材料表面工程基础

《材料表面工程基础》课后习题目录及答案1.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展?2.表面工程技术的目的和作用是什么?3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科?4.为什么会造成表面原子的重组？5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？7.热喷涂技术有什么特点？8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？12.镀层如何分类？怎样选择使用？13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。14.电镀的基本原理？15.共沉积合金的相特点有几种类型？16.电刷镀的原理及特点是什么？17.什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。18.与电镀相比，化学镀有何特点？19.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？20.形成热浸镀层应满足什么条件？21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。22.热镀铝的优缺点怎样？23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。26.喷丸强化技术原理、特点、应用范围。27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。28.工件感应加热淬火的工艺流程。29.各种表面淬火的特点和应用范围。30.什么是表面工程？表面工程技术的作用是什么？31.金属离子电沉积的热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么？32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂的特点。33.热喷涂的涂层结构特点是什么？其涂层与基体的结合机理是什么？一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么？34.化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一？你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议？36.材料表面耐腐蚀的技术有哪些？我国规定煤矿系统的井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必须要进行钢结构长效防腐处理。一般的寿命要求30～50年。请对该项要求进行设计：所需要的材料涂层体系、工艺、涂层厚度等。37.材料表面的耐磨损技术有哪些？试简述分析各自的技术特点和适用范围。38.提高零件表面表面耐蚀性能的涂层技术主要有哪些？试简述分析各自的技术特点和适用范围。39.热喷涂有哪些主要的喷涂工艺？各有什么技术特点？热喷涂工艺选用的基本原则是什么？40.举例说明对于耐腐蚀、耐磨损、耐高温、绝缘导电以及可磨损涂层的各种情况下的选用工艺和材料？1．材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展?1.工业发展对机电产品提出更高要求(高温、高压、高速、重载以及腐蚀介质等恶劣工况下可靠地工作)。2.相关科技的发展为表面工程注入活力、提供支撑:如高分子材料和纳米材料的发展,激光束、离子束、电子束三种高能量密度热源的实用化等。3.表面工程适合我国国情,能大量节约能源、资源,体现了科技尽快转化为生产力的要求,符合可持续发展战略。1）社会生产、生活的需要2）通过表面处理大幅度提高产品质量3）节约贵重材料4）实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题5）良好的节能、节材效果6）促进了新兴工业的发展2．表面工程技术的目的和作用是什么?表面工程技术的主要目的：就是在于通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改变。具体说：表面工程技术是在不改变基体材料的成分、不削弱基体材料的强度的条件下，通过物理手段或化学手段赋予材料表面以特殊的性能，从而满足工程技术上对材料提出的要求的技术。表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种作用：提高材料或零件的耐蚀性、抗高温氧化性及提高抗浸蚀能力；提高耐摩擦磨损、磨蚀、粘结、咬合、冲刷、减磨及润滑的能力；提高耐热、导热、隔热、吸热、与热反射的作用；赋予材料特定的物理特性，赋予材料特定的化学特性，赋予制件表面装饰特性，鲜艳的色彩及图文；非金属表面金属化、光化及抗老化；提高材料制件表面完整性、光洁度、提高抗疲劳和抗腐蚀疲劳的能力；3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科?材料表面工程是一门很新的边缘学科，它不但涉及到诸如：表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论，而且其本身也溶入了诸多学科的新技术。4.为什么会造成表面原子的重组？处于界面上的原子除受到来自内部自身原子的作用力外，还受到外部介质分子(或原子）的作用力。显然其力是不平衡的，若外部为真空更是如此。这使得表面原子偏离正常的平衡位置，从而牵动着附近的几层原子，造成表层产生畸变，表面的各种缺陷更加重了这种畸变。这样就使表层原子的能量比内部的要高很多。比较大的表面能有剩余吸引力，必然有通过原子迁移或吸附外来物质以调整结构向低能态演变的趋势，以晶态物质、表面有众多微孔和巨大表面积以及活性大的物质尤甚。处于界面上的原子其原子结构与内部的也存在区别，表面原子周围的电子无论是能量或是空间分布都不同于内部原子，这就在很大程度上决定了材料表面的化学特性。5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？实际表面：一是所谓“内表面层”，它包括基体材料和加工硬化层；另一部分是所谓“外表面层”，它包括吸附层、氧化层等。清洁表面：清洁表面是经过特殊处理（即保证组成上的确定性）后，保持在超高真空下的表面（即保证表面不随时间而改变）理想表面：是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？1、基体表面平整：磨光滚光抛光刷光振动磨光2、基体表面清洁：除油（有机溶剂除油化学除油电化学除油超声除油）除锈除锈除油联合处理3、基体表面抛光处理：化学抛光电化学抛光4、基体表面喷砂与喷丸处理：喷砂喷丸7.热喷涂技术有什么特点？⑴涂层的基体材料几乎不受限制⑵涂层材料的种类选择范围广泛⑶喷涂施工对象的尺寸大小和形状不受限制⑷母材性能不变化⑸涂层厚度可在较大范围内变化⑹可喷涂成形⑺节能高效，但涂层面积小时经济性差⑻环保性好，对环境污染小8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？喷涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构。颗粒与颗粒之间存在一定量的空隙和孔洞。其孔隙率一般在1~15%之间。涂层中还伴有氧化物和夹杂。从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段：1）喷涂材料被加热(heating)、熔化(melting)；2）熔化的喷涂材料被雾化(atomizing)；3）熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行(accelerated)；4）粒子在基体表面发生碰撞、变形、凝固和堆积(impacting&flatten)。9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。涂层与基体的结合强度称为结合力；涂层内部的结合强度称为内聚力。涂层中颗粒与基体表面之间的结合以及颗粒之间的结合机理目前尚无定论：1）机械结合——抛锚效应2）扩散-冶金结合3）化学－物理结合-----范德华力等10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？火焰喷涂火焰喷涂技术的基本特点是：①一般金属、非金属基体均可喷涂，对基体的形状和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能喷涂；②涂层材料广泛，金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料，可使表面具有各种性能，如耐腐蚀、耐磨；耐高温、隔热等：③涂层的多孔性组织有储油润滑和减摩性能，含有硬质相的喷涂层宏观硬度可达450HB，喷焊层可达65HRC；④火焰喷涂对基体影响小，基体表面受热温度为200～250℃，整体温度约70℃～80℃，故基体变形小，材料组织不发生变化。火焰喷涂技术的缺点：①喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷；②基体表面制备要求高；③火焰喷涂工艺受多种条件影响，涂层质量尚无有效检测方法。丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、粉末火焰喷焊、棒材火焰喷涂、超音速火焰喷涂（HVOF）爆炸喷涂、普通、高速、超音速丝材电弧喷涂、真空电弧喷涂、惰性气氛电弧喷涂、高频喷涂、线材电爆喷涂大气等离子喷涂、低压真空等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂、水稳等离子喷涂、超音速等离子喷涂激光喷涂------激光喷涂、激光喷焊电弧喷涂的特点(1)热效率高(2)生产率高(3)喷涂成本低(4)涂层结合强度高(5)可方便地制备伪合金涂层等离子喷涂：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？（1）根据热喷涂材料的不同形状，可以分为丝材、棒材、软线和粉末四类（2）根据喷涂材料的成分，可以分为金属、合金、陶瓷和塑料喷涂材料四大类（3）根据喷涂材料的性质以及获得的涂层性能，可以分为隔热材料，抗高温氧化材料，耐磨材料，耐腐蚀材料，自润滑减磨材料，导电、绝缘材料，黏结底层材料和功能材料八类轧钢辊767起落架轴汽车气缸表面等离子喷涂陶瓷生物人造骨关节航空发动机有3000多处需要热喷涂表面长效防护火箭发射燃烧筒热障涂层造纸辊水轮机叶片汽轮机高度集成化和操作简单化(智能傻瓜型)节能、高效（喷涂速率和沉积效率）新型涂层材料的开发(非晶态、准晶态、纳米材料和金属间化合物)清洁生产非晶态涂层准晶态涂层纳米涂层金属间化合物涂层超混杂涂层(金属、聚合物、陶瓷层间交替)其它12.镀层如何分类？怎样选择使用？1）按使用性能可分为：①防护性镀层②防护-装饰性镀层③装饰性镀层④耐磨和减磨镀层⑤电性能镀层⑥磁性能镀层⑦可焊性镀层⑧耐热镀层⑨修复用镀层2）按镀层与基体金属之间的电化学性质可分为：阳极性镀层和阴极性镀层3）按镀层的组合形式，可分为：单层镀层和复合镀层4）按镀层成分分类，可分为：单一金属镀层、合金镀层及复合镀层选择使用：首先要了解镀层是否具有所要求的使用性能，然后按照零件的服役条件及使用性能要求，选用适当的镀层，还要按基材的种类和性质，选用相匹配的镀层；另外要依据零件加工工艺选用适当的镀层；此外，要考虑镀覆工艺的经济性。13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。1）．传质步骤：液相中的反应粒子（金属水化离子或配合离子）向阴极表面传递的步骤，有电迁移、扩散及对流三种不同方式。2）．前置化学步骤：研究表明，直接参加阴极电化学还原反应的金属离子往往不是金属离子在电解液中的主要存在形式。在还原之前，离子在阴极附近或表面发生化学转化，然后才能放电还原为金属。3）．电荷转移步骤：反应粒子在阴极表面得到电子形成吸附原子或吸附离子的过程称为电荷转移步骤，又称为电化学步骤，这里主要发生电荷从阴极表面转移到反应粒子的过程，这是电沉积过程的重要步骤。4）．结晶步骤:吸附原子通过表面扩散到达生长点而进入晶格，或吸附原子相互碰撞形成新的晶核并长大成晶体。14.电镀的基本原理？是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法15.共沉积合金的相特点有几种类型？（1）两种金属中至少有一种金属能从其盐的水溶液中沉积出来。有些金属（如W,Mo等）不能从其盐的水溶液中沉积出来，但可以借助诱导沉积与铁族金属共沉积。（2）共沉积的两金属的沉积电位须十分接近。如果相差太大，则电位较正的金属将优先镀出来，甚至完全排斥电位较负金属的析出，这样就不能形成合金镀层。16.电刷镀的原理及特点是什么？原理：直流电源的正极通过导线与镀笔相联，负极通过导线和工件相联，当电流方向由镀笔流向工件时为正向电流，正向电流接通时发生电沉积；电流方向从工件流向镀笔时为反向电流，反向电流接通时工件表面发生溶解。特点：①设备工艺简单，操作方便，不需要大的渡槽设备。②镀层种类多，与基体结合力强，力学性能好③沉积速度快，生产效率高④刷镀液不含氰化物和剧毒