材料表面工程(一、二)第一頁，共170頁。

總成績

=平時成績（30%）+筆試（70%）平時成績

=課堂（20%）+作業(10%)

出勤:每遲到一次或早退一次扣2分；請事假扣1分；每曠課一次扣3分，超過3次不能參加考試。

課堂成績：隨堂回答上節課和隨堂的問題（搶答+點名）根據回答或補充的質量打分（0~5分）

作業:1.老師布置的作業（上周的作業下周交，過時不補交）；2.自己就某一表面技術寫一篇綜述考試方式：待定課程考核規則第二頁，共170頁。課程簡介較為全面系統地學習材料表面工程的理論與技術。在表面工程理論部分重點學習材料表面的物理、化學基礎；在表面工程技術部分學習多種實用表面工程技術的基本原理、設備和工藝；在表面工程技術的測試分析部分重點學習材料表面的測試分析儀器、原理、方法等內容。本課程具有“綜合、復合、交叉、系統”的特色，重視表面技術的應用，強調理論密切聯系生產實際，著力提高學生分析和解決表面工程問題的能力。第三頁，共170頁。教學目的3.系統掌握現代材料表面處理技術的基本原理5.能合理選擇并運用表面處理技術對材料表面進行改性，解決工程中的實際問題1.

了解材料的表面結構2.掌握材料表面工程的基礎理論4.掌握材料表面的測試分析技術第四頁，共170頁。教材及參考資料第五頁，共170頁。第一章緒論第二章表面工程的基礎理論第三章材料表面預處理第四章表面形變強化技術第五章高能束表面改性技術第六章熱噴涂與堆焊技術第七章電鍍與化學鍍第八章氣相沉積技術第九章熱擴散技術第十章測試與分析總目錄第六頁，共170頁。第一章緒論表面工程的定義：表面工程是指在不改變基體材料成分，不削弱基體強度的條件下，利用各種表面處理、表面涂層和表面改性技術作用于材料或工件的表面以獲得預想的性能。表面工程包含了從設計、選材、表面工藝、表面質量控制與檢測、工程應用以及失效分析等，是一個系統的工程。第七頁，共170頁。

表面工程是以表面科學為理論基礎，將材料的表面與基體一起作為一個系統進行設計，利用各種表面技術，使材料的表面獲得材料本身沒有而又希望具有的性能的系統工程。主要通過表面改性和表面涂覆技術來提高材料抵御環境作用能力和賦予材料表面某種功能特性。表面改性技術：用機械、物理、化學等方法，改變材料表面的形貌、化學成分、相組成、微觀結構、缺陷狀態或應力狀態。表面涂覆：主要采用各種涂層技術。第一章緒論第八頁，共170頁。人們對表面上可開展的工作形成的共識：（1）任何物體都包含表面。（2）任何工程，任何產品都不可能回避表面。（3）表面與基體是不可分割的。（4）表面工程技術可以對表面做有效的改進。（5）任何重大工程或產品的設計與制造都應將表面與基體作為一個系統進行設計與制造才能獲得理想的結果。第一章緒論第九頁，共170頁。表面科學與工程學科的重要性表面科學的進步是國家繁榮的象征表面工程的發展促進了產品質量的提高表面技術是高附加值的技術，能夠產生巨大的經濟效益表面技術的發展能夠帶動相關行業的技術進步第一章緒論第十頁，共170頁。表面工程的工程意義與科學價值RawmaterialTechnologyProduct+ProductSurfaceEngineeringGoodproduct第一章緒論第十一頁，共170頁。工程意義*提高材料和工件的可靠性，延長其使用壽命*制備具有特殊功能的表面*對節能降耗與再制造的特殊貢獻*滿足人們精神文化生活的需要科學價值

*材料制備與合成的新技術*為新技術發展提供工藝和材料支持*多學科交叉，促進新的學術研究課題第一章緒論第十二頁，共170頁。

19世紀工業革命以來，為適應高強度、高硬度和耐磨、耐蝕、耐高溫等特殊要求，需不斷開發各種特殊的合金材料，但這些材料往往價格昂貴。因此，人們試圖采用各種表面技術對普通鋼材表面進行加工，改變其表面性能，以適應復雜的工作環境。另外，磨損、腐蝕等失效都是首先發生在材料表面，通過對材料表面進行有效處理，可極大地提高材料壽命。基于這樣的背景，逐步形成了一門新興學科—表面工程學。

表面工程及其發展

背景第十三頁，共170頁。表面工程的發展形成一門獨立的學科第十四頁，共170頁。表面工程的發展第一階段：以單一表面工程技術的品種增加，工藝成熟為主要特征。第二階段：以復合表面工程技術的出現和協同創新為主要特征，即將兩種或多種傳統的表面技術復合應用，起到“1+1>2”的協同效果。第三階段：以微納米材料和納米技術與傳統表面工程技術的結合與實用化為主要特征。第十五頁，共170頁。秦王劍的發現，在兵馬俑出土的青銅劍兩千年不折，從二號坑出土的青銅劍，長86厘米劍身上有8個棱面，極為對稱均衡。秦王劍的發現歷經兩千多年年，從地下出土，卻無蝕無銹，光潔如新。用現代科學方法檢測分析，這些青銅劍表面竟涂有一層厚約10微米的氧化膜，其中含鉻2%。秦王劍的發現立即震動了世界，因為這種鉻鹽氧化處理是近代才掌握的先進工藝。據說德國在1937年，美國在1950年才先后發明并申請專利，而且只有在一套比較復雜的設備和工藝流程下才得以實現。表面工程的發展第十六頁，共170頁。古青銅鏡是實用器物,也是珍貴的藝術品。在我國已出土的青銅鏡中,有的表面漆黑發亮,少有銹蝕痕跡,具有很高的鑒賞價值,金石學家稱之“黑漆古”。黑漆古之名在宋代的書籍中即已出現。對黑漆古表面層的研究,從宋代就已開始,歷代學者都做了不少工作。分析發現過量錫及一定量硅富集于表面,形成的氧化物層以超微細多晶顆粒存在,因此極耐腐蝕,而且成功地保護了青銅合金基體。表面工程的發展第十七頁，共170頁。表面工程的發展第十八頁，共170頁。表面工程的發展表面工程的發展第十九頁，共170頁。薄膜技術表面處理涂、鍍層技術

表面改性技術表面工程表面工程技術的分類表面工程的簡單分類第二十頁，共170頁。表面工程技術的分類表面改性

(通過改變基質材料成分，達到改善性能的目的，不附加膜層）2.表面處理（不改變表面材質成分，只改變基質材料的組織結構及應力，達到改善性能的目的，不附加膜層。）3.表面涂覆（在基質材料表面上制備涂覆層，涂覆層的材料成分、組織、應力按照需要制備。）4.復合表面技術（綜合運用多種表面工程技術，通過發揮各表面工程技術的協同效應達到改善表面性能的目的。）5.納米表面工程（以傳統表面工程技術為基礎，通過引入納米材料、納米技術達到進一步提升表面性能的目的。）第二十一頁，共170頁。表面工程技術的分類表面改性技術擴散滲入離子注入轉化膜技術非金屬元素表面擴滲金屬元素表面擴滲復合元素表面擴滲非金屬離子注入金屬離子注入復合金屬離子注入電化學轉化膜化學轉化膜金屬著色技術第二十二頁，共170頁。表面工程技術的分類表面處理技術表面淬火處理表面變形處理表面納米化加工技術感應加熱表面淬火激光加熱表面淬火電子束加熱表面淬火噴丸輥壓孔擠第二十三頁，共170頁。表面工程技術的分類3、表面涂覆技術：電鍍、化學鍍、氣相沉積、熱噴涂、堆焊、熔覆、熱浸鍍、黏涂、涂裝……4、復合表面工程技術：是對上述三類技術的綜合應用，可以克服單一表面工程技術的局限性5、納米表面工程技術：在基質表面制備含納米顆粒的復合涂層或具有納米結構的表面第二十四頁，共170頁。從材料科學的角度，按沉積物的尺寸，表面工程技術可以分為以下四種基本類型：（1）原子沉積。

以原子、離子、分子和粒子集團等原子尺度的粒子形態在基體上凝聚，然后成核、長大，最終形成薄膜。被吸附的粒子處于快冷的非平衡態，沉積層中有大量結構缺陷。沉積層常和基體反應生成復雜的界面層。凝聚成核及長大的模式，決定著涂層的顯微結構和晶型。電鍍、化學鍍、真空蒸鍍、濺射、離子鍍、物理氣相沉積、化學氣相沉積、等離子聚合、分子束外延等均屬這類。

表面工程技術的分類第二十五頁，共170頁。表面工程技術的分類（2）顆粒沉積。

以宏觀尺度的熔化液滴或細小固體顆粒在外力作用下于基體材料表面凝聚、沉積或燒結。涂層的顯微結構取決于顆粒的凝固或燒結情況。熱噴涂、搪瓷涂敷等都屬這類。（3）整體覆蓋。欲涂覆的材料于同一時間施加于基體表面。如包箔、貼片、熱浸鍍、涂刷、堆焊等。（4）表面改性。用離子處理、表面熱處理、機械處理及化學處理等方法處理表面，改變材料表面的組成及性質。如化學轉化膜、噴丸強化、激光表面處理、電子束表面處理、離子注入等。第二十六頁，共170頁。表面工程技術的分類基于材料分類第二十七頁，共170頁。按工藝特點分類第二十八頁，共170頁。表面工程技術的涵義實際上，表面工程技術有著廣泛的涵義，綜合來看，大致上可分為以下幾個部分：（1）表面工程基礎理論它主要有表面失效分析理論、表面摩擦與磨損理論、表面腐蝕與防護理論、表面(界面)結合與復合理論等。它對表面工程技術的發展和應用有著直接的、重要的影響。第二十九頁，共170頁。表面工程技術的分類（2）表面處理技術。它又包括表面覆蓋技術、表面改性技術和復合表面處理技術三部分。表面覆蓋技術主要有電鍍、電刷鍍、化學鍍、涂裝、粘結、堆焊、熔結、熱噴涂、塑料涂敷、電火花涂敷、熱浸鍍、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍、化學氣相沉積、分子束外延、離子束合成薄膜技術、化學轉化膜、熱燙印和暫時性覆蓋處理等。表面改性技術主要有噴丸強化、表面擴滲、表面熱處理、激光表面處理、電子束表面處理、高密度太陽能表面處理和離子注入等。復合表面處理技術是綜合運用兩種或更多種表面處理技術。第三十頁，共170頁。表面工程技術的分類（3）表面加工技術。它主要有表面預處理加工、表面層的機械加工和表面層的特種加工等。（4）表面分析和測試技術。它主要有表面形貌和顯微組織結構的分析、表面成分分析、表面原子排列結構分析、表面原子動態和受激態分析和表面的電子結構分析等。（5）表面工程技術設計。它主要有表面層材料設計、表面層結構設計、表面工藝設計和表面工程經濟分析等。第三十一頁，共170頁。表面工程技術的意義零件在服役過程中,主要失效的形式為：腐蝕(Corrosion)、磨損(Wear)、疲勞(Fatigue)、斷裂(Fracture)背景：現代工業要求產品能在更高參數(如高溫,高壓,高速)、高度自動化和更惡劣的工況條件下更長期穩定運轉.這就必然對工件表面的抗磨損、耐腐蝕等性能提出了更高的要求。第三十二頁，共170頁。表面工程的功能1.提高耐磨性、耐蝕性、耐疲勞、抗氧化、防輻射性能硬質合金可用來制作鑿巖工具、采掘工具、鉆探工具等。碳化鈦涂層刀具，刀具的基體是鎢鈦鈷硬質合金或鎢鈷硬質合金，表面碳化鈦涂層的厚度不過幾微米，但是與同牌號的合金刀具相比，使用壽命延長了3倍，切削速度提高25％～50％。20世紀70年代已出現第四代涂層工具，可用來切削很難加工的材料。第三十三頁，共170頁。表面工程的功能第三十四頁，共170頁。表面工程的功能2.提高表面的自潤滑性自潤滑軸承。以其獨特的性能及其經濟性在國內外廣泛的運用。該銅套基體采用高強度高硬度銅合金，比普通銅套硬度，強度提高一倍多。表面鉆孔鑲嵌石墨為主的含油固體潤滑劑，潤滑面積約占25%，軸承運行時自身產生一層固體-液體混合潤滑膜，起到減少摩擦的效果，大大的提升了銅套本身性能。第三十五頁，共170頁。表面工程的功能3.實現表面的自修復性（自適應、自補償、自愈合）第三十六頁，共170頁。表面工程的功能4.實現表面的生物相容性第三十七頁，共170頁。表面工程的功能5.改善表面的傳熱性或隔熱性第三十八頁，共170頁。表面工程的功能6.改善表面的導電性或絕緣性7.改善表面的導磁性、磁記憶性或屏蔽性8.改善表面的增光性、反光性或吸波性9.改善表面的潤濕性或憎水性10.改善表面的黏著性或不黏性11.改善表面的吸油性或干摩性12.改善表面的摩擦因數13.改善表面的裝飾性或仿古做舊等第三十九頁，共170頁。飛船或者洲際導彈的頭部錐體和翼前沿：由于具有幾十倍的音速，并與大氣層摩擦，即所謂氣動加熱，其溫度高達4000～5000℃：問題：絕大多數的金屬和合金不能承受如此高的溫度。解決問題的方法：依靠各種形式的隔熱涂層、防火涂層和燒蝕涂層。隔熱防火涂層是熱導率低的氧化物：氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等。燒蝕涂層：有機材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。表面工程的功能應用實例第四十頁，共170頁。高溫鈦合金鈮合金（帶高溫抗氧化涂層）姿/軌控發動機推力室

嫦娥探月工程實例-高溫抗氧化涂層

第四十一頁，共170頁。航天飛機外殼防熱材料和涂層：如美國洛克希德導彈與航天公司了一種LI-900全氧化硅絕熱氈特性：1）

重量輕，整個體積的95%都是空的。2）

為防水、耐蝕、散熱，表面加涂了一種碳化硅涂層，該涂層可把90%的入射熱反射掉，而剩下10%幾乎都被氧化硅氈所隔絕。應用實例表面工程的功能第四十二頁，共170頁。在太陽能的利用中，必須利用涂層來吸收太陽光譜中所有波段的能量。如用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層Co-Al2O3作為太陽能吸熱器，使對太陽能的吸收率可達95%表面工程的功能第四十三頁，共170頁。

在單一表面技術發展的同時，綜合運用兩種或多種表面技術的復合表面技術（也稱第二代表面技術）有了迅速的發展。復合表面技術通過最佳協同效益使工件材料表面體系在技術指標、可靠性、壽命、質量和經濟性等方面獲得最佳的效果，克服了單一表面技術存在的局限性，解決了一系列工業關鍵技術和高新技術發展中特殊的技術問題。強調多種表面工程技術的復合，是表面工程的重要特色之一。表面工程的發展趨勢

一、研究復合表面技術第四十四頁，共170頁。成分復合、工藝復合是表面復合技術的主要特征

目前，復合表面工程技術的研究和應用已取得了重大進展，如熱噴涂和激光重熔的復合、熱噴涂與刷鍍的復合、化學熱處理與電鍍的復合、表面涂覆強化與噴丸強化的復合、表面強化與固體潤滑層的復合、多層薄膜技術的復合、金屬材料基體與非金屬表面復合、鍍鋅或磷化與有機漆的復合、滲碳與鈦沉積的復合、物理和化學氣相沉積同時進行離子注入等等。伴隨復合表面工程技術的發展，梯度涂層技術也獲得較大發展，以適應不同涂覆層之間的性能過渡。復合表面工程技術將在新世紀中不斷得到發展，今后將根據產品的需要進一步綜合研究運用各種表面工程技術的組合，解決工程中的難題，以期達到最佳的優化效果。表面工程的發展趨勢第四十五頁，共170頁。

表面工程技術設計是針對工程對象的工況條件和設備中零部件等壽命的要求，綜合分析可能的失效形式與表面工程的進展水平，正確選擇表面技術或多種表面技術的復合，合理確定涂層材料及工藝，預測使用壽命，評估技術經濟性，必要時進行模擬實驗，并編寫表面工程技術設計書和工藝卡片。目前，表面工程技術設計仍基本停留在經驗設計階段。有些行業和企業針對自己的工程問題開發出了表面工程技術設計軟件，但局限性很大。隨著計算機技術、仿真技術和虛擬技術的發展，建立有我國特色的表面工程技術設計體系既有條件又迫在眉睫。表面工程的發展趨勢二、完善表面工程技術設計體系第四十六頁，共170頁。

表面工程大量的任務是使零件、構件的表面延緩腐蝕、減少磨損、延長疲勞壽命。隨著工業的發展，在治理這三種失效之外提出了許多特殊的表面功能要求。例如艦船上甲板需要有防滑涂層，現代裝備需要有隱身涂層，軍隊官兵需要防激光致盲的鍍膜眼鏡，太陽能取暖和發電設備中需要高效的吸熱涂層和光電轉換涂層，錄音機中需要有磁記錄鍍膜、建筑業中的玻璃幕墻需要有陽光控制膜等等。此外，隔熱涂層、導電涂層、減振涂層、降噪涂層、催化涂層、金屬染色技術等也有廣泛的用途。在制備功能涂層方面，表面工程也可大顯身手。三、開發多種功能涂層表面工程的發展趨勢第四十七頁，共170頁。四、研究開發新型涂層材料

表面涂層材料是表面技術解決工程問題的重要物質基礎。當前發展的涂層新材料，有些是單獨配制或熔煉而成的，有些則是在表面技術的加工過程中形成的，后一類涂層材料的誕生，進一步顯示了表面工程的特殊功能。轎車涂裝技術中新發展的第五代陰極電泳涂料（ED5），其泳透力比前幾代進一步提高，有機溶劑、顏料含量降低，且不含有害金屬鉛，代表了陰極電泳涂料的發展趨勢。表面工程的發展趨勢以聚氯乙烯樹脂為主要基料與增塑劑配成的無溶劑涂料，構成了現代汽車涂裝中所用的抗石擊涂料和焊縫密封膠，有效地防止了車身底板和焊縫出現過早腐蝕，并保證了車身的密封性。粘結固體潤滑涂層材料，在解決航空航天等軍工高科技領域特殊工況條件下的機械磨損、潤滑、粘著冷焊等摩擦學問題中發揮了重要作用，并在民用真空機械、低溫設備上有廣闊的用途。第四十八頁，共170頁。五、深化表面工程基礎理論和測試方法的研究

摩擦學是表面工程的重要基礎理論之一，近10年來，針對具體的工程問題，摩擦學工作者作出了出色的成果，在摩擦副失效點判定、磨損失效的主要模式、磨損失效原因分析及對策等方面積累了豐富的經驗，并在重大工程問題上作出了重要貢獻。當前研究摩擦學問題的手段越來越齊全、先進，可以模擬各種條件進行試驗研究，這些試驗手段和已積累的研究方法、評估標準，有力地支持了表面工程的發展。表面工程的發展趨勢

在腐蝕學研究方面，針對大氣腐蝕、海洋環境腐蝕、化工儲罐腐蝕、高溫環境腐蝕、地下長輸管線腐蝕、熱交換設備腐蝕、建筑物中的鋼筋水泥腐蝕等，應用各種現代材料進行了腐蝕機理和防護效果研究，提出了從結構到材料到維護一整套防腐治理措施。這些研究成果，對表面工程技術設計有很大的參考價值。第四十九頁，共170頁。無論用什么表面技術在零件表面上制備涂覆層，必須掌握涂覆層與基體的結合強度、涂覆層的內應力等力學性能。這是表面工程技術設計的核心參數之一，也是研究和改進表面技術的重要依據。對于涂覆層厚度大于0.15mm的膜層（如熱噴涂涂層），尚可用傳統的機械方法進行測試，但是對于涂覆層厚度小于0.15mm的膜層（如氣相沉積幾微米的膜層），傳統的機械方法已無能為力。而氣相沉積技術又發展得很快，應用面越來越廣，這就使研究新的測試方法更加緊迫。近10年，一些學者用劃痕法、Ｘ射線衍射法、納米壓痕法、基片彎曲法等思路和手段對薄膜的力學行為進行了深入研究，取得了長足的進步，但要達到形成相對嚴密自成體系的評價方法和技術指標尚有較大差距。表面工程的發展趨勢第五十頁，共170頁。六、擴展表面工程的應用領域表面工程已經在機械產品、信息產品、家電產品和建筑裝飾中獲得富有成效的應用。但是其深度廣度仍很不夠，不了解和不應用表面工程的單位和產品仍很普遍。表面工程的優越性和潛在效益仍未很好發揮，需要作大量的宣傳推廣工作。通過推廣應用表面工程提高產品的質量和競爭力，也應是主要的舉措之一。表面工程的發展趨勢第五十一頁，共170頁。七、積極為國家重大工程建設服務在新型軍用飛機的研制過程中，先進的膠粘技術、特種熱處理技術、表面改性技術、薄膜技術以及涂層技術都發揮了重要作用。吸波材料的研制成功為裝備隱形提供了重要的物質基礎。離子注入、離子刻蝕和電子曝光技術的結合，形成了集成電路微細加工技術，成為制作超大規模集成電路的重要技術基礎。在長江三峽大壩全長2309.47m中鋼鐵結構閘門就占全長的72％。在三峽工程中，所有機械設備、金屬結構、水工閘門以及隧洞、橋梁、公路、碼頭、儲運設備都離不開表面工程。從表面技術和涂覆材料的選擇、噴涂工藝的制定到表面電化學保護等，都在三峽重大裝備研制項目中占有重要地位。表面工程的發展趨勢第五十二頁，共170頁。在表面處理時，自動化程度最高的是汽車行業和微電子行業。以神龍汽車公司的車身涂裝線為例，涂裝工藝采用三涂層體系（3C3B），即電泳低漆涂層、中間涂層、面漆涂層，涂層總厚度為110～130μm。涂裝廠房為三層，一層為輔助設備層，二層為工藝層，三層為空調機組層。廠房是全封閉式，通過空調系統調節工藝層內的溫度和濕度，并始終保持室內對環境的微正壓，保持室內清潔度，各工序間自動控制，流水作業，確保涂裝高質量。八、向自動化、智能化的方向邁進表面工程的發展趨勢第五十三頁，共170頁。從宏觀上講，表面工程對節能、節材、環境保護有重大效能，但是對具體的表面技術，如涂裝、電鍍、熱處理等均有“三廢”的排放問題，仍會造成一定程度的污染。現在，有氰電鍍已經基本上被無氰電鍍所代替，一些有利于環保的鍍液相繼被研制出來。當前，在表面工程領域，提出了封閉循環，達到零排放目標。陰極電泳后的清洗，國際先進的做法是采用超濾系統（UF）與反滲透系統（RO）聯合的全封閉清洗，為零排放奠定了基礎。但國內使用這些設備的廠家尚少。磷化處理中的廢渣，現在可以壓濾成渣塊，但還不能逆向處理為有用之物，只能填埋。至于一些中小企業，距上述目標，相距很遠。因此，表面工程在降低對環保負面效應方面，仍是任務艱巨。九、降低對環保的負面效應表面工程的發展趨勢第五十四頁，共170頁。表面工程的發展專家預測：表面工程將成為主導21世紀工業發展的關鍵技術。第五十五頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論1、固體材料的表面特征2、材料表面腐蝕基礎3、材料表面的摩擦與磨損基礎第五十六頁，共170頁。

表面：固體材料與液體或氣體接觸的面。

界面：固相之間或不相容的液體之間的分界面。

相界面：固體材料中成分、結構不同的兩相之間的界面。

晶界：晶粒與晶粒之間的分界面。第二章表面工程的基礎理論與固體材料相關的表面與界面第五十七頁，共170頁。2.1固體材料的表面特征第二章表面工程的基礎理論固體材料：晶體，非晶表面的定義：一般地，固體-氣體或固體-液體的分界面稱為表面。固體的表面能：固體表面的原子與內部原子所處的環境不同。表面原子處于不均勻的力場中，能量較內部大大升，高出的能量稱為表面能。表面能的存在使得材料表面易于吸附其他物質。第二章表面工程的基礎理論第五十八頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論晶體表面是原子排列面，有一側無固體原子健合，形成了附加表面能。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：1）自行調整，原子排列情況與材料內部明顯不同；2）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。2.1固體材料的表面特征第五十九頁，共170頁。表面工程研究的對象：固體材料表面固體材料表面分類：理想表面、清潔表面、實際表面忽略：1）晶體內部周期性勢場在晶體表面中斷的影響；2）表面上原子的熱運動及出現的缺陷和擴散現象；3）表面外界環境的作用。理想表面：是一種理論上結構完整的二維點陣平面。它可以設想成將一塊無限大的完整晶體，從中間剖開，將其分成兩部分后所形成的表面。并認為半無限晶體中的原子位置和結構的周期性都和分割前一樣，那么這個分割面就稱為理想表面。不存在第三章材料表面預處理第六十頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論清潔表面：清潔表面是指經過特殊處理后，保持在超高真空條件下，使外來污染少到不能用一般表面分析方法探測的表面。晶體表面的成分和結構都不同于晶體內部，一般要經過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。晶體表面的最外層也不是一個原子級的平整表面，因為這樣的熵值較小，盡管原子排列作了調整，但是自由能仍較高，所以清潔表面必然存在各種類型的表面缺陷。第六十一頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論固體表面與內部的不同之處：清潔表面的結構類型：弛豫、重構、偏析、臺階、化學吸附、化合物第六十二頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論幾種清潔表面的結構和特點表面弛豫：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，是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與正常位置的上、下位移以降低體系能量。表面上原子的這種位移（壓縮或膨脹）稱為表面弛豫。結構示意圖特點：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距離（縮小或增大，也可以是有些原子間距增大，有些減小。第六十三頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論表面重構：特點第六十四頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論第六十五頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論表面偏析：結構示意圖特點：表面原子是從內部遷移出來的外來原子。第六十六頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論化學吸附：結構示意圖特點：第六十七頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論化合物：結構示意圖特點：第六十八頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論臺階：結構示意圖特點：表面原子為臺階結構。第六十九頁，共170頁。晶體的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，如體內缺陷在表面吸附、點缺陷、臺階、彎折等。第二章表面工程的基礎理論

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。第七十頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論表面晶體結構模型單晶體表面原子結構的TLK模型第七十一頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論第七十二頁，共170頁。D與溫度T和擴散激活能Q的關系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；D—擴散系數；t—擴散時間。第二章表面工程的基礎理論表面原子擴散（1）第七十三頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論

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），而且要達到的位置是空著的（有缺陷）。吸附原子在（100）面上的擴散路徑表面吸附原子擴散能量表面原子擴散（2）第七十四頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論

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<Q體

擴散系數D表>D界>D位>D體。表面原子擴散（3）第七十五頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論實際表面：第七十六頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論不同加工方法形成的材料表面輪廓曲線實際表面：理想表面塊規表面研磨表面磨削表面銑削表面車削表面鉆削表面第七十七頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論2.1.2固體表面的吸附現象吸附是固體表面最重要的特征之一。由于固體表面上原子或分子的力場是不飽和的，有吸引其他物質分子的能力，從而使環境介質在固體表面上的濃度大于體相中的濃度，這種現象稱為吸附。第七十八頁，共170頁。金屬材料在工業環境中被污染的實際表面示意圖第二章表面工程的基礎理論第七十九頁，共170頁。在表層的一薄層與體內性質有明顯差別的非晶態層，稱為貝爾比層，其厚度為5-10nm。在距表面1μm內，晶粒尺寸與體內顯著不同。離表面越近，晶粒尺寸越細。貝爾比層成分及作用：對于金屬與合金來說，它們的拋光面大都有一層貝爾比層，其成分是金屬和它的氧化物的混合。貝爾比層可起到耐蝕、強化的作用。第二章表面工程的基礎理論第八十頁，共170頁。

表面改性處理后，新生成的表面層與基材之間結合的界面，按其結合狀態可分為：（1）冶金結合：覆層與基材之間是通過熔化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。二、表面技術中的界面（典型固體界面）第二章表面工程的基礎理論第八十一頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論

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）擴散結合分子擴散焊軟連接第八十二頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論（3）外延生長

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）。第八十三頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論（4）化學鍵結合

涂層與基材之間發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。刀具涂層第八十四頁，共170頁。（5）分子鍵結合以范德華力結合的界面，界面上沒有發生擴散或化學反應，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。第二章表面工程的基礎理論物理氣相沉積TiN第八十五頁，共170頁。（6）機械結合

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。第二章表面工程的基礎理論第八十六頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論（1）固體對氣體的吸附2.1.2固體表面的吸附現象第八十七頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論2.1.2固體表面的吸附現象物理吸附與化學吸附的區別(80~400kj.mol-1)（1）固體對氣體的吸附第八十八頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論（2）固體對液體的吸附2.1.2固體表面的吸附現象一般通過液體對固體表面的潤濕與鋪展來實現。潤濕作用：指液體對固體表面浸潤、附著的能力。液體對固體的潤濕能力常用潤濕角θ來衡量。潤濕角θ指氣、液、固三相接觸點上液面與固-液界面之間的夾角。根據θ的大小，可以判斷固體能否被液體潤濕及潤濕的程度。第八十九頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論第九十頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論通過增大固-氣界面張力sv、降低固-液界面張力SL和液-氣界面張力LV能夠有效地提高潤濕性，促進固體對液體的吸附。第九十一頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論鋪展系數表面熱力學中，液體在固體表面上的展開能力常用鋪展系數S的大小來表示：Sv/S=sv-SL-LV=Lv（cosθ-1）當Sv/S0時，液體在固體表面會自動鋪開；（楊氏方程不適用，潤濕角已經不存在）當Sv/S0時，液體在固體表面不鋪展；鋪展是潤濕的最高標準，極限情況下，可得到一個分子層厚度的鋪展膜層。第九十二頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論以上所述的表面潤濕都是以理想的平滑表面為基礎的，當表面粗糙度為i時，上述各公式必須修正，鋪展系數公式修正為：

Sv/S=Lv（icosθ-1）可見：粗糙表面的鋪展系數遠大于光滑表面。即，在光滑表面上不能自發鋪展的液體，在粗糙表面上可能自發鋪展。第九十三頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論日常生活中利用潤濕理論的典型例子在內表面涂覆一層憎水性的高分子材料，如聚四氟乙烯等。由于水在該憎水性涂層表面不能潤濕，在干燥后飯粒等也不會與基體緊密黏附而形成鍋巴。第九十四頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論（3）固體對固體的吸附2.1.2固體表面的吸附現象第九十五頁，共170頁。2.1.2固體表面的吸附現象第二章表面工程的基礎理論（4）固體表面的反應氧化膜的形成：表面化學反應是指吸附物質與固體表面相互作用形成了一種新的化合物，這時無論是吸附還是吸附物質的特性都發生了根本變化。試驗證明：在常溫常壓下，大多數金屬表面都覆蓋著一層約20個分子層厚的氧化膜。金屬表面的反應：是各種金屬表面處理工藝中的一個重要過程，是一種多相反應。多相反應的特點是反應在界面上進行，或反應物質通過界面進入到相內進行。第九十六頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論金屬在高溫下的氧化也是一種典型的腐蝕現象。1）不穩定的氧化物，如金、鉑等的氧化物；2）揮發性的氧化物，如氧化鉬等；3）形成一層或多層氧化物，最常見。如Fe的表面可形成幾種鐵的氧化物。第九十七頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論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斷裂工程材料的表面失效方式第九十八頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論材料腐蝕：是與環境有關的一種材料失效現象。2.2材料表面腐蝕基礎第九十九頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論2.2材料表面腐蝕基礎（1）金屬材料的腐蝕（2）無機非金屬材料的腐蝕受化學和機械作用引起的失效現象（玻璃，陶瓷，水泥）第一百頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論2.2材料表面腐蝕基礎（3）有機材料的腐蝕第一百零一頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論2.2材料表面腐蝕基礎按腐蝕形態分類：按腐蝕機理分類：第一百零二頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論第一百零三頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論第一百零四頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論第一百零五頁，共170頁。致密的氧化膜能對金屬表面產生一定的保護作用，可使氧化速度幾乎為零。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，ρ—金屬的密度，M＇—1mol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，D表示氧化物的密度。

第二章表面工程的基礎理論2.2.1金屬化學腐蝕的基本原理第一百零六頁，共170頁。

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)直線生長規律（圖中1）：氧化速度取決于金屬表面化學反應的速度，是一個常數。氧化膜隨時間的延長按直線規律增厚。此時金屬易于腐蝕。

金屬材料的典型化學腐蝕動力學過程第二章表面工程的基礎理論第一百零七頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論(2)拋物線生長規律（圖的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；t—時間；B—積分常數。(3)

對數生長規律（圖的3）：在氧化過程中容易生成致密的氧化膜時，膜的厚度與時間的關系y=ln(kt)

金屬材料的典型化學腐蝕動力學過程第一百零八頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論

金屬材料與電解質接觸，將發生電化學反應，在界面處形成雙電層并建立相應的電位。2.2.2金屬電化學腐蝕原理

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。第一百零九頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論

平衡電位：沒有電流通過時，可逆電極所具有的電位

式中，Φ平—平衡電極電位；Φ0—標準電極電位；R—氣體常數；T—電解質溫度；Z—參加反應的電子數；F—法拉第參數；a—金屬離子活度。

標準電位序：將金屬的標準電極電位按其代數值增大順序排列。第一百一十頁，共170頁。

腐蝕電位序：將金屬在某種介質中的穩定電位值按其代數值大小排列的順序。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3％NaCl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3％NaCI溶液中的腐蝕電極電位要高得多。第一百一十一頁，共170頁。2.2.3腐蝕原電池與腐蝕微電池

在Cu-Zn構成的原電池中，Zn陽極發生氧化反應Zn－2e－→Zn2+Cu陰極發生的還原反應

2H+＋2e－→2H2H→H2↑腐蝕電池的總反應為Zn+2H+→Zn2++H2↑Cu-Zn腐蝕原電池第二章表面工程的基礎理論第一百一十二頁，共170頁。1）接觸腐蝕電池：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a）。2）微腐蝕電池：材料中的不同組織和電解液一起構成的（圖b）。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微腐蝕電池示意圖第二章表面工程的基礎理論第一百一十三頁，共170頁。

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；n—金屬的價數；A—金屬的相對原子質量；J—電流密度；t—時間。2.2.4電化學腐蝕速率第二章表面工程的基礎理論第一百一十四頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論

腐蝕速率g／(m2·h)

式中，S為腐蝕面積。

腐蝕速率的其它表示方法：重量法、深度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。第一百一十五頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論2.2.5金屬表面的極化、鈍化及活化1．金屬表面的極化現象

極化：陰、陽極之間的電位差比初始電位差小的現象。

極化曲線：電極電位與電流密度之間的變化規律繪成的曲線。腐蝕電池接通前后陰、陽極電位變化第一百一十六頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論

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）陰極極化曲線第一百一十七頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論

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。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，使電極電位發生變化。

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，使陽極附近金屬離子快速擴散。

去極化劑：能減少或消除極化作用的物質。第一百一十八頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論極化曲線Ca-P-La生物涂層第一百一十九頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論2．金屬表面的鈍化現象

由于金屬表面狀態的改變引起金屬表面活性下降，使表面反應速度急劇降低的現象稱為鈍化現象。

鈍化劑：能使金屬鈍化的物質，如鐵、鋁等金屬不溶于濃硝酸。

自然鈍化或化學鈍化：金屬與鈍化劑間自然作用而產生的鈍化現象，如鉻、鋁、鈦等金屬在空氣中與氧作用而形成鈍態。

機械鈍化：在金屬表面上沉積出鹽層產生機械阻隔作用，使表面反應速度降低。鐵在硝酸中的溶解速度第一百二十頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論金屬鈍化理論

成相膜理論：介質中的金屬表面生成一層致密的、覆蓋良好的保護膜，使金屬表面反應速度下降，金屬表面轉為鈍態。

吸附理論：金屬部分表面上形成氧原子的吸附層，使金屬表面的自由鍵能趨于飽和，改變了金屬與介質界面的結構及能量狀態，降低了金屬與介質間的反應速度。

成相膜理論與吸附理論的主要區別：成相膜理論強調了鈍化層的機械隔離作用，而吸附理論認為是吸附層改變了金屬表面的能量狀態，使不飽和鍵趨于飽和，降低了金屬表面的化學活性，造成鈍化。第一百二十一頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論3．金屬表面的活化

活化目的：使基材表面處于活化狀態，以加速表面反應過程，提高涂層結合強度。

金屬表面的活化方法：

金屬表面凈化：用機械拋光、噴砂、酸洗等方法去除金屬表面氧化膜，或在真空中進行離子濺射，減少金屬表面的吸附，提高金屬表面的化學活性；機械法：用機械法或離子轟擊法增加金屬表面晶體缺陷，提高金屬表面活性。第一百二十二頁，共170頁。2．電化學保護陰極保護陰極保護技術是電化學保護技術的一種，其原理是向被腐蝕金屬表面施加一個外加電流，被保護金屬成為陰極，從而使金屬腐蝕發生的電子遷移得到抑制，減弱或避免腐蝕的發生。

以被保護工件為陰極，施以外加電流（陰極極化）；以被保護工件為陰極，用電位更負的金屬與工件相連，成為原電池陽極，陽極被腐蝕溶解以保護工件（犧牲陽極法）。金屬材料腐蝕控制及防護方法1．產品合理設計與正確選材第二章表面工程的基礎理論第一百二十三頁，共170頁。

陽極保護：使腐蝕件的電位正移，在表面形成穩定的鈍態而受到保護。在被保護的合金中加入可鈍化的元素，使表面形成穩定的鈍化膜，如不銹鋼中的Cr。向腐蝕介質中加入陽極性緩蝕劑。不銹鋼中Cr含量與電極電位的關系第二章表面工程的基礎理論第一百二十四頁，共170頁。3．表面覆層及表面處理(1)陽極性金屬涂層：這種涂層可以作為陽極對基體金屬起保護作用。即使涂層局部破壞裸露基材仍可作為陰極而受到涂層保護，如鐵表面鍍鋅。(2)陰極性金屬及非金屬涂層：這類覆層自身耐蝕性、穩定性良好，通過機械屏蔽作用，把金屬和腐蝕環境介質隔離開，如鐵表面鍍鉻。

通過添加特殊的活性物質吸附到金屬表面，使其表面鈍化，從而達到減緩抑制腐蝕過程。4．加入緩蝕劑第二章表面工程的基礎理論第一百二十五頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論2.2材料表面摩擦與磨損基礎摩擦是自然界存在的一種普遍現象，只要有相對運動，就一定有摩擦。然而，有摩擦就必有磨損，由摩擦引起的磨損所造成的巨大經濟損失不容忽視。據不完全統計，世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦，大約80%的機器零件失效是有各種形式的磨損引起的。材料的磨損失效已經成為機械零件三大失效方式（腐蝕、磨損、疲勞）之一。第一百二十六頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論摩擦的定義：兩相互接觸的物體有相對運動或有相對運動趨勢時在接觸處產生阻力的現象。因摩擦而產生的阻力稱為摩擦力，相互摩擦的兩物體稱為摩擦副。摩擦不僅會使材料損耗，而且還會發熱，導致接觸表面瞬時溫度升高，降低工件的機械效率，加重材料損耗，故生產中總是力圖減少摩擦，降低摩擦系數。只有某些情況才需要增大摩擦力，如車輛制動器，摩擦離合器等。第一百二十七頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論摩擦時的名義接觸與實際接觸第一百二十八頁，共170頁。初期磨損穩定磨損材料的磨損時間機械磨損曲線磨損量劇烈磨損第二章表面工程的基礎理論磨損的定義：材料接觸表面在相對運動中由于機械作用、間或伴有化學作用而產生的材料損失或轉移現象。第一百二十九頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論磨損的分類：（1）粘著磨損：又稱咬合磨損，是在滑動摩擦條件下，由于局部的粘著作用，兩相對運動件接觸表面材料從一表面轉移到另一表面的一種磨損。粘著磨損的發生和發展都非常迅速，容易使零件或機器發生突然事故，造成巨大損失。約占磨損失效的15%。表面微凸體—接觸面小—壓應力大—塑性變形—粘著（接觸面潔凈）—粘著點被剪斷—脫落磨屑粘著→剪斷→轉移→再粘著（循環）第一百三十頁，共170頁。

當接觸應力較大時，將引起材料塑性變形和“冷焊”現象。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。粘著點的剪切過程第二章表面工程的基礎理論第一百三十一頁，共170頁。

粘著摩擦力可近似表示為Fr=Aτb式中，A—剪切的微凸體總面積；τb—焊合點的平均抗剪強度因為材料的正壓力FN=Aσs，則摩擦系數μ

最合適的耐磨材料體系應該同時具有高的硬度和低的抗剪強度。第二章表面工程的基礎理論第一百三十二頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論

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，有相變發生。第一百三十三頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論

根據粘著的程度，粘著磨損類型有：

輕微磨損：剪切發生在粘著結合面上，表面轉移的材料極輕微，如缸套—活塞環的正常磨損。

涂抹：剪切發生在軟金屬淺層里面，軟金屬轉移到硬金屬表面上，如重載蝸輪副的蝸桿的磨損。

擦傷：剪切發生在軟金屬表層，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”。

撕脫：剪切發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生咬死的現象。第一百三十四頁，共170頁。圖2－8不同摩擦副條件下摩擦力的大小

減小粘著摩擦最好措施是采用流體潤滑(圖2—8c)第二章表面工程的基礎理論第一百三十五頁，共170頁。

流體潤滑狀態分為：

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“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，微凸體發生接觸，使磨損增加。流體潤滑和邊界潤滑第二章表面工程的基礎理論第一百三十六頁，共170頁。圖2－10潤滑狀態與磨損速率的關系圖2－9潤滑狀態與摩擦系數的關系

不同潤滑狀態對摩擦系數和磨損率的影響（圖2—9，10）。第二章表面工程的基礎理論第一百三十七頁，共170頁。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。

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。第二章表面工程的基礎理論第一百三十八頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論自潤滑復合材料

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。

第一百三十九頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論第一百四十頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論（1）潤滑條件或環境：在真空條件下大多數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和磨損率都高。（4）溫度：溫度升高，磨損加劇。影響固體材料粘著磨損性能的因素第一百四十一頁，共170頁。（2）磨粒磨損：由外界硬質顆粒或硬表面的微凸起在摩擦副對偶表面相對運動過程中引起表面擦傷與表面材料脫落的現象，稱為磨粒磨損。其特征是在摩擦副對偶表面沿滑動方向形成劃痕。第二章表面工程的基礎理論工業領域中，磨粒磨損是最主要的一種磨損類型，約占磨損失效的50%。第一百四十二頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論(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<1.0時，為軟磨粒磨損，此時，磨損速率很低；當Ha/Hm>1.2時，為硬磨粒磨損，繼續增加Ha對磨損速率的影響不大；當1.0<Ha/Hm<1.2時，磨損速率與Ha/Hm成正比，磨損速率很高。磨粒磨損過程的影響因素磨料硬度和材料硬度比值對材料耐磨性的影響規律第一百四十三頁，共170頁。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。3)磨粒形狀：磨粒越尖銳，磨損速率越大。4）磨粒脆性：脆性的磨料磨粒可能碎裂，使磨粒邊緣變得銳利，因而磨損率又可能增高。第二章表面工程的基礎理論第一百四十四頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論(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。第一百四十五頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論(3)材料微觀組織：在同樣硬度條件下，奧氏體、貝氏體的耐磨性優于珠光體和馬氏體。夾雜物和內部缺陷會大大降低耐磨性。(4)工況和環境條件：速度、載荷、磨粒沖擊角、環境濕度、溫度和腐蝕介質等工況和環境條件都會影響到材料的磨粒磨損性能。第一百四十六頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論第一百四十七頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論其它磨損形式1．疲勞磨損當兩個接觸體相對滾動或滑動時，在接觸區形成的循環應力超過材料的疲勞強度的情況下，表面層將引發裂紋，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。第一百四十八頁，共170頁。影響疲勞磨損因素

材料內部夾雜物的存在方式與數量；材料表面粗糙度；材料的硬度；材料組織結構；潤滑狀態和零件工作環境等。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，提高表面硬度，盡量使零件在良好潤滑條件下工作。第一百四十九頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論磨損的分類：（3）磨蝕磨損：摩擦過程中，金屬與周圍介質發生化學或電化學反應而產生的表面損傷。是材料受腐蝕和磨損綜合作用的一種復雜過程。第一百五十頁，共170頁。

摩擦時材料與周圍介質發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量級。第二章表面工程的基礎理論第一百五十一頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論

腐蝕磨損分為：（1）氧化磨損：大多數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，容易磨損，如氧化鐵；第一百五十二頁，共170頁。第二章表面工程的基礎理論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。

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