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1、金属材料的表面本讲稿第一页，共五十页一 概述二 金属的表面反应三 常见气体的吸附四 金属的表面腐蚀五 金属的表面改性 本讲稿第二页，共五十页一 概述金属材料的特点：1、常温下为固体（Hg除外）2、熔点较高 也有较低的如：Sn、Pb、Zn、Al3、密度较大（Mg、Al除外，3g/cm3）4、有光泽5、延展性、韧性、可加工性好6、导热性、导电性好，Ag、Cu、Al7、易氧化本讲稿第三页，共五十页概述本讲稿第四页，共五十页杭州湾跨海钢铁大桥桥长36公里 本讲稿第五页，共五十页世界上最长的高原铁路青藏铁路1142公里本讲稿第六页，共五十页本讲稿第七页，共五十页 1 清洁表面 过渡区过渡区 金属表面是指
2、金属晶体从三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区，它只有几个原子层的厚度，也称为清洁表面 次表面次表面 介于清洁表面和金属基体相之间的部分，厚度为数十个原子层本讲稿第八页，共五十页 2 真实表面吸附层氧化层加工应变层本讲稿第九页，共五十页二 表面反应1 吸附 吸附的本质原因是：固体表面存在剩余键力，吸附是固体表面存在剩余键力与分子间的相互作用。本讲稿第十页，共五十页2 扩散 吸附质粒子首先在金属表面某些活性最高的位点被吸附，然后沿金属表面发生迁移，这称为表面扩散或表面流动。扩散是由于表面位点能量的不均一性造成的。本讲稿第十一页，共五十页 3脱附 脱附是指吸附粒子由于吸附键断裂而离开表面 升温使脱
3、附现象加强 提高真空度脱附易进行本讲稿第十二页，共五十页表面吸附态结构岛状结构 吸附质原子间引力大于吸附质与表面原子之间的引力，吸附质粒子聚集在一起有序化超结构 吸附粒子间作用力表现为斥力，吸附质粒子在金属材料表面有序化排列 本讲稿第十三页，共五十页表面反应 当吸附质粒子和金属材料表面的原子电负电负性相差性相差很大，化学亲和力很强时，粒子在金属表面形成吸附后，还可以和表面原子发生进一步的化学反应，形成表面结合物，或者说，形成新相。本讲稿第十四页，共五十页真空中金属的表面反应金属材料在真空中也会存在吸附、扩散、脱附等现象。真空不是绝对的真空条件下，吸附质气体比气相中的气体分子多脱附是指 从固体表
4、面扩散到外空间的的一切物质，包括固体表面吸附质的脱附，固体内固有气体分子的逸出，表面原子的增发本讲稿第十五页，共五十页三 常见气体在金属表面的吸附1H的吸附 氢在很多金属表面进行化学吸附，并能和 有些金属形成表面化合物。氢在金属表面的吸附能力的强弱由金属材料的本身的结构和性质决定本讲稿第十六页，共五十页2 N的吸附 氮在金属表面的吸附能力大小也与金属材料的结构性能有关 根据吸附能力的大小。可以将金属材料分为三类：本讲稿第十七页，共五十页能和N发生强烈的化学吸附作用，并形成氮化物，如 Mn、Ti、V、Cr能发生较强的化学吸附，但是不能形成氮化物，如 W、Mo只能发生微弱的化学吸附，且吸附过程十分
5、缓慢。这类金属主要是过渡金属中的第B族和B族本讲稿第十八页，共五十页3 O的吸附 除个别少数金属元素外，氧在一般金属材料表面都能形成较强的吸附作用，而且在常温下也能很快形成吸附层本讲稿第十九页，共五十页 O元素在金属表面吸附的特点1 在吸附初期，已经具有形成表面化合物的趋势2 金属元素在吸附氧之后，或改变对其他气体的吸附能力3 氧在金属材料表面形成完整的氧化物薄膜之后，在膜外仍可以继续吸附氧本讲稿第二十页，共五十页4 CO的吸附 由于碳端比氧端的活性大，一般情况下是碳端与金属材料的表面原子结合形成吸附键，氧端不参与吸附过程本讲稿第二十一页，共五十页5 CO的吸附 CO分子结构具有高度对称性，活
6、性较低。发生吸附作用时，CO的其中一个C=O的一个键打开，碳和氧同时与表面原子形成吸附键。吸附所需的能量较大，吸附程度较低，吸附量也较少。本讲稿第二十二页，共五十页6 碳氢化合物的吸附 烷烃的吸附 烷烃与金属材料一般大多数都是解离吸附 链烃分子中的C-H键或是C-C键断裂，然后碳原子与表面原子发生键合。饱和烷烃发生吸附作用以后一般会变成不饱和烃。本讲稿第二十三页，共五十页 烯烃的吸附乙烯一般有两种吸附方式多碳烯烃可以与表面原子形成多种不同的吸附键。以丙烯的吸附为例，C-C键可以断裂，形成CH3*和C2H3*两个吸附单元；也可以不断裂，只脱一个氢，形成烯丙基吸附单元本讲稿第二十四页，共五十页 炔
7、烃的吸附 炔烃的吸附能力比烯烃的强，在短时间内，乙炔在金属材料表面的吸附就能达到饱和。芳香烃的吸附芳烃分子中的芳核很稳定，无论形成怎样的吸附态，均不会被拆开 本讲稿第二十五页，共五十页碳氢化合物在金属表面的吸附键形成之后，仍可以发生一系列后续反应。其后续反应程度取决于吸附体系的能量条件和反应条件（温度，气相成分，表面状态，吸附剂种类等等）一般而言，碳氢化合物的碳原子越多，解离越不容易进行彻底。本讲稿第二十六页，共五十页四 金属的表面腐蚀通常在把金属材料在使用时，摩擦表面出现的材料流失现象腐蚀磨损，即磨蚀；金属受水分，氧气及其他腐蚀性气体等介质的影响而引起的腐蚀现象称为锈蚀在高温下空气对金属的侵
8、蚀叫做氧化；在强腐蚀性介质中引起的侵蚀叫做腐蚀。本讲稿第二十七页，共五十页本讲稿第二十八页，共五十页1 金属的腐蚀本讲稿第二十九页，共五十页金属的钝化本讲稿第三十页，共五十页2 腐蚀的分类本讲稿第三十一页，共五十页根据化学反应分，可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀化学腐蚀的介质一般是高温气体或非导电液体。化学反应作用下不伴随电流通过电化学腐蚀是金属通过氧化还原反应而被氧化的过程本讲稿第三十二页，共五十页根据腐蚀外观分，可以分为均匀腐蚀和不均匀腐蚀均匀腐蚀沿整个材料表面均匀进行，各处腐蚀速度基本一致不均匀腐蚀是在金属表面很小的局部范围内发生的选择性腐蚀现象在质量损失相等时，不均匀腐蚀往往比均匀腐蚀先发
9、生。本讲稿第三十三页，共五十页根据决定性因素分，可以分为应力腐蚀应力腐蚀和疲劳腐蚀疲劳腐蚀应力腐蚀是指金属材料在特定的腐蚀介质和拉伸应力同时作用下发生的脆性断裂现象疲劳腐蚀是在腐蚀介质和循环应力作用下引起的材料开裂现象本讲稿第三十四页，共五十页本讲稿第三十五页，共五十页大气腐蚀大气腐蚀大气腐蚀也属于电化学腐蚀，腐蚀的机理和速度取决于大气的特性，如相对湿度，pH，光照，SO2、H2S、HCI等组分的含量本讲稿第三十六页，共五十页土壤腐蚀和水腐蚀土壤腐蚀和水腐蚀的作用机理类似于大气腐蚀，也是属于电化学腐蚀。和大气腐蚀不同的是，它们的腐蚀介质中不含有气体成分，而是含有各种盐类、有机物、微生物生命活动
10、的产物。本讲稿第三十七页，共五十页气体腐蚀高温干燥气体腐蚀是属于化学腐蚀湿润气体类似于被气体所饱和的液体膜，引起的是电化学腐蚀本讲稿第三十八页，共五十页本讲稿第三十九页，共五十页五 金属的表面改性本讲稿第四十页，共五十页一般来说，金属材料表面的改性处理方法有四种：1 激光表面改性 2 离子注入表面改性 3 表面镀膜改性 4 化学热处理本讲稿第四十一页，共五十页1 激光表面改性本讲稿第四十二页，共五十页激光表面改性的理论基础是激光与材料相互作用的一些规律，主要包括激光表面相变硬化、冲击硬化、熔覆、合晶化。非晶化等。这些工艺的过程特点比较见课本P151表8-2本讲稿第四十三页，共五十页2 离子注入表面改性本讲稿第四十四页，共五十页本讲稿第四十五页，共五十页3 表面镀膜改性本讲稿第四十六页，共五十页2）气相沉积硬涂层又分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)PVD是以各种物理方法生产的原子或分子沉积在基材上并形成薄膜或涂层的过程CVD是将一种或多种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入反应室，利用气相在基片上反应生成薄膜的技术本讲稿第四十七页，共五十页4 化学热处理本讲稿第四十八页，共五十页本讲稿第四十九页，共五十页本讲稿第五十页，共五十页