊合，在相互運(yùn)動(dòng)過程中焊合表面產(chǎn)生撕裂而發(fā)生的磨損。 粘著磨損粘著磨損是因是因兩種材料表面某些接觸點(diǎn)局部壓應(yīng)兩種材料表面某些接觸點(diǎn)局部壓應(yīng)力超過該處材料屈服強(qiáng)度發(fā)生粘合并拽開而產(chǎn)生的一力超過該處材料屈服強(qiáng)度發(fā)生粘合并拽開而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損，多發(fā)生在摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度小，種表面損傷磨損，多發(fā)生在摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度小，接觸面氧化膜脆弱，潤滑條件差，以及接觸應(yīng)力大的接觸面氧化膜脆弱，潤滑條件差，以及接觸應(yīng)力大的滑動(dòng)摩擦條件下滑動(dòng)摩擦條件下。 其磨損表面特征是其磨損表面特征是機(jī)件表面有大小不等的結(jié)疤機(jī)件表面有大小不等的結(jié)疤。材料表面工程材料表面工程80 粘著磨損的過程就是粘著點(diǎn)

43、不斷形成又不粘著磨損的過程就是粘著點(diǎn)不斷形成又不斷被損壞并脫落的過程。斷被損壞并脫落的過程。圖圖 Al-SnAl-Sn合金軸瓦的粘著磨損合金軸瓦的粘著磨損材料表面工程材料表面工程81根據(jù)摩擦表面的破壞程度，常把粘著磨損分為：根據(jù)摩擦表面的破壞程度，常把粘著磨損分為：1）輕微磨損2）涂抹3）擦傷（膠合或咬合）4）撕脫（或咬焊）5）咬死材料表面工程材料表面工程821）輕微磨損：）輕微磨損： 往往出現(xiàn)在摩擦初期的比較潔凈的金屬表面上，這種磨損是正常的，利用這種磨損使機(jī)器達(dá)到正常跑合的目的。 輕微磨損的程度決定于載荷和速度。因此在跑合階段要特別注意選擇適當(dāng)?shù)呐芎弦?guī)范，也就是選擇適當(dāng)?shù)妮d荷、速度、跑合時(shí)

44、間等參數(shù)，使跑合時(shí)間盡可能地縮短而又不會(huì)在表面上產(chǎn)生擦傷現(xiàn)象。材料表面工程材料表面工程832）涂抹：）涂抹： 金屬從一個(gè)表面離開，并以很薄的一層堆積在另一個(gè)表面上的現(xiàn)象，稱為涂抹。 一般是較軟的金屬涂抹在較硬的金屬表面上。 增加滑動(dòng)面的油膜厚度、減小表面粗糙度的幅值和斜率，都可以減輕涂抹的產(chǎn)生。材料表面工程材料表面工程843）擦傷：）擦傷： 沿滑動(dòng)方向產(chǎn)生細(xì)小抓痕的現(xiàn)象，稱為擦傷。 擦傷產(chǎn)生的條件：有較硬的凸峰（或較硬的顆粒），且在表面之間有相對(duì)滑動(dòng)。4）劃傷：）劃傷： 在滑動(dòng)表面之間，局部產(chǎn)生固相焊合時(shí)，沿滑動(dòng)方向形成較嚴(yán)重的抓痕的現(xiàn)象。材料表面工程材料表面工程855）膠合：）膠合： 在滑動(dòng)

45、表面之間，由于固相焊合產(chǎn)生局部破壞，但尚未出現(xiàn)局部焊熔的現(xiàn)象。焊合-指固體表面直接接觸時(shí)的粘著，在任何溫度下都可能產(chǎn)生。包括：冷焊和熔焊。膠合產(chǎn)生原因：流體動(dòng)壓潤滑油膜的破裂；邊界潤滑油膜的破裂；表面局部瞬時(shí)閃發(fā)溫度升高。6）咬死）咬死是膠合最嚴(yán)重的表現(xiàn)形式是膠合最嚴(yán)重的表現(xiàn)形式 由于界面的摩擦使相對(duì)運(yùn)動(dòng)停止的現(xiàn)象。材料表面工程材料表面工程86磨料磨損（磨料磨損（Abrasivee Wear） (又稱磨粒磨損或研磨磨損又稱磨粒磨損或研磨磨損) 磨料磨損磨料磨損是摩擦副的一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微凸起是摩擦副的一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微凸起或在接觸面間存在硬質(zhì)粒子或在接觸面間存在硬質(zhì)粒子( (從外界進(jìn)入

46、或從表面剝落從外界進(jìn)入或從表面剝落) )時(shí)產(chǎn)生的磨損時(shí)產(chǎn)生的磨損。 依據(jù)磨粒受的應(yīng)力大小，磨粒磨損可分為依據(jù)磨粒受的應(yīng)力大小，磨粒磨損可分為鑿削式、鑿削式、高應(yīng)力碾碎式、低應(yīng)力擦傷式高應(yīng)力碾碎式、低應(yīng)力擦傷式3 3類。類。材料表面工程材料表面工程87 磨粒磨損的主要特征是摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形磨粒磨損的主要特征是摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽，如圖所示。溝槽可能是因磨粒對(duì)摩擦表面產(chǎn)生的成的溝槽，如圖所示。溝槽可能是因磨粒對(duì)摩擦表面產(chǎn)生的微切削作用、塑性變形、疲勞破壞或脆性斷裂微切削作用、塑性變形、疲勞破壞或脆性斷裂產(chǎn)生的，或是產(chǎn)生的，或是它們綜合作用的結(jié)果。它們綜合作用的結(jié)果。圖圖

47、 磨粒磨損表面形貌磨粒磨損表面形貌材料表面工程材料表面工程88表面疲勞磨損（表面疲勞磨損（ Surface Fatigue Wear） （又稱為接觸疲勞磨損）（又稱為接觸疲勞磨損） 表面疲勞磨損表面疲勞磨損是是兩接觸材料作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)兩接觸材料作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r摩擦?xí)r，交變接觸壓應(yīng)力長期作用使材料表面疲勞損，交變接觸壓應(yīng)力長期作用使材料表面疲勞損傷，傷，局部區(qū)域出現(xiàn)小片或小塊狀材料剝落局部區(qū)域出現(xiàn)小片或小塊狀材料剝落，而使材料，而使材料磨損的現(xiàn)象，故又稱磨損的現(xiàn)象，故又稱表面疲勞磨損或麻點(diǎn)磨損表面疲勞磨損或麻點(diǎn)磨損，是齒，是齒輪、滾動(dòng)軸承等工件常見的磨損失效形式。輪、滾動(dòng)軸承等工件常

48、見的磨損失效形式。材料表面工程材料表面工程89 表面疲勞磨損的表面疲勞磨損的宏觀形態(tài)特征宏觀形態(tài)特征是：接觸表面出是：接觸表面出現(xiàn)許多現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑( (麻坑麻坑) )，有的凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴(kuò)展線的痕跡，如有的凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴(kuò)展線的痕跡，如圖所示。圖所示。圖圖 表面疲勞磨損的表面形貌表面疲勞磨損的表面形貌材料表面工程材料表面工程90腐蝕磨損（腐蝕磨損（ Corrosive Wear） - -在摩擦過程中，摩擦表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反在摩擦過程中，摩擦表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的磨損稱為應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的磨損稱為腐蝕

49、磨損腐蝕磨損，腐蝕可在沒有摩擦，腐蝕可在沒有摩擦的條件下形成，而相對(duì)運(yùn)動(dòng)消除了化學(xué)反應(yīng)的生成物，接的條件下形成，而相對(duì)運(yùn)動(dòng)消除了化學(xué)反應(yīng)的生成物，接著表面又受到腐蝕，如此不斷反復(fù)。著表面又受到腐蝕，如此不斷反復(fù)。材料表面工程材料表面工程91氧化磨損氧化磨損特殊介質(zhì)腐特殊介質(zhì)腐蝕磨損蝕磨損氣蝕浸蝕磨損氣蝕浸蝕磨損微動(dòng)磨損微動(dòng)磨損腐蝕磨損有以下幾種類型：腐蝕磨損有以下幾種類型：在摩擦過程中，金屬的摩擦表面受空氣或潤滑：在摩擦過程中，金屬的摩擦表面受空氣或潤滑劑中的氧作用形成氧化膜而發(fā)生磨損。劑中的氧作用形成氧化膜而發(fā)生磨損。：在摩擦過程中，摩擦副表面與各種液體介質(zhì)：在摩擦過程中，摩擦副表面與各種液

50、體介質(zhì)（酸、堿、鹽等）發(fā)生作用，生成各種化學(xué)產(chǎn)（酸、堿、鹽等）發(fā)生作用，生成各種化學(xué)產(chǎn)物，并在摩擦過程中不斷去除，這種磨損稱為物，并在摩擦過程中不斷去除，這種磨損稱為特殊介質(zhì)腐蝕磨損。特殊介質(zhì)腐蝕磨損。：在液體中的氣蝕現(xiàn)象而產(chǎn)生的一種磨損。：在液體中的氣蝕現(xiàn)象而產(chǎn)生的一種磨損。：兩個(gè)表面由于振幅很小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損：兩個(gè)表面由于振幅很小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損現(xiàn)象。現(xiàn)象。材料表面工程材料表面工程92 磨損過程中摩擦表面的變化磨損過程中摩擦表面的變化表面微裂紋的生成及其破壞作用表面微裂紋的生成及其破壞作用化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)過程-在磨損過程中，磨損過的新鮮材料表面會(huì)與空氣在磨損過程中，磨損過

51、的新鮮材料表面會(huì)與空氣和周圍介質(zhì)形成化合物薄膜。和周圍介質(zhì)形成化合物薄膜。潤滑劑的作用潤滑劑的作用-潤滑劑對(duì)摩擦與磨損有很大影響，很多情況下，潤滑劑對(duì)摩擦與磨損有很大影響，很多情況下，潤滑劑決定著磨損的程度。潤滑劑決定著磨損的程度。摩擦表面間材料的轉(zhuǎn)移摩擦表面間材料的轉(zhuǎn)移-摩擦過程中，材料會(huì)從一個(gè)材料表面轉(zhuǎn)移摩擦過程中，材料會(huì)從一個(gè)材料表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)材料表面，通常是塑性大的材料由于粘著作用而轉(zhuǎn)移到另一個(gè)材料表面，通常是塑性大的材料由于粘著作用而轉(zhuǎn)移到較硬的材料表面而發(fā)生磨損。相反，有時(shí)由于材料轉(zhuǎn)移的結(jié)到較硬的材料表面而發(fā)生磨損。相反，有時(shí)由于材料轉(zhuǎn)移的結(jié)果會(huì)增大摩擦副的實(shí)際接觸面積，使摩擦副

52、有較高的耐磨性。果會(huì)增大摩擦副的實(shí)際接觸面積，使摩擦副有較高的耐磨性。 摩擦過程中，兩個(gè)物體的表面微凸體相互接觸處會(huì)發(fā)摩擦過程中，兩個(gè)物體的表面微凸體相互接觸處會(huì)發(fā)生彈性變形或塑性變形過程，此過程將伴隨著一連串的生彈性變形或塑性變形過程，此過程將伴隨著一連串的物理、化學(xué)及機(jī)械性能的變化。物理、化學(xué)及機(jī)械性能的變化。材料表面工程材料表面工程93 影響磨損的因素影響磨損的因素載荷載荷-隨載荷增加，摩擦副表面實(shí)際接觸面積增大，從而摩隨載荷增加，摩擦副表面實(shí)際接觸面積增大，從而摩擦力增大，摩擦熱增加，使材料表面損傷加速擦力增大，摩擦熱增加，使材料表面損傷加速速度速度-若滑動(dòng)速度增加未引起摩擦表面溫度的

53、激增，則隨滑若滑動(dòng)速度增加未引起摩擦表面溫度的激增，則隨滑動(dòng)速度增加，摩擦?xí)r間減少，材料來不及變形，從而使磨動(dòng)速度增加，摩擦?xí)r間減少，材料來不及變形，從而使磨損量減少。若滑動(dòng)速度增加使摩擦副表面急劇升溫而軟化，損量減少。若滑動(dòng)速度增加使摩擦副表面急劇升溫而軟化，則會(huì)加劇接觸表面的粘著傾向，使粘著磨損增加。則會(huì)加劇接觸表面的粘著傾向，使粘著磨損增加。磨損種類不同，影響因素也不同，一般來說，影響因素有磨損種類不同，影響因素也不同，一般來說，影響因素有以下幾種以下幾種(1) 服役條件的影響服役條件的影響材料表面工程材料表面工程94表面粗糙度表面粗糙度-一般情況下，表面越粗糙，摩擦阻力越大，摩一般情況

54、下，表面越粗糙，摩擦阻力越大，摩擦系數(shù)也越大，磨損就愈嚴(yán)重。但表面太光滑又會(huì)使基礎(chǔ)擦系數(shù)也越大，磨損就愈嚴(yán)重。但表面太光滑又會(huì)使基礎(chǔ)面積增加和表面的儲(chǔ)油能力下降，從而使磨損增加。面積增加和表面的儲(chǔ)油能力下降，從而使磨損增加。表面污染層與潤滑膜表面污染層與潤滑膜-材料表面所吸附的表面污染層，在摩材料表面所吸附的表面污染層，在摩擦過程中可降低接觸表面間的粘著傾向，起到減磨潤滑作擦過程中可降低接觸表面間的粘著傾向，起到減磨潤滑作用。但是，若污染層中含有硬顆粒時(shí)，則會(huì)使磨料磨損加用。但是，若污染層中含有硬顆粒時(shí)，則會(huì)使磨料磨損加劇。劇。溫度溫度-隨溫度升高，材料表面的硬度降低，使實(shí)際接觸面積增加，隨溫

55、度升高，材料表面的硬度降低，使實(shí)際接觸面積增加，導(dǎo)致粘著磨損傾向上升，當(dāng)溫度升高到一定程度后，將使基礎(chǔ)導(dǎo)致粘著磨損傾向上升，當(dāng)溫度升高到一定程度后，將使基礎(chǔ)表面局部熔化焊合，使粘著磨損急劇增加。同時(shí)，溫度升高導(dǎo)表面局部熔化焊合，使粘著磨損急劇增加。同時(shí)，溫度升高導(dǎo)致摩擦副表面間潤滑油氧化甚至失效，也會(huì)加劇磨損。致摩擦副表面間潤滑油氧化甚至失效，也會(huì)加劇磨損。材料表面工程材料表面工程95(2) 材料本身性質(zhì)的影響材料本身性質(zhì)的影響材料的機(jī)械性能材料的機(jī)械性能-硬度對(duì)耐磨性有很多影響。一般來說，硬硬度對(duì)耐磨性有很多影響。一般來說，硬度越高，耐磨性越好。塑性與韌性對(duì)硬脆材料的耐磨性影度越高，耐磨性越

56、好。塑性與韌性對(duì)硬脆材料的耐磨性影響較大。硬脆材料在磨損過程中，表層容易萌生裂紋并擴(kuò)響較大。硬脆材料在磨損過程中，表層容易萌生裂紋并擴(kuò)展，從而導(dǎo)致表層剝離，若提高材料的塑性與韌性，將增展，從而導(dǎo)致表層剝離，若提高材料的塑性與韌性，將增加材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，可明顯提高耐磨性。加材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，可明顯提高耐磨性。材料表面工程材料表面工程96化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的影響化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的影響-材料的材料的化學(xué)成分化學(xué)成分對(duì)磨損有較大對(duì)磨損有較大影響。對(duì)鋼材而言，原子半徑小的元素，如：碳、氮、磷、影響。對(duì)鋼材而言，原子半徑小的元素，如：碳、氮、磷、硼等，以間隙固溶的形式存在于鋼中，使鋼的硬度

57、增加，硼等，以間隙固溶的形式存在于鋼中，使鋼的硬度增加，從而提高耐磨性。從而提高耐磨性。材料的組織結(jié)構(gòu)材料的組織結(jié)構(gòu)對(duì)磨損有較大的影響。對(duì)磨損有較大的影響。在摩擦過程中，兩種金屬材料的互溶性越好，粘著磨損的在摩擦過程中，兩種金屬材料的互溶性越好，粘著磨損的傾向越大，兩種材料差別越大，則它們之間的粘著磨損傾傾向越大，兩種材料差別越大，則它們之間的粘著磨損傾向越小。若選擇同種材料做摩擦副，則在摩擦中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)向越小。若選擇同種材料做摩擦副，則在摩擦中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的粘著磨損。烈的粘著磨損。材料表面工程材料表面工程97 磨損的評(píng)定磨損的評(píng)定常用的評(píng)定方法有：磨損量、磨損率和耐磨性常用的評(píng)定方法有：磨損量、

58、磨損率和耐磨性磨損量磨損量長度磨損量長度磨損量Wl：磨損過程中零件表面尺寸的改變：磨損過程中零件表面尺寸的改變量量體積磨損量體積磨損量Wv ：磨損過程中零件體積的改變量：磨損過程中零件體積的改變量質(zhì)量磨損量質(zhì)量磨損量Wm ：磨損過程中零件質(zhì)量的改變量：磨損過程中零件質(zhì)量的改變量磨損量：單位時(shí)間的磨損量、單位摩擦距離的磨損量。磨損量：單位時(shí)間的磨損量、單位摩擦距離的磨損量。相對(duì)耐磨性：兩種材料相對(duì)耐磨性：兩種材料A與與B在相同的外部條件下磨損量在相同的外部條件下磨損量的比值。的比值。材料表面工程材料表面工程98 磨損量愈小，耐磨性愈高磨損量愈小，耐磨性愈高。 磨損量的測(cè)量有磨損量的測(cè)量有稱重法和

59、尺寸法稱重法和尺寸法兩種。稱重法是用精兩種。稱重法是用精密分析天平稱量試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化確定磨損量。尺密分析天平稱量試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化確定磨損量。尺寸法是根據(jù)表面法向尺寸在試驗(yàn)前后的變化確定磨損量。寸法是根據(jù)表面法向尺寸在試驗(yàn)前后的變化確定磨損量。 常用磨損量的倒數(shù)或用相對(duì)耐磨性常用磨損量的倒數(shù)或用相對(duì)耐磨性()()表征材料表征材料的耐磨性。即的耐磨性。即相對(duì)耐磨性的倒數(shù)相對(duì)耐磨性的倒數(shù)亦稱亦稱磨損系數(shù)磨損系數(shù)。材料表面工程材料表面工程99 提高材料耐磨性的途徑提高材料耐磨性的途徑一、減輕粘著磨損的主要措施一、減輕粘著磨損的主要措施 (1) (1)合理選擇摩擦副材料合理選擇摩擦副材料。

60、盡量選擇互溶性少，粘。盡量選擇互溶性少，粘著傾向小的材料配對(duì)，如非同種或晶格類型、電子密度、著傾向小的材料配對(duì)，如非同種或晶格類型、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)的多相或化合物材料；強(qiáng)度高不易電化學(xué)性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)的多相或化合物材料；強(qiáng)度高不易塑變的材料。塑變的材料。 (2)(2)避免或阻止兩摩擦副間直接接觸避免或阻止兩摩擦副間直接接觸。增強(qiáng)氧化膜。增強(qiáng)氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜與基體的結(jié)合力；降低接觸表面的穩(wěn)定性，提高氧化膜與基體的結(jié)合力；降低接觸表面粗糙度，改善表面潤滑條件等。粗糙度，改善表面潤滑條件等。材料表面工程材料表面工程100 (3) (3)為使磨屑多沿接觸面剝落，以降低磨損量，可采用為