表面工程技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)第一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五教學(xué)目的和要求

掌握固體(金屬)的重要表面特性，材料磨損及腐蝕基本原理。

第二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五前言

成功運(yùn)用表面工程技術(shù)的三要素：掌握材料表面與界面的基礎(chǔ)知識(shí)掌握各種表面工程技術(shù)的特點(diǎn)了解與掌握影響材料表面性能的主要因素第三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.1

固體的表面和界面

表面（定義）：固體與周圍環(huán)境（氣相、液相和真空）間的過(guò)渡區(qū)稱為金屬的（外）表面。因環(huán)境不同，過(guò)渡區(qū)的組成和深度不同。界面（定義）：界面是一種二維的結(jié)構(gòu)缺陷。在體系中，結(jié)構(gòu)和成分不同的區(qū)域間；或結(jié)構(gòu)和成分均相同，但取向不同的兩晶粒間的交界面都稱為界面。前者稱相界，而后者稱為晶界。界面種類：外表面和內(nèi)表面兩大類。外表面：固體和周圍環(huán)境間的過(guò)渡區(qū)；內(nèi)表面：晶界、相界、亞晶界、孿晶界、層錯(cuò)界及胞壁界等。第四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、典型固體表面1.理想表面

定義：向無(wú)限晶體內(nèi)插入一個(gè)平面并切斷插入面兩側(cè)的原子結(jié)合鍵后，將其分為兩部分而形成的兩個(gè)新的表面稱為理想表面。特點(diǎn)：此過(guò)程中除了晶體附加了一組邊界條件外，無(wú)任何其它改變。在半無(wú)限晶體內(nèi)部，原子和電子的狀態(tài)與原來(lái)無(wú)限晶體的情況一樣。

理想表面實(shí)際不存在。實(shí)際表面存在表面能。理想表面形成示意圖第五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1-1.實(shí)際表面定義：與理想表面不相同的實(shí)際表面（溫度在0K以上的表面）。

J.W.Gibbs于1877年首先提出：在氣固相界面處存在一種二維凝聚物相。

特點(diǎn)：馳豫及重構(gòu)合金的表面偏析表面吸附和表面化合物表面缺陷馳豫重構(gòu)表面原子的馳豫與重構(gòu)

表面吸附表面偏析第六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.潔凈表面與清潔表面潔凈表面（定義）：材料表層原子結(jié)構(gòu)的周期性不同于體內(nèi)，但其化學(xué)成分仍與體內(nèi)相同的表面。潔凈表面允許有吸附物，但其覆蓋的幾率應(yīng)該非常低。潔凈表面只有用特殊的方法才能得到清潔表面（定義）：一般指零件經(jīng)過(guò)清洗(脫脂、浸蝕等)以后的表面。清潔表面易于實(shí)現(xiàn)，只要經(jīng)過(guò)常規(guī)的清洗過(guò)程即可。潔凈表面的“清潔程度”比清潔表面高。

潔凈表面與清潔表面這一對(duì)概念很重要。第七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.機(jī)械加工后的表面第八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

表面的粗糙度和波紋度構(gòu)成了金屬的表面形貌。粗糙度:

加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所組成的微觀幾何形狀就構(gòu)成了其特征，粗糙度的波距與波深之比常常為150：1~5。波紋度:金屬表面呈波浪形的有規(guī)律和無(wú)規(guī)律的表面反復(fù)結(jié)構(gòu)誤差稱為波紋度。波紋度的波距與波深的比為：1000：1~100。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)研磨的金屬：i≥2材料的表面粗糙度是表面工程技術(shù)中最重要的概念之一。它與表面工程技術(shù)的特征及實(shí)施前的預(yù)備工藝緊密聯(lián)系，并嚴(yán)重影響材料的摩擦磨損、腐蝕性能、表面磁性能和電性能等。經(jīng)過(guò)仔細(xì)研磨的金屬：i≥2經(jīng)過(guò)仔細(xì)研磨的金屬：i≥2第九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五表面粗糙度+波紋度+形狀公差=實(shí)際表面形貌第十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五金屬表面的宏觀與微觀粗糙度第十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.一般表面由于表面原子處于非平衡狀態(tài)，一般表面會(huì)吸咐一層外來(lái)原子。

要求進(jìn)行表面預(yù)處理。第十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、典型固體界面1.基于固相晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)差異形成的界面微晶層(比爾比層(Bilby)層)：1—100nm厚的晶粒微小的微晶層。塑性變形層：塑變程度和它的深度有關(guān)。其它變質(zhì)層：(1)形成孿晶：Zn,Ti等密排六方結(jié)構(gòu)的金屬表層會(huì)形成孿晶;(2)發(fā)生相變：18-8型奧代體不銹鋼，β黃銅、淬火鋼中的殘余奧氏體，高錳鋼等會(huì)形成相變層；(3)發(fā)生再結(jié)晶：Sn、Pb、Zn等低熔點(diǎn)金屬加工后表層能夠形成再結(jié)晶層。(4)發(fā)生時(shí)效和出現(xiàn)表層裂紋等。塑變深度(μm)010203054321ε變形量(%)第十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.基于固相組織或晶體結(jié)構(gòu)差異形成的界面典型特征是兩相之間的微觀成分與組織存在很大的差異，但無(wú)宏觀成分上的明顯區(qū)別（珠光體），且宏觀組織變化存在漸變區(qū)域。第十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.基于固相宏觀成分差異形成的界面（結(jié)合界面）冶金結(jié)合界面擴(kuò)散結(jié)合界面外延生長(zhǎng)界面化學(xué)鍵結(jié)合界面分子鍵結(jié)合界面機(jī)械結(jié)合界面

實(shí)際表面改性層中界面的結(jié)合機(jī)理常常是上述幾種機(jī)理的綜合。應(yīng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)、控制界面的結(jié)合機(jī)理。結(jié)合強(qiáng)度較高結(jié)合強(qiáng)度較低結(jié)合強(qiáng)度較高結(jié)合強(qiáng)度較低結(jié)合強(qiáng)度較高結(jié)合強(qiáng)度較低第十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五冶金結(jié)合界面定義：當(dāng)覆層與基體材料之間的界面結(jié)合是通過(guò)處于熔融狀態(tài)的覆層材料沿處于半熔化狀態(tài)下的固體基材表面向外凝固結(jié)晶而形成時(shí)，覆層與基材的結(jié)合界面。實(shí)質(zhì)：金屬鍵結(jié)合特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度很高，可以承受較大的外力或載荷，不易在服役過(guò)程中發(fā)生剝落。技術(shù)：激光熔覆技術(shù)、堆焊與噴焊技術(shù)等。第十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五擴(kuò)散結(jié)合界面定義：兩個(gè)固相直接接觸，通過(guò)抽真空、加熱、加壓、界面擴(kuò)散和反應(yīng)等途徑所形成的結(jié)合界面。特點(diǎn)：覆層與基材之間的成分梯度變化，并形成了原子級(jí)別的混合或合金化。技術(shù)：熱擴(kuò)滲工藝、離子注入工藝（“類擴(kuò)散”界面）等。第十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五外延生長(zhǎng)界面定義：當(dāng)工藝條件合適時(shí)，在（單晶）襯底表面沿原來(lái)的結(jié)晶軸向生成一層晶格完整的新單晶層的工藝過(guò)程，就稱為外延生長(zhǎng)，形成的界面稱為外延生長(zhǎng)界面。關(guān)鍵：結(jié)晶相容性（晶格失配數(shù)m小）

m=│b-a│/a

a-基體晶格常數(shù)，b-薄膜晶格常數(shù)特點(diǎn)：理論上應(yīng)有較好的結(jié)合強(qiáng)度。具體取決于所形成的單晶層與襯底的結(jié)合鍵類型，如分子鍵、共價(jià)鍵、離子鍵或金屬鍵等。技術(shù)：氣相外延（化學(xué)氣相沉積技術(shù)等）、液相外延（電鍍技術(shù)等）。襯底SubstrateFilm缺失面失配位錯(cuò)Film襯底Substrate第二十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五化學(xué)鍵結(jié)合界面定義：當(dāng)覆層材料與基材之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成成分固定的化合物時(shí)，兩種材料的界面就稱為化學(xué)鍵結(jié)合界面。特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度較高，界面的韌性較差，表面發(fā)生粘連、氧化、腐蝕等化學(xué)作用也會(huì)產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合界面。技術(shù)：物理和化學(xué)氣相沉積技術(shù)、離子注入技術(shù)、熱擴(kuò)滲技術(shù)、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)、陽(yáng)極氧化和化學(xué)氧化技術(shù)等。第二十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五分子鍵結(jié)合界面定義：涂(鍍)層與基材表面以范德華力結(jié)合的界面。特點(diǎn)：覆層與基材(或襯底)之間未發(fā)生擴(kuò)散或化學(xué)作用。結(jié)合強(qiáng)度較低。技術(shù)：部分（低溫）物理氣相技術(shù)、涂裝技術(shù)等。第二十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五機(jī)械結(jié)合界面定義：覆層與基材的結(jié)合界面主要通過(guò)兩種材料相互鑲嵌的機(jī)械連接作用而形成。特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度不高，但可起輔助作用。技術(shù)：括熱噴涂與包鍍技術(shù)等。

實(shí)際表面改性層中界面的結(jié)合機(jī)理常常是上述幾種機(jī)理的綜合。應(yīng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)、控制界面的結(jié)合機(jī)理。第二十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、表面晶體結(jié)構(gòu)二維晶體結(jié)構(gòu)(二維布拉菲晶格)

任何一個(gè)二維周期性的結(jié)構(gòu)均可用一個(gè)二維晶格（點(diǎn)陣）加上結(jié)點(diǎn)（陣點(diǎn)）來(lái)描述，稱為二維晶格。(呈二維周期性排列而形成的無(wú)限平面點(diǎn)陣，每個(gè)結(jié)點(diǎn)周圍的情況是相同的。)

五種布拉菲二維晶格及晶胞第二十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五TLK模型（當(dāng)溫度為0K時(shí)－理想表面）：

在溫度相當(dāng)于0K時(shí)，表面原子結(jié)構(gòu)呈靜態(tài)。表面原子層可認(rèn)為是理想平面，其中的原子作完整二維周期性排列，且不存在缺陷和雜質(zhì)。五種布拉菲二維晶格及晶胞第二十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五TLK模型（當(dāng)溫度在0K以上時(shí)－實(shí)際表面）：當(dāng)溫度在0K以上時(shí)，由于原子的熱運(yùn)動(dòng)，晶體表面將產(chǎn)生低晶面指數(shù)的平臺(tái)、一定密度的單分子或原子高度的臺(tái)階、單分子或原子尺度的扭折，以及表面吸附的單原子及表面空位等。實(shí)際表面上還存在大量各種類型的缺陷，如原子空位、位錯(cuò)露頭和晶界痕跡等物理缺陷，材料組分和雜質(zhì)原子偏析等化學(xué)缺陷。

上述表面缺陷對(duì)于固體材料的表面狀態(tài)和表面形成過(guò)程都有重要影響。（形核、表面擴(kuò)散、表面吸附等）TLK模型：平臺(tái)(Terrace)一臺(tái)階(Ledge)一扭折(Kink)模型第二十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（補(bǔ)充）表面現(xiàn)象定義：固體表面上產(chǎn)生的各種物理及化學(xué)現(xiàn)象稱為表面現(xiàn)象。種類：表面擴(kuò)散、吸附、潤(rùn)濕、粘著和毛細(xì)現(xiàn)象等。意義：工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上廣泛利用金屬的各種表面現(xiàn)象。在鑄造、焊接、金屬表面技術(shù)及防護(hù)、表面涂覆等均會(huì)涉及到。關(guān)系：金屬的各種表面現(xiàn)象與表面自由能密切相關(guān)并普遍存在于多相體系內(nèi)。實(shí)際表面存在表面能。第二十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五四、表面擴(kuò)散物質(zhì)中原子或分子的遷移現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。可由Fick第Ⅰ和第Ⅱ定律來(lái)描述，擴(kuò)散過(guò)程中原子平均擴(kuò)散距離X為:

Ｘ＝c

其中：

t為擴(kuò)散時(shí)間；c為受幾何因素影響的常數(shù)；D為擴(kuò)散系數(shù)，決定擴(kuò)散速率大小。

D=D0exp(-Q/RT)

Q為擴(kuò)散激活能，受材料的晶格結(jié)構(gòu)，固溶體的類型，合金元素的濃度及含量和擴(kuò)散路徑等因素的影響。原子的擴(kuò)散途徑除了最基本的體擴(kuò)散過(guò)程外，還有表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散和位錯(cuò)擴(kuò)散(短路擴(kuò)散)。

Q表<Q界<Q位<Q體

D表﹥D界﹥D位﹥D體因?yàn)楸砻嬖邮艿降氖`較晶界和晶內(nèi)低得多，原子在表面遷移所需能量也小得多。

表面擴(kuò)散在表面工程技術(shù)中的薄膜形核及長(zhǎng)大過(guò)程中起十分重要的作用。第二十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、表面（自由）能與表面張力

固體和液體的表面均處于空間三向不對(duì)稱狀態(tài)，故存在表面自由能和表面張力。

第二十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五液體的表面自由能產(chǎn)生原因：液體（熔體金屬）的表面原子受到向內(nèi)的吸引力的作用。欲使其內(nèi)部原子轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻嬖樱丛龃蟊砻娣e，需要環(huán)境對(duì)體系作功，從而形成表面能。定義：增大(液體)表面積所需要的功(能量)就是(液體)表面自由能。液體的表面張力產(chǎn)生原因：處于表面的原子在向內(nèi)的吸引力作用下，有進(jìn)入液體內(nèi)部的趨勢(shì)，即縮小表面積的趨勢(shì)，從而產(chǎn)生表面張力。定義：液體表面切線方向上存在的使其表面積縮小的力稱為表面張力。

第三十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五實(shí)驗(yàn)：如上圖，在無(wú)摩擦的活動(dòng)邊AB的鐵絲框上涂滿肥皂沫，為使膜不收縮，應(yīng)在活動(dòng)邊上加外力F。試驗(yàn)證明：施加的外力F與活動(dòng)邊邊長(zhǎng)L成正比，即

F=2σLσ=F/2L

式中：“2”是因?yàn)橐耗び袃蓚€(gè)表面；

σ即為表面張力(或張力系數(shù))；

表面張力的方向與液面相切，且力圖使表面積縮小，其單位為：N/m。

xLFABσσσ肥皂膜第三十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五增大(液體)表面積所需要的功(能量)

就是(液體)表面自由能。表面自由能：

若使上圖活動(dòng)邊AB移動(dòng)dx的距離，根據(jù)表面自由能的定義，表面自由能與液膜面積的變化關(guān)系為：

G=F?dx=2σL?dx

稱單位面積的表面自由能為比表面自由能(Fs)，即：

Fs=G/S=2σL?dx/2L?dx=σ

由此可知，液體的比表面自由能Fs與表面張力σ在數(shù)值上是相等的，其單位為：J/m2

（實(shí)際上，1J/m2=1N?m/m2=1N/m，故二者是有聯(lián)系的。但一個(gè)是單位面積的能，而另一個(gè)則為單位長(zhǎng)度的力。）

液體表面自由能和表面張力在數(shù)學(xué)上是相等的，容易測(cè)定。xLFABσσσ肥皂膜第三十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.（固體）表面（自由）能嚴(yán)格意義上的表面能是指材料表面的內(nèi)能，無(wú)法測(cè)量其絕對(duì)值。常用表面自由能來(lái)描述材料表面能量的變化，其物理意義是指產(chǎn)生1cm2新表面需消耗的等溫可逆功。若不考慮重力，一定體積的液體平衡時(shí)總?cè)A球狀，因?yàn)檫@樣表面積最小，表面能最低。固體的外表面總是由若干種原子排列不同的晶面組成的，一定體積的固體必然要構(gòu)成總的表面自由能最低的形狀。（粉末團(tuán)聚）第三十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2．（固體）表面張力表面張力是表面能的一種物理表現(xiàn)，是由于原子間的作用力以及原子在表面和內(nèi)部的排列狀態(tài)的差別而引起的。表面張力和表面自由能的關(guān)系密切。液體表面自由能和表面張力在數(shù)學(xué)上是相等的，容易測(cè)定。固體的表面張力很難準(zhǔn)確測(cè)定。

表面自由能和表面張力對(duì)其表面性能影響極大，應(yīng)充分重視。第三十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五六、固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附1．吸附的基本特性吸附現(xiàn)象（吸咐作用）：物體表面上的原子或分子力場(chǎng)不飽和，有吸引周圍其它物質(zhì)(主要是氣體、液體)分子的能力。定義：當(dāng)氣體和液體與固體表面接觸時(shí)，在固體表面的氣體或液體增加或減少的現(xiàn)象稱為吸附現(xiàn)象吸附是固體表面最重要的性質(zhì)之一。固體表面的吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類。（表2-1）第三十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（自學(xué)部分）2.固體對(duì)氣體的吸咐3.固體對(duì)液體的吸咐（重要）4.固體表面之間的吸咐5.吸附對(duì)材料力學(xué)性能的影響——萊賓杰爾效應(yīng)（重要）第三十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五七、固體表面的潤(rùn)濕1.潤(rùn)濕現(xiàn)象與機(jī)理定義：液體在固體表面上鋪展的現(xiàn)象。親水物質(zhì)、疏水物質(zhì)：潤(rùn)濕角：θθσL－G第三十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五潤(rùn)濕程度的定義：

潤(rùn)濕和不潤(rùn)濕不是截然分開(kāi)的。第三十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五Young方程：Young方程反映了潤(rùn)濕角的大小與三相界面張力之間的定量關(guān)系：第四十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五機(jī)理：潤(rùn)濕與否取決于液體分子間相互吸引力(內(nèi)聚力)和液一固分子間吸引力(粘附力)的相對(duì)大小。若液一固粘附力較大，則液體在固體表面鋪展，呈潤(rùn)濕；若液體內(nèi)聚力占優(yōu)勢(shì)則不鋪展，呈不潤(rùn)濕。

當(dāng)液體（或固體）種類確定時(shí)，選擇合適極性的固體（或液體）將直接影響潤(rùn)濕程度。第四十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.鋪展系數(shù)液體在固體表面（理想的平滑表面）的鋪展系數(shù)為：當(dāng)SL/S=0時(shí)，鋪展（完全潤(rùn)濕）當(dāng)SL/S＜0時(shí)，不鋪展（不完全潤(rùn)濕或完全不潤(rùn)濕）當(dāng)SL/S

＞0時(shí)，自動(dòng)展開(kāi)，Young方程已不適用液體在粗糙的固體表面的鋪展系數(shù)為：粗糙表面的鋪展系數(shù)遠(yuǎn)大于光滑表面的（當(dāng)cosθ＞0時(shí)）

表面工程技術(shù)實(shí)施前，材料表面狀態(tài)（表面預(yù)處理工藝）對(duì)表面改性層質(zhì)量的影響至關(guān)重要。≤0第四十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.潤(rùn)濕理論的應(yīng)用

潤(rùn)濕理論在各種工程技術(shù)尤其是表面工程技術(shù)中應(yīng)用很廣泛。增強(qiáng)潤(rùn)濕程度：表面活性物質(zhì)－減小潤(rùn)濕角表面適度粗化－增大鋪展系數(shù)中間層成分優(yōu)化……降低潤(rùn)濕程度：表面惰性物質(zhì)－增大潤(rùn)濕角表面平滑－減小鋪展系數(shù)不粘涂層：炊具、潔具、防腐蝕等成分優(yōu)化……第四十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.2材料磨損原理及其耐磨性磨損是材料三大主要失效形式之一，它造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響是十分巨大的。耐磨性是一個(gè)系統(tǒng)性質(zhì)（非“固有特性”），受到摩擦學(xué)系統(tǒng)中接觸條件、工況、環(huán)境、介質(zhì)等多方面因素的影響。材料的磨損始于表面，表面性能是決定材料耐磨性的關(guān)鍵。不同的磨損失效過(guò)程和方式，要求不同的材料表面性能。第四十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、固體材料的摩擦與磨損1.摩擦學(xué)三“定律”摩擦的定義：相互接觸的物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力，稱為摩擦。摩擦存在于固體、氣體和液體之間。磨損的定義：相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)摩擦過(guò)程中不斷產(chǎn)生損失或殘余變形的現(xiàn)象。

材料的摩擦與磨損是因果關(guān)系。

第四十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五摩擦學(xué)三“定律：

①摩擦力與兩接觸體之間的表觀接觸面積無(wú)關(guān)(第一定律)；②摩擦力與兩接觸體之間的法向載荷成正比(第二定律)；③兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體表面的界面滑動(dòng)摩擦阻力與滑動(dòng)速度無(wú)關(guān)(第三定律)。

F為摩擦力(切向力)；N為法向力(載荷)；μ為摩擦系數(shù)。材料或體系的耐磨性高低一般用摩擦系數(shù)來(lái)表征。人們往往認(rèn)為“摩擦學(xué)中無(wú)定律”。第四十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.摩擦與磨損的分類摩擦分為四類：干摩擦：無(wú)潤(rùn)滑摩擦，滑動(dòng)摩擦邊界潤(rùn)滑摩擦：摩擦力明顯降低流體潤(rùn)滑摩擦：具有最小的摩擦系數(shù)滾動(dòng)摩擦：摩擦系數(shù)比滑動(dòng)摩擦的小得多第四十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五磨損分為七類：粘著磨損磨粒磨損疲勞磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損沖蝕(包括氣蝕)磨損高溫磨損各種復(fù)雜的磨損現(xiàn)象是上述基本機(jī)理單獨(dú)或綜合的表現(xiàn)。

一種摩擦方式常常包含幾種磨損機(jī)理。最基本的第四十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第四十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、粘著磨損、潤(rùn)滑和固體潤(rùn)滑粘著磨損是最常見(jiàn)的磨損形式之一。（15%）1、粘著磨損機(jī)理：

表面粗糙度導(dǎo)致接觸應(yīng)力產(chǎn)生調(diào)幅分布。第五十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五焊合剪切及犁削理論：當(dāng)接觸表面相互壓緊時(shí)，由于微凸體間的接觸面積小，承受的壓力很高，足以引起塑性變形和“冷焊”現(xiàn)象。這樣形成的焊合點(diǎn)因表面的相對(duì)滑動(dòng)而被剪斷，相應(yīng)的力量構(gòu)成摩擦力的粘著分量。此外，較硬表面的微凸體對(duì)于較軟材料會(huì)造成犁削作用，從而構(gòu)成摩擦力的犁削分量（可忽略）。

材料的摩擦系數(shù)主要決定于摩擦副剪切強(qiáng)度τb和屈服強(qiáng)度σs的比值。最合適的耐磨材料體系應(yīng)該同時(shí)具有高的硬度（強(qiáng)度）和低的抗剪強(qiáng)度。第五十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、液體潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)濕磨損速率摩擦系數(shù)第五十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、固體潤(rùn)滑第五十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五影響固體材料粘著磨損性能的因素：

1)潤(rùn)滑條件或環(huán)境：在真空條件下大多數(shù)金屬的磨損是極其嚴(yán)重的。良好的潤(rùn)滑條件是降低粘著磨損的重要保障。

2)硬度：材料的硬度越高，耐磨性越好。

3)晶體結(jié)構(gòu)和晶體的互溶性。晶體結(jié)構(gòu)為密排六方的材料摩擦系數(shù)最低，磨損率也最低，面心立方材料次之，體心立方材料最高。冶金上互溶性好的一對(duì)金屬摩擦副摩擦系數(shù)和磨損率高。周期表上相距較遠(yuǎn)的元素不易互溶，也不易粘著。

4)溫度。溫度對(duì)磨損的影響是間接的。第五十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、磨粒磨損磨粒磨損導(dǎo)致的零件失效約占磨損失效的50％。1．磨粒磨損過(guò)程中材料的去除機(jī)理去除機(jī)理：

塑性變形：磨粒與塑性材料表面接觸時(shí)-顯微切削、顯微犁溝（塑性材料）斷裂：磨粒和脆性材料表面接觸時(shí)-顯微切削、顯微裂紋（脆性材料）

斷裂機(jī)理所造成的材料損失比塑性變形機(jī)理的大。

兩種方式都可能發(fā)生，且相互轉(zhuǎn)換。材料的磨損率與一般的力學(xué)性能沒(méi)有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。第五十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2．磨粒磨損過(guò)程的影響因素(1)磨粒特性：

硬度

Ha／Hm<1.0(軟磨粒磨損)，磨損速率很低

Ha／Hm>1.2(硬磨粒磨損)，磨損速率高，但變化不大

1.0<Ha／Hm<1.2，磨損速率較高，但變化很大

提高材料磨粒磨損性能的首要條件：使耐磨表面的硬度大于磨粒硬度。形狀和粒度粒度：存在一臨界尺寸形狀：尖銳型>多角形>圓形第五十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五(2)材料力學(xué)性能與微觀組織：

硬度磨損后的表面硬度

耐磨性與硬度之間沒(méi)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。組織在同樣硬度條件下，耐磨性：奧氏體和貝氏體>珠光體和馬氏體夾雜物和內(nèi)部缺陷大大降低耐磨性(3)工況和環(huán)境條件的影響：

速度、載荷、磨損距離、磨粒沖擊角，以及環(huán)境濕度、溫度和腐蝕介質(zhì)等。第五十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五四、其它磨損形式（自學(xué)）1、疲勞磨損2、腐蝕磨損3、沖蝕磨損

空泡磨損第五十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、提高零件耐磨性的途徑

設(shè)計(jì)或改善機(jī)械零部件的耐磨壽命，是工程技術(shù)中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。1.工程結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)

是提高零件耐磨性的基礎(chǔ)。產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須合理。對(duì)零件的重要性、維修難易程度、產(chǎn)品成本、使用特點(diǎn)、環(huán)境特點(diǎn)等預(yù)先進(jìn)行綜合分析。第五十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2．零件磨損機(jī)理預(yù)測(cè)、分析和耐磨材料的選擇材料的耐磨性是系統(tǒng)性質(zhì)，影響因素眾多。弄清影響產(chǎn)品壽命的基本因素和磨損機(jī)理(及變化)；確定材料在使用時(shí)是否存在工藝性能、使用環(huán)境、力學(xué)性能、理化性能等方面的限制；材料是否能經(jīng)受住運(yùn)行中的載荷如接觸壓力等而不變形或無(wú)過(guò)分變形；零件表面溫度范圍、防止材料在摩擦過(guò)程中軟化與咬合；材料允許的最大載荷和滑動(dòng)速度；機(jī)件工作循環(huán)特性；允許的磨損失效形式和機(jī)械表面的損傷程度；

……

注意：用材料的磨損率來(lái)決定磨損壽命并不充分。第六十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3．材料表面耐磨與減摩處理通過(guò)表面工程技術(shù)提高耐磨性：耐磨----使表面具有良好的力學(xué)性能(高硬度、高韌度等)；減磨----設(shè)法降低材料表面的摩擦系數(shù)。對(duì)耐磨性，最重要的是硬度：在大多數(shù)情況下磨損率都會(huì)隨硬度的提高而降低。提高材料表面硬度的工藝方法：表面淬火、涂覆、合金化……降低表面摩擦系數(shù)：形成非金屬性質(zhì)的摩擦面或添加固體潤(rùn)滑膜。對(duì)于鋼材：滲硫、滲氧、滲氮、氧碳氮共滲，熱噴涂層中加固體潤(rùn)滑物質(zhì)，物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積及離子注入等，使材料表面形成特殊的表面層：可以抑制粘著、焊合等，從而提高其耐磨性。

許多表面強(qiáng)化方法具有耐磨和減磨兩種特性，使耐磨性大幅度提高。第六十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.3金屬腐蝕原理與防護(hù)技術(shù)定義：腐蝕就是材料與環(huán)境介質(zhì)作用而引起的惡化變質(zhì)或破壞。腐蝕的危害：資源與能源，經(jīng)濟(jì)損失巨大(我國(guó)：3%GDP)

污染與事故一、化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕原理二、金屬表面的極化、鈍化及活化三、腐蝕的主要形式四、金屬材料腐蝕控制及防護(hù)方法第六十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕原理1．基本概念(分類)腐蝕原理：化學(xué)腐蝕：不導(dǎo)電介質(zhì)中發(fā)生，腐蝕過(guò)程中無(wú)電流產(chǎn)生。電化學(xué)腐蝕：導(dǎo)電介質(zhì)中發(fā)生，腐蝕過(guò)程中有電流產(chǎn)生。環(huán)境：濕蝕(包括水溶液腐蝕、大氣腐蝕、土壤腐蝕和化學(xué)藥品腐蝕)

干蝕(包括高溫氧化、硫腐蝕、氫腐蝕、液態(tài)金屬腐蝕、熔鹽腐蝕等)

微生物腐蝕(包括細(xì)菌腐蝕、真菌腐蝕等)腐蝕形態(tài)全面腐蝕：腐蝕分布在整個(gè)金屬表面上(包括較均勻的和不均勻的)。腐蝕區(qū)域小、分布較均勻，危害相對(duì)較小。局部腐蝕：腐蝕局限在金屬的某一部位。不易發(fā)現(xiàn)，但危害較大。

第六十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2．金屬化學(xué)腐蝕的基本原理

與一般化學(xué)反應(yīng)(金屬氧化反應(yīng))基本相同。

物理吸咐→化學(xué)吸咐→擴(kuò)散（離子電遷移）第六十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3．金屬電化學(xué)腐蝕原理電極電位：雙電層的形成標(biāo)準(zhǔn)電極電位：以標(biāo)準(zhǔn)氫電極為負(fù)極平衡電位：

材料的種類、組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)，介質(zhì)的成分、濃度、溫度等均會(huì)影響電極電位。腐蝕電位：

判斷金屬腐蝕的熱力學(xué)可能性－其越負(fù)的金屬越容易腐蝕。能斯特方程第六十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五陰極和陽(yáng)極的選擇第六十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五4．腐蝕原電池與腐蝕微電池原電池：Cu-Zn腐蝕電池的總反應(yīng)：在電解液中的兩種金屬直接接觸也能形成腐蝕原電池

(接觸電池、微腐蝕電池)陽(yáng)極：電極電位較負(fù)，發(fā)生氧化反應(yīng)陰極：電極電位較正，發(fā)生還原反應(yīng)第六十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五5．電化學(xué)腐蝕速率腐蝕電流單位時(shí)間的腐蝕深度腐蝕電流密度

腐蝕原電池中大陰極、小陽(yáng)極是極其有害的。第六十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、金屬表面的極化、鈍化及活化1．金屬表面的極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象(極化作用)：腐蝕電池工作時(shí)，陰、陽(yáng)極之間有電流通過(guò)，使陰、陽(yáng)極之間的電位差(實(shí)際電極電位)比初始電位差要小得多的現(xiàn)象。

在計(jì)算腐蝕速度時(shí)，應(yīng)采用通電以后的實(shí)際電極電位。極化與電流密度的大小有關(guān)：電流密度越大，極化也越大。

陰極極化：電極電位隨電流密度增大，向負(fù)的方向變化；

陽(yáng)極極化：電極電位隨電流密度增大，向正的方向變化。第六十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五極化曲線：過(guò)電位：對(duì)于可逆電極，某一電流密度下的電極電位值與平衡電位值之差，稱為該電極在給定電流密度下的過(guò)