第1,2章表面工程学.doc

绪论
第一节：表面工程学的定义与内涵
、表面工程技术发展概况
磨损、腐蚀、断裂是机械零件工程构建的三大主要破坏形式。前二者造成经济损失占很大比重。
腐蚀和磨损均是发生于机件表面的材料流失过程，其他形式的失效过程有许多也是从表面开始促进了表面工程学的发展与形成延缓和控制表面破 坏
、表面工程学的定义
表面工程学围绕腐蚀、摩擦与磨损和功能特性（声，光，磁，电的转换）三大因素，成为80年代后期重点发展的关键技术之一，形成表面工程学。
定义:
为满足特定的工程需求，使材料表面或零部件表面具有特殊的成分，结构和性能(或功能)的化学，物理方法与工艺。
、表面工程学的内涵
提高耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能、装饰性，或具有特殊功能（如电性能、磁性能和光电性能等）
能够在材料表面加工或制作各种功能结构元器件的有关技术。如光刻技术、离子刻蚀技术等
即借助各种手段在材料表面合成新材料的技术，如纳米粒子制备过程中的表面工程技术、离子注入等快速成型制造
内涵扩展
经过内涵扩展以后的表面工程技术，由单纯的表面改性扩展到表面加工和合成新材料等领域，涵盖材料科学、物理、化学、冶金、机械、电子与生物等领域，成为新型的、名副其实的交叉学科。
表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工程材料，如金属、陶瓷、半导体材料、高分子材料、混凝土、木材和各类复合材料等，所涉及的工艺方法数以百计，各具特点
表面工程的特点与意义
1）作用于表面，对基材组织与性能影响不大；
2）采用表面技术替代整体合金化；
3）兼有装饰和防护功能；
4）化学气相沉积，物理气相沉积，掩模，光刻等表面薄膜沉积技术和表面细微加工是制造大规模集成电路的基础；
5）生成型制造法是以表面加工为基础；
6）可以在表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金。
第三节 表面工程技术的分类
按学科特点：
利用外来元素与基材元素相混合，形成成分不同于基材和添加材料的表面新材料。
1）表面合金化技术
喷焊、堆焊、离子注入、激光熔覆、热渗镀。
2）表面覆盖和覆膜技术
不改变基材的成分，利用外加涂层或镀层的性能使基材表面性能优化。
热喷镀、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、金属染色。
3）表面组织转化
激光表面淬火、电子束热处理、喷丸、滚压。
不改变材料的表面成分，只是通过改变其组织结构特性或应力状况来改变材料的性能。
表面工程技术实施的对象是固体材料的表面，因此掌握材料表面与界面的基础知识是正确选择与运用表面工程技术的基础。
成功运用表面工程技术的两个要素是：
掌握各种表面工程技术的特点。
了解和掌握影响材料表面性能的主要因素，其中，材料的耐磨性和抗蚀性影响因素众多，
第一节 固体的表面与界面
表面
固相与气相的分界面。
界面
固相之间的分界面。
相界面
不同凝聚相之间的分界面， 如：A与M，F与M
同相中晶粒之间的分界面称为晶界
微晶≤mm；非晶≤1nm
、典型的固体表面
1 理想表面
认为半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原无限晶体一样。显然自然界很难获得理想表面。
表面能
由于在垂直于表面方向上，晶内原子排列呈周期性变化，而表面原子的近邻原子数减少，使得其拥有的能量大于晶体内部原子的能量，超出的能量正比于减少的键数，该部分能量即为材料的表面能。
2 洁净表面
材料表层原子结构的周期性不同于体内，但化学成分与体内相同，这种表面称为洁净表面。相对于表面受污染程度和理想表面而言的。
允许有吸附物，只有经过特殊处理方法得到，如高温处理、离子轰击加热退火等。
在高洁净度的表面上可以发生多种与体内不同的结构和成分的变化：
驰豫；
重构；
台阶化；
偏析和吸附
3 清洁表面
指经过清洗（脱脂，浸湿）以 后的表面。
在获得的各种涂层或镀膜之前，常需采用各种预处理工艺获得清洁表面；
微电子工业中气相沉积和微细加工则需要超洁净表面。
4 机械加工过的表面
实际零件表面不可能绝对平滑光整，微观上由不规则的起伏不平的峰谷组成。
表面的不平整性包括波纹度和粗糙度两个概念。
波纹度：指在一段较长距离内出现一个峰和谷的周期。
粗糙度：在较短距离内（2~800μm）出现的凹凸不平（~400μm）的程度。
材料表面粗糙度与加工方法相关，最后一道加工工序起决定作用。
粗糙度的表示方法：
轮廓的算术平均偏差Ra：
yi为峰或谷的绝对值，n为测量个数。
真实面积与投影面积的比值i：
Ai为真实面积，Al为Ai的投影面积。
5 一般表面
由于表面原子的能