表面工程复习题(2014)

1、一、名词解释表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料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。表面扩散：表面上原子（分子）的迁移现象表面能增大液体表面积所需的功（表面物理中，表面能应该指材料表面的内能，它包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能）吸附作用物理表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其他物质（主要是气体、液体）分子的能力磨损 相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象。 腐蚀 腐蚀就是材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。 极化腐蚀电池工作时，阴、阳极之间有电流通过，使阴、阳极之间的电位差(实际电极电位)比初始(开路时)电位差要小得多的现象。钝化 (定义)由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象。(阳极反应受阻的现象) 表面淬火 用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3(对亚共析钢)或者Ac1(对过共析钢)之上(奥氏体化)，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程。(Fe-Fe3C相图) 喷丸强化 利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使

2、表层材料在再结晶温度之下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。 (喷丸强化技术)热扩渗将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层(或掺杂层)的工艺。(化学热处理技术)热喷涂采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。热喷焊 采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙的表面处理技术。(喷焊) 堆焊在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。电镀在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。化学镀 指在无外加电流的状态下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。又称为无电解镀、无电源电镀等。转化膜技术 通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变其金属外观(形状及几何尺寸)的一类

3、技术。阳极氧化电化学氧化习惯称为阳极氧化？物理气相沉积 气相原子或分子的形成过程主要为物理过程。 真空蒸发镀膜 在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体（基片/基板/衬底、工件）表面，凝结形成固态薄膜的方法。 溅射镀膜利用高能离子冲击靶材，从其表面溅射出离子并沉积在工件表面上形成薄膜的方法。离子镀膜 在真空条件下，靠直流电场引起放电，阳极兼作蒸发源，基片放在阴极上，在气体离子和蒸发物质的轰击下，将蒸发物质或其反应物镀在基片上。 化学气相沉积 化学气相沉积 CVD ( Chemical Vapor Deposition）是一种化学气相生长法，把含有成膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，在基片表面发生气相化学反应生成薄膜。(不是与基片反应)二、简答题1、表面工程技术的特点与意义：表面工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。因此，可以制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。采用表面涂(镀)、表面合金化技术取代整体合金化，

4、使普通、廉价的材料表面具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。可以兼有装饰和防护功能，有力推动了产品的更新换代。表面薄膜技术和表面微细加工技术具有微细加工功能，是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。二维的表面处理技术已发展成为三维零件制造技术（生长型制造法），不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。表面工程技术已成为制备新材料的重要方法，可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。式(2-7)式(2-8)2、 表面粗糙度的两种常用表达方式及含义：1.廓的算术平均偏差Ra：式中，为波峰或波谷的绝对值，n为测量的波峰或波谷的个数。 2.真实面积与投影面积之比 i ： i A i /A l 式中： A i为真实面积，A l 为的投影面积（理想的几何学面积)3、 TLK模型的基本思想；当温度在0K以上时，由于原子的热运动，晶体表面将产生低晶面指数的平台、一定密度的单分子或原子高度的台阶、单分子或原子尺度的扭折，以及表面吸附的单原子及表面空位等。4、 写

5、出Young方程，并用图示法说明“润湿”与“不润湿”；图见书15页7、金属材料腐蚀控制及防护方法；1.产品合理设计与正确选材腐蚀及其控制是一个贯穿产品设计、试制、生产、使用和维护等各个环节的重要问题。2.电化学保护 阴极保护、阳极保护阴极保护法：用电化学方法使被保护工件在工作条件下的电位移至平衡可逆电位以下，从而停止腐蚀的方法。阴极保护法实现途径：(1)以被保护工件为阴极，施以外加电流；(2)以工件为阴极，以电位更负的金属与工件相连、成为原电池的阳极(牺牲阳极)。阳极保护法：使腐蚀件的电位正移，使表面形成稳定的钝态而受到保护。阳极保护法实现途径：(1)施加外电流，被保护工件为阳极；(2)在被保护的工件或合金中加入可钝化的元素，使表面形成稳定的钝化膜。9、 表面预处理的作用及主要工序； 作用：清除材料表面杂质，露出材料(金属)本色使并使其处于活化状态，获得“清洁表面”甚至“洁净表面”，以提高表面覆层的质量以及覆层与基材的结合强度。 表面预处理工序主要包括脱脂、除锈和获取一定程度粗糙度的表面等几部分。10、 常用表面淬火技术（感应加热、火焰加热、激光）的基本工作原理及特点；（1）感应加热：

6、基本原理： 表面吸收功率P： (单匝线圈、高度为1cm的圆柱形工件)工件表面不易过热电流导入深度：淬硬层深度与频率的关系：频 工频 10-15mm 深率 中频 2-5mm 度增 高频 0.2-2mm 增加 加特点： (优点)加热迅速、热效率高、过渡区较窄、淬火层压应力大； 可大幅度提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度。 (缺点)设备成本较高； 尖角效应； 一般只适合形状简单的零件。（2） 火焰加热：原理：将高温火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温度，然后在一定淬火介质中冷却。特点： (优点)设备费用低，方法灵活，简便易行，可对大型零件局部实现表面淬火。 (缺点)生产效率低，淬硬层的均匀性较差，质量控制比较困难。（3） 激光 原理：是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。 (自激冷淬火、自淬火)特点： (1)优点 淬火硬度高，能量密度高，加热速度快，不需要淬火介质，工件变形小，加热层深度和加热轨迹易于控制(淬火部位可控)，无氧化、无污染，易于

7、实现自动化。 (2)缺点 硬度分布不均匀，单道激光淬火区域小，大面积淬火时容易产生回火软带。设备成本高、生产成本较高（能量转换效率低）。11、 形成热扩渗层的基本条件及机理；形成渗层基本条件：1.渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物。2.欲渗元素与基材之间必须有直接接触。3.被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度。4.(对靠化学反应提供活性原子的热扩渗工艺)该反应必须满足热力学条件: a)产生活性原子； b)反应平衡常数1%。. 机理（1）产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。 活性原子的提供方式：热激活能法、化学反应法（常用方法）。 (等离子体增强) （2） 渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表面固溶体或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度。 （3） 渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩渗层增厚，即扩渗层成长过程(简称扩散过程)。 扩散的机理：间隙式扩散（渗入原子半径小）、置换式扩散和空位式扩散机理。12、热浸锌层及热浸铝层的主要应用；（不知道）13、常用的热喷涂、热喷焊工艺方法及其基本特点

8、；热喷涂工艺方法：火焰喷涂特点： (优点)设备投资少，无电力要求，操作容易，沉积效率高等 (缺点)涂层氧含量较高，孔隙较多，焰流温度较低，涂层种类较少，涂层结合强度偏低，涂层质量不高。电弧喷涂：特点： (优点)涂层密度及结合强度较高，喷涂速度和沉积效率高，运行费用较低。 (缺点)只能用于具有导电性能的金属线材。等离子喷涂特点：(高温低压等离子体) (优点)焰流温度及速度高，喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料；涂层密度及 结合强度高。 (缺点)热效率低、沉积效率较低，设备相对复杂、价格较贵，喷涂成本高。热喷涂技术的特点：（1）涂层及基体材质广泛（2）基体温度低（3）操作灵活（4）喷涂效率高、涂层厚度范围宽 (不足)热效率低、材料利用率低、涂层与基体结合强度较低。(三低)热喷焊工艺方法：氧-乙炔火焰喷焊特点： 设备简单、工艺简单易学；结合强度高，耐冲蚀磨损性能好等离子喷焊特点： (1)生产效率高、可喷焊难熔材料(材料范围宽)； (2)稀释率低(约5%)； (3)工艺稳定性(重复性)好，易实现自动化；(大批量加工) (4)喷焊层平整光滑，成分、组织均匀，厚度更大（0.258mm，火焰喷焊：0.23mm）且可精确控制。喷焊的基本特点： (1) (最大优点)热喷焊层组织致密，冶金缺陷很少，与基材为冶金结合、结合强度高；涂层厚度大而不易开裂； (2)喷焊材料与基材必须匹配； 喷焊材料能润湿基材 一定的溶解度(形成为熔合区) 基材熔点高于喷焊材料的 应避免喷焊材料和基体热裂纹出现 (3)基材热变形大； (4)喷焊层会被“稀释”14、 镀层按其性能特点可分为哪三类？ (1)防护性镀层：在大气或其它环境下，可延缓基体金属发生腐蚀的镀层。 (2)防护装饰性镀层：在大气环境中，既可减缓基体金属的腐蚀，又起到装饰作用的镀层。 (3)功能性镀层：能明显改善基体金属的某些特性的镀层，包括耐磨镀层，导电镀层，导磁镀层

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