材料表面工程教案

1材料表面工程教案李远睿编写重庆大学材料科学与工程学院2005年4月前言Foreword金属材料表面工程学科是涉及范围较广的学科。总的目的是：在保证材料整体强度水平不降低的基础上设法应用不同的现代技术手段赋予材料表面各种所需要的性能。本课程在介绍了金属表面的有关基础知识后，结合国内外最新的资料和信息及老师的科研实践，分别讲解：表面准备、表面冷塑性变性强化、表面覆层强化，高能量密度表面强化与改性、表面淬火强化，化学热处理表面强化及表面特殊涂覆处理和表面复合处理技术等内容。由于在热处理工艺学中学习了表面淬火强化和化学热处理等方面的内容，则在本课程中不再详细讨论了。一综述：1．金属材料表面工程学的地位。金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械,设备和工程构件的主要材料。国内机械行业曾对114个大型企业耗用材料的统计资料表明：钢铁材料占93.13%；有色金属占1.85%；非金属材料占5.2%。目前存在的主要问题是：材料消耗多、利用率低、质量欠稳定、制成的零部件或工程结构失效较早等。2．机械零件失效的主要形式：a塑性变形。原因是材料强度不足或过载使用；b断裂。有韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂三种类型；c磨损。按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损四类，各类磨损又可以细分为更具体的一些形式。d腐蚀。在环境及周围介质作用下，对金属材料及零件的腐蚀。2在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占80%以上。由现代理化手段分析后证实：失效通常是从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。故研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。二表面强化技术的分类及概况。1．分类。通常按表面强化技术的性质分类，可以分为：a化学热处理表面强化；b表面淬火强化；c表面覆层（化成处理覆层、覆衬、CVP、PVD薄膜和热浸渗）强化及装饰；d表面冷塑性变形强化；e表面复合强化；f表面高能量密度改性与强化。2．各类表面强化的概况。a化学热处理表面强化。即用渗入原子在材料表层内扩散而形成人工内污染层，以改变表层的化学成分为先决条件，再进行不同处理后赋与表面和内部不同的组织，从而具有不同性能的表面强化方法。例如：钢的渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、热浸渗和渗金属等等。b表面淬火。不改变材料的化学成分，只是因表层相变而产生的强化方法称为表面淬火。例如：高频、中频和表面感应加热淬火、火焰加热表面淬火、电子束、激光（Laser）束加热表面淬火等。c表面冷塑性变形强化。在金属材料的再结晶温度之下，使其表层发生冷塑性变形后达到表层加工硬化，弥补其表面轻微脱碳和细小缺陷并形成表层残余压应力的强化方法称为表面冷塑性变形强化。其显著作用就是提高金属材料及其制品的高周疲劳寿命，且材料本身强度愈高，其表面强化效果愈显著。表面冷塑性变形强化的方法有：表面滚压、内孔挤压和表层喷丸强化。其中，喷丸强化用得最普遍。d表面覆层强化及装饰。使金属表面获得特殊的覆盖层，以提高其耐磨、耐蚀、抗疲劳及装饰等目的工艺方法都称为表面覆层强化及装饰。它分为：表面镀膜，化成处理和表面覆衬。表面镀膜主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和分子外延技术等；化成处理主要有：化学镀、电镀、发蓝、发黑、磷化和铝的阳极氧化等；表面覆层主要为热喷涂、热堆焊覆层（衬）和用玻璃和地沥清等覆衬于其表面，以达到耐热、耐蚀、防滑、修复尺寸和防腐等目的。e高能量密度表面强化。以极高密度的能量作用于金属表面使其发生物理、化学变化，达到强化或表面改性的目的称为高能量密度表面强化。特点是：方法简单、时间短、变形小、高效率等，但设备复杂，造价高。采用：电子束、激光束、太阳能和高频冲击表面感应加热等。能量密度：以电子束和激光束提供的能量密度最高，可达到：3108~109W/cm2。火焰和高频加热的能量密度为102~103W/cm2。Laser被美国和过俄罗斯首先用于工业处理上,我国上海光机所于90年代曾用于齿轮的齿面淬火。f表面复合处理。将两种或两种以上的表面处理(或强化)工艺用于同一工件的表面强化的方法称为表面复合处理。目的：发挥各自的优点,更大限度地提高金属的表面性能。例如：热浸镀铝+热扩散,使镀层结合牢固;渗碳热处理+喷丸;感应加热淬火+喷丸等。三表面工程与技术的发展方向1．特点。使金属材料基体强度不变的前题条件下，设法使其表面具有各种优异的特殊性能。例如：高硬度、高耐磨性、耐蚀、抗疲劳（接触、高周、腐蚀疲劳等）特殊的物理和化学性能（反光、吸收电磁波、发光、电导、电绝缘性能和生物相容性涂层等）。此外，还有装饰作用。2．发展。以化学热处理为例，采用微机配以先进的传感元件进行碳、氮势控制；运用可控气氛实现少无氧化加热等。以表面许需要的特有性能为例：船甲板的防滑处理等；以特殊的物理性能为例，发光涂层，吸收电磁波的涂层生物容性涂层等。3．教育部曾以征求意见的形式下达文件，建议将《表面强化处理和热处理》作为培养材料学科的硕士研究生的八大专业课题之一。自1992年以后，国际上将材料热处理大会改为材料及表面工程大会。四涉及学科：在学完材料科学基础、热处理原理及工艺、工程材料、大学物理、化学和物理化学等课程之后，学习表面工程与技术。思考题11．机械零件、工模具和工程构件失效的主要形式有哪些？研究并开发表面工程与技术有何意义？有塑性变形，断裂、磨损和腐蚀四种失效形式。后三种占80%以上，现代理化手段分析表明，后三种失效均是从金属材料的表面开始的。因此，提高其表面质量，研究表面处理方法等有重大的意义。2．金属材料表面处理有哪六类基本的方法？各自的主要特点是什么？有化学热处理表面强化，表面冷塑性变形强化，表面覆层，表面淬火强化，高能量密度表面强化与改性和表面复合强化等6种。各自的特点是：（略）。CHAPTERONE金属的表面（THESURFACEOFMETALS）4HH金属的表面直接承受各种负载，被磨损，并与介质作用，往往承受的应力最大，且表面原子间受力不是三维对称的，故其成分、组织和性能与内部迥然不同。因而，认识金属的表面对于强化它十分重要。§1—1金属的界面和表面一界面1．定义。界面是一种二维的结构缺陷。在所论的体系中，结构和成分不同的区域间，或结构和成分均相同，但取向不同的两晶粒间的交界面称为界面。前者称相界而后者称为晶界。2．金属及合金的界面种类。分外表面和内外表面两大类。外表面即金属与合金和周维环境间的过渡区；内表面有：晶界、相界、亚晶界、孪晶界、层错界及胞壁界等。二金属的表面1．定义。金属或合金与周维环境（气相、液相和真空）间的过渡区称为金属的表面。因环境不同，过渡区的组成和深度不同。2．三种情况的金属表面。a纯净表面。大块晶体的三维周期结构与真空间的过渡区域称为纯净表面。它包括所有不具有体内三维周期性的原子层，常为一个到几个原子层厚，约5~10Å。b清洁表面。不存在有表面化合物，仅有气体和洗涤物的残留吸附层的金属表面称为清洁表面，清洁表面又称为工业纯净表面。表面处理及强化时通常均要求金属表面先成为清洁表面，如：电镀、发蓝、磷化、喷涂、热浸渗和气相沉积等。c污染表面。表面存在金属以外的物质。由于清洁表面会与环境中的空气、水、油、酸、碱、盐等作用，会很快形成如下常见类型的污染表面：(1)氧化物层。即金属与氧化性气体间的过渡区（层），表示为：—M—M—MxOy-—O2—O—O2—O2。(2)氢氧化物层。即金属与水之间的过渡区（层），表示为—M—M—MX（OH）Y-OH—H2O—H2O。(3)水吸附层。即金属吸附水的过渡层，表示为：—M—OH…O(4)有机物污染层。高（低）分子有机物与金属表面形成强或弱的结合过渡层。(5)无机物污染层。Cl2、S等无机物被吸附于金属表面并生成的腐蚀层。(6)内污染层（人工污染层）。C、N、S、B及异类金属原子等渗入金属的表层而形成的渗入型污染层称为内污染层，但内污染发生后金属表面仍具有金属光泽。3．表面净化。5a定义。将污染表面制备成纯净表面或清洁表面的过程称为表面净化。b纯净表面的净化方法。（1）条件：需要去除金属的表面化合物和表面的吸附层；（2）防止二次污染：这是十分困难的，必须在高真空条件下进行。具体做法是：1）离子溅射法。将有清洁表面的金属置于压力为133.32X10-9Pa的高真空环境内，用氩离子进行轰击溅射；为防止二次污染，减少因轰击造成的表面损伤，氩气的压力在133.32X10-3Pa以下，离子加速电压为200~500V；轰击后在真空退火时为了避免杂质向表面聚集，应当采取离子溅射与真空退火交替进行。离子溅射法还用于对金属进行逐层剥离，从而可以对一定深度的表面层进行逐层研究。此法还可以直接用于离子镀渗，离子渗氮及离子注入等表面技术领域中。2）真空退火法。将金属表面净化到清洁表面程度后，再进行真空退火，亦可以得到纯净表面。3）真空臂分法。对具有容易分开的晶面的单晶体物质，可以在高真空下用臂分的分法得到纯净的金属表面，但臂分法不实用于金属。这是因为金属键结合牢固，难以用臂分的方法将其打开的原故。c清洁表面（工业纯净表面）的净化方法。远较制备纯净表面容易，可采用磨削、酸洗、喷砂和用氢还原等方法除去金属表面的氧化物，用脱脂洗涤剂进行脱脂清洗等。由于是在空气中进行，往往拌有吸附和二次污染等。有清洁表面的金属用于电镀、表面氧化、磷化、上漆等工艺是有良好效果的。d不同表面的区分。以上所讲的三种表面是污染层程度不相同的表面，是相对的，可采用低能电子衍射法加以区别，如图1.1示。纯净表面清洁表面污染表面图1.1三种表面的低能电子衍射图e表面净化的目的。（1）研究金属表面的结构、成分及性能；（2）强化表面或对表面进行其它各种处理时往往要先进行表面净化。f表面污染技术。指化学热处理的内污染技术和表面层的外污染技术两大类。4．表面及表面层。6a极表面。表面的单原子层或单分子层称为极表面。极表面的成分、组织和能量状态均与内部有很大的差异；极表面直接与环境接触并相互作用，故对表面强化工艺、物理化学性能和力学性能的影响极大。b表面层。表面以下数毫米或数微米的区域属于表面层。此范围的成分、组织及性能亦不同于内部：冷加工后的金属表面有一层塑变层，存在残余压应力，会发生回复再结晶等；合金表层有成分偏析；表面处理后的金属有渗层、镀层、覆层、氧化层及塑变层等。通常，从实用角度测定表面层的厚度。§1—2表面自由能与表面张力（SurfaceFreeEnergyandSurfaceTensron）固体和液体的表面均处于空间三向不对称状态，故存在表面自由能和表面张力。正是如此，对其表面性能影响极大，应予以充分重视。一液体的表面自由能及表面张力。1液体的表面自由能。a产生原因。液体（含液体金属）的表面原子受到向内的力的作用，欲使其内部原子转变为表面原子，即增大表面积，就必须做功，从而形成表面能。b定义。增大表面积所需要的能量就是表面自由能。2表面张力。a产生原因。处于表面的原子在向内的拉力作用下，有进入液体内部的趋势，即缩小表面积的趋势，从而产生表面张力。b定义。液体表面切线方向上存在的使其表面积缩小的力称为表面张力。3．表面自由能与表面张力。a实验。如图1.2在无摩擦的活动边AB的铁丝框上涂满肥皂沫，为使膜不收缩，应在活动边上加外力F。试验证明：施加的外力F与活动边边长L成正比，即F=2σL。所以：σ=F/2L（1—1）xLFABσσσ7图1.2液体的表面张力比例常数б即为表面张力(或张力系数),乘以2是因为液膜有两个表面。表面张力的方向与液面相切，且力图使表面积缩小，其单位为：N/M；or：MN/M。b.表面自由能。若使图1.2的活动边ab移动dx的距离，距表面自由能的定义，表面自由能与液膜面积的变化关系为：G=F∙dx=2бL∙dx（1—2）称单位面积的表面自由能为比表面自由能，为：FS=G/S=2бL∙dx/2L∙dx=б（1—3）因此，液体的比表面自由能fS与表面张力б在数值上是相等的，比表面自由能单位为：J/M2or：MJ/M2。实际上，1J/M2=1N∙M/M2=N/M，故二者是有联系的。但一个是单位