01固体表面特性

2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西1第一章固体表面特性§1.1固体表面结构§1.2固体表面吸附§1.3固体表面几何特性的表述§1.4金属表面的接触2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西2§1.1固体表面结构一、固体表面结构二、固体表面吸附三、固体表面几何特性及其表述第一章固体表面特性Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西3一、固体的表面结构固体：晶体、非晶体。从固体物理学的角度看，结晶固体的表面是晶体中原子周期性排列发生大面积突然中止的地方。在很多方面与周期性排列的内部原子有差别：结构上会出现重新调整和改变。结果会使结晶学性质及能量发生变化；表面原子会与环境(介质)发生相互作用，产生物理吸附、化学吸附或化学反应。§1固体的表面结构Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西4金属表面的实际构成一、固体的表面结构§1固体的表面结构Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西5一、固体的表面结构不同晶面作表面时，断键数目不同，因而表面能不同。即在单晶体中，表面能各向异性。§1固体的表面结构表1-1不同晶面的表面能（10-7J/cm2）面心立方体心立方面Au、Ag、Cu、Ni面W1200KTa1400K（111）1.00（110）1.001.00（100）1.047（100）1.0221.050（311）1.119（211）1.0191.068（110）1.15（111）1.0251.083（210）1.16（310）1.0251.065（410）1.0381.070Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西6表面偏聚表面成分不同于合金的整体平均成分的现象叫做表面偏聚。一是溶质原子在表面富集(表面偏聚多指这种情况)；二是表面溶质原子减少(也称此为反偏聚)。§1固体的表面结构Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西7二、固体表面吸附晶体表面原子或分子的力场不饱和，清洁的固体表面处于不稳定的高能状态。如果某种物质能与表面作用，降低其表面能，则这种物质就将吸附于固体表面，这是发生表面吸附的热力学依据。吸附是固体表面最重要的性质之一。固体表面上气体的吸附固体表面上液体的吸附固体表面之间的吸附固体表面化学反应——氮化膜的形成§2固体的表面吸附Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西8§2固体的表面吸附化学热处理的基本过程：加热—将工件加热到一定温度使之有利于吸收渗入元素活性原子；分解—由化合物分解或离子转变而得到渗入元素活性原子；吸附—活性原子被吸附并溶入工件表面形成固溶体或化合物；扩散—渗入原子在一定温度下，由表层向内部扩散形成一定深度的扩散层。固体表面化学反应——氮化膜的形成Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西9比较项目物理吸附化学吸附吸附热接近液化热1～40KJ/mol接近反应热40～400KJ/mol吸附力范德华力，弱化学键，强吸附层单或多分子层单分子层吸附选择性无有吸附速率快慢吸附活化能不需要需要，较高吸附温度低温较高温度可逆性可逆（脱附）不可逆吸附层结构同吸附分子机构形成新的化合物物理吸附与化学吸附的区别二、固体表面吸附§2固体的表面吸附Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西10表面张力图1-38表面张力与接触角的关系二、固体表面吸附§2固体的表面吸附Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西11材料表面润湿现象（润湿理论的应用）润湿＜90°不润湿＞90°二、固体表面吸附§2固体的表面吸附Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西12二、固体表面吸附晶体晶界、位错、台阶等部位能量高，氧化也就往往从此处开始，然后逐渐向周围区域扩散，直到将表面覆盖。另外，由于表面上各部位能量不同，形成氧化物的厚度也不相同。§2固体的表面吸附图1-20金属镍表面上“氧化物岛”形成示意图2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西13第一章固体表面特性§1.3固体表面几何特性的表述1．表面波纹度2．表面粗糙度3．表面轮廓高度的分布Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西14固体的表面形貌经加工的金属零件表面宏观上似乎很平整、光滑，但在显微镜下观察就可发现很粗糙，呈现凹凸不平的波峰和波谷，凸起的波峰称微凸体。几何形状误差：表面波纹度(宏观粗糙度)表面粗糙度(微观粗糙度)§3固体表面几何特性及其表述Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西15不同加工方法形成的表面轮廓线1．表面波纹度§3固体表面几何特性及其表述Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西161.表面波纹度表面波纹度是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差。波纹度的两个重要参数：波高h和波距s。波高h表示波峰与波谷之间的距离；波距s表示相邻两波形对应点的距离。波距一般为1～10mm，波高与波长之比约为1:40。表面波纹度会减小零件实际支承面积，在动配合中会加剧零件磨损。§3固体表面几何特性及其表述Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西171.表面波纹度§3固体表面几何特性及其表述Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西182．表面粗糙度评定指标：轮廓算术平均偏差Ra。表面粗糙度值越低，则表面越光亮。§3固体表面几何特性及其表述Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西19具有相同Ra的不同表面2．表面粗糙度§3固体表面几何特性及其表述2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西20第一章固体表面特性§1.4金属表面的接触1.接触表面间微凸体相互作用2.接触面积Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西21微凸体互嵌1.接触表面间微凸体相互作用当接触表面滑动开始时，进入磨合过程，随着此过程产生微观几何形状的改变。§4金属表面的接触Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西22宏观位移1.接触表面间微凸体相互作用§4金属表面的接触Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西232.接触面积几何学平面____整个面接触。经加工的表面不是理想的光滑面，当两个表面相互接触时，只是某些微凸体相互接触，而不是整个固体表面的接触，其接触具有不连续性和不均匀性。接触面积：表观(或名义)接触面积___接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定，以Aa表示；轮廓接触面积___接触表面被压扁部分所形成的面积，以Ac表示，其大小与表面承受的载荷有关：实际接触面积___真实接触面积，以Ar表示。§4金属表面的接触Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西242.接触面积将两个固体表面接触时：实际接触面积仅为表观接触面积的0.01％～0.1％；微凸体变形形成的实际接触斑点直径为3～50μm；轮廓接触面积一般为表观接触面积的5％～15％。§4金属表面的接触Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西25接触面积（一）2.接触面积§4金属表面的接触Ch1固体表面特性2020/1/15河海大学机电工程学院赵占西26接触面积（二）§4金属表面的接触