材料表面工程复习考试重点终极版.docx

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材料表面工程复习考试重点终极版

第一章

表面技术的含义：

表面技术是指通过表面涂覆、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、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能。

表面技术的目的：

①提高材料抵御环境作用的能力。

②赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能。

③实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。

表面技术的实施方法：

1.施加各种覆盖层2.表面改性：

表面技术的分类：

4种基本类型：

①原子沉积。

②颗粒沉积。

③整体覆盖。

④表面改性。

广义表面技术包括

①表面技术的基础和应用理论。

②表面处理技术，它又包括表面覆盖技术、表面改性技术和复合表面处理技术3部分。

③表面加工技术。

④表面分析和测试技术。

⑤表面工程技术设计。

表面技术的应用理论

（1）表面失效分析

（2）摩擦与磨损理论

（3）表面腐蚀与防护理论（4）表面结合与复合理论

表面处理技术------表面覆盖技术表面改性技术　复合表面处理技术

表面技术的应用概况

一、结构材料应用

1　材料防护

　　主要指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀的能力。

2提高材料耐磨性3　表面强化4　表面修复5　表面装饰

二、功能材料应用三、生活环境应用

四、新材料开发应用1　金刚石薄膜2　类金刚石碳膜3　立方氮化硼膜

第二章

表面的范围：

金属为1-3个原子层；半导体4-6层；绝缘体为十至几十层。

表面的分类：

1理想表面2清洁表面3实际表面

一、理想表面

一种理论上的结构完整的二维点阵平面。

表面原子排列与晶体内部相同。

理想表面实际上是不存在的。

二、清洁表面

经过彻底清洗、烘干、溅射，并进行热处理后，保存在超高真空（10-12Torr）下的不存在任何污染的化学纯表面，称为清洁表面。

清洁表面结构：

由于表面能的作用，在原子清洁的表面上可以发生多种与体内不同的结构和成分变化。

如：

表面弛豫，表面重构，表面偏析，表面吸附，表面化合物，表面台阶（TLK模型）。

三、实际表面

有一定的粗糙度、贝尔比层、残余应力、表面吸附及沾污等。

由于表面特殊的结构和表面能，使得表面有许多与晶体内部不同的性质。

例如，表面吸附、表面润湿、原子的表面扩散等。

二、表面吸附

表面吸附按其作用力的性质可分为两类：

物理吸附和化学吸附。

在吸附过程中，一些能量较高的吸附分子，可能克服吸附势的束缚而脱离固体表面，称为“脱附”或“解吸”。

当吸附与解吸达到动态平衡时，固体表面保存着一定数量的相对稳定的吸附分子，这种吸附，称为平衡吸附。

物理吸附的作用力是表面原子与吸附原子之间的范得瓦尔斯力（VanderWaals）。

化学吸附，在吸附剂和吸附物的原子或分子间发生电子的转移，形成了化学键。

如，氧化。

用于判别化学吸附和物理吸附的另一个判据是活化能。

物理吸附无需活化能。

三、表面润湿

 表面预处理技术分类：

表面预处理技术主要包括机械性清理、脱脂、除锈等几个部分。

表面预处理技术主要包括机械性清理、表面清洁（脱脂、除锈）、表面抛光、喷砂或喷丸 。

一、机械性清理 包括：

1）机械磨光和抛光2）滚光和刷光 

第三章（热喷涂的定义、目的、质量、特点、如何结合、类型有哪些）

热喷涂是采用不同的热源，将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，用高压气流将其雾化，并以一定的速度喷射到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。

热喷涂用的热源：

气体或液体燃料、电弧、等离子弧、激光等。

热喷涂材料：

金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料或复合材料。

工件材料：

金属、合金、陶瓷、水泥、塑料、石膏、木材、玻璃等几乎所有固体材料。

喷涂层的性能：

耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化、润滑等。

喷涂层的厚度：

0.5-5mm。

应用：

宇航、国防、机械、冶金、石油、化工、机车车辆、电力等部门。

如果将喷涂层再加热重熔，产生冶金结合，称为喷熔。

热喷涂过程：

熔化---雾化---喷射---沉积

涂层的金相组织：

层状结构，内有孔洞。

涂层性能：

各向异性。

重熔处理

一、热喷涂原理

3.涂层结合机理

涂层与基体的结合：

结合力；

涂层内部的结合：

内聚力。

涂层与基体的结合：

1）机械结合2）冶金-化学结合：

3）物理结合：

涂层内部的结合：

主要以机械结合为主。

降低残余应力的方法：

（1）基体预热；

（2）基体表面预处理：

吹砂、开沟槽、车螺纹

二、热喷涂的种类和特点

1.热喷涂种类

根据涂层加热和结合方式分：

喷涂和喷熔。

根据加热喷涂材料的热源种类分：

火焰、电弧、高频、等离子弧（超音速）、爆炸、激光（喷涂、重熔）、电子束。

二、热喷涂的种类和特点

2.热喷涂特点

（1）   适用范围广。

喷涂材料、工件材料。

（2）   工艺灵活。

（3）   喷涂厚度可调。

几微米至几毫米。

（4） 工件受热影响小。

基体变形小、组织、性能变化小。

（5）   生产率高。

缺点：

粉尘、烟雾大、噪声大。

三、热喷涂工序

1.表面预处理

（1）基体表面的清洗、脱脂：

碱性溶液或丙酮、汽油。

（2）基体表面氧化膜处理

（3）基体表面粗化处理：

提高涂层与基体结合强度（喷砂、机械加工如开槽、车螺纹、滚花等）

（4）基体表面预热处理：

提高涂层与基体结合强度

（5）非喷涂表面的保护

2.喷涂

（1）喷涂打底层：

Mo、Ni-Cr、Ni-Cr-Al等。

厚度50-100微米。

（2）喷涂工作层。

3.激光重熔。

四、热喷涂材料

（一）热喷涂线材：

（1）锌及锌合金线材，

（2）铝及铝合金线材（3）铜及铜合金。

（4）镍及镍合金（5）不锈钢丝

（二）热喷涂粉末：

金属粉末、合金粉末、陶瓷粉末、复合粉末

（三）塑料

等离子喷涂的工作气体：

最常用的有氮气、氩气，此外，也可用氢气、氦气

阴极是电子发射源，选用熔点高和电子发射能力强的材料制成，一般采用钨电极。

喷嘴为阳极，通过其孔道对电弧进行压缩而形成等离子弧。

等离子弧是压缩电弧，按接电的方法不同，等离子弧有三种形式：

①非转移弧；正极接在喷嘴上，工件不带电；

②转移弧：

喷嘴不接电源，工件接正极；

③联合弧：

喷嘴、工件均接正极。

等离子弧和自由电弧相比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高、能量集中、弧稳定性好等特点。

第四章

电镀是一种表面加工工艺，它是利用电化学方法将金属离子还原为金属，并沉积在金属或非金属制品的表面上，形成符合要求的平滑致密的金属覆盖层。

电镀的目的主要有三：

1）赋予制品表面装饰性外观；

2）赋予制品表面某种特殊功能，例如提高耐腐蚀性、硬度、耐磨性、导电性、磁性、钎焊性、抗高温氧化性、减小接触面的滑动摩擦、防止钢铁件热处理时的渗碳和渗氮等；

3）提供新型材料，例如制备具有高强度的各种金属基复合材料，合金、非晶态材料，纳米材料等。

电镀层的分类（按照镀层的使用目的来分类）：

1）防护性镀层：

提高金属制品的耐腐蚀能力。

2）装饰性镀层：

如仿金镀层等。

3）功能性镀层：

耐磨和减磨镀层、抗高温氧化镀层、导电性镀层、磁性镀层、热处理用镀层、修复性镀层、可焊性镀层

一）根据主盐性质的不同，可将电镀溶液分为简单盐电镀溶液和络合物电镀溶液两大类。

（一）电镀液组成

1.主盐：

能够在阴极上沉积出所要求的镀层金属的盐。

2.络合剂：

在溶液中能与金属离子生成络合离子的物质称为络合剂。

3.附加盐（导电盐）：

主要用于提高溶液的电导率。

4.缓冲剂：

稳定电镀液的酸碱度（PH值）。

5.阳极活化剂：

提高阳极开始钝化的电流密度，保证阳极处于活化状态。

6.添加剂：

改善镀层质量。

2.极化

当电流通过电极时，电极电位偏离平衡电极电位，称为极化。

（1）电化学极化

（2）浓差极化

阳极极化：

（1）电化学极化

由于阳极表面金属氧化速度小于阳极电子通过导线流向阴极的速度，使得阳极电极电位往正的方向移动，称为电化学极化。

（2）浓差极化

由于阳极表面的金属离子向溶液中的扩散速度慢，导致阳极表面金属离子浓度升高，抑制了阳极表面金属氧化速度，使得阳极表面金属氧化速度小于阳极电子通过导线流向阴极的速度，导致阳极电极电位往正的方向移动。

无论电化学极化，还是浓差极化，都是使阳极电极电位向正方向偏移。

阴极极化：

（1）电化学极化

由于阴极表面金属离子的还原速度小于阴极电子的供给速度，使得阴极电极电位向负方向偏移，称为电化学极化。

（2）浓差极化

由于溶液中的金属离子向阴极表面的扩散速度慢，导致阴极表面金属离子浓度低，阴极表面金属离子的还原速度小于阴极电子的供给速度而产生的极化。

无论电化学极化，还是浓差极化，都是使阴极电极电位向负方向偏移。

（五）影响电镀质量的因素

1.PH值的影响2.添加剂的影响3．电流密度的影响4．电流波形的影响5．温度的影响6．搅拌的影响

二、电镀金属

（一）镀锌用途：

装饰、耐腐蚀

锌镀层主要镀覆在钢铁制品的表面，作为防护性镀层。

（二）镀铜

用途：

作为其他镀层的中间层或底层、作为不渗碳部位的防渗碳层

（三）镀镍

用途：

装饰、耐腐蚀、耐磨

（四）镀铬

用途：

装饰、耐腐蚀、耐磨

化学镀的概念：

化学镀是指在没有外电流通过的情况下，利用还原剂使溶液中的金属离子还原为金属原子，并沉积在基体表面，形成镀层。

化学镀与电镀相比，优点：

（1）不管零件形状多么复杂，镀层厚度很均匀，镀层外观良好，晶粒细小，无孔，耐蚀性好；

（2）无需电解设备及附件；

（3）可在金属、非金属、半导体材料沉积。

缺点：

溶液稳定性差，使用温度高，寿命短，增加了溶液维护、调整、再生的成本。

基本原理：

电刷镀依靠镀笔在工件表面移动形成电镀层。

电刷镀的镀液主要有三类：

单金属镀液、合金镀液、复合金属镀液。

电刷镀镀液的特点：

①大多数镀液是金属络合物水溶液，在水中溶解度大，稳定性好，可长期保存。

②镀液中金属离子含量高，导电性好；③镀液的分散能力和覆盖能力好；④镀液无毒、不燃、不爆，腐蚀性小，安全可靠，便于运输；⑤镀液有专业厂家生产，可长期存放。

第五章

气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。

物理气相沉积（PVD）:

在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其离子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。

主要包括真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜等。

化学气相沉积（CVD）:

把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上的化学反应在基体上制得金属或化合物薄膜的方法。

气相沉积技术一般可分为两大类：

物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。

物理气相沉积主要包括真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜等。

薄膜生长模式：

1）岛状生长；2）层状生长；3）层状加岛状生长

二、真空的特点和应用

1.表面保护作用

2.表面净化作用3.减少气体分子之间的碰撞次数。

4.真空的绝热性好。

5.可降低物质的沸点或气化点。

真空蒸镀定义：

在10^-3~-4pa的真空条件下，采用各种热能转化方式，使镀膜材料蒸发为具有一定能量的气态粒子（原子、分子或原子团），然后凝聚沉积于工件表面形成膜层的方法。

蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这点上，要比溅射困难得多，但在镀制纯金属时，蒸镀可以表现出镀膜速度快的优势。

（一）蒸发方式及蒸发源

真空蒸镀可采用的不同的加热方法，主要有：

电阻加热法、电子束加热、高频感应加热法、激光加热法。

利用气态化合物或化合物的混合物在基体材料表面（通常为热表面）上发生气相化学反应，从而在基材表面上形成镀膜的技术称为化学气相沉积（CVD）。

CVD法制备薄膜的过程，可以分为下面几个主要的阶段：

①反应气体扩散至工件表面；②反应气体分子被基材表面吸附；

③在基材表面发生化学反应；④反应生成的气相副产物由基片表面脱离，被真空泵抽掉；⑤在基片表面留下的固体反应产物在基片表面扩散、形核，形成薄膜。

溅射镀膜:

在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。

（一）溅射镀膜的特点（与真空蒸镀相比）

1）溅射出的原子能量高,形成的薄膜结合好；2）可用于任何材料的镀膜；

3）膜层厚度均匀；4）除磁控溅射外，沉积速率低.

具体的溅射工艺很多，如二极（直流）溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射、对向靶溅射、离子束溅射、吸气溅射等等。

离子镀是结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展的一种物理气相沉积方法。

辉光放电是溅射的基础，辉光放电属于低气压放电

影响溅射产额的因素主要有：

①入射离子②与靶有关③与温度有关

第六章

常用的金属材料表面形变强化方法主要有喷丸、滚压和内孔挤压等强化工艺。

喷丸强化，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。

已广泛用于弹簧、齿轮、链条、铀、叶片、火车轮等零部件，可显著提高金属的抗疲劳，抗应力腐蚀破裂、抗腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐点蚀等的能力。

喷丸强化原理：

1）通过机械手段在金属表面产生压缩变形，形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：

一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；

二是形成了高的宏观残余压应力。

2）表面粗糙度略有增大，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑。

喷丸强化用的弹丸1）铸铁弹丸2）钢弹丸3）玻璃弹丸

表示喷丸强化质量的三个参数：

喷丸强度、覆盖率、表面粗糙度。

1）影响喷丸强度的工艺参数主要有：

弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间

喷丸后，表面产生大量的凹坑形式的塑形变形，表层位错密度大大增加，而且还会出现亚晶界和晶粒细化现象。

喷丸后工件如果受到交变载荷或温度的影响，表层组织结构将产生变化，由喷丸引起的不稳定结构向稳定态转变，有效提高金属表面强度，耐应力腐蚀和抗疲劳性能。

表面淬火是指采用快速加热，使钢件表层奥氏体化并立即快冷获得马氏体，而心部仍保持原始组织的一种淬火工艺。

表面淬火的加热方法有多种，如感应加热、火焰加热、接触电阻加热、电解液加热，高密度能量加热表面淬火。

其中最常用的是火焰加热和感应加热两种。

（一）化学热处理原理

将工件置于含有欲渗元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质分解出欲渗元素的活性原子，活性原子被工件表面吸附并向工件内部扩散，以改变工件表层的化学成分。

通常，在工件表层获得高硬度、耐磨损和高强度的同时，心部仍保持良好的韧性，使被处理工件具有抗冲击载荷的能力。

组织：

单相固溶体；化合物。

渗层的形成主要依靠加热扩散的作用，所得渗层与基体金属之间是靠形成合金来结合的，即形成冶金结合，因而结合非常牢固，渗层不宜脱落。

化学热处理定义：

利用元素扩散性能，是合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。

目的：

1，提高金属表面的强度、硬度和耐磨性；2，提高材料疲劳强度；3，使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬合的能力和降低摩擦系数；4，提高金属表面的耐蚀性。

渗层形成基本过程①活性原子的供给。

②活性原子在基体金属表面上吸附，并被基体金属吸收。

③已溶入的渗剂原子在渗镀的高温下向基体金属内部扩散。

影响扩散速度的参数主要有两个，即扩散系数和浓度梯度①温度②晶体结构③晶体缺陷④基体合金成分⑤渗剂金属原子浓度的影响

根据渗入元素的介质所处状态的不同，金属表面化学热处理可分为:

固体渗（粉末渗）、液体渗（盐浴法）、气体渗、等离子渗

渗硼层组织：

FeB→Fe2B→扩散层→心部组织

渗硼层性能

（1）高硬度和高耐磨性

（2）高的热硬性（3）良好的高温抗氧化性能及抗蚀性（4）脆性渗硼层硬度很高，但脆性较大。

渗碳目的是在低碳钢或低碳合金钢零件的表面得到高的含碳量（高于0.8%）。

其后经淬火、低温回火得到高的硬度和耐磨性的渗碳层，而零件的内部具有高的强韧性。

但缺点是处理温度高（900℃左右），工件畸变大。

渗碳层深度一般为0.7-1.5mm、碳的质量分数为0.7％-0.9％。

渗碳层组织特点；由表及里：

网状碳化物+珠光体------珠光体-----珠光体+铁素体------珠光体减少，铁素体增多。

渗碳层不允许出现过多的网状碳化物，防止渗碳层和零件变脆。

只要控制渗碳介质的活性或碳势（钢表面的含碳量），就可以加以控制。

组织：

表面（层）为高碳回火马氏体组织、心部为低碳回火马氏体组织。

按照渗碳介质的状态，渗碳方法分为：

气体渗、液体渗、固体渗。

渗氮（又称氮化），是使氮原子向金属工件表层扩散的化学热处理工艺。

钢铁渗氮后，可形成以氮化物为主的表层。

当钢中含有铬、铝、钼等氮化物时，可获得比渗碳层更高的硬度、更高的耐磨、耐蚀和抗疲劳性能。

气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子,不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，形成渗氮层。

（2NH3=2[N]+3H2）

离子氮化层通常可能出现以下三种典型组织：

（1）只有扩散层；

（2）γ’化合物层+扩散层；（3）ε+γ’复相化合物层+扩散层

ε相是以Fe2-3N为基的固溶体，氮浓度范围很宽γ’相是以Fe4N为基的固溶体，氮浓度范围比较窄，纯扩散层为氮原子在α-Fe中的固溶体组织

碳氮共渗和氮碳共渗是在金属工件表层同时渗入碳、氮两种元素的化学热处理工艺。

前者以渗碳为主，与渗碳相比，共渗件淬冷的畸变小，耐磨和耐蚀性高，抗疲劳性能优于渗碳。

后者则以渗氮为主，它的主要特点是渗速较快，生产周期短，表面脆性小且对工件材质的要求不严，不足之处是工件渗层较薄，不宜在高载荷下工作。

固体粉末渗剂的组成：

1）金属合金粉末2）填充剂（又称分散剂）3）活化剂

离子化学热处理是最为先进的化学热处理技术。

该技术是将工件置于低压容器内，利用低压气体放电将气体电离，在电场作用下，带电离子轰击工件表面，使其温度升高，利用热扩散实现原子渗的一种化学热处理方法。

产生等离子体的方法主要着重点是使中性粒子电离：

（1）利用电子碰撞法

（2）利用粒子热运动法（3）利用电磁波能量（4）利用高能粒子的方法

按照产生的形式，等离子体可以分为：

（1）天然等离子体

（2）人工等离子体

离子氮化是在密闭的真空炉内，将清洗后的被渗工件放置在阴极盘上。

将真空炉抽真空至一定的真空度后，充入一定流量的含氮气体，并将气压保持在1.33×102～1.33×103Pa左右，在阴极（工件）和阳极（真空室壳）之间施加直流电压，将含氮气体电离成N+、H+和电子，在高压电场作用下，N+、H+在电场的作用下以很大的速度轰击工件表面，将动能转化为热能，把工件表面加热到所需渗氮温度，与此同时，氮原子被工件表面吸收并向内扩散形成渗氮层。

离子氮化和气体氮化的优点：

1．渗氮速度快。

2．省电、省气，节约能源。

3．氮化层结构可控。

4．非渗氮面屏蔽方法简单。

5．对不锈钢不用去钝化膜处理。

6．无公害，工作环境好。

离子渗碳与离子氮化一样，也是在真空状态下，以工件为阴极，真空室壳为阳极，在阴极与阳极之间施以直流电压，将渗碳气体电离，产生辉光放电。

在电场作用下碳离子轰击工件表面，把工件表面加热并被表面吸收然后向内部扩散。

离子渗碳的特点：

1.渗碳效率高。

2．渗速快。

3.表面状态好，渗层质量高。

4．渗碳量容易控制。

5．零件变形小。

7．省能，无公害。

渗硼：

提高金属表面的硬度、耐磨性和耐蚀性；渗氮：

用于耐磨、耐蚀和精度要求高的耐磨件；渗碳：

结构钢渗碳可以使工件表面获得高的硬度、耐磨性、抗疲劳等等，而使心部具有一定的强度、韧性。

根据渗入元素的介质所处状态的不同，金属表面化学热处理可分为:

固体渗、液体渗、气体渗、等离子渗。

离子注入的原理及强化机制：

离子注入是将所需物质的离子在电场中加速后高速轰击工件表面使之注入工件表面一定深度的真空处理工艺。

从离子发生器发生的离子由几万伏电压引出，进入分选部，将一定的荷质比的离子选出，在几万至几十万伏电压的加速系统中加速获得高能量，通过扫描机构扫描轰击工件表面，离子进入工件表面后，与工件内原子和电子发生一系列碰撞。

由于注入的原子进入位错附近或固溶体产生固溶强化的作用，离子轰击造成的表面压应力也有冷作硬化作用，使得离子注入表面硬度提高。

离子注入强化机制1．固溶强化2．位错强化3．弥散强化

采用激光束、电子束、离子束对材料表面进行改性或合金化的技术，属高能密度表面处理技术。

这三种技术的特点是可以对材料表面快速加热和冷却。

激光表面预处理常用的方法有：

（1）黑化处理方法

（2）磷化法