材料表面复习

一绪论1.材料表面工程的定义：表面工程是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。例子：1汽车轻量化→铝合金→表面耐磨问题突出→表面耐磨涂层；2火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室：需承受2000～3300℃温度和巨大的热焰流冲击；3人造卫星在宇宙中的温度控制：问题：卫星表面受太阳照射的一面温度可达+200℃，没有被太阳照射的一面温度可低到-200℃；4航天飞机外壳了要防热材料和涂层：如美国洛克希德导弹与航天公司了一种LI-900全氧化硅绝热毡特性：（1）重量轻，整个体积的95%都是空的。（2）为防水、耐蚀以主散热，表面加涂了一种碳化硅涂层，该涂层可把90%的入射热反射掉，而剩下10%几乎都被氧化硅毡所隔绝。2.表面工程技术的意义⑴避免和减少经济损失⑵赋予材料表面功能特性(3)提高产品的可靠性、稳定性⑷节约材料、节约能源。3.表面工程技术的目的：①提高材料抵御环境作用的能力；②赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能；③实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等4.表面工程技术的分类①原子沉积②颗粒沉积③整体覆盖④表面改性5.现代表面工程技术的基础是表面科学表面分析技术：表面的原子排列结构、原子类型和电子能态结构等，是揭示表面现象的微观实质和各种动力学过程的必要手段。表面、界面物理:研究任何两“相”之间的界面上发生的物理过程的科学。表面、界面化学:研究任何两“相”之间的界面上发生的化学过程的科学。二固体表面表面、晶界、相界：1.表面——固体材料与气体或液体的分界面。2.晶界（或亚晶界）——多晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。3.相界——固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。三种表面：1.理想表面理想表面结构是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。这里：忽略了晶体内部周期性热场在晶体中断的影响；忽略了表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象；忽略了表面外界环境的作用等。2.清洁表面经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后，保持在10－6Pa－10－9Pa超高真空下，外来沾污非常少的表面。3.实际表面暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。清洁表面结构按照热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态：自行调整；→原子排列情况与材料内部明显不同依靠表面成分偏析，表面对外来原子或分子的吸附，以及两者的相互作用而趋向稳定态，→表面组分与材料内部不同。固体的实际表面表面偏聚：合金的表面成分不同于合金的整体平均成分。这种现象称为表面偏聚。表面偏聚：（1）溶质原子在表面偏聚（正偏聚）（2）表面溶质原子减少（副偏聚吸附现象物理吸附：任何气体在其临界温度以下，都会在其和固体表面之间的范德华力作用下，被固体吸附。但两者之间没有电子转移，化学吸附：气体和固体之间发生了电子的转移，二者产生了化学键力，其作用力和化合物中原子之间形成化学键的力相似，较范德华力大的多。但并不是任何气体在任何表面上都可以发生化学吸附。四摩擦摩擦的定义：两个相互接触物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力，这一阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦。外摩擦：摩擦仅与两物体接触部分的表面相互作用有关，而与物体内部状态无关。内摩擦：阻碍同一物体各部分之间相对移动的摩擦。影响摩擦的因素1.材料性能：弹性模量，晶粒尺寸，强度和硬度等2.接点长大：摩擦系数增加3.摩擦环境：载荷，速度，温度，表面膜等。磨损的定义和分类磨损：物体相对运动时，相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形称为磨损。分类：1粘着磨损：当摩擦面发生相对滑动时，由于固相焊合作用产生粘着点，该点在剪切力作用下变形以致断裂，使材料从一个表面迁移到另一个表面造成的磨损。2磨料磨损：由于一个表面硬的凸起部分和另一个表面接触，或者在两个摩擦面之间存在着硬的颗粒，或者这些颗粒嵌入两个摩擦面中的一个面里，在发生相对运动后，使两个表面中的某一个面的材料发生位移而造成的磨损。3表面疲劳磨损：在滚动接触过程中，由于交变接触应力的作用而产生表面接触疲劳，使材料表面出现麻点或脱落的现象。4腐蚀磨损：摩擦表面与周围介质发生化学反应而生成腐蚀产物，进一步摩擦后这些腐蚀产物会被磨去，如此重复所造成的材料损伤称为腐蚀磨损。影响固体材料耐磨性的因素：1硬度：一般认为硬度越高，耐磨性越好。2晶体结构和晶体互溶性：密排六方结构具有低磨擦系数，磨损率也低；冶金上互溶性差的一对金属摩擦副可获得低摩擦系数和低磨损率。3温度：温度越高，硬度下降，且互溶性增强，摩擦加剧；温度升高导致氧化速度加剧也可影响磨损性能。4环境：①真空条件，磨损严重②加润滑剂，可有效减小磨损。五腐蚀金属腐蚀：金属与环境组分发生化学反应而引起的表面破坏称为金属腐蚀.原因：金属腐蚀发生的根本原因是其热力学上的不稳定性造成的，即金属及其本身较其它某些化合物（如氧化物，氢氧化物，盐等）原子处于自由能较高的状态，这种倾向在条件（动力学因素）具备时，就会发生金属单质向化合物的转化，即发生腐蚀。分类按形态分1全面腐蚀（均匀腐蚀）：腐蚀分部在整个金属表面上（包括较均匀的和不均匀的）。在全面腐蚀过程中，进行金属阳极溶解反应和物质还原反应的区域都很小（甚至是超显微的），阴阳极区域的位置不固定，在腐蚀过程中随机变化，结果使腐蚀分布非常均匀，危害也相对小些。2局部腐蚀（非均匀腐蚀）：腐蚀局限在金属的某一部位。在局部腐蚀过程中，阴极区域和阳极区域是分开的，通常阴极区面积相对较大，阳极区面积很小，结果使腐蚀高度集中在局部位置上，腐蚀强度大，其危害性比均匀腐蚀大得多（如在化工设备的腐蚀损害中，70％是局部腐蚀造成的）。局部腐蚀包括（11种）：①点蚀：在点或孔穴类的小面积上的腐蚀叫点蚀。这是一种高度局部的腐蚀形态，孔有大有小，一般孔表面直径等于或小于它的深度，小而深的孔可能使金属板穿孔；孔蚀通常发生在表面有钝化膜或有保护膜的金属（如不锈钢﹑钛等）。②缝隙腐蚀：金属表面由于存在异物或结构上的原因而形成缝隙（如焊缝、铆缝﹑垫片或沉积物下面等），缝隙的存在使得缝隙内的溶液中与腐蚀有关的物质迁移困难，由此而引起的缝隙内金属的腐蚀，称为缝隙腐蚀。③晶间腐蚀：沿着合金晶界区发展的腐蚀叫晶间腐蚀。腐蚀由表面沿晶界深入内部，外表看不出迹象，但用金相显微镜观察可看出晶界呈现网状腐蚀.④丝状腐蚀：涂有透明清漆或油漆膜的金属暴露在潮湿的大气中时，金属表面由于漆膜能渗透水分和空气而发生腐蚀.腐蚀产物呈丝状纤维网样，这种腐蚀称丝状腐蚀。其产生原因是潮湿大气的作用，其机理为氧的浓差电池作用.⑤应力腐蚀开裂：金属和合金在腐蚀与拉应力的同时作用下产生的破裂，称为应力腐蚀开裂。⑥电偶腐蚀：当两种金属浸在腐蚀性溶液中，由于两种金属之间存在电位差，如相互接触，就构成腐蚀电偶。较活泼的金属成为阳极溶解，不活泼金属（耐腐蚀性较高的金属）则为阴极，腐蚀很小或完全不腐蚀。这种腐蚀称为电偶腐蚀，或接触腐蚀，亦称为双金属腐蚀。⑦氢脆：金属由于吸收了原子氢而使其性质变脆的现象叫氢脆.如钢中的Bi﹑Pb﹑S﹑As都能促进氢脆。⑧腐蚀疲劳：交变应力和腐蚀介质的同时作用下，金属的疲劳强度和疲劳寿命较无腐蚀作用时有所降低，这种现象叫腐蚀疲劳.任何金属在任何介质中都有可能发生腐蚀疲劳，不要求特定的材料与介质组合.⑨冲刷腐蚀（磨损腐蚀）：当溶液流动时，溶液中含有能起研磨作用的固体颗粒破坏了金属表面的保护膜，使保护膜被除掉的地方发生腐蚀。其破坏形貌可以是局部的，也可以是均匀的。⑩湍流腐蚀（冲击腐蚀）：流速较快的溶液由于金属器件或管道的几何形状突然变化而冲击金属表面产生湍流，使金属发生破坏。⑾气蚀（空泡腐蚀）：当金属与液体的相对运动速度增大时，金属表面的某些局部液体压力下降到常温液体蒸气压以下时，发生“沸腾”而产生气泡，当气泡破裂时产生的冲击力使材料呈蜂窝状损伤，这种破坏叫气蚀。这气泡破裂时产生的冲击波压力可高达4000大气压，可使金属保护膜破坏，并能引起塑性形变，甚至可将金属粒子撕裂.2金属的钝化：定义：一些较活泼的金属，在某些特定的环境介质中，变为惰性状态。铁在浓硝酸中或经过浓硝酸处理后失去了原来的化学活性，这一异常现象称为钝化。可钝化金属的典型阳极极化曲线示意图自钝化没有任何外加极化的情况下，由于腐蚀介质的氧化剂(去极化剂)的还原引起的金属的钝化，称为金属的自钝化。要实现金属的自钝化，必须满足下列两个条件。(1)氧化剂的氧化—还原平衡电位E0，C要高于该金属的致钝电位EPP，即E0，CEPP；(2)在致钝电位EPP下，氧化剂阴极还原反应的电流密度iC必须大于该金属的致钝电流密度iPP，即在EPP下iCiPP。金属的钝化理论1.成相膜理论这种理论认为，当金属阳极溶解时，可以在金属表面生成一层致密的、覆盖得很好的固体产物薄膜。这层产物膜构成独立的固相膜层，把金属表面与介质隔离开来，阻碍阳极过程的进行，导致金属溶解速度大大降低，使金属转入钝态。2吸附理论吸附理论认为：金属钝化是由于表面生成氧或含氧粒子的吸附层，改变了金属／溶液界面的结构，并使阳极反应的活化能显著提高的缘故。即由于这些粒子的吸附，使金属表面的反应能力降低了，因而发生了钝化。两种理论的比较这两种钝化理论都能较好地解释大部分实验事实，然而无论哪一种理论都不能较全面、完整地解释各种钝化机理。这两种理论的相同之处是都认为由于在金属表面生成一层极薄的钝化膜阻碍了金属的溶解。吸附理论认为，只要形成单分子层的二维膜就能导致金属产生钝化，而成相膜理论认为，要使金属得到保护、不溶解，至少要形成几个分子层厚的三维膜，而最初形成的单分子吸附膜只能轻微降低金属的溶解，增厚的成相膜才能达到完全钝化。此外，两个理论的差异，还有吸附键和化学键之争。事实上金属在钝化过程中，在不同的条件下，吸附膜和成相膜可分别起主要作用。六电镀电镀的定义：电镀是将直流电通入具有一定组成的电解质溶液中，在电极和溶液之间的界面上发生电化学反应，进而在金属或非金属制品的表面上形成符合要求、致密均匀的金属层的过程。•基本原理，电极过程，以CuSO4为例介绍反应过程阳极：溶解，提供正离子Cu→Cu2++2e阴极：提供电子析出，形成镀层Cu2++2e→Cu电镀液的成分：1主盐2导电盐3络合剂4缓冲剂5添加剂电沉积基本过程：（1）金属的水化离子或络合离子从溶液内部向阴极表面传递－液相传质步骤（2）金属水化离子或络合离子在阴极表面上得到电子并发生还原反应生成金属原子－电化学步骤（3）反应产物生成新相－电结晶步骤5.1.3电刷镀电刷镀的基本原理电刷镀又叫选择电镀、无槽镀、涂镀、笔镀、擦镀等。它是电镀的一种特殊方式，不用渡槽，只需在不断供电解液的条件下，用一支镀笔在工件表面上进行擦拭，即可获得电镀层。电刷镀也是一种金属电沉积的过程，基本原理与电镀相同。与单金属镀层相比，合金镀层有如下主要特点：1能获得单一金属所没有的特殊物理性能，如导磁性、减磨性、钎焊性。2合金镀层结晶更细致，镀层更平整，光亮。3可以获得非晶结构镀层。4合金镀层可具备比组成他们的单金属层更耐磨、耐蚀，更耐高温，并有更高硬度和强度，但延展性和韧性通常有所降低。5不能从水溶液中单独电镀的W,Mo,Ti,V等金属可与铁族元素（Fe,Co,Ni）共沉积形成合金。6能获得单一金属得不到的外观。通过成分设计和工艺控制，可得到不同色调的合金镀层，具有更好的装饰效果。5.2化学镀化学镀在表面处理技术中占有重要的地位。化学镀是利用合适的还原剂使溶液中的金属离子有选择地在经催化剂活化的表面上还原析出成金属镀层的一种化学处理方法。可用下式表示：Me2++2e(由还原剂提供)---Me•化学镀与电镀比较，具有如下优点：①镀