材料表面笔记

第1章绪论1.1材料表面特征与功能1、表面的定义：物质的外表层2、材料表面的内涵主要包括哪几个方面？（1）表面具有自身的功能——适应环境（2）表面具有自身的结构——生存需求（3）表面可以进行改性——提高品质，应对挑战，满足需求3、材料表面的特征是什么？为什么要进行表面强化？（1）特征：材料的疲劳断裂，腐蚀，氧化，辐照损伤等都是从表面开始的，带来的损失和破环惊人。（2）原因：对各类产品抵御环境的能力和长期运行的可靠性，稳定性的要求不断提高。充分发挥材料潜力；节约能源，节约材料；修复与维修；利用表面技术制备新材料及新器件。现代工业要求零件表面能在高速、高温、高压、重载以及腐蚀介质工况下可靠而持续的工作。1.2表面工程的定义内涵1、表面工程的定义是什么？表面工程是经表面预处理后，通过表面涂装表面改性或多种表面技术复合处理。改变固体金属表面或非金属表面的形态化学成分，组织结构和应力状况。以获得所需要表面性能的系统工程。各种表面技术是表面工程的技术基础。2、表面工程技术的基础和应用理论包括哪几个方面？表面工程技术的基础和应用理论包括三个方面（1）内容：表面覆盖技术，表面改性，复合表面处理，表面加工技术，表面分析技术。（2）技术基础：材料物理基础，表面物理，表面化学，表面分析技术。（3）理论：表面失效分析，摩擦与磨损理论，表面腐蚀与防护理论，断裂与疲劳理论，表面结合与复合理论。3、表面覆盖技术电镀和电刷镀、化学镀、涂装和粘结、堆焊和熔结、热喷涂、热浸镀、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化学气相沉积、分子束外延、离子束合成薄膜技术、化学转镀膜。4、表面改性技术表面形变强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩散处理、高能束表面处理理、离子注入表面改性。5、表面加工技术微细加工；光子束、电子束和离子束的微细加工；CVD、真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀、分子束外延的薄膜制造；湿法、溅射、等离子刻蚀等图形刻蚀；离子注入扩渗掺杂技术。6、表面分析技术显微镜；表面成分和原子状态分析；表面晶体结构分析；表面性能测试。7、表面新能测试外观检查；厚度测量；结合强度测定；表面力学性能；表面层内应力测量；薄膜电阻的测量。1.3表面技术的发展1、表面工程是以多个学科的交叉、综合、复合、系统为特色，逐步发展起的新兴学科，它以表面和界面为研究核心。2、涂层与基体的结合界面具有典型的2类，一类是机械结合，一类是冶金结合，电镀、热喷涂涂层和基体的结合是典型的机械结合。3、螺纹钢在出口检测中，发现抗疲劳性能不足，在螺纹根部有断裂，原因是什么？答：螺纹钢表面引起，螺纹齿形不符，根部有裂纹或微缺口，产生应力集中4、轧机轧辊表面强化的目的什么？有哪些方法？答：目的：提高耐磨性和硬度。方法：淬火，堆焊处理1.4表面技术的学科体系1、表面技术的学科体系包括哪五大类？表面科学基础理论；表面工程技术；表面加工技术；表面工程设计；表面质量检测控制1.5表面技术的应用和功能1、材料表面技术的九大应用功能？答;（1）提高耐磨性或耐腐蚀、抗疲劳、抗氧化、防辐射性能；（2）改善表面的传热性或隔热性；（3）改善表面的导电性或绝缘性；（4）改善表面的导磁性或电磁屏蔽性；（5）改善太面的增光性、反光性或吸滅性；（6）改善表面的粘着性或不粘性；（7）改善表面的吸油性或干摩性；（8）改善去面的摩擦系数（提高或降低）；（9）改善表面的装饰性或仿古做旧性。第2章材料表面热处理技术2.1表面化学热处理定义1、什么是表面化学热处理技术？答：化学热处理是在一定温度下，在不同的活性介质中，向钢的表面渗入适当的元素，同时向钢的内部扩散以获得预期的组织和性能为目的的热处理过程。2、典型的表面化学热处理技术有哪些（按渗层材料分类）？答：渗碳，渗氮，碳氮共渗，渗硼，渗硫，渗铬，渗铝。2.2表面化学热处理的三个基本过程1、表面化学热处理的三个基本过程是什么？（1）化学介质的分解在一定温度下，化学介质可发生化学分解反应，生成活性原子。通常，为了增加化学介质的活性，还加入适量催化剂或渗剂，来加速反应过程，降低反应温度，缩短反应时间。例如，固体渗碳时加入碳酸盐，渗金属时常用氯化铵作为催渗剂。此外，稀土元素的应用也具有很明显的催渗效果.（2）活性原子的吸收介质分解生成活性原子，如[C]、|N]等，为钢的表面所吸附，然后溶入基体金属铁的品格中。碳、氮等原子半径较小的非金属元素容易溶入γ-Fe中形成间隙固溶体，碳也可与钢中强碳化合物元素直接形成碳化物。氮可溶于α-Fe中形成过饱和固溶体，然后再形成氮化物。（3）原子的扩散钢表面吸收活性原子后，该种元素的浓度大大提高，形成了显著的浓度梯度。在一定的温度条件下，原子就能沿着浓度梯度下降的方向定向扩散，结果便能得到一定厚度的扩散层。2、影响渗层厚度的因素主要有哪些？表征扩散过程速度的一个重要参数是扩散系数D。它的物理意义是，在浓度梯度为1的情况下，在单位时间内，通过单位面积的扩散物质量。扩散系数越大，则扩散速度越快。影响扩散速度的主要因素是温度和时间。2.3普通化学热处理与离子渗氮1、渗氮的定义和特点是什么？答：定义：渗氮：氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺。特点：（1）氮化件表层硬度很高(1000～1100HV)，且在600～650℃温度时保持不下降，所以具有很高的耐磨性和热硬性，心部具有足够的强韧性；（2）表层形成压应力，使疲劳强度大大提高；（3）氮化温度低，零件变形小；（4）表面形成致密的化学性能较高的ε层，耐蚀性好。2、简述离子渗氮过程气体放电的伏安特性曲线各个阶段的含义。电压在OS段内时，阴阳极只有微弱电流。当电压增高到S点时，气休由绝缘体变成良导体，电流急剧上升。S点的电压称点火电压，用Vs表示，阴极与阳极间出现悦目的辉光。这种现象叫做起辉，一旦起辉后，极间电压即降落到M点，此时若增加电源电压或减少限流电阻，则两极间电压保持不变，电流逐渐增大，辉光覆盖面积逐渐扩大，直至覆盖全部阴极。MN段为正常辉光放电区，到达N点后再增加电源电压，则两极间的电压与电流都不断增大，NO段为异常放电区，当极间辉光媳灭，阴极表面产生强烈的孤光放电，0点以后称为弧光放电区。2.4离子渗氮过程与特点1、离子渗氮的过程是什么？工件经清洗后置于炉内阴极盘上（或挂在阴极吊具上），阴极接直流电源的负极，真空室壳接直流电源正极并接地，真空室压强抽至6Pa左右，即冲入净化氨，使压强保持在1.3*102Pa··1.3*103Pa，由于减压及其后的加热作用氨被分解。当在阴、阳极间加入高压直流电，电压升到约400V时，炉内出现辉光放电现象。这时炉内气体在高压电场的作用下，被电离分解成N+、H+离子和电子。正离子轰击工件表面，氮元素渗入工件表层，形成FeN、FeN2等化合物。含氮化合物层的形成，提高了零件表面的耐磨性、疲劳强度和抗腐蚀性能。离子氮的温度般为500~600℃。2、离子渗氮的优点是什么？答：（1）渗速快，离子渗氮4--5h即可得到0.3mm渗氮层，而气体渗氮约需15h；（2）渗层具有一定的韧性，可通过控制工艺参数获得韧性较好的单相y化合物层；（3）显著提高零件表面硬度，耐磨性和疲劳强度及耐蚀性；（4）零件变形小，表面呈银白色，质量好，不需要再磨削加工；（5）节省电能，气体消耗少。2.5离子渗氨工程应用1、2Cr13不锈钢冤化前为什么要进行表面预处理？采用哪些方法进行表面预处理？答：原因：经过工厂加工及储存过程中，钢材表面存在防锈油等油污，进行试验前需进行彻底的清洗，使表面保持清洁，便于渗氮。方法：采用出油溶剂对其进行彻底清洗，一般采用汽油、三氯乙烯、丙酮或者金属表面清洁剂。2、2Cr13不锈钢离子氮化后的表面颜色是什么？为什么会得到干净、稳定的氨化层？答:经过离子氛化后，2Cr13表面呈银白色。氨离子溶解入铁的晶格，形成扩散层。氢离子不参与反应，在材料表面发生溅时，形成氢气，起到清洗材料表面的作用，对材料表面的夹杂污染物进行了二次清洁。3、氮化的关键工艺参数是什么？该工艺参数优化的思路是什么？答：关键的工艺参数是离子氮化的温度和时间，思路：参考范围：温度500~600℃，时间4~5h。低温保证硬度、高温加速扩散提高厚度。4、氮化后的样品主要性能指标是如何检测的？答：（1）硬度：显微硬度计，载荷500g，加载时间10s，在随炉样品表面打5点取平均值。（2）厚度：利用金相方法，样品制备成界面金相样品，利用5%硝酸酒精溶液腐蚀后，在显微镜或者扫描电竞下观察渗层形貌并测量第3章堆焊技术3.1堆焊定义1、什么是堆焊？堆焊涂层和基体是什么类型的结合？答;（1）堆焊是借助热源手段将具有一定性能的合金材料熔覆于母体材料的表面，使母材具有特殊性能或已损失零件恢复原有的尺寸的技术。（2）堆焊涂层与基体是冶金结合，使得堆焊层在应用中使用寿命长，不易脱落。3.2表面熔凝基本理论1、堆焊熔体的结晶过程是什么？控制哪些因素可以获得细晶，甚至超细晶组织？答：（1）非均匀形核，金属熔化成液体，在冷却过程中，先形成晶核，晶核长大（2）控制晶体的形核率和晶体的生长率3.3堆焊技术的应用特性1、堆焊技术的主要应用特性是什么？答：（1）结合强度高、抗冲击性能好，更适用于高应力交变负荷的工况条件以及抗高应力磨粒磨损，削式磨损的工况要求。（2）通过堆焊层的合金体系设计，多组元发挥协同匹配作用，可以制备出抗磨损，冲击，腐蚀，擦伤和气蚀等多种性能的堆焊层。（3）堆焊可以制备厚度为2～30mm范围的工作层，作为耐磨零件制备，具有厚度调节优势。（4）堆焊率较高，手工电弧堆焊金属量可达3kg/h。双带极埋弧自动焊可达68kg/h。（5）设备比较简单，可与焊接设备通用，零件容易发生变形，薄、细长个零件存在变形难题。3.4堆焊技术的分类与工艺1、堆焊技术的分类答：电弧堆焊、埋弧自动堆焊、气体保护自动堆焊、氧—乙炔堆焊2、什么是电弧堆焊？原理是什么？答：将焊条与工件分别接到电源的两极，电弧引燃后，焊条与工件表面形成溶液，冷却后形成堆焊层。3、埋弧自动堆焊的原理是什么？在电弧的高温作用下使焊剂熔化，形成一个覆盖在熔池上面的熔渣层，隔绝大气对堆焊金属的作用，熔化的金属与熔剂蒸发形成的蒸气在熔渣下形成个密封的空腔电弧在空腔内燃烧，焊条熔化，即电弧埋在熔剂层下进行堆焊，叫埋弧堆焊。4、埋弧自动堆焊特点答：（1）堆焊质量好；（2）存在残余压应力；（3）减少金属飞滅、消除弧光伤害；（4）机械自动化、电流大、生产率高第4章热喷涂技术4.1热喷涂技术概述1、什么是热喷涂技术？是使用某种方式的热源，使喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，用高压气流将其雾化，并以一定速度喷热喷射到经过预处理的零件表面，从而形成涂层的表面加工技术。2、热喷涂技术分类是什么？答：（1）燃烧法—火焰喷涂、爆炸喷涂；（2）电加热法—电弧喷涂、等离子喷涂、（激光喷涂、线爆喷涂）。3、热喷涂涂层和基体之间的结合特征是什么？（热喷涂的特点）喷涂层与基体之间，以及涂层中颗粒之间主要是通过镶嵌，咬合、填塞等机械结合，其次是微区冶金结合以及化学键结合。可利用放热性自粘结复合粉末，使制备的喷涂层与基体之间以及喷涂层颗粒之间形成微区冶金结合。4、热喷涂涂层的主要应用特性是什么？答：（1）热喷涂的种类多：热喷涂细分有十几种，根据工件的要求在应用时有较大的选择余地。（2）涂层的功能多：适用于热喷涂的材料有金属及其合金、陶瓷、塑料及它们的复合材料。（3）使用热喷涂的零件的范围宽。（4）设备简单、生产率高4.2热喷涂原理1、热喷涂涂层的沉积原理是什么？熔融或软化的微细颗粒被加速形成粒子流，被喷射飞行到零件的表面。粒子在零件表面发生碰撞、变形、凝固和堆集形成涂层：当飞行喷射到基体材料表面时，产生强烈的碰撞，动能转化为热能并部分传递给基材；颗粒基体表面产生变形，迅速冷凝并产工收缩，扁平状黏结在基材表面，随着喷涂的进行最后结果形成热喷涂涂层，涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起而形成的层状组织结构。2、热喷涂的基本工艺流程是什么？（1）加热、熔化：对要喷涂的材料利用不同的热源机械加热、熔化或者软化（2）雾化：将热源熔化了的喷涂材料进行雾化，线材