1、材料表面工程基礎課后習題目錄及答案1. 材料表面工程技術為什么能得到社會的重視獲得迅速發展?2. 表面工程技術的目的和作用是什么 ?3. 為什么說表面工程是一個多學科的邊緣學科?4. 為什么會造成表面原子的重組？5. 什么是實際表面？什么是清潔表面？什么是理想表面？6. 常用的材料表面處理預處理種類及方法有哪些？7. 熱噴涂技術有什么特點？8. 熱噴涂涂層的結構特點是什么？其形成過程中經歷了哪幾個階段？9. 簡單分析熱噴涂涂層的結合機理？10. 熱噴涂只要有哪幾種噴涂工藝？各有什么特點？11. 熱噴涂材料有哪幾大類？熱噴涂技術在新型材料開發方面可以做什么工作？12. 鍍層如何分類？怎樣選擇使用

2、？13. 金屬電鍍包括哪些基本步驟？說明其物理意義。14. 電鍍的基本原理？15. 共沉積合金的相特點有幾種類型？16. 電刷鍍的原理及特點是什么？17. 什么叫化學鍍？實現化學鍍過程有什么方式。18. 與電鍍相比，化學鍍有何特點？19. 熱浸鍍的基本過程是什么？控制步驟是什么？其實質是什么？20. 形成熱浸鍍層應滿足什么條件？21. 簡述鋼材熱鍍鋁時擴散層的形成過程。22. 熱鍍鋁的優缺點怎樣？23. 表面淬火與常規淬火的區別：臨界溫度上移、奧氏體成分不均勻、晶粒細化、硬度高、耐磨性好、抗疲勞強度高。24. 表面淬火層組成：淬硬區、過渡區和心部區。25. 硬化層厚度的測定：金相法和硬度法。2

3、6. 噴丸強化技術原理、特點、應用范圍。27. 感應加熱淬火原理、渦流、集膚效應。28. 工件感應加熱淬火的工藝流程。29. 各種表面淬火的特點和應用范圍。30. 什么是表面工程？ 表面工程技術的作用是什么？31. 金屬離子電沉積的熱力學條件是什么？金屬離子從水溶液中沉積的可能性取決于什么？32. 什么是熱噴涂技術？試簡述熱噴涂的特點。33. 熱噴涂的涂層結構特點是什么？其涂層與基體的結合機理是什么？一般的等 離子噴涂層不可能形成太厚的涂層，為什么？而HVOF 技術則可以獲得 10 余毫米厚的超厚涂層，又是為什么？34. 化學鍍的基本原理是什么？有哪些特點？35. 材料表面工程技術是我校材料科

4、學的學科優勢之一？你對于我校材料表面技術的發展有什么想法和建議？36. 材料表面耐腐蝕的技術有哪些？我國規定煤礦系統的井筒井架、電力塔架、廣播發射塔等必須要進行鋼結構長效防腐處理。一般的壽命要求 30? 50 年。請對該項要求進行設計：所需要的材料涂層體系、工藝、涂層厚度等。37. 材料表面的耐磨損技術有哪些？試簡述分析各自的技術特點和適用范圍。38. 提高零件表面表面耐蝕性能的涂層技術主要有哪些？試簡述分析各自的技術 特點 和適用范圍。39. 熱噴涂有哪些主要的噴涂工藝？各有什么技術特點？熱噴涂工藝選用的基本原則是什么？40. 舉例說明對于耐腐蝕、耐磨損、耐高溫、絕緣導電以及可磨損涂層的各種

5、情況下的選用工藝和材料？1 ?材料表面工程技術為什么能得到社會的重視獲得迅速發展 ？1. 工業發展對機電產品提出更高要求 （ 高溫、高壓、高速、重載以及腐蝕介質等惡劣工況下可靠地工作）2. 相關科技的發展為表面工程注入活力、提供支撐 ： 如高分子材料和納米材料的發展,激光束、離子束、電子束三種高能量密度熱源的實用化等。3. 表面工程適合我國國情， 能大量節約能源、資源， 體現了科技盡快轉化為生產力的要求 ， 符合可持續發展戰略。1 ） 社會生產、生活的需要2 ） 通過表面處理大幅度提高產品質量 3 ）節約貴重材料4 ）實現材料表面復合化，解決單一材料無法解決的問題5 ）良好的節能、節材效果 6

6、 ）促進了新興工業的發展2. 表面工程技術的目的和作用是什么 ？表面工程技術的主要目的：就是在于通過表面處理使材料表面按人們希望的性能 進行改變。具體說：表面工程技術是在不改變基體材料的成分、 不削弱基體材料的強度的條件下，通過物理手段或化學手段賦予材料表面以特殊的性能， 從而滿足工程技術上對材料提出的要求的技術。表面工程技術的作用就是改善或賦予表面各種作用：提高材料或零件的耐蝕性、 抗高溫氧化性及提高抗浸蝕能力；提高耐摩擦磨損、磨蝕、粘結、咬合、沖刷、 減磨及潤滑的能力；提高耐熱、導熱、隔熱、吸熱、與熱反射的作用；賦予材料 特定的物理特性，賦予材料特定的化學特性，賦予制件表面裝飾特性，鮮艷的

7、色 彩及圖文；非金屬表面金屬化、光化及抗老化；提高材料制件表面完整性、光潔 度、提高抗疲勞和抗腐蝕疲勞的能力；3. 為什么說表面工程是一個多學科的邊緣學科？材料表面工程是一門很新的邊緣學科， 它不但涉及到諸如：表面物理學、表面化學、金屬學、陶瓷學、高分子學、傳熱學、傳質學等多個學科的理論，而且其本 身也溶入了諸多學科的新技術。4. 為什么會造成表面原子的重組？處于界面上的原子除受到來自內部自身原子的作用力外，還受到外部介質分子 （或原子）的作用力。顯然其力是不平衡的，若外部為真空更是如此。這使得表面原子偏離正常的平衡位置，從而牽動著附近的幾層原子，造成表層產生畸變， 表面的各種缺陷更加重了這種

8、畸變。這樣就使表層原子的能量比內部的要高很多。 比較大的表面能有剩余吸引力，必然有通過原子遷移或吸附外來物質以調整結構向低能態演變的趨勢，以晶態物 質、表面有眾多微孔和巨大表面積以及活性大的物質尤甚。 處于界面上的原子其原子結構與內部的也存在區別，表面原子周圍的電子無論是能量或是空間分布都不同于內部原子，這就在很大程度上決定了材料表面的化學特性。5. 什么是實際表面？什么是清潔表面？什么是理想表面？實際表面：一是所謂“內表面層”，它包括基體材料和加工硬化層；另一部分是所謂“外表面層”，它包括吸附層、氧化層等。清潔表面：清潔表面是經過特殊處理(即保證組成上的確定性)后，保持在超高真空下的表面(即

9、保證表面不隨時間而改變)理想表面：是一種理論上的結構完整的二維點陣平面。6. 常用的材料表面處理預處理種類及方法有哪些？1 、 基 體表面平整：磨光滾光拋光刷光振動磨光2 、 基體表面清潔：除油(有機溶劑除油 化學除油 電化學除油 超聲除油) 除 銹 除銹除油聯合處理3 、 基體表面拋光處理：化學拋光 電化學拋光4 、基體表面噴砂與噴丸處理：噴砂噴丸7. 熱噴涂技術有什么特點？涂層的基體材料幾乎不受限制涂層材料的種類選擇范圍廣泛噴涂施工對象的尺寸大小和形狀不受限制 母材性能不變化涂層厚度可在較大范圍內變化可噴涂成形節能高效，但涂層面積小時經濟性差環保性好，對環境污染小8. 熱噴涂涂層的結構特點

10、是什么？其形成過程中經歷了哪幾個階段？噴涂層是由無數變形粒子互相交錯呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結構。 顆粒與顆粒之間存在一定量的空隙和孔洞。 其孔隙率一般在115% 之間。涂層中還伴有氧化物和夾雜。從噴涂材料進入熱源到形成涂層，噴涂過程一般經歷四個階段： 1 )噴涂材料被加熱( heating )、熔化( melting ) ； 2)熔化的噴涂材料被霧化 (atomizing )；3 ) 熔 融或軟化的微細顆粒的噴射飛行(accelerated ) ；4 ) 粒 子在基體表面發生碰撞、變形、凝固和堆積( impacting & flatten )。9. 簡單分析熱噴涂涂層的結合機理？

11、涂層的結合包括涂層與基體表面的結合和涂層內部的結合。 涂層與基體的結合強 度 稱為結合力；涂層內部的結合強度稱為內聚力。涂層中顆粒與基體表面之間的 結合以 及顆粒之間的結合機理目前尚無定論：1 )機械結合一一拋錨效應 2)擴散-冶金結合3)化學 - 物理結合 范德華 力等10. 熱噴涂只要有哪幾種噴涂工藝？各有什么特點？火焰噴涂火焰噴涂技術的基本特點是：一般金屬、非金屬基體均可噴涂，對基體的形狀 和尺 寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能噴涂；涂層材料廣泛，金屬、合金、 陶瓷、 復合材料均可為涂層材料，可使表面具有各種性能，如耐腐蝕、耐磨；耐 高溫、隔熱 等：涂層的多孔性組織有儲油潤滑和減摩性能

12、，含有硬質相的噴涂層宏觀硬度可達450HB，噴焊層可達65HRC火焰噴涂對基體影響小，基體表 面受熱 溫度為200? 250E,整體溫度約70 C? 80 C,故基體變形小，材料組織不發生變化。火焰噴涂技術的缺點：噴涂層與基體結合強度較低，不能承受交變載荷和沖擊載荷；基體表面制備要求高；火焰噴涂工藝受多種條件影響，涂層質量尚無 有效檢測方法。絲材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、粉末火焰噴焊、棒材火焰噴涂、超音速火焰噴涂（ HVOF 爆炸噴涂、普通、高速、超音速絲材電弧噴涂、真空電弧噴涂、惰性 氣氛電弧噴涂、高頻噴涂、線材電爆噴涂大氣等離子噴涂、低壓真空等離子噴 涂、保護氣氛等離子噴涂、水穩等離子噴涂、

13、超音速等離子噴涂激光噴涂 激 光噴涂、激光噴焊電弧噴涂的特點熱效率高 （ 2 ）生產率高（ 3 ）噴涂成本低 涂層結合強度高（5）可方便地制備偽合金涂層等離子噴涂：超高溫特性，便于進行高熔點材料的噴涂。噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結強度高。由于使用惰性氣體作為工作氣體， 所以噴涂材料不易 氧化。11. 熱噴涂材料有哪幾大類？熱噴涂技術在新型材料開發方面可以做什么工作？（ 1 ）根據熱噴涂材料的不同形狀，可以分為絲材、棒材、軟線和粉末四類（ 2 ）根據噴涂材料的成分，可以分為金屬、合金、陶瓷和塑料噴涂材料四大類（ 3 ）根據噴涂材料的性質以及獲得的涂層性能，可以分為隔熱材料，抗高溫氧化材料，耐

14、磨材料，耐腐蝕材料，自潤滑減磨材料，導電、絕緣材料，黏結底層 材料和 功能材料八類軋鋼輥 767 起落架軸汽車氣缸表面等離子噴涂陶瓷生物人造骨關節航空發 動機有3000 多處需要熱噴涂表面長效防護 火箭發射燃燒筒熱障涂層造紙輥水輪機葉片汽輪機高度集成化和操作簡單化 （ 智能傻瓜型） 節能、高效（噴 涂速率和沉積效率） 新型涂層材料的開發 （ 非晶態、準晶態、納米材料和金屬間 化合物）清潔生產非晶態涂層準晶態涂層納米涂層金屬間化合物涂層超混雜 涂層（金屬、聚合物、陶瓷層間交替 ） 其它12. 鍍層如何分類？怎樣選擇使用？1）按使用性能可分為：防護性鍍層防護-裝飾性鍍層裝飾性鍍層耐磨和減磨鍍層電性

15、能鍍層磁性能鍍層可焊性鍍層 耐熱鍍層修復用鍍層2 ） 按 鍍層與基體金屬之間的電化學性質可分為：陽極性鍍層和陰極性鍍層3 ） 按鍍層的組合形式，可分為：單層鍍層和復合鍍層4 ） 按鍍層成分分類，可分為：單一金屬鍍層、合金鍍層及復合鍍層選擇使用：首先要了解鍍層是否具有所要求的使用性能，然后按照零件的服役條件及使用性 能要求，選用適當的鍍層，還要按基材的種類和性質，選用相匹配的鍍層；另外 要依據零件加工工藝選用適當的鍍層；此外，要考慮鍍覆工藝的經濟性。13. 金屬電鍍包括哪些基本步驟？說明其物理意義。1） . 傳質步驟：液相中的反應粒子（金屬水化離子或配合離子）向陰極表面傳遞的步驟，有電遷移、擴散

16、及對流三種不同方式。 2） . 前置化學步驟：研究表明，直接參加陰極電化學還原反應的金屬離子往往不是金屬離子在電解液中的主 要存在形式。在還原之前，離子在陰極附近或表面發生化學轉化， 然后才能放電 還原為金屬。 3 ） . 電荷轉移步驟：反應粒子在陰極表面得到電子形成吸附原子或吸附離子的過程稱為電荷轉移步驟， 又稱為電化學步驟，這里主要發生電荷從 陰極表面轉移到反應粒子的過程，這是電沉積過程的重要步驟。 4 ） . 結晶步驟 ： 吸 附原子通過表面擴散到達生長點而進入晶格，或吸附原子相互碰撞形成新的晶核 并長大成晶體。14. 電鍍的基本原理？是指在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中， 以被鍍基體金屬為陰

17、極，通過電解作用，使鍍液中欲鍍金屬的陽離子在基體金屬表面沉積出來，形成鍍層的一種表面加工方 法15. 共沉積合金的相特點有幾種類型？（ 1 ） 兩種金屬中至少有一種金屬能從其鹽的水溶液中沉積出來。有些金屬（如W,Mo等）不能從其鹽的水溶液中沉積出來，但可以借助誘導沉積與鐵族金屬共沉積。（ 2 ） 共沉積的兩金屬的沉積電位須十分接近。如果相差太大，則電位較正的金屬將優先鍍出來，甚至完全排斥電位較負金屬的析出，這樣就不能形成合金鍍層。16. 電刷鍍的原理及特點是什么？原理：直流電源的正極通過導線與鍍筆相聯，負極通過導線和工件相聯，當電 流方向由鍍筆流向工件時為正向電流， 正向電流接通時發生電沉積；

18、電流方向從工件流向鍍筆時為反向電流，反向電流接通時工件表面發生溶解。特點：設備工藝簡單，操作方便，不需要大的渡槽設備。鍍層種類多，與基體結合力強，力學性能好沉積速度快，生產效率高刷鍍液不含甄化物和劇毒藥品，操作安全污染小。但存在勞動強度大，消耗陽極包纏材料等缺點。17. 什么叫化學鍍？實現化學鍍過程有什么方式。定義：化學鍍也稱為無 電解鍍（ Electroless Plati ng ）或自身催化電鍍（ autocatalytic plating ），是一種不使用外電源、而是利用還原劑使溶液中的金屬離子在基體表面上自催化還原沉積出鍍層的化學處理方法。三種方式：置換沉積、接觸沉積和還原沉積。18.

19、 與電鍍相比，化學鍍有何特點？1. 鍍覆過程不需外電源驅動；2 均鍍能力好，形狀復雜、有內孔、內腔的鍍件均可獲得均勻的鍍層；3?孔隙率底；4.鍍液通過維護、調整可反復使用，但使用周期有限；5. 可在金屬、非金屬以及有機物上沉積鍍層。突出優點：不需要外加直流電源設備，前處理工藝簡單。對幾何形狀復雜的鍍件，可獲得厚度均勻的鍍層。 可自動形成含第二種元素的合金相。化學鍍層多為非晶態金屬鍍層（如Ni P合金）。可在金屬、非金屬、半與體等不同基材上鍍覆。缺點：化學鍍與電鍍相比，所用的溶液穩定性較差，且溶液的維護、調整和再生 都比較麻煩，材料成本費較高。19. 熱浸鍍的基本過程是什么？控制步驟是什么？其實

20、質是什么？ 熱浸鍍基本過程：（ 1 ） 介質中發生化學反應，以提供界面反應所需要的反應物（ 2 ） 反應物通過擴散輸運至金屬表面，此稱為外擴散（ 3 ） 反應物中的某些粒子被金屬表面吸附，并發生界面反應（ 4 ） 界面反應產生的活性原子為金屬表面層吸收并向縱深遷移，達到一定的深度，此稱內擴散熱浸鍍的工藝預鍍件前處理 熱浸鍍 后處理 制品定義：熱浸鍍是將一種基體金屬浸在熔融狀態的另一種低熔點金屬中， 在其表面形成一層金屬鍍層的方法。20. 形成熱浸鍍層應滿足什么條件？a 滲入金屬必須能與基體金屬 形成固溶體或者金屬間化合物 b 滲入元素與基體金屬必須保持緊密的接觸，即滲入元素可以在界面被吸附c

21、必須保持一定的溫度，使原子具有一定的擴散動力d 生成的活性原子的化學反應必須滿足一定的熱力學條件21. 簡述鋼材熱鍍鋁時擴散層的形成過程。(a) 當鐵浸于熔融鋁時，表面發生浸潤、溶解和相互擴散形成擴散層。(b) 鋁中鐵濃度增大，形成金屬間化合物 FeAI3(c) 隨著兩種金屬原子的相互擴散，層的厚度達到一定值，并出現Fe2A15 相(d) n 柱狀晶生長， Fe2A15 轉變為 FeAI3(e) 由于 Fe2A15 的生長和鐵向鋁中擴散速度的增大， 使鋁在鐵中的固溶區消失(f)在整個擴散層中，除n 相外幾乎無其他相存在22. 熱鍍鋁的優缺點怎樣？鍍鋁鋼的優點：a 良好的耐熱性 ( 抗高溫氧化性

22、)鍍鋁鋼材在大氣中在450 C 以下可長期使用，且不改變其顏色，在500 C 以上開始出現氧化增重和變色。鍍鋁鋼材的耐熱性遠遠高于未鍍鋁的鋼材b 良好的耐腐蝕性特別耐含有S02、H2s NO2、C02,等工業大氣的腐蝕性。此外還耐海洋大氣和潮濕環境的腐蝕。鍍鋁鋼耐海洋大氣的腐蝕性也優于鍍鋅鋼。表列出美國鋼鐵 公司對鍍鋁鋼板在不同地區不同環境下腐蝕結果c 對光和熱的良好反應性鍍鋁鋼材具有優良的對光和熱的反射能力。這與鍍鋁層表面形成致巒而光澤的 Al2O3 膜有關。鍍鋁鋼的缺點：鍍層含有金屬間化合物脆性相，使其加工性變壞，鋼材表面被鋁液侵蝕并溶解在鋁液中，而使鋁層含有雜質鐵，從而影響其耐腐蝕性；鍍

23、鋁的溫度仍然偏高， 而影響鋁鍋的使用壽命；鍍層表面易粘服鋁渣而影響其外觀等23. 表面淬火與常規淬火的區別：臨界溫度上移、奧氏體成分不均勻、晶粒細化、 硬度高、耐磨性好、抗疲勞強度高。24. 表面淬火層組成：淬硬區、過渡區和心部區。25. 硬化層厚度的測定：金相法和硬度法。26. 噴丸強化技術原理、特點、應用范圍。利用高速彈丸強烈沖擊零部件表面，使之產生形變硬化層并引進殘余壓應力。 噴丸強化已廣泛用于彈簧、齒輪、鏈條、軸、葉片、火車輪等零部件； 可顯著提高抗彎曲疲勞、抗腐蝕疲勞、抗應力腐蝕疲勞。抗微動磨損、耐點蝕 (孔 蝕)能力。27. 感應加熱淬火原理、渦流、集膚效應。鐵制零件在高頻交變磁場

24、中，鐵的內部將產生很大的感應電流。電流在金屬體內 自行閉合，稱為渦流。由于工件阻抗很小，渦流很大。受集膚效應的影響，越靠 近工件表面電流越大。感應電流快速將零件的表面加熱到 Ac3 或 Acm 以上，快速冷卻后即可在零件表層獲得馬氏體組織。感應加熱頻率越高，淬硬層越淺，但加熱速度越快。28. 工件感應加熱淬火的工藝流程。以齒輪加工為例鍛打毛坯一正火處理( 220HB 尸粗加工 - 調質處理( 250HB -精加工(滾齒) - 感應加熱淬火一回火（55HRC -磨削29.各種表面淬火的特點和應用范圍表4 2各種表面淬火工藝的埒點比較號數特原火焰淬火高頻淬火激光淬火尊宴子 弧淬火電俎淬火功隼密更X

25、 * cm-10*10八10-10"如熱時間£10-1001-10<1-1硬老層mmr 0.5-2.50.1-1.2< 0.35一 m低適中r高較低工藝特點模作方便, 大面積淬 火均勻性 較差淬硬旦深度 謂節方便.適合大批量 主產淬火部位精確可控， 易于實現自動化， 疊淬火有回火軟帶原位淬火， 淬硬層薄F具體參見PPT30 .什么是表面工程？表面工程技術的作用是什么？概念：是經表面預處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術復合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀態，以獲 得所需要 表面性能的系統工程。作用：提高材料或零件的耐蝕

26、性、抗高溫氧化性及提高抗浸蝕能力；提高耐摩擦 磨損、磨蝕、粘結、咬合、沖刷、減磨及潤滑的能力；提高耐熱、與熱、隔熱、 吸熱、 與熱反射的作用；賦予材料特定的物理特性，賦予材料特定的化學特性，賦 予制件表 面裝飾特性，鮮艷的色彩及圖文；非金屬表面金屬化、光化及抗老化；提高材料制件表面完整性、光潔度、提高抗疲勞和抗腐蝕疲勞的能力；31 .金屬離子電沉積的熱力學條件是什么？金屬離子從水溶液中沉積的可能性取決于什么？條件：電極電位足后負 取決：不僅取決于其本身的電化學性質，還決定于金屬 的還原電位與氫還原電位的相對大小32 .什么是熱噴涂技術？試簡述熱噴涂的特點。利用熱源將噴涂材料加熱熔化或軟化，以一

27、定速度噴射到基體表面形成涂層的工藝方法。熱噴涂技術的特點：（1）取材范圍廣金屬、合金、陶瓷、有機高分子材料均可作為噴涂材料（2）可用于各種基體（3）保持基體較低的溫度（4）工效高（5）被噴涂物件不受大小限制 （6）涂 層 厚度較易控制（7）可賦予普通材料以特殊的表面性能33 .熱噴涂的涂層結構特點是什么？其涂層與基體的結合機理是什么？一般的等 離子噴涂層不可能形成太厚的涂層，為什么？而HVOF技術則可以獲得10余毫 米厚的 超厚涂層，又是為什么?（1）涂層組成涂層組成與噴涂前的材料不完全相同。（2）噴涂層的結構歡迎下載12噴涂層由變形顆粒子冷凝收縮產生微無數變形粒子互相交錯，呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結構粒、氣孔和氧化物夾雜組成。（3）涂層殘余應力溶融顆粒撞擊基材表面，產生變形同時受到急冷而凝固；觀收縮應力；應力積聚造成涂層整體殘余應力。（ 4 ）涂層的硬度硬度較噴涂前的材料高 （ 5 ）熱噴涂層的性能 防銹防蝕性能耐磨性能耐高溫性能涂層中顆粒與基材表面間，顆粒與顆粒間屬物理一化學”結合包括 ： 1 機械結合 撞成扁平狀的顆粒，與凹凸不平的表面互相嵌合，形成機械的結合 2 冶金一化學