第二章固體的表面(biǎomiàn)性質第一頁，共36頁。一、表面的幾何形狀特征1、微觀幾何形狀誤差加工過程固有誤差引起表面對設計要求的形狀偏差,用表面波紋度、表面粗糙度描述2、表面波紋度切削(qiēxiāo)加工過程中系統有害振動引起的表面波紋（波高h、波距s）宏觀粗糙度h/s≈1：40；s一般1~10mm3、表面粗糙度不象波紋度那樣有明顯的周期性，波距較小、波高較小第二頁，共36頁。波度實際輪廓粗糙度波紋(bōwén)度表面形貌加工(jiāgōng)方法刀具振動系統誤差第三頁，共36頁。當兩個物體彼此靠近而進入接觸時，兩物體便被其表面的凸峰所分開，兩物體的表面越光潔(guāngjié)，接近的程度就越高，可見粗糙度小的物體，表面能大。輪廓(lúnkuò)圖形上各點和中線之間距離平方的平均值的平方根當θ＝0時，即呈完全潤濕。空間(kōngjiān)當γs>γsL時，則cosθ>0為正值，θ<90°，此時為潤濕；第二十二頁，共36頁。若前者占優勢則不鋪展，呈不潤濕。例如直鏈碳氫化合物的感應分子中電荷抵消，而在飽和脂肪酸的非感應分子中，分子的一端為正，另一端為負，兩端形成偶極子。能表示粗糙表層的微凸體的高度分布表示表面磨損到一定程度時，支承面積的大小增加(zēngjiā)潤濕程度，應該增加(zēngjiā)cosθ、減小θ或提高固氣表面張力。第三十一頁，共36頁。反之，若加入某種使γL增大的表面惰性物質，可使θ增大，潤濕程度減小.分子之間的相互作用力稱為范德華(VanderWaals)力。當γs<γsL時，則cosθ<0為負值，θ>90°，此時不潤濕；第二十二頁，共36頁。表面積越大，表面的分子越多，消耗的功越大。表面(biǎomiàn)形貌輪廓中線(zhōngxiàn)：實體面積=空間面積空間(kōngjiān)實體Zi實際表面平面度MM第四頁，共36頁。

又稱微觀粗糙度，無明顯的周期性波距s較短（約2~800μm）波高h較小（約0.03~400μm）表面粗糙度越低，則表面越光亮。評定指標：Ra---輪廓算術平均偏差、Rq---輪廓均方根(fānggēn)偏差Rz---微觀不平度十點高度、Ry---輪廓最大高度。二、表面(biǎomiàn)粗糙度參數

----高度(gāodù)特性參數、間距特性參數、形狀特性參數----一維、二維、三維形貌參數第五頁，共36頁。中線m：實體(shítǐ)面積＝空間面積Zi—以中線為起點度量(dùliàng)出的廓形高度n—在樣品標準長度l內的測量次數l—隨粗糙度而定，粗糙度等級不同，l值不同1、高度特性(tèxìng)參數

（1）輪廓算術平均偏差Ra概率統計表達式：數學表達式：第六頁，共36頁。（2）輪廓(lúnkuò)均方根偏差Rq輪廓(lúnkuò)圖形上各點和中線之間距離平方的平均值的平方根Zi大的點比重大，能高度反映粗糙度Ra≈Rq數學(shùxué)表達式：概率統計表達式：第七頁，共36頁。是在標準(biāozhǔn)長度L內五個最高的輪廓峰高的平均值與五個最低的輪廓谷深的平均值之和hpi—第i個最高的輪廓(lúnkuò)峰高hvi—第i個最低的輪廓(lúnkuò)谷深（3）微觀不平度(pínɡdù)十點高度Rz第八頁，共36頁。(4)輪廓(lúnkuò)最大高度Ry是表面經常出現的微觀不平度的最大高度(gāodù)。即在標準取樣長度內輪廓頂線和輪廓谷底線之間的距離。一般取若干段，求Ry的平均值，避免出現用R偶然代替Ry第九頁，共36頁。加工方法表面微觀特征粗車、粗刨微見刀痕≤20≤80車、銑微見加工痕跡≤10≤40鏜、粗刮微見加工痕跡≤5≤20磨、拉看不清加工痕跡≤2.5≤10精鉸、滾壓可辨加工痕跡方向≤1.25≤6.3精鏜、刮微辨加工痕跡方向≤0.63≤3.2珩磨、研磨不可辨加工痕跡方向≤0.32≤1.6精磨、拋光暗光澤面≤0.160.8超精磨、精拋亮光澤面≤0.08≤0.4鏡面磨、超精拋光鏡面≤0.01≤0.05各種加工方法(fāngfǎ)的表面特征及其粗糙度第十頁，共36頁。相互換算(huànsuàn)（在一定程度上）表面Rq/Ra

Rz/Ra

Ry/Ra

車削磨削研磨隨機統計1.10~1.151.18~1.301.30~1.501.254~55~7----

----4~57~147~148.0第十一頁，共36頁。2、間距(jiānjù)特性參數（1）微觀不平度的平均間距Sm:含有一個輪廓峰與相鄰(xiānɡlín)谷的一段中線長度（2）輪廓峰的密度D:單位(dānwèi)長度內輪廓峰的（微凸體）個數（１）Ra相同，形貌不一定相同（２）一維形貌參數僅適合描述同一加工方法的具有相似輪廓的表面（３）一維高度參數和一維間距參數配合，可以粗略構成表面形貌的二維圖象摩擦學意義上的粗糙度討論第十二頁，共36頁。峰頂(fēnɡdǐnɡ)曲率半徑的計算３、形狀(xíngzhuàn)特性參數－－微凸體峰頂曲率(qūlǜ)半徑r:微凸體峰頂曲率(qūlǜ)半徑反映微凸體尖峭與平緩的程度，兩個固體表面相接觸，微凸體峰頂曲率(qūlǜ)半徑對金屬的變形性質影響很大．第十三頁，共36頁。峰頂曲率(qūlǜ)半徑的計算第十四頁，共36頁。式中：

——橫向輪廓圖形（沿加工(jiāgōng)方向）微凸體峰頂曲率半徑；

——縱向輪廓圖形（沿加工方向垂直(chuízhí)）微凸體峰頂曲率半徑；

——分別代表輪廓圖形在垂直方向和水平方向的放大倍數；h——從每個微凸體峰頂向下(xiànɡxià)度量的相同高度，一般

或

、——在h處橫向或縱向輪廓圖形的水平截斷寬度；如圖，各值不等。

n——微凸體所取數目，一般n≥5。、第十五頁，共36頁。三、表面輪廓高度(gāodù)的分布以表面輪廓(lúnkuò)中線為x軸，在標準長度L內，每隔一定距離ΔL，測量輪廓(lúnkuò)圖形距參考中線的高度Z1、Z2、……Zi然后求出同一Z值的個數，作為該高度的縱標頻數。第十六頁，共36頁。均方根(fānggēn)差：1、在表面輪廓曲線上按間隔量取高度值Zi；2、統計(tǒngjì)得出值的概率3、算數平均偏差為4、用代替用代替：稱為(chēnɡwéi)概率密度涵數那么第十七頁，共36頁。若加工表面(biǎomiàn)粗糙度高度分布為通常為正態分布其涵數表達式：設正態分布曲線(qūxiàn)面積故：第十八頁，共36頁。微凸體高度分布微凸體高度分布曲線(qūxiàn)表面粗糙度越低，曲線(qūxiàn)越接近正態分布磨削表面(biǎomiàn)輪廓高度分布曲線第十九頁，共36頁。四、支承(zhīchénɡ)面積曲線－－－支承(zhīchénɡ)長度率曲線－－微觀不平度的形狀特性參數：

在取樣長度內，一平行于中線的線與輪廓相截，得各

截段長度之和與取樣長度之比能表示粗糙表層的微凸體的高度分布表示表面磨損到一定程度時，支承面積的大小主要用于計算(jìsuàn)實際接觸面積簡便起見，一般用二維作圖法求支承面積曲線第二十頁，共36頁。a3a2a1Ay(a)表面輪廓曲線(b)支承曲線圖3-6粗糙表面的支承面曲線理想(lǐxiǎng)支承面積曲線第二十一頁，共36頁。第二節固體表面(biǎomiàn)的組成一、金屬的表面(biǎomiàn)結構普通臟污層吸附層氧化層貝氏層嚴重變形層輕度變形層金屬表層(biǎocéng)的組成（１）貝氏層加工過程中金屬表層熔化和塑性流動，然后聚冷而成（２）嚴重變形層和輕微變形層由于加工過程變形，晶格變形扭曲，產生不同程度加工硬化（３）必須指出：機械加工硬化表面硬度不均勻，摩擦表面耐磨能力主要由表面強化工藝實現。第二十二頁，共36頁。1、表面張力σ（比表面能）：單位表面積所具有的表面能或增加單位表面積時所引起體系表面能的增加。

液面上的分子受內部分子的吸引力大于受空氣分子的吸引力，使處于液面上的分子的能量增加，產生使液體表面縮小(suōxiǎo)而形成平行于表面的力，叫做表面張力。二、固體(gùtǐ)表面的物理化學特性（一）、固體的表面力和表面能表面——即兩種相的交界面。我們所研究的表面現象(xiànxiàng)，都是發生在界面上的現象(xiànxiàng)，通常稱之為表面。第二十三頁，共36頁。設L即為細棒的長度，一般認為，F=aL,a為一個系數，即：拉力大小與拉起的液體長度成正比,a可以通過實驗測算,即根據測得的F和L求得a,不同的液體a一般不同。a既是表面張力,它是一種(yīzhǒnɡ)廣義力。在力F作用下，細棒移動高度為h，做功為W=Fh=alh=as，s為拉起的薄膜的面積，當s為單位面積時，W既是表面能。2、表面能：表面張力的單位是N／M。表面張力的大小與液體的性質、純度和溫度有關。表面張力乘表面的面積即為表面能。即表面分子比內部分子具有多的能量(néngliàng)。表面積越大，表面的分子越多，消耗的功越大。

固體表面的質點(分子、原子、離子)也和液面上的質點一樣，處于力場的不平衡狀態中，這些力場延伸到固體以外的空間，使表面具有一定的表面能。（二）、實驗(shíyàn)檢測：第二十四頁，共36頁。當兩個物體彼此靠近而進入接觸時，兩物體便被其表面的凸峰所分開，兩物體的表面越光潔(guāngjié)，接近的程度就越高，可見粗糙度小的物體，表面能大。表面上的大多數質點都表現出很高的化學活性，急于吸引其鄰近質點，即外來的分子、原子、離子而得到某種補償，結果就降低了固體的表面能(自由焓)。金屬表面形成的氧化膜降低了金屬的表面能。同樣，對表面進行潤滑的結果，就是明顯減弱了物體的表面能。(相當于銅原子的直徑)時，在P點上，吸力和斥力相平衡；OP為其平衡原子距。對于所有原子，分子間的作用都具有圖2—5的形式，Q點是使兩個原子分離的臨界點。物體的表面力是指兩相或兩物體相互作用時有助于物體內聚的各種力，按照固體晶體結構的不同，這些(zhèxiē)力可以是離子鍵力、共價鍵力、金屬鍵力和范德華力等。吸力斥力吸力468102合力斥力原子距OPQCA圖2-5原子吸引力與原子距的關系第二十五頁，共36頁。離子晶體的結合力，叫做離子鍵力。當電離能較小的金屬原子與電子親和能較大的非金屬元素的原子相互接近時，前者(qiánzhě)放出最外層電子而形成正離子，后者吸收前者(qiánzhě)放出的電子而變成負離子，正負離子由于庫侖引力而相互靠近到一定程度時，兩閉合殼層的電子云因重疊而產生排斥力，當斥力和吸力相等時就可以形成穩定的離子鍵。氯化鈉晶體就是典型的離子晶體。2．共價鍵力原子晶體的結合力稱為共價鍵力，原子晶體又稱為共價晶體，典型的是氫分子(H2)中的兩個原子之間的結合。兩個氫原子相互靠近形成分子時，兩個價電子集中在兩原子核之間運動，為兩原子核所共有，且兩電子的自旋相反，故共價鍵是由兩原子之間一對自旋相反的共有電子形成的。共價鍵的結合力很強，具有方向性和飽和性。具有代表性的共價晶體是金剛石。3、金屬鍵力在金屬晶體中，原子失去了它的部分或全部價電子而成為離子實，這些離開原子的價電子，不同于某一個離子實所專有，而為全體離子實所共有，金屬鍵力就是靠共有價電子和離子實之間的相互作用而形成的。金屬鍵沒有飽和性和明顯的方向性，因此金屬的結合很牢固。4、范德華力分子之間的相互作用力稱為范德華(VanderWaals)力。分子晶體的結構單元就是分子，分子晶體的結合力就是范德華力，故稱為范德華鍵，這種鍵沒有方向性和飽和性。由于相互極化而產生的引力很弱，晶體結合力很小，熔點和硬度都很低。范德華鍵就是靠偶極矩或瞬時偶極矩的相互作用、相互極化而產生吸引力。三、力的定義(dìngyì)第二十六頁，共36頁。由于界面上的吸引力而形成一層界面吸附層，吸附有兩種——物理吸附和化學吸附。吸附層在邊界潤滑中起著十分重要的作用。在特殊條件下工作的軸承，其摩擦的大小(dàxiǎo)取決于軸承表面上形成的表面膜。原子能夠獲得電子或失掉電子而成為負電性或正電性。例如直鏈碳氫化合物的感應分子中電荷抵消，而在飽和脂肪酸的非感應分子中，分子的一端為正，另一端為負，兩端形成偶極子。偶極矩等于其偶極電荷乘以極距。具有偶極矩的分子稱為高極性分子，如脂肪酸的極性分子中的羥基—COOH為極性頭。它不同于相應的烴類中的—CH3。碳基＞C=O中的氧吸引碳原子，而使碳原子失去電子帶正電，羥基中氧化了的碳原子反過來又吸引氫原于中的電子，而使氫原于帶正電(圖2—6)。該偶極矩有大小(dàxiǎo)也有方向，永久性偶極子稱為極性分子。eVOOHOCOOeVO圖2-6脂肪酸中的極性頭四、吸附(xīfù)和固體的表面膜第二十七頁，共36頁。吸附+__+_+······粘聚H＋O－H＋HCHHCHHCHHCHHCHHCHO－H＋HCHHCHHCHHCHHCHHCHO－HCHHCHHCHHCHHCHHCH圖2-8物理吸附膜示意圖1、物理吸附固體表面和被吸附分子之間只依靠分子之間的引力形成的吸附叫物理吸附，物理吸附(圖2—8)沒有電子交換，結合力很弱，形成的吸附膜是單層分子或多層分子，過程(guòchéng)是可逆的。如硬脂酸在金屬表面上的吸附膜厚度只有19。物理吸附(xīfù)對溫度很敏感，高溫可以引起脫吸或分子的重新排列等。因此，物理吸附(xīfù)只能在低載荷、低溫度、低速工作狀態下存在。第二十八頁，共36頁。粘聚FeFe吸附OOC···HCHHCHHCHHCHHCH···HCHHCHHCHHCHHCH···HCHHCHHCHHCHHCH···HCHHCHHCHHCHHCHOOCOOCOOC圖2-9化學吸附膜示意圖2．化學吸附極性分子有價電子與基體表面的電子發生交換而產生的化學結合力，使極性分子定向地排列在固體表面上形成的吸附現象，叫做化學吸附。在吸附物和吸附劑之間有電子轉移而生成化學鍵。化學吸附具有一定的選擇性。吸附和脫吸是不完全(wánquán)可逆的過程，化學吸附和物理吸附相比，具有較高的吸附熱(物理吸附熱約為4.2—42kJ/mol，化學吸附熱約為42—420kJ/mol)。硬脂酸和氧化鐵及水相互作用所生成的硬脂酸鐵皂膜具有理想的剪切性能，其熔點高達120℃(硬脂酸的熔點為69℃)。這種吸附膜可在中速、中載的工作狀態下存在。第二十九頁，共36頁。3．氧化(yǎnghuà)膜氧化膜是指金屬在與任何含氧氣氛相接觸時生成的一種表面膜，表面氧化膜具有化學吸附膜的性質。表面上先發生氧的物理吸附，然后氧原子和金屬原子發生化學反應生成氧化膜，其厚度隨原子的擴散過程而增加。在鐵的表面可以生成幾種(jǐzhǒnɡ)鐵的氧化物，其排列順序通常是，依次由表至里氧化物的含氧量逐漸減少。通常，Fe2O3會加劇磨損，而Fe3O4和FeO會減少磨損。氧化膜的存在可以阻止摩擦表面的冷焊。Fe2O3Fe3O4FeOFe第三十頁，共36頁。FeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeSSSSSFeSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSFeFeFeFeSSSSSFe金屬表面圖2-11化學反應膜示意圖4．化學反應膜化學反應膜是指金屬表面與潤滑油添加劑中的硫、磷、氯等元家發生化學反應，所形成的一種新的化合物膜層。反應過程是在高溫下進行的，是完全不可逆的。其持點是結合力大，強度高，穩定性好。這種膜存在于重載荷、高速度的工作(gōngzuò)狀態。第三十一頁，共36頁。五、接觸角與潤濕(rùnshī)能力液體對固體表面潤濕程度可用θ表示。它是在液滴、固體、氣體接觸的三相界面(jièmiàn)點。而潤濕角的大小取決于它們的表面張力的大小。當一滴液滴在固體表面上達到平衡時，應滿足下列方程：增加(zēngjiā)潤濕程度，應該增加(zēngjiā)cosθ、減小θ或提高固氣表面張力。當θ＝0時，即呈完全潤濕。說明，只有液體的表面張力小于固體的表面張力時，才有可能潤濕。液滴對材料的潤濕模型式中：rS－固、氣表面張力rL－液、氣表面張力rSL－固、液表面張力θ－接觸角第三十二頁，共36頁。γs=γLcosθ+γsL

其中(qízhōng)：γs為固體表面張力；γL為液體表面張力；γsL為固體和液體界面張力。該方程叫做Yong方程式。它表明接觸角的大小與三相界面之間的定量關系。當γs>γsL時，則cosθ>0為正值，θ<90°，此時為潤濕；而且γs與γsL相差越大，θ角越小，潤濕性越好。當γs<γsL時，則cosθ<0為負值，θ>90°，此時不潤濕；而且γs越大和γsL越小時，θ角越大，不潤濕程度越嚴重。應當指出的是，上面的平衡式僅適用于固、液、氣三相的穩定接觸的情況。這時三個界面張力之間必須滿足下列不等式γs－γsL≤γL

第三十三頁，共36頁。第二章固體的表面(biǎomiàn)性質六、純凈(chúnjìng)表面空間(kōngjiān)波距s較短（約2~800μm）能表示粗糙表層的微凸體的高度分布表示表面磨損到一定程度時，支承面積的大小硬脂酸和氧化鐵及水相互作用所生成的硬脂酸鐵皂膜具有理想的剪切性能，其熔點高達120℃(硬脂酸的熔點為69℃)。由Young方程可以看出：表面能高的固體比表面能低的固體更容易被液體所潤濕。例如直鏈碳氫化合物的感應分子中電荷抵消，而在飽和脂肪酸的非感應分子中，分子的一端為正，另一端為負，兩端形成