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1、材料表面工程材料表面工程关于固体表面的物理化学特征1第1页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程2主主 要要 内内 容容2.1固体表面的结构2.2固体表面的吸附2.3固体表面原子的扩散2.4摩擦、磨损与润滑第2页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程32.1 固体表面的结构固体表面的结构固体材料固体材料-工程技术中最普遍使用的材料。按材料特性分为：金属材料无机非金属材料有机高分子材料按所起的作用分为结构材料-以力学性能为主的工程材料，主要用来制造工程建筑中的构件，机械装备中的零件以及工具、模具等。功能材料利用物质的各种物理和化学特性及其对外界环境敏感的反应，实现
2、各种信息处理和能量转换的材料。第3页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程4原子、离子或分子排列情况晶体非晶体-原子、离子或分子在三维空间呈周期性规则排列，即存在长程有序。-短程有序常见晶体结构面心立方密排立方体心立方-密排型，配位数是12-非密排型，配位数是8表面能表面能-表面上方没有原子存在，出现“断键”，表面原子能量升高，这种高出来的能量就是。第4页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程5物质存在的某种状态或结构，通常称为某一相相。严格地说，相是系统中均匀的、与其他部分有界面分开的部分。复复相相系系-在一定温度和压力下，含有多个相的系统为复相系。n指这部分
3、的成分和性质从给定范围或宏观来说是相同的，或是以一种连续的方式变化，也就是没有突然的变化。第5页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程6界界面面-两相接触的约几个分子厚度的过渡区，或两种不同相之间的交界区称为界面。若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。严格地讲，表表面面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面液体或固体的表面。常见的界面有：气气-液液界面，气气-固固界面，液液-液液界面，液液-固固界面，固固-固固界面。第6页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程7常见的界面常见的界面气气-液界面液界面第7页，讲
4、稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程8气气-固界面固界面常见的界面常见的界面第8页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程9液液-液界面液界面常见的界面常见的界面第9页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程10液液-固界面固界面常见的界面常见的界面第10页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程11固固-固界面固界面第11页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程12固体材料的界面有三种：固体材料的界面有三种：（l）表面表面固体材料与气体或液体的分界面。（2）晶界晶界（或 亚 晶界）（3）相界相界多晶材料内部成分、结构相同
5、而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。第12页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程13（1）理想表面（实际上不存在）（2）清洁表面（3）实际表面2.1.1 固体材料与气体界面固体材料与气体界面第13页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程14 理想表面理想表面理想表面理想表面没有杂质的单晶，作为零级近似可没有杂质的单晶，作为零级近似可将表面看作为一个理想表面。从理论上看，它是将表面看作为一个理想表面。从理论上看，它是结构完整的二维点阵平面结构完整的二维点阵平面。理想表面的前提条件：理想表面的前提条件：忽略了晶体内部忽略了
6、晶体内部周期性势场周期性势场在晶体表面中断的影响；在晶体表面中断的影响；忽略了忽略了表面原子表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等；的热运动、热扩散和热缺陷等；忽略了忽略了外界外界对表面的物理化学作用等。对表面的物理化学作用等。第14页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程15理想表面的特点：理想表面的特点：理想表面作为半无限的晶体，体内原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。图 理想表面结构示意图第15页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程16 清洁表面清洁表面清清洁洁表表面面经经过过诸诸如如离离子子轰轰击击、高高温温脱脱附附、超超高高真真空空中中
7、解解理理、蒸蒸发发薄薄膜膜、场场效效应应蒸蒸发发、化化学学反反应应、分分子子束束外外延延等等特特殊殊处处理理后后，保保持持在在106Pa109Pa超超高高真真空空下下外外来来沾沾污污少少到到不不能能用用一一般表面分析方法探测的表面般表面分析方法探测的表面不不存存在在任任何何吸吸附附、催催化化反反应应或或杂杂质质扩扩散散等等物物理理、化化学效应的表面。学效应的表面。第16页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程17清洁表面的一般情况清洁表面的一般情况依热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态，达到这种稳定态的方式有两种：u自行调整，原子排列情况与材料内部明显不同
8、；u依靠表面成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附以及两者的相互作用而趋向稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。第17页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程18表表2-3 几种清洁表面的结构和特点几种清洁表面的结构和特点 第18页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程19第19页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程20第20页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程21晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经过46个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原子层范围。晶体表面的缺陷：平台、台阶、扭折、表面吸
9、附、表面空位、位错。各种材料表面上的点缺陷类型和浓度都依一定条件而定，最为普遍的是吸附。第21页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程22严严格格地地说说，清清洁洁表表面面是是指指不不存存在在任任何何污污染染的的化化学学纯纯表表面面，即即不不存存在在吸吸附附、催催化化反反应应或或杂杂质质扩扩散散等等一一系系列列物物理理、化化学学效效应应的的表表面面。因因此此制制备备清清洁洁表表面面是是很很困困难难的的，而而在在几几个个原原子子层层范范围围内内的的清清洁洁表表面面，其其偏偏离离三三维维周周期期性性结结构构的的主主要要特特征征应应该该是是：表表面面台台阶阶、表表面面弛弛豫豫、表面重
10、构表面重构。第22页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程23图 Pt（557）有序原子台阶表面示意图 台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶所组成。（1）台阶表面）台阶表面第23页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程24图 弛豫表面示意图 在固体表面处，由于固相的三维周期性突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。（2）弛豫表面）弛豫表面LiF（001）弛豫表面示意图，LiF 第24页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程25 重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间距则与体
11、内相同。（3）重构（或再构）表面）重构（或再构）表面图 重构表面示意图第25页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程26缺列型重构缺列型重构-表面周期性地缺失原子列造成的超结构表面周期性地缺失原子列造成的超结构重组型重构重组型重构-并不减少表面的原子数，但却显著地改变表并不减少表面的原子数，但却显著地改变表面的原子排列方式。面的原子排列方式。第26页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程27 实际表面实际表面实际表面暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。（也称吸
12、附表面吸附表面）图 实际表面示意图内表层外表层基体材料层加工硬化层吸附层氧化层第27页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程28实际表面与清洁表面相比有较大不同：实际表面与清洁表面相比有较大不同：表面粗糙度表面粗糙度 -指加工表面上具有的较小间距的波峰和波谷所组成的微观几指加工表面上具有的较小间距的波峰和波谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。何形状误差，也称微观粗糙度。相邻波峰与波谷的间距小于1mm，并且大体上呈周期性起伏，主要是由加工过程中刀具与工件表面间的摩擦、切削分离工件表面层材料的塑性变形、工艺系统的高频振动以及刀尖轮廓痕迹等原因形成。（1）轮廓算术平均偏差：R
13、a（2）微观不平度+点高度：Rz（3）轮廓最大高度：Ry从宏宏观观看，经过切削、研磨、抛光的固体表面似乎很平整，然而从微微观观角角度度观察会发现表面有明显的起伏、同时不可能有裂缝、空洞等。第28页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程29贝尔比层和残余应力贝尔比层和残余应力固体材料经过切削加工后，在几个微米或者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，既造成一定程度的晶格畸变。这种晶格的畸变随深度变化，而在最外的，约5nm-10nm厚度可能会形成一种非晶态层。这层非晶态称为贝尔比层贝尔比层。其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。贝尔比层具有效高的耐磨性和耐蚀性。第
14、29页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程30材料经各种加工、处理后普遍存在残余应力。残余应力按其作用范围分为：宏观内应力和微观内应力两类。残余应力残余应力宏观内应力宏观内应力-由于材料各部分变形不均匀而造成的宏观范围内的内应力微观内应力微观内应力-物体的各晶粒或亚晶粒之间不均匀的变形而产生的晶粒或亚晶粒间的内应力第30页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程312.1.2 固体表面的成分偏聚固体表面的成分偏聚 表面偏聚表面偏聚-合金的表面成分一般不同于合金的整体平均成合金的表面成分一般不同于合金的整体平均成分，这种现象称为分，这种现象称为表面偏聚表面偏聚。溶
15、质原子在表面富集溶质原子在表面富集表面溶质原子减少（称为反偏聚）表面溶质原子减少（称为反偏聚）平衡偏聚平衡偏聚非平衡偏聚非平衡偏聚-整个系统中温度和组元的化学位都是不变的，可以整个系统中温度和组元的化学位都是不变的，可以用平衡热力学来描述。用平衡热力学来描述。-动力学过程的结果动力学过程的结果第31页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程322.2 固体表面的吸附固体表面的吸附吸附剂（吸附剂（adsorbent）：表面上发生吸附作用的固体。吸附质（吸附质（adsorbate）：被吸附的气体等物质。吸吸附附：由于物理或化学的作用力场，某物质分子附着或结合在两相界面上的浓度与两相本
16、体浓度不同的现象。吸收吸收：被吸附物质深入到固体体相中。吸吸附附量量：达吸附平衡时，单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的数量（标准状况下的体积）。吸附平衡吸附平衡第32页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程332.2.1 吸附现象吸附现象1固体表面上气体的吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附-仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等。-相当与吸附剂表面分子与吸附质分子发生了化学反应，在红外、紫外-可见光谱中会出现新的特征吸收带。第33页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程34物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附第34页，讲稿共1
17、12张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程35吸吸附附热热：在吸附过程中的热效应称为吸吸附附热热。物理吸附过程的热效应相当于气体凝聚热，很小；化学吸附过程的热效应相当于化学键能，比较大。吸附热的取号：吸附是放热过程，但是习惯把吸附热都取成正值。第35页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程36化学吸附速率决定于以下几个因素化学吸附速率决定于以下几个因素气体分子对固体表面的碰撞频率；必须碰撞在表面上空着的活性点上；吸附活化能第36页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程372.2.1 吸附现象吸附现象2固体表面上液体的吸附（1）固体表面对液体中溶质和溶剂的吸附正
18、吸附负吸附-吸附层内溶质的浓度比液体中原溶质的浓度大-吸附层内溶质的浓度比液体中原溶质的浓度小第37页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程38（2 2）固体表面对液体吸附的规律性和影响因素）固体表面对液体吸附的规律性和影响因素1）使固体表面自由能降低得越多的物质，越容易被吸附。2）与固体表面极性相近的物质较易被吸附。3）与固体表面有相同性质或与固体表面晶格大小适当的离子较易被吸附。4）溶解度小或吸附后生成化合物的物质，较易被吸附。5）固体表面带电时，较易吸附反电性离子或易被极化的离子。6）固体表面污染程度对吸附有很大影响。第38页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料
19、表面工程397）液体表面张力对吸附有重要的影响。F固液=（1+cos）F固液-固-液吸附粘结力，液体的表面张力，为液-固接触角。8）被吸附物质的浓度对吸附的影响。9）温度对吸附的影响。吸附是放热过程，故温度升高，吸附量应减少。但有时，吸附量反而随温度升高而增加。第39页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程403固体表面之间的吸附条条件件：当两固体表面之间接近到表面力作用范围内（即原子间距范围内）时，固体表面之间产生吸附作用。如：将两根新拉制的玻璃丝相互接触，它们就会相互粘附。粘附功粘附功：粘附程度的大小。第40页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程41固体的
20、粘附作用只有当固体断面很小并且很清洁时才能表现出来。两个固体表面的吸附力受材料的变形能力大小，即弹性模量大小的影响。第41页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程422.2.3 表面吸附力表面吸附力物理吸附力物理吸附力化学吸附力化学吸附力-物理吸附物理吸附：在所有的吸附剂与吸附质之：在所有的吸附剂与吸附质之间都存在，相当于液体内部分子间的内聚间都存在，相当于液体内部分子间的内聚力。力。-化学吸附化学吸附第42页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程43 物物理理吸吸附附力力色散力色散力诱导力诱导力取向力取向力-分子相互靠拢时，它们的瞬时偶极矩分子相互靠拢时，它们
21、的瞬时偶极矩之间会产生很弱的吸引力，这种吸引力之间会产生很弱的吸引力，这种吸引力成为色散力。成为色散力。-一个分子的电荷分布要受到其他分子一个分子的电荷分布要受到其他分子电场的影响。电场的影响。-具有偶极而无附加极化作用的两个不同分具有偶极而无附加极化作用的两个不同分子的电偶极矩间有静电相互作用，此作用力子的电偶极矩间有静电相互作用，此作用力称之为称之为取向力取向力。第43页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程44 化学吸附力化学吸附力吸附键吸附键-吸附质与吸附剂之间发生了电子的转移或共吸附质与吸附剂之间发生了电子的转移或共有，形成的化学键。有，形成的化学键。吸附键吸附键的特
22、点：的特点：吸附质粒子仅与一个或少数几个吸附剂表面原子相吸附质粒子仅与一个或少数几个吸附剂表面原子相键合；键合；吸附键的强度依赖于表面的结构，在一定程度上与底物整吸附键的强度依赖于表面的结构，在一定程度上与底物整体电子性质也有关系。体电子性质也有关系。第44页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程45 表面吸附力的影响因素表面吸附力的影响因素（1）吸附键性质会随温度的变化而变化）吸附键性质会随温度的变化而变化物理吸附只发生在接近或低于被吸附物质所在压力下的沸点温度化学吸附发生的温度远高于沸点温度随温度的增加，被吸附分子中的键还会陆续断裂以不同形式吸附在表面上。第45页，讲稿共1
23、12张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程46（2）吸附键断裂与压力变化的关系）吸附键断裂与压力变化的关系固体表面加热到相同温度时，被吸附物压力的变化，脱附物发生变化。（3）表面不均匀性对表面键合力的影响）表面不均匀性对表面键合力的影响表面有阶梯和折皱等不均匀性存在，对表面化学键有明显的影响。（4）其他吸附物对吸附质键合的影响）其他吸附物对吸附质键合的影响吸附物质的相互作用而引起。第46页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程472.2.4 固体表面的吸附理论固体表面的吸附理论 Langmuir 吸附理论吸附理论 单分子层吸附理论单分子层吸附理论假定：假定：（1）吸附是单分子
24、层的；（2）固体表面的吸附作用均匀；（3）被吸附的分子之间无横向相互作用；（4）吸附是一动态平衡。第47页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程48吸附等温方程：第48页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程49第49页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程50 Freundlich 吸附等温方程吸附等温方程Freundlich经验公式：式中，m为吸附剂的质量，常以g或kg表示；x为被吸附的气体量，常以mol、g或标准状况下的体积表示；r为单位质量吸附剂吸附的气体量；p为吸附平常时气体的压力；k和1/n是一个真分数，在01之间。第50页，讲稿共1
25、12张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程51 BET多分子层吸附理论多分子层吸附理论观点：Brunauer、Emmett和Tellor接受Langmuir理论的假定（2）和（3），但认为吸附是多分子层的。第51页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程52第52页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程53表面化合物表面化合物2.2.5 固体表面的化学反应固体表面的化学反应 当吸附物与固体表面的负电性相差较大，化学亲和力当吸附物与固体表面的负电性相差较大，化学亲和力很强时，化学吸附会在表面上导致新相的生成，即称为很强时，化学吸附会在表面上导致新相的生成，即称为表
26、面化合物表面化合物。表面化合物的特点：表面化合物的特点：一种二维化合物，不同于一般的化学吸附态，具有一定的化合一种二维化合物，不同于一般的化学吸附态，具有一定的化合比例，且随键合性质的不同表现不同性能；比例，且随键合性质的不同表现不同性能；不同于体相的化合物，不仅化合比不同，化合物的性质也不同，不同于体相的化合物，不仅化合比不同，化合物的性质也不同，而且通常的相图中也不存在。而且通常的相图中也不存在。表面化学反应表面化学反应-吸附物质与固体相互作用形成了一种新的吸附物质与固体相互作用形成了一种新的化合物。化合物。第53页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程542.3 固体表面
27、原子的扩散固体表面原子的扩散扩散扩散平行表面的运动平行表面的运动垂直表面向内部垂直表面向内部的扩散运动的扩散运动得到均质的、理想的表面强化得到均质的、理想的表面强化层层得到一定厚度的合金强化层得到一定厚度的合金强化层 表面上的原子同样可以通过扩散从一个格位表面上的原子同样可以通过扩散从一个格位迁移到另一个格位。在一定温度下这个原子迁移迁移到另一个格位。在一定温度下这个原子迁移距离距离 x2=2Dt 第54页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程552.3.1随机行走扩散理论与宏观扩散系数1.表面原子的扩散表面原子的扩散 指原子、离子、分子和小的原子簇等单个实体在指原子、离子、分
28、子和小的原子簇等单个实体在物体表面物体表面上的运动。上的运动。这些单个实体通过热运动而活化，从而进行扩散。这些单个实体通过热运动而活化，从而进行扩散。活化能活化能原子热运动的不均匀性，随温度升高越来越多的表面原子得到原子热运动的不均匀性，随温度升高越来越多的表面原子得到足够的活化能而沿表面进行扩散运动。足够的活化能而沿表面进行扩散运动。表面原子构造的特点，使得许多原子的能量本来就不一表面原子构造的特点，使得许多原子的能量本来就不一样，在台阶、位错等缺陷处，原子能量比其他地方的高。样，在台阶、位错等缺陷处，原子能量比其他地方的高。第55页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程56
29、2.随机行走（随机行走（Random Walk）理论）理论 假定原子运动方向是任意的，随机的，原子每次跳跃假定原子运动方向是任意的，随机的，原子每次跳跃的距离是等长的，并等于最近的距离的距离是等长的，并等于最近的距离d。式中，式中，D为扩散系数，为扩散系数，T为热力学温度，为热力学温度，kB为为Boltzmann常数，常数，Hm为为扩散势垒的高度或迁移能；扩散势垒的高度或迁移能；Hf为吸附原子的生成能；为吸附原子的生成能；为原子为原子冲击势垒的频率，冲击势垒的频率，b为坐标的方向数；为坐标的方向数；z为配位数。为配位数。第56页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程573.宏观
30、扩散的扩散系数宏观扩散的扩散系数 实际表面上不是一个原子而是实际表面上不是一个原子而是许多原子同时进行许多原子同时进行扩扩散。散。式中，式中，D为扩散系数，为扩散系数，Q为整个扩散过程中的活化能，为整个扩散过程中的活化能，D0为扩散常数，可在为扩散常数，可在10-3103cm/s一个很宽的范围里变动。一个很宽的范围里变动。第57页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程582.3.2表面扩散定律图图 表面原子扩散模型表面原子扩散模型Fick第二扩散定律的一维形式第二扩散定律的一维形式第58页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程592.3.3表面的自扩散和多相扩散
31、自扩散自扩散多相扩散多相扩散在一个单组分的基底上同种原子的表面扩散在一个单组分的基底上同种原子的表面扩散在表面上其他种吸附原子的扩散在表面上其他种吸附原子的扩散扩散扩散本征扩散系数本征扩散系数传质扩散系数传质扩散系数扩散系数扩散系数不包括缺陷生成能的扩散系数不包括缺陷生成能的扩散系数包括缺陷生成能的扩散系数包括缺陷生成能的扩散系数第59页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程60摩擦学摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。p摩擦摩擦 两个接触的物体在相互运动过程中，表面之间所产生的阻碍运动的效应；p磨损磨损 由于摩擦而
32、造成的物体表面材料的损失或转移；p润滑润滑 减轻摩擦和磨损所应采取的措施。关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。2.4 摩擦、磨损与润滑摩擦、磨损与润滑第60页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程61世界上使用的能源大约有世界上使用的能源大约有1/31/2消耗于摩擦。消耗于摩擦。机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的。减少摩擦节省能源；减少磨损降低设备维修次数和费用，节省制造零件及其所需材料的费用。第61页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程622.4.1 2.4.1 摩擦摩擦摩擦的定义 摩擦不仅会使材料磨耗，而且还会发热，摩擦不仅会使材
33、料磨耗，而且还会发热，导致接触表面瞬导致接触表面瞬时温度升高，降低工件的机械效率，加重材料磨耗时温度升高，降低工件的机械效率，加重材料磨耗，故生产中总，故生产中总是力图减少摩擦，降低摩擦系数。只有某些情况才需增大摩擦力，是力图减少摩擦，降低摩擦系数。只有某些情况才需增大摩擦力，如车辆制动器、摩擦离合器等。如车辆制动器、摩擦离合器等。摩擦摩擦-两个接触的物体在相互运动过程中，表面之间所产生的阻碍运动的效应。第62页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程63 摩擦的大小大小一般用摩擦系数来表示，其值等于摩擦力F（切向力）与法向力N（载荷）的比值，即=F/N 摩擦力摩擦力-两个相互接
34、触物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力，这一阻力称为摩擦力。有动静区分，有动静区分，静静动动。第63页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程64摩擦的分类摩擦的分类 按摩擦副的按摩擦副的运动状态运动状态分类分类静摩擦静摩擦动摩擦动摩擦-仅有相对运动仅有相对运动趋势趋势时的摩擦时的摩擦-在相对运动在相对运动进行中进行中的摩擦的摩擦第64页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程65 按摩擦副的按摩擦副的运动形式运动形式分类分类滑动摩擦滑动摩擦滚动摩擦滚动摩擦物体表面间的运动形式是相对物体表面间的运动形式是相对滑动滑动物体表
35、面间的运动形式是相对物体表面间的运动形式是相对滚动滚动第65页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程66 按发生部位分类按发生部位分类内摩擦内摩擦外摩擦外摩擦在物质的在物质的内部内部发生的阻碍分子之间相对运动的现发生的阻碍分子之间相对运动的现象象在相对运动的物体在相对运动的物体表面间表面间发生的相互阻碍作用现发生的相互阻碍作用现象。象。第66页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程67 按摩擦副按摩擦副表面的润滑表面的润滑状况分类状况分类纯净摩擦纯净摩擦摩擦表面没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦摩擦表面没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦干摩擦干摩擦（无润滑摩擦）
36、（无润滑摩擦）在大气条件下，摩擦表面之间名义上没有润在大气条件下，摩擦表面之间名义上没有润滑剂存在时的摩擦滑剂存在时的摩擦边界润滑摩擦边界润滑摩擦摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在的摩擦摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在的摩擦流体润滑摩擦流体润滑摩擦相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩擦相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩擦固体润滑摩擦固体润滑摩擦相对运动的两物体表面间有固体润滑存在时的摩擦相对运动的两物体表面间有固体润滑存在时的摩擦混合摩擦混合摩擦介于上述各摩擦之间，即接触表面间同时出现干摩擦、介于上述各摩擦之间，即接触表面间同时出现干摩擦、边界摩擦、流体润滑摩擦和固体润滑摩擦的一种混合
37、摩擦状态。边界摩擦、流体润滑摩擦和固体润滑摩擦的一种混合摩擦状态。生产实际中最常见的一种摩擦状态。生产实际中最常见的一种摩擦状态。第67页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程68 按摩擦副按摩擦副所处的工况条件所处的工况条件分类分类正常摩擦正常摩擦机械设备的摩擦副在正常温度、压力、速度等工机械设备的摩擦副在正常温度、压力、速度等工况条件下的摩擦况条件下的摩擦特殊工况条件下的摩擦特殊工况条件下的摩擦摩擦副处于高速、高温、低摩擦副处于高速、高温、低温等特殊环境条件下工作时产生的摩擦温等特殊环境条件下工作时产生的摩擦第68页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程69
38、摩擦的机理摩擦的机理“机械说机械说”摩擦原因是表面微凸体的相互阻碍作用；摩擦原因是表面微凸体的相互阻碍作用；“分子说分子说”摩擦原因是表面材料分子间的吸力作用；摩擦原因是表面材料分子间的吸力作用；“机械机械-分子说分子说”两种作用均有两种作用均有第69页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程70摩擦理论摩擦理论图粘着理论示意图粘着理论第70页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程71大量的试验表明，工程表面的实际接触面积约为名义接触面积的10-210-3，这样接触区压力很高，使材料发生塑性变形，表面污染膜遭到破坏，从而使基体金属发生粘着现象，形成冷焊结点（如图a
39、 所示）。当发生滑动时，必须先将结点剪断（如图b 所示），同时，当较硬的凸峰在较软的材料上滑过时，将切出沟纹（即犁刨作用），从而相对滑动时的摩擦力为上述两种因素所形成的阻力之和。由于后者相对来说较小，故可忽略。第71页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程72影响摩擦的因素影响摩擦的因素1.材料性能材料性能-当摩擦副是同一种金属或是非常类似的当摩擦副是同一种金属或是非常类似的金属，或这两种金属有可能形成固溶合金时，则摩擦金属，或这两种金属有可能形成固溶合金时，则摩擦较严重。较严重。2.接点长大接点长大第72页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程733.摩擦环境
40、摩擦环境摩擦状况摩擦系数干摩擦相同金属：黄铜-黄铜；青铜-青铜异种金属：铜铅合金-钢巴氏合金-钢非金属：橡胶-其他材料 聚四氟乙烯-其他材料0.81.50.150.30.150.30.61.90.040.12固体润滑石墨-二硫化钼润滑铅膜润滑0.060.200.080.20边界润滑矿物油湿润表面加油性添加剂的油润滑：钢-钢；尼龙-钢 尼龙-尼龙0.150.300.050.100.100.20流体润滑液体动力润滑液体静力润滑0.080.200.001(与设计参数有关)滚动摩擦滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。球和圆柱滚子轴承的摩擦大体与液体动力润滑相近，其它滚子轴承则稍大表 不
41、同摩擦状态下的摩擦系数（大致值）第73页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程742.4.2 2.4.2 磨损磨损磨损的定义磨损的定义磨损（磨损（WearWear）-由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移的现象称为磨损。磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。磨损是发生在磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。磨损是发生在材料表面的局部变形与断裂，这种变形与断裂是反复进行的，材料表面的局部变形与断裂，这种变形与断裂是反复进行的，具有具有动态特征动态特征。这种动态特征的另一标志是。这种动态特征的另一标志是材料表层组织经过材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态每次循环后总要变到新
42、的状态。所以由。所以由常规试验得到材料力常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映出材料耐磨性的优劣学性能不一定能如实反映出材料耐磨性的优劣。第74页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程75 材料的磨损除主要由力学因素引起外，在整个过程中材材料的磨损除主要由力学因素引起外，在整个过程中材料还将发生一系列物理、化学状态的变化。料还将发生一系列物理、化学状态的变化。如因表面材料的塑性变形引起的如因表面材料的塑性变形引起的形变硬化及应力分布的改形变硬化及应力分布的改变变，因摩擦热引起的二次相变，因摩擦热引起的二次相变淬火、回火及回复再结晶淬火、回火及回复再结晶，因外部介，因外部介质产
43、生的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的耐磨性能。质产生的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的耐磨性能。第75页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程76 机件正常运行的磨损过程如图所示，一般分为机件正常运行的磨损过程如图所示，一般分为3 3个阶段，曲线个阶段，曲线上各点斜率即为上各点斜率即为磨损速率磨损速率。图图 磨损量与时间的关系示意图（磨损曲线）磨损量与时间的关系示意图（磨损曲线）第76页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程77 (1)(1)跑合跑合(磨合磨合)阶段阶段。该阶段随着表面被磨平，实际接触面积不断。该阶段随着表面被磨平，实际接触面积不断增大，表层应变硬化
44、，磨损速率不断减小。表面形成牢固的氧化膜，也增大，表层应变硬化，磨损速率不断减小。表面形成牢固的氧化膜，也降低了该段的磨损速率。降低了该段的磨损速率。(3)(3)剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段。随磨损过程的增长，磨耗增加，摩擦副接。随磨损过程的增长，磨耗增加，摩擦副接触表面间隙增大，机件表面质量恶化，润滑膜被破坏，引起剧烈触表面间隙增大，机件表面质量恶化，润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损重新加剧，机件快速失效。振动，磨损重新加剧，机件快速失效。(2)(2)稳定磨损阶段稳定磨损阶段。该段的斜率就是磨损速率，为一稳定值。实验。该段的斜率就是磨损速率，为一稳定值。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、磨
45、损速率或磨损量来评定材料室的磨损试验就是根据该段经历的时间、磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的。大多数工件均在此阶段服役，磨合得越好，该段磨损速率耐磨性能的。大多数工件均在此阶段服役，磨合得越好，该段磨损速率就越低。就越低。第77页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程78磨损的分类磨损的分类粘着磨损（粘着磨损（Adhesive Wear）磨料磨损（磨料磨损（Abrasivee Wear）表面疲劳磨损（表面疲劳磨损（Surface Fatigue Wear）腐蚀磨损（腐蚀磨损（Corrosive Wear）磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据不同磨损机理，分为四个主要类别：
46、第78页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程79粘着磨损（粘着磨损（Adhesive Wear）(又称咬合磨损又称咬合磨损)定义-是指两个相对运动的表面发生相互焊合，在相互运动过程中焊合表面产生撕裂而发生的磨损。粘着磨损粘着磨损是因是因两种材料表面某些接触点局部压应力两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种表超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损，多发生在摩擦副相对滑动速度小，接触面面损伤磨损，多发生在摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大的滑动摩擦氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大的滑
47、动摩擦条件下条件下。其磨损表面特征是其磨损表面特征是机件表面有大小不等的结疤机件表面有大小不等的结疤。第79页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程80 粘着磨损的过程就是粘着点不断形成又不断被损粘着磨损的过程就是粘着点不断形成又不断被损坏并脱落的过程。坏并脱落的过程。图图 Al-SnAl-Sn合金轴瓦的粘着磨损合金轴瓦的粘着磨损第80页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程81根据摩擦表面的破坏程度，常把粘着磨损分为：根据摩擦表面的破坏程度，常把粘着磨损分为：1）轻微磨损2）涂抹3）擦伤（胶合或咬合）4）撕脱（或咬焊）5）咬死第81页，讲稿共112张，创作于星
48、期日材料表面工程材料表面工程821）轻微磨损：）轻微磨损：往往出现在摩擦初期的比较洁净的金属表面上，这种磨损是正常的，利用这种磨损使机器达到正常跑合的目的。轻微磨损的程度决定于载荷和速度。因此在跑合阶段要特别注意选择适当的跑合规范，也就是选择适当的载荷、速度、跑合时间等参数，使跑合时间尽可能地缩短而又不会在表面上产生擦伤现象。第82页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程832）涂抹：）涂抹：金属从一个表面离开，并以很薄的一层堆积在另一个表面上的现象，称为涂抹。一般是较软的金属涂抹在较硬的金属表面上。增加滑动面的油膜厚度、减小表面粗糙度的幅值和斜率，都可以减轻涂抹的产生。第83
49、页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程843）擦伤：）擦伤：沿滑动方向产生细小抓痕的现象，称为擦伤。擦伤产生的条件：有较硬的凸峰（或较硬的颗粒），且在表面之间有相对滑动。4）划伤：）划伤：在滑动表面之间，局部产生固相焊合时，沿滑动方向形成较严重的抓痕的现象。第84页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程855）胶合：）胶合：在滑动表面之间，由于固相焊合产生局部破坏，但尚未出现局部焊熔的现象。焊合-指固体表面直接接触时的粘着，在任何温度下都可能产生。包括：冷焊和熔焊。胶合产生原因：流体动压润滑油膜的破裂；边界润滑油膜的破裂；表面局部瞬时闪发温度升高。6）咬死）咬
50、死是胶合最严重的表现形式是胶合最严重的表现形式 由于界面的摩擦使相对运动停止的现象。第85页，讲稿共112张，创作于星期日材料表面工程材料表面工程86磨料磨损（磨料磨损（Abrasivee Wear）(又称磨粒磨损或研磨磨损又称磨粒磨损或研磨磨损)磨料磨损磨料磨损是摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接是摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面间存在硬质粒子触面间存在硬质粒子(从外界进入或从表面剥落从外界进入或从表面剥落)时产生的磨损时产生的磨损。依据磨粒受的应力大小，磨粒磨损可分为依据磨粒受的应力大小，磨粒磨损可分为凿削式、高应凿削式、高应力碾碎式、低应力擦伤式力碾碎式、低应力擦伤式3