會計學1材料磨損與耐磨材料2Chapter2:固體表面結構與接觸特性§2.1固體表面的幾何形貌§2.2固體表面的表征方法§2.3物體接觸與實際接觸面積§2.4固體表面結構

第1頁/共68頁3§2.1固體表面的幾何形貌

不僅是金屬，凡是固體其表面形貌都很復雜。這是因為任何機器零件的表面都要留下其加工制造工藝過程所產生的痕跡。如鑄件表面，金屬在鑄型中凝固時留下的粗糙的表面；鍛壓件表面留下金屬成型過程中壓力加工的表面；機械加工零件表面留下的機加工刀痕，切屑分離時的塑性變形等。第2頁/共68頁4§2.1固體表面的幾何形貌所有這些都造成零件的實際表面與理想的絕對光滑的、平整的表面存在有一定的幾何形狀的誤差，如下圖所示。這種形狀誤差可分為三類：固體表面幾何形狀誤差1—形狀誤差；2—波紋；3—粗糙度第3頁/共68頁5§2.1固體表面的幾何形貌(1)宏觀幾何形狀誤差：即表面形狀誤差。對于平面，用不直度和不平度表示，對于圓柱面，用不圓度，橢圓度、不圓柱度等表示，如圖所示，△表示形狀誤差。固體表面幾何形狀誤差1—形狀誤差；2—波紋；3—粗糙度第4頁/共68頁6§2.1固體表面的幾何形貌固體表面幾何形狀誤差1—形狀誤差；2—波紋；3—粗糙度(2)表面波紋度：零件表面周期性重復出現的一種幾何形狀誤差。波紋度有兩個重要參數，即波高和波距。波高Hb表示波峰和波谷間的高度差，波距Lb表示相鄰兩波形對應點的間距，如圖所示。波紋度的變化會影響零件的實際支承表面的面積，從而影響磨損。第5頁/共68頁7§2.1固體表面的幾何形貌(3)表面粗糙度：是指比表面波紋度更微觀尺度上的幾何形狀誤差。通常是指毫米尺度以下范圍內表面凹凸不平的情況，而波紋度的波距較長，一般在1-10毫米范圍。表面粗糙度的評定指標一般采用輪廓算術平均偏差Ra、微觀不平度十點平均高度Rz及輪廓均方根偏差Rq.第6頁/共68頁8Chapter2:固體表面結構與接觸特性§2.1固體表面的幾何形貌§2.2固體表面的表征方法§2.3物體接觸與實際接觸面積§2.4固體表面結構第7頁/共68頁9§2.2固體表面的表征方法·§2.2.1輪廓算術平均偏差Ra

如下圖所示是在取樣長度l內，被測輪廓上各點輪廓中心線m-m的距離(y1，y2，…，yn)絕對值總和的算術平均值。其數學表達式為：或第8頁/共68頁10§2.2固體表面表征方法§2.2.2微觀不平度十點平均高度Rz

它是指在取樣長度l內5個最大的輪廓峰高(絕對值）的平均值和5個最大輪廓谷深（絕對值）的平均值之和，如下圖所示：其數學表達式：第9頁/共68頁11§2.2固體表面表征方法§2.2.3輪廓均方根偏差Rq它是指在取樣長度l內輪廓偏距的均方根值。其數學表達式為：第10頁/共68頁12§2.2固體表面表征方法NOTE!

上述三種參數僅反映表面高度方向的粗糙度，但不能反映表面峰、谷輪廓的斜度和其出現頻率的情況。為了克服這一點，可采用表面輪廓在水平方向的參數和二維參數來補充評定表面的形貌：1.輪廓微觀不平度的平均間距Sm；2.輪廓單峰平均間距S第11頁/共68頁13§2.2固體表面表征方法

(1)輪廓微觀不平度的平均間距Sm，它是指在取樣長度l內輪廓在中線m-m上間距pmi的算術平均值，如圖所示。pmi為含有一個輪廓蜂和相鄰輪廓谷的一段中線長度。反映表面峰、谷輪廓的斜度。第12頁/共68頁14§2.2固體表面表征方法

(2)輪廓單峰平均間距S，它是指在取樣長度l內輪廓的單峰間距Pi的平均值，見下圖所示。反映表面單峰出現的頻率。第13頁/共68頁15§2.2固體表面表征方法§2.2.4

輪廓支承面曲線它表示表面輪廓上各微凸體沿高度分布的情況，也可以反映出摩擦表面磨損到某一定程度時，支承面積大小。表面上微凸體的高度分布—支承面曲線如圖所示：其中：P為輪廓最高峰點至截線間的距離。P0為最高峰點至最深谷的距離第14頁/共68頁16§2.2固體表面表征方法輪廓支撐面曲線可用作圖法求得，它是在取樣長度l內，作任一平行于中線m-m的線與輪廓相截后得到的各段截線長度之和與取樣長度l之比。即：其中：P為輪廓最高峰點至截線間的距離。P0為最高峰點至最深谷的距離第15頁/共68頁17§2.2固體表面表征方法輪廓支承面曲線表示表面輪廓上各微凸體沿高度分布的情況，反映出摩擦表面磨損到某一定程度時，支承面積大小。該參數對研究摩擦表面的接觸狀態和表面耐磨性有重要作用。其中：P為輪廓最高峰點至截線間的距離。P0為最高峰點至最深谷的距離

第16頁/共68頁18課內題：請畫出輪廓支承面曲線，并說明摩擦表面特征第17頁/共68頁19§2.2固體表面表征方法NOTE：上述表征固體表面形貌的參數只能反映被測表面某一截面上的形貌。為了反映固體表面上某一區域的全部形貌，近年來開始研究表面的三維形貌，即在x、y表面上描繪出形貌輪廓后，再使被側表面相對于輪廓儀測頭在z軸方向移動一個微小的距離，然后再測出一條表面輪廓線，這樣就可以得到由一組間隔很密的輪廓線組成的三維形貌圖，如下圖所示：第18頁/共68頁20§2.2固體表面表征方法激光共焦掃描顯微鏡第19頁/共68頁21Chapter2:固體表面結構與接觸特性§2.1固體表面的幾何形貌§2.2固體表面的表征方法§2.3物體接觸與實際接觸面積§2.4固體表面結構第20頁/共68頁22§2.3物體接觸與實際接觸面積§2.3.1物體摩擦表面接觸特點

對于所有固體的真實表面都是凹凸不平的，當兩個凹凸不平的固體表面相接觸時，并不是整個表面都接觸，只是凸起的微峰之間形成接觸點，當兩者的距離足夠近，會產生原子的作用力。接觸點以外區域表面間的原子不存在作用力，因為兩表面是被完全隔開。這種接觸具有不連續性和不均勻性。見下圖所示：第21頁/共68頁23§2.3物體接觸與實際接觸面積接觸面積可分三種：名義接觸面積：由物體表面接觸的外部尺寸決定，以An表示，An＝axb第22頁/共68頁24§2.3物體接觸與實際接觸面積輪廓接觸面積:物體接觸表面凸峰被壓扁的部分構成的面積，如上圖中虛線所包圍的面積，以Ap表示；實際接觸面積：物體真實接觸的面積，如上圖中虛線包圍的各小黑點面積的總和，以Af表示。

第23頁/共68頁25§2.3物體接觸與實際接觸面積因此：兩物體表面接觸時，實際接觸面積只是名義接觸面積的千分之幾甚至萬分之幾。這樣即使作用在整個接觸面積上的載荷F很小，但接觸點上的應力卻很大，隨著F的增加，接觸點上的應力逐步達到材料的屈服極限σs

，便產生塑性流動，因而增大接觸面積和接觸點數，此時應力并不增加。當Ar和σs乘積等于載荷F時，接觸點上的塑性流動停止。

由此鮑登和泰博提出以下公式：第24頁/共68頁26§2.3物體接觸與實際接觸面積

當時他們認為表面微峰頂部的曲率半徑r很小,所以接觸應力很容易達到σs而產生塑性變形。但后來許多實驗證明：實際接觸面積和表面粗糙度有關，即和微峰頂部曲率半徑和微峰高度分布狀況有關，表面間的接觸變形不完全是塑性變形而有彈性變形部分。當載荷F增加時，表面接觸變形y經歷了彈性變形、彈-塑性變形和完全塑性變形三個階段，如下圖所示。第25頁/共68頁27§2.3物體接觸與實際接觸面積

第26頁/共68頁28§2.3物體接觸與實際接觸面積

在實際中，對摩擦面施加的載荷是重復加載的。微峰頂的曲率半徑r經過摩擦和磨損后會顯著地增大，如圖所示：第27頁/共68頁29§2.3物體接觸與實際接觸面積

而且表面的微峰硬度會隨著加載的進行不斷增加：表面的微峰硬度在第一次加載后約提高5％-15％，多次重復加載后可提高20%-80%。因此，即使在初次加載時出現了塑性變形，但在重復加載(載荷大小不超過初始值)時塑性變形將逐步蛻變為彈性變形。第28頁/共68頁30§2.3物體接觸與實際接觸面積§2.3.2兩固體表面的實際接觸面積

在實際接觸面積的大量實驗中，總結出形成過程的一些特點：

(1)由于表面祖糙度具有離散性，所以它們的接觸也具有離散性；

(2)實際的接觸點不僅由塑性變形而且也有彈性變形所產生；

(3)實際接觸面積隨載荷的增加而增大，接觸斑點的平均面積幾乎保持不變，而是接觸斑點數量增加，所以實際接觸面積的增加主要是由于接觸斑點的增加。第29頁/共68頁31Chapter2:固體表面結構與接觸特性§2.1固體表面的幾何形貌§2.2固體表面的表征方法§2.3物體接觸與實際接觸面積§2.4固體表面結構第30頁/共68頁32§2.4固體表面結構

§2.4.1

固體表面概念及認識§2.4.2固體表面的基本特征§2.4.3晶體的表面結構第31頁/共68頁33§2.4.1固體表面概念及認識

固體表面是指固氣界面或固液界面。它實際上是由凝聚態物質靠近氣體或真空的一個或幾個原子層（0.5—10nm）組成，是凝聚態對氣體或真空的一種過渡.任何表面系統都有自發降低其表面能的趨勢。問題1：液體以什么樣的方式降低表面能？問題2：固體以什么樣的方式降低表面能？第32頁/共68頁34在表面張力的作用下，液體是以形成球形表面來降低表面能，而固體由于質點不能自由流動，只能借助于離子重排、變形、極化并引起晶格畸變來降低表面能。第33頁/共68頁35§2.4.1固體表面概念及認識

材料的摩擦與磨損和它的表面結構有關。一般材料表面層的性質與整體性質之間可能有很大的差異，如金屬材料如下圖所示，第34頁/共68頁36§2.4.1固體表面概念及認識

金屬的最表層約有30?厚的污染層，還有厚度約為3?的氣體吸附層和100?左右的金屬氧化層。金屬表層在加工過程中由于晶格歪曲變形以及最外層分子在熔化后驟然冷卻而形成的微細結晶結構層，比金屬基體要硬，這層結構稱為硬化層。第35頁/共68頁37§2.4固體表面結構

§2.4.1

固體表面概念及認識§2.4.2固體表面的基本特征§2.4.3晶體的表面結構第36頁/共68頁38§2.4.2固體表面的基本特征

1.固體表面的基本特征---不均一性絕大多數晶體是各向異性的，這一性質也體現在不同方位的表面上。同種固體的表面性質會發生與制備或加工過程密切相關的變化。第37頁/共68頁39§2.4.2固體表面的基本特征晶體中晶格缺陷如空位或位錯等也會在表面存在并引起表面性質的變化。固體暴露在空氣中，其表面被外來物質所污染，被吸附的外來原子可占據不同的表面位置，形成有序或無序排列。從原子尺度上，實際固體表面并非光滑，是凹凸不平的。第38頁/共68頁40請問這些分別影響材料哪些層？晶體是各向異性的。制備或加工過程。晶體中晶格缺陷如空位或位錯。固體暴露在空氣中，其表面被外來物質所污染。從原子尺度上，實際固體表面并非光滑，是凹凸不平的。第39頁/共68頁41§2.4.2固體表面的基本特征2.固體表面的基本特征—表面力場晶體中每個質點周圍都存在一個力場。在晶體內部這個力場是對稱的。但在固體表面，質點排列的周期性被中斷，使處于表面上的質點力場對稱性破壞，產生有指向的剩余力場，這種剩余力場表現出固體表面對其他物質有吸引作用（如吸附、潤濕等），這種作用力稱為固體表面力。

第40頁/共68頁42§2.4.2固體表面的基本特征

2.1化學力化學力本質是靜電力。主要來自表面質點的不飽和鍵，當固體表面質點和被吸附物間發生電子轉移時，形成化學鍵，產生化學力。表面力主要可分為化學力和分子引力（分別對應化學吸附和物理吸附）第41頁/共68頁43§2.4.2固體表面的基本特征當固體吸附劑利用表面質點的不飽和價鍵將吸附物吸附到表面之后，吸附劑可能把它的電子完全給予吸附物，使吸附物變成負離子（如吸附于大多數金屬表面上的氧氣）；或，吸附物把其電子完全給予吸附劑，而變成吸附在固體表面上的正離子（如吸附在鎢上的鈉蒸氣）。多數情況下吸附是介于上述二者之間，即在固體吸附劑和吸附物之間共有電子，并且經常是不對稱的。第42頁/共68頁44§2.4.2固體表面的基本特征

2.2分子引力

范德華力又稱分子引力，主要來源于三種力：定向作用力(靜電力)：主要發生在極性物質之間，相鄰兩個極化電矩因極性不同而發生作用的力。誘導作用力：發生在極性物質與非極性物質之間，誘導是指在極性物質作用下，非極性物質被極化誘導出暫態的極化電矩，隨后與極性物質產生定向作用。第43頁/共68頁45§2.4.2固體表面的基本特征分散作用力(色散力)：主要發生在非極性物質之間，非極性物質是指其核外電子云呈球形對稱而不顯示永久的偶極矩。但就電子在繞核運動的某一瞬間，在空間各個位置上，電子分布并非嚴格對稱，這樣就將呈現出瞬間的極化電矩。許多瞬間極化電矩之間以及它對相鄰物質的誘導作用都會引起相互作用效應，這稱為色散力。第44頁/共68頁46§2.4固體表面結構

§2.4.1

固體表面概念及認識§2.4.2固體表面的基本特征§2.4.3固體的表面結構第45頁/共68頁47表面力的存在使固體表面處于較高能量狀態。但系統總會通過各種途徑來降低這部分過剩的能量，這就導致表面質點的極化、變形、重排并引起原來晶格的畸變。對于不同結構的物質，其表面力的大小和影響不同，因而表面結構狀態也會不同。

§2.4.3固體的表面結構第46頁/共68頁48§2.4固體表面的結構

§2.4.1理想表面結構

§2.4.2清潔表面結構§2.4.3實際表面結構

第47頁/共68頁49§2.4.1理想表面結構如果把固體表面結構看成和體內相同，即體內的晶體結構不變地延續到表面后中斷，這種表面稱為理想表面。理想表面結構是理論上結構完整的二維點陣平面，忽略了晶體內部周期性勢場在晶體中斷的影響，忽略了表面上原子的熱運動以及出現的缺陷和擴散現象，忽略了外界對表面的物理化學作用等對晶體表面的影響，第48頁/共68頁50§2.4.1理想表面結構

d

這種理想表面作為半無限的晶體，體內的原子的位置及其結構的周期性，與原來無限的晶體完全一樣。晶體的解理面可以認為是理想表面理想表面結構示意圖第49頁/共68頁51§2.4固體表面的結構

§2.4.1理想表面結構

§2.4.2清潔表面結構§2.4.3實際表面結構第50頁/共68頁52§2.4.2清潔表面結構晶體表面是原子排列面，有一側無固體原子鍵合，形成了附加的表面能。從熱力學來看，表面附近的原子排列總是趨于能量最低的穩定狀態。達到這個穩定態的方式有兩種：一是自行調整，原子排列情況與材料內部明顯不同；二是依靠表面的成分偏析和表面對外來原子或分子的吸附以及這兩者的相互作用而趨向穩定態，因而使表面組分與材料內部不同。第51頁/共68頁53§2.4.2清潔表面結構§2.4.2.1清潔表面的特征

清潔表面是指不存在任何吸附、催化反應、雜質擴散等物理化學效應的表面。這種清潔表面的化學組成與體內相同，但周期結構可以不同于體內。晶體表面的成分和結構都不同于晶體內部，一般大約要經過4～6個原子層之后才與體內基本相似，所以晶體表面實際上只有幾個原子層范圍。第52頁/共68頁54§2.4.2清潔表面結構嚴格地說，清潔表面是不存在任何污染的化學純表面，即不存在吸附、催化反應或雜質擴散等一系列物理、化學效應的表面。因此，制備清潔表面是很困難的，而在幾個原子層范圍內的清潔表面，其偏離三維周期性結構的主要特征應該是表面弛豫、表面重構以及表面臺階結構。表面馳豫表面重構表面臺階第53頁/共68頁55§2.4.2清潔表面結構1.表面臺階臺階表面不是一個平面，它是由有規則的或不規則臺階的表面所組成。[112][111][110](001)周期Pt（557）有序原子臺階表面示意圖第54頁/共68頁56弛豫表面示意圖

2.表面弛豫（surfacerelaxation)

由于固相的三維周期性在固體表面處突然中斷，表面上原子產生的相對于正常位置的上、下位移，稱為表面弛豫。LiF(001)弛豫表面示意圖

·Li

〇F

0.1A0.35Ad0d§2.4.2清潔表面結構第55頁/共68頁57§2.4.2清潔表面結構發生弛豫的原因

晶體的三維周期性在表面處突然中斷，表面上原子的配位情況發生變化，并且表面原子附近的電荷分布也有改變，使表面原子所處的力場與體內原子不同，因此，表面上的原子會發生相對于正常位置的上、下位移以降低體系能量。如右圖所示，表面質點間的垂直距離為ds，與體內質點間距do相比有所膨脹。第56頁/共68頁58§2.4.2清潔表面結構表面結構弛豫表面結構與體內基本相同，但點陣參數略有差異，特別表現在垂直于表面質點方向上的法向弛豫。發生弛豫現象的原因是由于表面質點受力的情況不對稱，它可以波及幾個質點層，而每一層間的膨脹（或壓縮）程度可能是不同的，而且越接近最表層，變化越顯著。

第57頁/共68頁59重構表面示意圖

3.表面重構

(surfacereconstruction)

重構是指表面原子結構在水平方向上的周期性不同于體內，但垂直方向的層間距則與體內相同。d0d0asa§2.4.2清潔表面結構第58頁/共68頁60§2.4.2清潔表面結構重構后，在平行基底的表面上，原子的平移對稱性與體內顯著不同，原子位置作了較大幅度的調整。表面重構與表面懸掛鍵有關，這種懸掛鍵是由表面原子價鍵的不飽和而產生的。當表面吸附外來原子而使懸掛鍵飽和時，重構必然發生。第59頁/共68頁61§2.4.2清潔表面結構表面結構和體結構出現了本質的不同。重構通常表現為表面超結構的出現，即兩維晶胞的基矢按整數倍擴大，如圖所示。第60頁/共68頁62名稱結構示意圖特點弛豫表面最外層原子與第二層原子之間的距離不同于體內原子間距（縮小或增大；也可以是有些原子間距增大，有些減小）重構在平行基底的表面上，原子的平移對稱性與體內