材料表面工程教案
李远睿编写
重庆大学材料科学与工程学院
2005年4月
前言Foreword
金属材料表面工程学科是涉及范围较广的学科。总的目的是：在保证材料整体强度水平不降低的基础上设法应用不同的现代技术手段赋予材料表面各种所需要的性能。本课程在介绍了金属表面的有关基础知识后，结合国内外最新的资料和信息及老师的科研实践，分别讲解：表面准备、表面冷塑性变性强化、表面覆层强化，高能量密度表面强化与改性、表面淬火强化，化学热处理表面强化及表面特殊涂覆处理和表面复合处理技术等内容。由于在热处理工艺学中学习了表面淬火强化和化学热处理等方面的内容，则在本课程中不再详细讨论了。
一综述：
1．金属材料表面工程学的地位。
金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械,设备和工程构件的主要材料。国内机械行业曾对114 个大型企业耗用材料的统计资料表明：钢铁材料占93.13%；有色金属占1.85%；非金属材料占5.2%。目前存在的主要问题是：材料消耗多、利用率低、质量欠稳定、制成的零部件或工程结构失效较早等。
2．机械零件失效的主要形式：
a 塑性变形。原因是材料强度不足或过载使用；
b 断裂。有韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂三种类型；
c 磨损。按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损四类，各类磨损又可以细分为更具体的一些形式。
d 腐蚀。在环境及周围介质作用下，对金属材料及零件的腐蚀。
在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占80%以上。由现代理化手段分析后证实：失效通常是从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。故研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。
二表面强化技术的分类及概况。
1．分类。通常按表面强化技术的性质分类，可以分为：
a化学热处理表面强化；b表面淬火强化；c表面覆层（化成处理覆层、覆衬、CVP、PVD薄膜和热浸渗）强化及装饰；d表面冷塑性变形强化；e表面复合强化；f表面高能量密度改性与强化。
2．各类表面强化的概况。
a 化学热处理表面强化。即用渗入原子在材料表层内扩散而形成人工内污染层，以改变表层的化学成分为先决条件，再进行不同处理后赋与表面和内部不同的组织，从而具有不同性能的表面强化方法。例如：钢的渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、热浸渗和渗金属等等。
b 表面淬火。不改变材料的化学成分，只是因表层相变而产生的强化方法称为表面淬火。例如：高频、中频和表面感应加热淬火、火焰加热表面淬火、电子束、激光（Laser）束加热表面淬火等。
c 表面冷塑性变形强化。在金属材料的再结晶温度之下，使其表层发生冷塑性变形后达到表层加工硬化，弥补其表面轻微脱碳和细小缺陷并形成表层残余压应力的强化方法称为表面冷塑性变形强化。其显著作用就是提高金属材料及其制品的高周疲劳寿命，且材料本身强度愈高，其表面强化效果愈显著。表面冷塑性变形强化的方法有：表面滚压、内孔挤压和表层喷丸强化。其中，喷丸强化用得最普遍。
d 表面覆层强化及装饰。使金属表面获得特殊的覆盖层，以提高其耐磨、耐蚀、抗疲劳及装饰等目的工艺方法都称为表面覆层强化及装饰。它分为：表面镀膜，化成处理和表面覆衬。表面镀膜主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和分子外延技术等；化成处理主要有：化学镀、电镀、发蓝、发黑、磷化和铝的阳极氧化等；表面覆层主要为热喷涂、热堆焊覆层（衬）和用玻璃和地沥清等覆衬于其表面，以达到耐热、耐蚀、防滑、修复尺寸和防腐等目的。
e高能量密度表面强化。以极高密度的能量作用于金属表面使其发生物理、化学变化，达到强化或表面改性的目的称为高能量密度表面强化。特点是：方法简单、时间短、变形小、高效率等，但设备复杂，造价高。采用：电子束、激光束、太阳能和高频冲击表面感应加热等。能量密度：以电子束和激光束提供的能量密度最高，可达到：
108~109W/cm2。火焰和高频加热的能量密度为102~103W/cm2。Laser被美国和过俄罗斯首先用于工业处理上,我国上海光机所于90年代曾用于齿轮的齿面淬火。
f 表面复合处理。将两种或两种以上的表面处理(或强化)工艺用于同一工件的表面强化的方法称为表面复合处理。目的：发挥各自的优点,更大限度地提高金属的表面性能。例如：热浸镀铝+热扩散,使镀层结合牢固;渗碳热处理+喷丸;感应加热淬火+喷丸等。
三表面工程与技术的发展方向
1．特点。使金属材料基体强度不变的前题条件下，设法使其表面具有各种优异的特殊性能。例如：高硬度、高耐磨性、耐蚀、抗疲劳（接触、高周、腐蚀疲劳等）特殊的物理和化学性能（反光、吸收电磁波、发光、电导、电绝缘性能和生物相容性涂层等）。此外，还有装饰作用。
2．发展。以化学热处理为例，采用微机配以先进的传感元件进行碳、氮势控制；运用可控气氛实现少无氧化加热等。以表面许需要的特有性能为例：船甲板的防滑处理等；以特殊的物理性能为例，发光涂层，吸收电磁波的涂层生物容性涂层等。
3．教育部曾以征求意见的形式下达文件，建议将《表面强化处理和热处理》作为培养材料学科的硕士研究生的八大专业课题之一。自1992年以后，国际上将材料热处理大会改为材料及表面工程大会。
四涉及学科：
在学完材料科学基础、热处理原理及工艺、工程材料、大学物理、化学和物理化学等课程之后，学习表面工程与技术。
思考题1
1．机械零件、工模具和工程构件失效的主要形式有哪些？研究并开发表面工程与技术有何意义？
有塑性变形，断裂、磨损和腐蚀四种失效形式。后三种占80%以上，现代理化手段分析表明，后三种失效均是从金属材料的表面开始的。因此，提高其表面质量，研究表面处理方法等有重大的意义。
2．金属材料表面处理有哪六类基本的方法？各自的主要特点是什么？
有化学热处理表面强化，表面冷塑性变形强化，表面覆层，表面淬火强化，高能量密度表面强化与改性和表面复合强化等6种。各自的特点是：（略）。
CHAPTER ONE 金属的表面（THE SURFACE OF METALS）
金属的表面直接承受各种负载，被磨损，并与介质作用，往往承受的应力最大，
且表面原子间受力不是三维对称的，故其成分、组织和性能与内部迥然不同。因而，认
识金属的表面对于强化它十分重要。
§1—1金属的界面和表面
一 界面
1．定义。界面是一种二维的结构缺陷。在所论的体系中，结构和成分不同的区域
间，或结构和成分均相同，但取向不同的两晶粒间的交界面称为界面。前者称相界而后
者称为晶界。
2．金属及合金的界面种类。分外表面和内外表面两大类。外表面即金属与合金和
周维环境间的过渡区；内表面有：晶界、相界、亚晶界、孪晶界、层错界及胞壁界等。
二 金属的表面
1．定义。金属或合金与周维环境（气相、液相和真空）间的过渡区称为金属的表
面。因环境不同，过渡区的组成和深度不同。
2．三种情况的金属表面。
a 纯净表面。大块晶体的三维周期结构与真空间的过渡区域称为纯净表面。它包括
所有不具有体内三维周期性的原子层，常为一个到几个原子层厚，约5~10?。
b 清洁表面。不存在有表面化合物，仅有气体和洗涤物的残留吸附层的金属表面称
为清洁表面，清洁表面又称为工业纯净表面。表面处理及强化时通常均要求金属表面先
成为清洁表面，如：电镀、发蓝、磷化、喷涂、热浸渗和气相沉积等。
c 污染表面。表面存在金属以外的物质。由于清洁表面会与环境中的空气、水、油、
酸、碱、盐等作用，会很快形成如下常见类型的污染表面：
(1) 氧化物层。即金属与氧化性气体间的过渡区（层），表示为：—M —M —M x O y-
—O 2—O —O 2—O 2 。
(2) 氢氧化物层。即金属与水之间的过渡区（层），表示为—M —M —M X （OH ）Y-
OH —H 2O —H 2O 。 (3) 水吸附层。即金属吸附水的过渡层，表示为：—M —OH (4)
(5) 无机物污染层。Cl 2、S 等无机物被吸附于金属表面并生成的腐蚀层。
(6) 内污染层（人工污染层）。C 、N 、S 、B 及异类金属原子等渗入金属的表层而形
成的渗入型污染层称为内污染层，但内污染发生后金属表面仍具有金属光泽。
3．表面净化。
a 定义。将污染表面制备成纯净表面或清洁表面的过程称为表面净化。
b 纯净表面的净化方法。（1）条件：需要去除金属的表面化合物和表面的吸附层；
（2）防止二次污染：这是十分困难的，必须在高真空条件下进行。具体做法是：
1）离子溅射法。将有清洁表面的金属置于压力为133.32X10-9P a 的高真空环境内，
用氩离子进行轰击溅射；为防止二次污染，减少因轰击造成的表面损伤，氩气的压力在
133.32X10-3P a 以下，离子加速电压为200~500V ；轰击后在真空退火时为了避免杂质向
表面聚集，应当采取离子溅射与真空退火交替进行。
离子溅射法还用于对金属进行逐层剥离，从而可以对一定深度的表面层进行逐层研
究。此法还可以直接用于离子镀渗，离子渗氮及离子注入等表面技术领域中。
2）真空退火法。将金属表面净化到清洁表面程度后，再进行真空退火，亦可以得
到纯净表面。
3）真空臂分法。 对具有容易分开的晶面的单晶体物质，可以在高真空下用臂分的
分法得到纯净的金属表面，但臂分法不实用于金属。这是因为金属键结合牢固，难以用
臂分的方法将其打开的原故。
c 清洁表面（工业纯净表面）的净化方法。远较制备纯净表面容易，可采用磨削、
酸洗、喷砂和用氢还原等方法除去金属表面的氧化物，用脱脂洗涤剂进行脱脂清洗等。
由于是在空气中进行，往往拌有吸附和二次污染等。
有清洁表面的金属用于电镀、表面氧化、磷化、上漆等工艺是有良好效果的。
d 不同表面的区分。以上所讲的三种表面是污染层程度不相同的表面，是相对的，
可采用低能电子衍射法加以区别，如图1.1示。
纯净表面
清洁表面 污染表面
图1.1 三种表面的低能电子衍射图
e 表面净化的目的。（1）研究金属表面的结构、成分及性能；（2）强化表面或对表
面进行其它各种处理时往往要先进行表面净化。
f 表面污染技术。指化学热处理的内污染技术和表面层的外污染技术两大类。
4．表面及表面层。
a 极表面。表面的单原子层或单分子层称为极表面。极表面的成分、组织和能量状态均与内部有很大的差异；极表面直接与环境接触并相互作用，故对表面强化工艺、物理化学性能和力学性能的影响极大。
b 表面层。表面以下数毫米或数微米的区域属于表面层。此范围的成分、组织及性能亦不同于内部：冷加工后的金属表面有一层塑变层，存在残余压应力，会发生回复再结晶等；合金表层有成分偏析；表面处理后的金属有渗层、镀层、覆层、氧化层及塑变层等。
通常，从实用角度测定表面层的厚度。
§1—2 表面自由能与表面张力（Surface Free Energy and Surface Tensron）固体和液体的表面均处于空间三向不对称状态，故存在表面自由能和表面张力。
正是如此，对其表面性能影响极大，应予以充分重视。
一液体的表面自由能及表面张力。
1 液体的表面自由能。
a产生原因。液体（含液体金属）的表面原子受到向内的力的作用，欲使其内部原子转变为表面原子，即增大表面积，就必须做功，从而形成表面能。
b 定义。增大表面积所需要的能量就是表面自由能。
2表面张力。
a 产生原因。处于表面的原子在向内的拉力作用下，有进入液体内部的趋势，即缩小表面积的趋势，从而产生表面张力。
b 定义。液体表面切线方向上存在的使其表面积缩小的力称为表面张力。
3．表面自由能与表面张力。
a 实验。如图1.2在无摩擦的活动边AB的铁丝框上涂满肥皂沫，为使膜不收缩，应在活动边上加外力F。试验证明：施加的外力F与活动边边长L成正比，即F=2σ L。
所以：σ
图1.2 液体的表面张力
比例常数б即为表面张力(或张力系数),乘以2是因为液膜有两个表面。表面张力的方向与液面相切，且力图使表面积缩小，其单位为：N/M；or：MN/M。
b.表面自由能。若使图1.2的活动边ab移动dx的距离，距表面自由能的定义，表面自由能与液膜面积的变化关系为：
G=F?dx=2бL?dx （1—2）
称单位面积的表面自由能为比表面自由能，为：
F S=G/S=2бL?dx/2L?dx=б（1—3）
因此，液体的比表面自由能f S与表面张力б在数值上是相等的，比表面自由能单位为：J/M2 or：MJ/ M2。实际上，1J/ M2=1N?M/ M2=N/M，故二者是有联系的。但一个是单位面积的能，而另一个则为单位长度的力。
二金属表面自由能与表面张力。
1．金属表面的特点（相对液体表面）。
a金属表面原子移动困难。在表面张力的作用下，金属表面不会自由收缩。
b晶体应是各向异性的。处于表面上不同晶面的原子排列不相同。
c合金的表面是由不同的原子组成，并会出现表面偏析现象。
2．金属表面自由能的主要成分。
a表面自由能的产生。为将金属晶体的原子呈现于表面，必须割断分离面之间的原子结合键，若金属的配位数为Z，原子总数为N0，则原子键总数为：1/2Z?N0，则键能ε的计算公式为：
ε=△H S/(0.5?Z?N0)=2?△H S/ Z?N0 (1-4)
△H S：晶体的升华热。
b不同晶面呈现于表面所需要的能量不同。由于各晶面原子排列不相同，因而欲将不同晶面的原子呈现于表面所需要切断的键数是不一样的。
例如，面心立方晶体的（100）、（110）和（111）晶面相比，（111）晶面原子排列最密，该面上的每个原子有6个相邻原子，且它的上、下两个面上还有3个相邻原子，故配位数为12。若将（111）晶面呈于表面，对分离面上的每个原子应切断的键数为3 ，又因切断后同时形成了2个分离面（表面），故对每一个表面上的1个原子来说，应切断的键数为3/2个。
图1.4 Wulff图由图1.3同理推知，欲使面心立方晶体的（110）晶面和（100）晶面分开并呈现于表面应切断的键数对每个原子来说均为2个，较密排面（111）多。故：将最密排面呈现于表面需切断的原子键数最少，故最密排面呈现于表面后所具有的表面能与最低。
c表面自由能的主要部分。被切断的键数就是具有剩余能量的不饱和键数，它是表面自由能的主要部分（忽略表面熵的影响）。
d 最密排面易呈现于表面的原因.。据不饱和键数的多少就可以说明表面自由能的大小。显然, 面心晶格的最密排面（111）面的不饱和键数的数量最少，故切断并呈现于表面后其表面自由能最低。因此，从热力学上看晶体最容易将其表面能最低的密排面呈现于表面。
3．晶体的表面张力。
a 晶体表面的张力具有方向性。晶体的表面张力在不同晶向上可能是不相同的。
b 低指数晶面具有最小的表面张力。图1.4是具有简单立方晶体的表面张力分布图，即Wulff图。图中的半径矢量表示与它垂直的晶面上的表面张力的大小。由该图看出：低指数晶面具有最小的表面张力。
4.合金的表面能及表面张力。
a 合金产生表面偏析的原因。当合金形成一个新的表面时，据表面自由能最小原理，其表面成分常常会改变而出现表面偏析现象。那些能降低表面自由能的合金元素容易向表面偏析而富集于表面；而使表面自由能增大的元素，则会离开表面移向内部，使表面合金元素贫化。
b“表面过剩”。表面某一组元的数量出现表面偏析而大于或者小于其体相区的同一组元的数量，就出现了表面过剩现象。
这样，当合金形成新的表面时，不但要切断结合键而消耗能量，而且还要考虑与表面成分相联系的化学能的改变，因而:
f s=б+∑μi.n i/S (1-5)
f s=б+∑μi.Γi(1-6)
其中：n i为i 组元在表面层中超过体相区的摩尔分数；μi为i组元素对应于表面积为S的表面的化学位；гi为单位表面积的表面过剩摩尔分数(即当体相区与表面区的溶
剂摩尔分数相同时,单位表面积上(1cm2)的组元i超过体相区内同一组元的摩尔分数) 。
显然，对于合金来说（见1-6式），f s≠б，但f s≈б。因而，在讨论时常常没有严格区别，特别是当溶质（合金元素）含量很低时。
1．金属的力学性能与表面自由能的关系。
a。活性介质与金属接触后，使金属的表面自由能下降，导致金属材料强度和塑性发生变化的效应称为莱宾杰尔效应。且任何固体表面均存在这种现象。例如：玻璃和石膏吸附水蒸汽后，使其强度显著下降；Cu表面覆盖熔融薄膜后，使其高塑性丧失等。
b莱宾杰尔效应的特点。
（1）有明显的选择性。只有那些对金属表面来说是活性的介质才会产生莱宾杰尔效应。例如，只有对该金属为表面活性的液体金属才能改变某一固体金属的力学性能，降低其强度及塑性。
（2）与溶解和腐蚀不同，只需很少的活性物质就会产生莱宾杰尔效应。
（3）莱宾杰尔效应产生的速度极快，表面活性介质与金属表面一接触，立即会改变材料的力学性能。通常，金属表面浸润一定的熔融金属，或其他表面活性物质后，其力学性能实际上很快改变。
（4）莱宾杰尔效应具有可逆性，一旦去除金属表面的活性介质，其力学性能会立即恢复到原状。
（5）莱宾杰尔效应的产生需要拉应力和表面活性物质同时起作用。活性介质（液体金属）对无应力试样的作用不显著。
c莱宾杰尔效应的实质。
我们知道材料的力学性能与其表面力学性能之间有密切的关系，而表面强度又与表面能密切相关，它们均属原子间结合力的宏观特征。当金属表面吸附了活性介质之后，使表面原子的不饱和键得到了一定程度的补偿，从而降低了表面能，改变了表面原子间的相互作用，降低了金属表面层的强度，从而降低了金属材料的力学性能，这就是莱宾杰尔效应产生的根本原因。
d 莱宾杰尔效应的作用。生产上利用此效应提高金属加工（压力加工）、切削、磨制和破碎的效率，大量节能；另外，应当注意因莱宾杰尔效应而产生的材料的早期破坏。
三．金属表面的结构。
1．金属表面形貌。
a基本特征。由表面的粗糙度和波度构成了金属的表面形貌。
b粗糙度。加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状就构成了
其特征，粗糙度的波距与波深之比常常为150：1~5。
c波度。金属表面呈波浪形的有规律和无规律的表面反复结构误差称为波。波度的浓距与波深的比为：1000：1~100。
经过精磨和精研的金属表面从峰顶到峰谷高度约为0.05μm；一般研磨加工后为1—10μm；粗加工的表面可达到50μm以上，而沿表面峰顶间的距离为0.5~10μm，但波度峰间距要大得多。
常用触针计量法测得的轮廓线及水平方向缩尺测的轮廓线来绘制金属表面的轮廓图，见图1.5示。
a. 用触针计量法得到的表面轮廓线
b. 经水平方向缩尺的表面轮廓线
图1.5 触针计量法与水平方向缩尺
2．金属的表面形貌对表面性能的影响。
显然，金属的表面形貌特征对金属的表面性能，对金属与金属之间，金属与环境间的接触面积，对表面的化学成分和组织等均会产生影响。具体为：
a位于粗糙表面的原子具有较正常相邻原子数目的原子有更高的能量，更高的表面自由能和表面流动性。
b影响金属表面间的实际接触面积和接触性质。金属表面间的接触是微凸体间的接触，故实际接触面积小于表观几何面积。而微凸体间的接触性质有弹性接触和塑性接触两种。当然，实际接触性质与实际接触面积除与表面形貌有关外，还和材料的弹性模量，硬度及外加载荷等有关。
c金属的实际表面积大于表观几何面积（投影面积）。即是经过仔细磨研的金属的实际表面积也较表观面积大2倍以上。因而增大了与介质接触的实际面积，降低了抗蚀能力。可举一例说明：抛光的金属材料在同一介质环境中较未抛光者更耐腐蚀。
d粗糙不同的金属表面常具有与内部不相同的成分和组织。这是由于加工时的高应力和高温造成的，或者是金属间的摩擦造成的。
金属的表面形貌对研究金属的疲劳强度、耐磨性、耐蚀性和化学热处理过程等均有极为重要的影响。
3．加工后的表面层组织。
金属经磨削、研磨及抛光后，会形成如图1.6那样的具有特殊结构的表面层。说明：
图1.6 金属表层组织结构示意图 a 微晶层。Beilby 指出：经过磨削和抛光的金属表面会形成约1—100nm 厚的特殊结构的表面层，即微晶层又称为Beilby 层。该层具有非金属液膜似的外观，不仅能将表面覆盖得很平滑，而且能流入裂纹及划痕等表面不规则处。由晶体表面的电子衍射证明：该层是晶粒微小的微晶层。
b 塑性变形层。在Beilby 层的内部是塑性变形层。塑变程度和它的深度有关（见图
1.7）。
图1.7 研磨后的黄铜的塑性变形量和深度有关
c 其它变质层。由于机加工的高应力和高温作用,金属表面还可能产生一些变质层:
(1) 形成孪晶。Zn,Ti 等非立方结构的金属表层会形成孪晶;
(2) 发生相变 。18-8型奥代体不锈钢，β黄铜、钢中的残余奥氏体，高锰钢等会形成相变质；
(3) 发生再结晶。Sn 、Pb 、Zn 等低熔点金属加工后表层能够形成再结晶层。
(4) 发生时效和出现表层裂纹等。
§1—3金属表面的晶体结构 The Crytal Structure of Metal Surface .
金属表面的原子不象体相区的原子那样彼此间是处于平衡受力状态，故为使其表面原子尽可能地具有最低的表面自由能及表面张力，金属的表面原子将不再处于象体相区0 10 20 30 (μm) 5 4 3 2 1 塑变深度
ε变形量
的原子那样的平衡位置，因而应当研究其表面的晶体结构。
一 理想表面与实际表面
1．理想表面
a 定义。向无限晶体内插入一个平面并切断插入面两侧的原子结合键能后，将其分为两部分而形成的两个新的表面称为理想表面（见图1.8）。
图1.8 理想表面形成示意图
b 特点。此过程中除了晶体附加了一组边界条件外，无任何其它改变。在半无限晶体内部，原子和电子的状态与原来无限晶体的情况一样。然而，这种理想表面实际不存在。
2．实际表面。
a 表面相。表面相是与理想表面不相同的实际表面。此概念由 J 、W 、Gibbs 由于1877年首先提出的，他指出：在气固相界面处存在一种二维凝聚物相。
b 实际表面的特点。
(1)表面原子会产生驰豫及重构。如图1-9示，当新表面形成时，因晶体的三维对称 性和连续性被破坏，表面产生自由能和表面张力。虽然固体表面的原子不能象液体那样流动而改变表面的形状，但能产生偏离原三维晶体的平衡位置的移动。上、下移动而形成“驰豫”；平行表面方向上原子的位移称为“重构”。
图1.9 表面原子的驰豫与重构
由于垂直方向上的驰豫和水平方向上的重构，使金属表面上原子的排列与内部不同，甚至形成另一种结构相。如Au 、Pt 的纯净表面（001）与体内不同，表面原子呈密排六方结构排列，而体内依旧为面心立方晶格。
(2)
合金的表面偏析，合金表面的化学成分通常不同于体相内部，表面上溶质原子
的增加和减少的现象称为表面偏析，由于这种偏析是在平衡条件下进行的，故称为平衡表面偏析（见图1.10。用表面过剩量Γi表示偏析程度：
Γi= n i/S=-1/RT(?σ/?ln n i) （1-7）
a.表面偏析
b.表面吸附
图1.10 金属的表面偏析和表面吸附
上式即为Gibbs表面吸附方程，其中：n i为i组元在表面层中超过体相区的摩尔分数。
用（1.7）式讨论合金元素的表面偏析：当i组元使表面张力?б↓时，则：?σ/?ln n i <0，而Γi>0，使表面相中相中i组元含量增加；反之，会使i组元在表面相中贫化。
钢中的C、N、B、P等均会不同程度地存在表面偏析和界面偏析现象。
(3) 表面吸附和表面化合物。
金属表面由于与周围介质作用可以产生吸附和化学反应而形成表面吸附层和表面化合物层。另外，还可以形成各种表面结构：形成单层的有序排列原子；向外延伸长成多层有序结构；吸附原子与金属表面层原子相结合；组成固体或表面化合物等。
(4) 表面缺陷。实际金属的表面存在着各种晶体缺陷，例如：位错露头，台阶、空位和凹坑等。它们对金属表面吸附、表面偏析、表面化学活性及表面多相催化反应等均会有重要的影响。
二二维晶体结构。
1．二维布拉菲晶格。
a定义。任何一个二维周期性的结构均可用一个二维晶格（点陈）加上结点（阵点）来描述，称为二维晶格。显然此种晶格是呈二维周期性排列而形成的无限平面点阵，每个结点周围的情况是相同的。
b二维晶格的分析方法。用平移、转动和反应它们的复合操作来讨论二维晶格的组成和特点。在二维晶格中，所有的特点均可由原点通过下列平移达到：
T= n1a+ n2b (1-8)
其中a、b是二维晶格晶胞的基矢量；n1和n2是任意整数。
c二维晶胞。由基矢量a、b所组成的平行四边形称为二维晶胞。显然，基矢量a、b平移时，整个二维周期结构保持不变，所有的平移操作形成了表面结构的平移群，平移群确定了表面结构的二维周期性。
d五种二维布拉晶格，有斜方晶格，正方晶格，长方晶格，六方晶格和中心长方晶格等五种二维晶格（见图1.11）。
斜方晶格正方晶格长方晶格六方晶格中心长方晶格|a|≠|b| |a|=|b| |a|≠|b| |a|=|b| |a|≠|b|
γ≠900γ=900γ=900 γ=1200γ=900
图1.11五种布拉菲二维晶格及晶胞
2．二维晶列指数。
a 二维晶列。二维晶格排列在平行直线上的结点形成二维晶胞中的平行晶列。
b 二维晶格的表示。在平面上取一坐标系，令坐标轴与基矢量a和b平行，设晶列在a、b轴上的交点坐标为S1a和S2b，取1/S1:1/S2=h1:h2为一互质的整数，则(h1、h2)就是该晶列的指数，它表示相互平行的一个晶系。
§1—4金属表面现象及表面反应The surface and reaticon of metals 一表面现象。
1．综述
a定义。具有确切表面的液体和固体表面上产生的各种物理及化学现象称为表面现象。
b种类。金属表面有表面扩散、吸附、润湿、沾着和毛细现象等表面现象。
c 意义。工农业生产上广泛利用金属的各种表面现象，例如：选矿、排渣和多相催化反应等。在铸造、焊接、金属表面技术及防护，表面涂覆等均涉及。
d关系。金属的各种表面现象与表面自由能密切相关并普遍存在于多相体系内。
2．表面扩散。
物质中原子或分子的迁移现象称为扩散。它们由Fick第Ⅰ和第Ⅱ定律来描述,扩散过
程中原子平均扩散距离x为: x=C Dt 。
其中，t为扩散时间;C为受几何因素影响的常数;D为扩散速度,决定扩散系数大与小。
D=D0exp(-Q/RT)
Q为扩散激活能,受材料的晶格结构,固溶体的类型,合金元素的浓度及含量和扩散路径等因素的影响。
实际上,原子的扩散途径除了最基本的扩散过程外,还有表面扩散、晶界扩散和位错扩散。固体中,后三种扩散均比体扩散快,故又称为短路扩散。另外,在扩散传质过程中,固体表面的原子活动能力最高,其次为界面原子,再其次为位错原子,而体相区原子的扩散
能力最低。所以：Q
表 界 位 体 。则：D 表 ﹥D 届 ﹥D 位 ﹥D 体 。 这是因为表面原子受到的束缚较晶界和晶内低得多,原子在表面迁移的能量小得多。所以,表面扩散在表面工程技术中的薄膜形核及长大过程中起十分重要的作用。 3．吸附现象。 a现象。当气体和液体与固体表面接触时，在固体表面的气体或液体增加或减少的现象称为吸附现象 b正、负吸附。若固体表面的液体或气体比内部的浓度升高，称为正吸附；相反，则称为负吸附。 c内、外吸附。表面吸附外来物质称为外吸附，表面偏析或界面偏析称为内吸附。 d吸附本质。表面吸附的热力学本质是最小自由能原理，于恒温恒压下的自由能最低时，体系才处于稳定的状态。设表面积为S的表面张力为б（or:fs），体系的表面自由能为：E=бs or: E+f s?s。 所以：dE=б?ds+s?dб(1-9) 若表面积S为常数，有： dE=б?ds (1-10) 用（1—10）式来讨论：欲使体系的表面自由能降低，应当使d б<0，б减小（d б<0）。因而，表面现象是自然而普遍的现象。故金属表面吸附现象的热力学原因是其需表面张力б下降。当金属表面产生吸附现象时，其表面原子的不饱和键倾向饱和，其热力学本质是：吸附使其表面自由能下降。 e 金属表面对气体介质的吸附。进行气体化学热处理时，金属表面对气体介质的吸附是影响整个工艺过程的重要因素，而金属表面的性质（吸附剂）介质（吸附质），表面形貌，压力和温度是影响吸附量的重要因素。 为了讨论吸附量(Q)、温度(T)和压力(P)三者得关系,可将其中的一个保持不变,从而 得到不同的吸附曲线,见图示1.12。 a 吸附等压示意图 b 吸附等量示意图 图1.12 吸附等压线与吸附等温线 C 碳分子筛对O 2 和N 2的吸附等温线 d 碳分子筛对O 2 和N 2的相对吸附量 图1.13 碳分子筛对O 2 和N 2的相对吸附量 碳分子筛对O 2和N 2的相对吸附量见图1.13所示。利用碳分子筛对O 2和N 2的相对吸附量不同,特别是氧的相对吸附率大于氮的特点,采用变压吸附的方法,可以对空气中的氮进行浓缩,制备氮基可控气氛作保护气或进行各种化学热处理。 f 金属对溶液的吸附。液体化学热处理过程中涉及金属表面对溶液的吸附现象。它受到金属表面、溶液和溶质三者关系的影响： ⑴ 使金属表面自由能下降得愈多得溶质，吸附量愈多； ⑵ 极性吸附剂容易吸附极性吸附质； ⑶ 溶解度小的溶质，吸附量愈多，更容易被吸附； ⑷ 对溶液的吸附也是放热过程，故温度升高，吸附量下降． ３．润湿和粘着。 a 润湿。 (1) 现象。润湿是液体对固体表面接触时产生的一种表面现象，其程度用液体在固0 30 60 90 120 1 0.5 O 2 N 2 相对吸附率×100 时间（分） 平衡吸附量（k g /m o l ） 0 4 8 12 16 1.2 0.8 0.4 O 2 N 2 ×105Pa 体表面的展开程度来说明。 (2) 润湿的定性讨论。如图1.14示，润湿角，当液体在固体表面时会形成三个界面，故而存在бsg、бsl和бgl三个表面张力．称бsg和бgl间的夹角为润湿角。显然，θ角愈大,润湿程度愈小。称：θ＞９０度时为不润湿；θ＜９０度为润湿。由图1.1４知：бsg＝бsl＋бglcosθ(1-11) 则: cosθ=(бgs-бsl)/ бlg (1-12) 图1.14 水滴在石蜡及玻璃上的润湿情况 ∴当бsg＞бsl时，cosθ＞０，则θ＜９０°度,润湿; 当бsg＜бsl时，cosθ＜０，则θ＞９０°度，不润湿。 (3) 润湿的热力学本质。据热力学最小自由能原理,在dE=Sdб+бds式中,当б和S 均可变时,为降低体系的界面能,应使界面张力大的界面缩小,并扩展界面张力小的界面,若бsg>бsl则因扩展S-L界面,方可降低体系的界面能。此即为润湿的热力学本质。 (4) 润湿的作用。熔盐对金属表面的润湿影响其传热与传质,覆层表面处理时润湿程度对覆层与基体的粘着程度有很大影响。 b粘着。 (1) 现象。固体与固体表面接触时将产生粘着,润湿和粘着似乎是两种完全不相同的表面现象,但从其热力学本质看,他们是基本相同的。 (2) 粘着功。若一截面为1cm2的液柱,设不改变其截面,将其拉断,这时所消耗的功为内聚功。而此内聚功相当于形成两个新表面所需作的功(见图1.15)。 W=2б(1-13) 图1.15 内聚功示意图图1.16 粘着功示意图若液柱A的下端为固体B时,当从AB界面处拉开时所消耗的功为粘着功。它相当于在界面处形成了两个新表面(见图1.16)。 W AB=бA+бB-бAB (1-14)or ：Wsl=бs+бl-бsl (1-15) 粘着功的表明了液体和固体间的吸引强度或粘着强度的高低。 (3) 影响粘着功的因素 1) 固体表面间的良好接触是影响粘着功的首要因素。因金属表面间的接触是微凸体间的接触，为使其有良好的接触应采取如下办法：一是使接触表面的一相为液相并对金属表面有良好的润湿性能，形成完全的接触,并排除生成物在固相表面的沉淀和接触面间的气泡,令液相凝固后被粘结；二是假设一方为气态,是反应生成物在固相表面沉积，如：PVD和CVD ，此亦为使两固相表面完全接触的方法；三在一定的温度和高压下使软材料表面产生流动，也可以使两固相表面间产生良好的接触，如：爆炸焊接就属于这种情况。 下表是压力粘着时一些金属的开始粘着温度(T a)，熔点(T m)及它们的比值。 若将金属的熔融状态视为热运动的极大状态。显然,为使金属的表面原子过渡到这种状态所需要的活化能应当小于内部原子的活化能,并有如下关系: E b/E m=E s/T a。 E b：内部原子活化能；E s表面原子活化能。 且有：Ta/Tm=Es/Eb=0.4~0.5 (1-17) 所以，压力粘着的开始温度与熔点的比值约为：0.4~0.5。 2)高的粘着功。表面间的良好接触是产生粘着的首要条件。另外,还应有高的界面接 触强度,即:高的粘着功。把(1-11)σ sg =σ sl +σ lg cosθ式近似改写为: σ s =σ sl +σ l cosθ, 再与(1-15)式相加有: w sl =σ l (cosθ+1) (1-18) 所以，液体对固体表面润湿程度愈大(θ愈大)。粘着程度就愈大。例如:当采用不同的清洗剂清洗钢表面后,再用环氧树脂粘钢表面会导致接触角θ不同,使粘着强度发生了相应的变化。下表中列出了这一变化的情况:用三氯甲烷清洗后,环氧树脂对钢表面润湿程度最大而导致润湿角θ最小,使粘着强度得以达到最高。 环氧树脂与钢的接触角与剪断粘着强度的关系 3）金属的互溶性会影响粘着强度。如不同金属间产生粘着时能发生互扩散,且互扩散层是连续变化的并且无脆性,则会使粘着强度明显提高。 4) 引入第三种金属,例如焊锡(Pb-Sn合金),将使两种不能互相扩散的金属间通过引入第三种金属而得到很好的粘着。焊锡通常在两金属间形成约1μm的扩散层, 从而提高金属间的粘着强度。下表中列出了金属间的互溶性与粘着性的关系。 金属间的互溶性与粘着性的关系 5) 表面机械活化提高粘着强度。喷砂,喷丸等将使金属表面形成大量凸凹,增大了实际接触表面,但单纯说增大了表面的实际接触面积其效果并不明显,而喷砂等活化表面后才能明显地提高粘着强度。 6)Kramer效应。机加工时在金属表面上会形成各种缺陷,即产生大量化学活动点,使表面自由能升高,并伴有外层电子发射现象,称为Kramer效应。该效应产生原因尚未完全弄清,但他对粘着强度有着显著的影响。 总结:影响粘着的因素较多而且复杂,其中包括金属的表面状态,表面接触情况,粘着物间的润湿性,互溶性,扩散层机械活化及化学表面活化等。 二金属的表面反应 1．表面多相反应。金属表面多相反应是其表面强化的一个重要过程。多项反应的特点是在界面上进行,与表面状态(钝化和活化),及金属表面有无催化作用等密切相关。 2．多相反应的过程。 a反应分子或原子扩散到界面上； b界面上发生反应； c反应物离开体相表面,从界面脱附； d反应物被体相表面吸收并向体相内扩散； e扩散过程中的反应。 其中进行最慢的一步就是表面多相反应的速度控制因素,加速它将促使表面多相反应更快地进行。 3．金属表面多相反应的实例。钢的气体渗碳过程是：渗剂的分解,产生含有渗入元素的物质(CH4 ，CO)并向钢表面扩散; G-S相界面发生,吸附与解吸附:2CO=[C]+CO2 ;Fe·CO(吸附)+CO→Fe[C]吸附+CO2;反应生成物离开钢表面;产生的活性碳原子被钢表面吸收并向内扩散;扩散过程中的反应。 金属表面本身就有催化作用的反应叫做金属多相这自催化反应。 4．金属表面的活化与钝化。 a钝化现象。金属的表面状态变化引起金属的表面活性突然改变,使表面反应(如在酸中的溶解,空气中的腐蚀)速度显著降低的现象称为钝化现象，钝化后的状态称为钝态。 b实例。工业纯铁在HNO3水溶液中的溶解速度会随HNO3的浓度增大而显著提高,但当HNO3的浓度达到30-40%时,溶解速度达到极大值后会突然陡降。说明:金属表面自己出现了钝态,再将它置于H2SO4溶液内也不会受到浸蚀了。 c钝化原因。常与金属表面氧化并形成一层致密的表面氧化物膜有关。HNO3、AgNO3、、氯酸、KCl、重铬酸钾、KMnO4、O2等均会使金属表面钝化,称它们为钝化剂。 d化学钝化。金属与钝化剂的自然作用而产生的钝化称为自然钝化,也叫化学钝化。 e机械钝化。金属表面沉淀出盐层,会对进一步表面反应产生机械阻隔作用而使反应速度下降,称为机械钝化。 应当指出:过分抛光的金属表面也会出现钝化现象,表面出现良好的抗蚀性能,难以进行渗碳等。为什么?（提问）。 f钝化理论。(1) 成相模理论。金属与介质作用,再其表面上生成了一层致密的、覆盖良好的保护膜并作为一个独立的相存在,将金属与介质隔开,使表面反应速度显著下降,从而使金属表面成为钝态。 例如:在浓HNO3水溶液中,工业纯铁表面会形成2.5~3.0nm的钝化膜,碳钢的钝化膜可达9.0~11.0nm,不锈钢的钝化膜厚可达0.9~1.0nm。用电子衍射对钝化物膜进行相结构 分析证明.:金属表面的钝化物膜多为其氧化物,纯铁的钝化物膜为：γ-Fe 2O 3 ;铝的钝化物 压强 马龙 第一课时 （一）教学目的 1．理解压力的概念，知道压力的作用效果跟压力的大小和受力面积的大小有关。 2．掌握压强的概念，知道压强的计算公式，国际单位制中压强的单位及其意义，会进行压强的简单计算。 （二）教具 演示用：压力小桌，塑料泡沫，质量为200克的砝码2个，细砂、沙槽， 多媒体课件。 学生用：压力小桌，10×10×5厘米3的塑料泡沫，质量为200克的砝码1个（以上器材两人一组）。 （三）教学过程 一、新课引入 1．请同学们看投影图，猜一猜两人对雪的压力差不多，为什么一个人陷下去了，另一个人没有陷下去？ 2．请同学们观察自己的书包带子。想一想平时背书包时，觉得宽带子好，还是细带子好，为什么？ 对以上问题，可能同学们现在还不能得出正确结果，自己猜的是否正确，要经过事实来检验。同学们学习了本课的知识，就会得到满意的回答（板书课题：第十四章压强第一节压强）。 二、进行新课 1．请同学们观察下列各图中物体对表面的压力示意图。 同时请三位同学在黑板上画，三人各画一图（有意识地请能正确画出的同学，以便借此讲解压力的概念）。同学们作图时，教师可走到学生中去，来回巡视，了解学生作图中的错误。 2．学生停笔后，先讲评下面学生作图情况，然后评讲黑板上画的图，进行纠正，并用红色粉笔把压力突出出来。请同学们思考后举手回答，以上图中物体对受力表面的压力有什么共同特点？ 启发学生回答出：压力作用在受力面上，压力的方向跟受力面垂直，指向受力面。 3．教师重复一遍学生的回答（板书：压力：垂直压在物体表面上的力叫做压力。） 4．学生分组做课本图压力小桌的实验，并讲述压强的概念。 （1）介绍实验器材、实验步骤和要观察的现象。 首先照图甲做，观察压力小桌陷入塑料泡沫的深度。然后照乙图做，比较与甲图有什么不同，又有什么相同（受力面积不同，压力相同），观察压力小桌陷入塑料泡沫的深度。最后请同学们回答图下面的图注中提出的问题，并得出结论。（板书：“压力作用的效果跟受力面积的大小有关。”） （2）照图甲那样，放上一个砝码和放上两个砝码，想一想塑料泡沫受到的压力相等吗？ 塑料泡沫的受力面积相等吗？观察压力小桌陷入塑料泡沫的深度。实验后由学生得出结论。（板书：“压力作用的效果还跟压力的大小有关。”） （3）讲述压强的概念 压力作用的效果不仅跟压力的大小有关，还跟受力面积的大小有关。为了比较压力作用的效果，物理学中引入压强的概念（板书：压强）。 讲述：要比较压力作用的效果，应取相同受力面积上受到的压力，物理学中把单位面积上受到的压力叫做压强（板书这一定义）。 学生回答后教师总结：压强等于压力除以受力面积。 告诉学生，物理上用p表示压强，用F表示压力，用S表示受力面积。请学生在黑板上写出用字母表示的压强公式： （4）讲述压强的单位：在国际单位制中，力的单位是“牛顿”，面积的单位是“米2”，压强的单位是“牛／米2”（板书：压强的单位是“牛／米2”，又叫帕斯卡）。该单位读作“牛顿每平方米”，它有一个专门名称叫做帕斯卡，简称帕，帕斯卡是法国科学家，为了纪念他在物理学研究方面作出的贡献，以他的名字作为压强单位的名称。 1帕=1牛／米2，表示“每平方米面积上受到的压力是1牛顿”。 材料表面工程技术期中测试题 姓名： 一、名词解释 1.溅射镀膜： 2.分子束外延： 3.激光合金化技术： 4.物理气相沉积： 5.真空蒸镀： 6.热喷涂工艺： 7.气相沉积： 8.合金电镀： 9.腐蚀：10.电镀：11.堆焊：12.化学转化膜：13.表面工程技术： 14.磨损：15.极化：16.钝化：17.表面淬火：18.喷丸强化：19.热扩渗：20.热喷涂：21.热喷焊：22.电镀：23.化学镀： 二、填空题 1.钢件渗碳后，表面为（）钢，心部仍保持（）状态。再通过（）及（）工艺，可使渗碳件具有表面硬度高，耐磨损，心部硬度低，塑性和韧性好的特点。 2.感应加热表面淬火的原理是利用感应电流的（），（）和（）。 3. （）、（）和（）是衡量气体渗碳件是否合格的三大主要性能指标，它们基本决定了渗碳件的综合力学性能。 4.热喷涂时，熔滴撞击基材后扩展成（），撞击时的高能量有助于熔滴的扩展，但会因为（）和（）而停止扩展，并凝固成一种（）结构。 5.热扩渗时，渗剂元素原子扩散的机理主要有（）、（）和（）三种。 6.腐蚀按材料腐蚀原理分为（）和（）两种。 7.热喷涂时，当熔滴撞击基体并快速冷却凝固时，颗粒内部会产生（），而在基体表面产生（）。喷涂完成后，涂层内部残余应力大小与 （）成正比。 8.磨损分为（）、（）、（）、（）微动磨损、冲蚀（包括气蚀）磨损高温磨损。 9.离子镀膜是（）与（）相结合的一种镀膜工艺。 10.常用的热喷涂工艺方法有（）、（）和（）。 三、简答题 1．表面淬火技术与常规淬火技术有何区别？ 2．简述复合镀的原理和需要满足的基本条件？ 3．最基本的金属腐蚀的主要形式和金属材料腐蚀控制及防护方法？4．简述热喷涂涂层的形成过程。 5.简述离子镀膜的特点？ 7．简述CVD的沉积条件？ 8．简述等离子体热扩渗与普通气体热扩渗技术相比都有哪些基本特点？ 9.简述离子镀膜的特点？ 10.简述形成热扩渗层的基本条件？ 11.简述热扩渗层的形成机理？ 12.简述化学镀的原理与特点. 四、论述题 1.试述常用的热喷涂工艺方法及其基本特点? 2.试述热喷涂涂层结合的三种机理? 3.试述表面淬火和化学热处理的概念及区别？ 4.试述什么是堆焊？堆焊层有哪些特点？ 5.试述堆焊与一般焊接的区别及特性？ 6.试述物理与化学气相沉积原理，特点及分类? 7.试述几种典型表面淬火工艺及特点？ 《工程结构》试题及参考答案 一、选择题（每题2分，共20分） 1．影响有腹筋梁斜截面抗剪能力的主要因素是(D )。 I．剪跨比Ⅱ．混凝土强度 Ⅲ．纵向受拉钢筋配筋率Ⅳ．箍筋数量及强度 A．I、Ⅱ、ⅣB．I、Ⅲ、Ⅳ C．I、Ⅱ、ⅢD．I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 2．一对称配筋的钢筋混凝土构件两端固定，由于混凝土收缩(未受荷载)(.B)。 A．混凝土中产生拉应力，钢筋中产生拉应力 B．混凝土中产生拉应力，钢筋中产生压应力 C．混凝土中产生压应力，钢筋中产生拉应力 D．混凝土中产生压应力，钢筋中产生压应力 3．无腹筋梁斜截面的破坏形态主要有斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏三种。这三种破坏的性质是(A )。 A．都属于脆性破坏 B．都属于延性破坏 C．斜压破坏和斜拉破坏属于脆性破坏，剪压破坏属于延性破坏 D．斜拉破坏属于脆性破坏，斜压破坏和弯剪破坏属于延性破坏 4．其他条件相同，钢筋的保护层厚度与平均裂缝间距、裂缝宽度(指构件表面处)的关系 是（A）。 A．保护层越厚，平均裂缝间距越大，裂缝宽度也越大 B．保护层越厚，平均裂缝间距越小，但裂缝宽度越大 C．保护层厚度对平均裂缝间距没有影响，但保护层越厚，裂缝宽度越大 5．根据预应力度对加筋混凝土结构进行分类时，当(A)时为钢筋混凝土结构。 A．λ=0 B．1﹥λ﹥0 C．λ≥1 6．提高梁斜截面抗剪强度最有效的措施是( C )。 A．提高混凝土标号B．加大截面高度 C．加大截面宽度 7．钢筋混凝土粱的受拉区边缘达到下述（D )时，受拉区开始出现裂缝。 A．混凝土实际的抗拉强度B．混凝土的抗拉标准强度 C．混凝土的抗拉设计强度D．混凝土弯曲时的极限拉应变值 8．当混凝土双向受力时，它的抗压强度随另一方向压应力的增大而( A )。 A．增加B．减小C．不变 9．混凝土保护层是具有足够厚度的混凝土层，取( C )至构件截面边缘的净距。 A．钢筋中心B．钢筋内表面C．钢筋外表面 10．受扭构件的配筋方式可为( B )。 A．仅配置抗扭箍筋 B．配置抗扭箍筋和抗扭纵筋 C．仅配置抗扭纵筋 D．仅配置与裂缝方向垂直的45°方向的螺旋状钢筋 第二节地球表面形态教学设计 【课标解读】“结合实例，分析造成地表形态变化的内、外力因素”。 从课标要求来看，教学活动的重心是地表形态的变化的原因分析，并能让学生从两方面认识地表形态。一是以运动、变化的观点看待地表形态，即地表形态一直处于不断地运动和变化之中。二是以综合的观点看待地表形态，即内力造就了地表形态的骨架，外力对地表形态骨架进行再塑造，我们所见到的地表形态是内、外力长期共同作用的产物。 【教材分析】本节教材通过对千姿百态的地形成因的“设问”入题，引导学生思考造成地表形态发生变化的力量的来源——内力作用和外力作用。然后从内力作用与地表形态、内力作用于地表形态两个方面加以展开，最后教材把人类活动作为一种特殊的外力作用，通过活动内容让学生了解人类活动对地表形态的影响。教材从学生的认知规律来安排教学内容，可以较好的促进学生的地理逻辑思维的形成。 教学过程： 【导入新课】 昨晚朦胧间我做了一个梦，梦见自己从哈尔滨乘坐飞机飞往海南三亚。飞机在云层上飞行，我顺窗俯视，祖国的大好河山尽收眼底。先后我看到了略微起伏的东北平原，烟波浩渺的渤海湾，接着又看到山东半岛，飞越长江、东南丘陵，越过琼州海峡抵达三亚。整个旅行过程中，领略了平原、海湾、半岛、河流、丘陵和海峡等千姿百态的地形地貌。突然心有疑问，这些地形地貌是怎么形成的？这些地形地貌是否以后就不变了呢？带着这些疑问，我们来学习本节课内容。 【板书】第二节地球表面形态 首先我们来看本节课的学习目标。（多媒体展示，学生朗读，教师解读） 【学习目标】 （一）知识与技能 1、了解地表形态的变化时内、外力共同作用的结果； 2、了解板块构造学说，理解板块运动与宏观地形的关系； 3、了解地质构造的类型及其与地表形态的关系； 4、了解外力作用的表现形式及与地表形态的关系； 5、了解人类活动对地表形态的影响 （二）过程与方法 1、通过列表比较，了解内、外力作用的能力来源与表现形式； 2、运用板块构造学说的基本理论解释地理事物和地理现象的成因； 3、通过对地质构造示意图的阅读分析，学会简单的地质构造类型的判断和构造地貌的分 析； 4、以流水和风力作用为例，结合实例，分析外力作用对地表形态的塑造； 5、进行野外地质、地貌调查，能用所学的知识分析实际问题。 （三）情感态度与价值观 1、通过对板块构造学说发展的认识，培养探究科学的兴趣和献身科学的精神； 2、通过对地质构造实践意义的学习，培养利用自然，改造自然必须遵循自然规律的意思； 3、通过对一些内外力作用形成的自然景观图片的学习，培养欣赏美、鉴赏美得能力； 4、通过对人类活动与地表形态关系的认识，进一步树立人地关系和谐发展的思想。 【教学重点】 《路基路面工程》课程授课教案 课程编号：B03058 课程名称：路基路面工程/ 课程总学时/学分：64/4 （其中理论64学时，实验0学时，课程设计2周） 适用专业：土木工程（道路与桥梁工程方向） 一、课程地位 《路基路面工程》是土木工程专业路桥方向的一门必修的专业课。课程的主要特点是理论与实践并重，工程性较强,既要认真学习基本理论知识，又要注重工程实践。课程的目的是通过学习，使学生掌握路基路面工程的基本理论和基本知识，具有路基路面设计的基本能力。课程的任务，在于通过教学，培养学生灵活运用路基路面工程基本理论和基本知识，分析和解决路基路面工程实际问题的能力。 二、教材及主要参考资料 [1] 程培风等，路基路面工程，北京，科学出版社，2005年 [2] 万德臣，路基路面工程，北京，高等教育出版社，2005年 [3] 邓学均，路基路面工程，北京，人民交通出版社，2003年 [4] D30－2004，公路路基设计规范，北京，人民交通出版社，2004年 [5] 014－1997，公路沥青路面设计规范，北京，人民交通出版社，1997年 [6] D40－2002，公路水泥砼路面设计规范，北京，人民交通出版社，2002年 三、课时分配 四、考核方式与成绩核定办法 1. 考核方式：笔试 2. 成绩核定办法：期终考试占60﹪；平时成绩占20﹪；课程设计占20﹪； 五、授课方案 第一章绪论 1. 教学内容： （1）道路工程发展概况 介绍我国在公路自然区划、土的工程分类、路基强度与稳定性、高路堤修筑技术与支挡结构、软土地基稳定技术、岩石路基爆破技术、沥青路面结构、水泥混凝土 路面结构、柔性路面设计结构与方法、刚性路面设计结构与方法、半刚性路面结构、路面使用性能与表面特性及路面养护管理等方面取得的成绩。 （2）路基路面工程的特点 介绍路基路面工程的承载能力、稳定性、耐久性、表面平整度、表面抗滑性能等特点。 （3）影响路基路面稳定的因素 材料表面工程技术练习题（答案） 一、解释名词 1.喷丸强化技术:利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、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、疲劳强度和抗压力腐蚀能力的表面工程技术。 2.干法热浸渗:先将经常规方法脱脂除锈清洗后的清洁工件或钢材进行溶剂处理，干燥后再将工件浸入欲渗金属溶液中，保温数分钟后抽出，水冷。 3.粘结底层:某些材料能够在很宽的条件下喷涂并粘结在清洁、光滑的表面上，而且这类涂层表面粗糙度适中，对随后喷涂的其它涂层有良好的粘结作用。 4.溅射镀膜:用高能粒子轰击固体表面，通过能量传递，使固体的原子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面形成薄膜的方法。(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。) 5.分子束外延:在超高真空环境中，将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到温度适宜的衬底表面上，在合适的条件下就能沉积出所需要的外延层。 6.激光合金化技术:激光合金化就是利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分的技术。换言之，它是一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术。 7.物理气相沉积:在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其粒子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。 8.真空蒸镀:在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。 9.热喷涂工艺:热喷涂是用专用设备把某种固体材料熔化并使其雾化,加速喷射到机件表面,形成一特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的一种工艺方法。 10.气相沉积:气相沉积技术也是一种在基体上形成一层功能膜的技术，它是利用气相之间的反应，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。 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)。 11.合金电镀:在一个镀槽中，同时沉积含有两种或两种以上金属元素镀层称为合金电镀。 12.腐蚀:材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。 13.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。 14.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。 15.离子镀膜: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。 16.化学转化膜: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)的一类技术。 17.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。 18.表面能:严格意义上指材料表面的内能，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等。 工程制图课程教学大纲 课程编码： 学分：3 总学时：54 适用专业：非机械类各专业 一、课程的性质、目的与任务： 工程图学是研究工程与产品信息表达、交流与传递的学问。工程图形是工程与产品信息的载体，是工程界表达、交流的语言。 在工程设计中，工程图形作为构思、设计与制造中工程与产品信息的定义、表达和传递的主要媒介；在科学研究中，图形作为直观表达实验数据，反映科学规律，对于人们把握事物的内在联系，掌握问题的变化趋势，具有重要的意义；在表达、交流信息，形象思维的过程中，图形的形象性、直观性和简洁性，是人们认识规律、探索未知的重要工具。 本课程理论严谨、实践性强，与工程实践密切联系，对培养学生绘制和阅读机械工程图样的能力，掌握科学思维方法，增强工程和创新意识有重要作用。是普通高等院校本科专业重要的技术基础课程。同时，它又是学生学习后读课程不可缺少的基础。 本课程的主要任务是： （1）学习投影法（主要是正投影法）的基本理论及其应用。 （2）培养使用投影的方法用二维平面图形表达三维空间形状的能力。 （3）培养绘制（徒手绘图、尺规绘图和计算机绘图）和阅读机械工程图样的能力。 （4）培养空间想象能力和构思能力。 （5）培养工程意识，贯彻、执行国家标准的意识以及认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风。 二、先修课程：计算机文化基础 三、教学基本要求： 本课程主要内容包括画法几何、制图基础、机械图和计算机绘图四部分，基本要求如下： （一）画法几何部分 学习用正投影法表达空间几何形体的基本理论和方法 1、投影的基本知识 了解投影法的基本概念、投影法的分类。 2、点、直线、平面的投影 （1）熟练掌握点、直线、平面在第一分角中的正投影特性和作图方法。 （2）熟练掌握直线上的点和平面内的点、线的作图方法。 （3）了解一般位置直线对投影面倾角的作图方法。 （4）了解两条直线相交、平行、交叉的投影特性和作图方法。 3、立体的投影 （1）熟练掌握棱柱和棱锥的多面正投影图作图方法和立体表面定点。 （2）熟练掌握正圆柱、正圆锥、圆球的多面正投影图作图方法和立体表面定点。 （3）掌握基本体被特殊位置平面切割后截交线的作图方法。 （4）了解基本立体表面相交时交线的作图方法。 （二）制图基础部分 1、制图基本知识 （1）了解并遵守《技术制图》、《机械制图》国家标准的基本规定 （2）掌握徒手绘图、尺规绘图的步骤和方法。 《材料表面工程基础》课后习题目录及答案 1.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展? 2.表面工程技术的目的和作用是什么? 3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科? 4.为什么会造成表面原子的重组？ 5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？ 6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？ 7.热喷涂技术有什么特点？ 8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？ 9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？ 10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？ 11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？ 12.镀层如何分类？怎样选择使用？ 13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。 14.电镀的基本原理？ 15.共沉积合金的相特点有几种类型？ 16.电刷镀的原理及特点是什么？ 17.什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。 18.与电镀相比，化学镀有何特点？ 19.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？ 20.形成热浸镀层应满足什么条件？ 21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。 22.热镀铝的优缺点怎样？ 23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。 24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。 25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。 26.喷丸强化技术原理、特点、应用围。 27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。 28.工件感应加热淬火的工艺流程。 29.各种表面淬火的特点和应用围。 30.什么是表面工程？表面工程技术的作用是什么？ 31.金属离子电沉积的热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么？ 32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂的特点。 33.热喷涂的涂层结构特点是什么？其涂层与基体的结合机理是什么？一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么？ 34.化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？ 35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一？你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议？ 36.材料表面耐腐蚀的技术有哪些？我国规定煤矿系统的井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必须要进行钢结构长效防腐处理。一般的寿命要求30～50年。请 化学微格教学教案 系别：化学系 专业：化学教育 班级：121班 姓名：王瑗 学号：2012121146 微格教学教案格式 班级：__121________科目：____高中化学____时间__2014.11.19__ 主讲人: _____王瑗_____指导老师：李鹏鸽 1分30秒【提问】展示一个实验装置：在硫酸 溶液中插入一个锌片和铜片，问大家 会看到什么现象？ 【再次提问】那如果我们用一根导线 将锌片和铜片连接起来，和原来会有 什么不同吗？ 【过度】很好，那我们再在导线中 接上一个电流表后发现，电流表指针 发生了偏转，说明有电流产生，是不 是也就验证了大家刚才的猜想。 【讲述】1.实验中铜片表面为什么有 气泡？2.流计指针为什么偏转？ 1.Zn、Cu用导线连接一同浸入稀硫酸 时，Zn比Cu活泼，易失去电子，电 子从Zn片流出通过导线流向Cu片， 电子定向移动形成电流，故电流计指 针有偏转。 2.溶液中的H+从Cu片获得电子，2H+ +2e-=H2，生成氢气，故Cu片表面有 气泡生成。 提问技能 提问技能 讲解技能 【回答】 锌表面会有气泡产 生，铜和硫酸不反 应。 导线是用来连接电 路的，应该有电流 吧 锌片逐渐溶解，铜 片上有大量气泡产 生。指针发生偏转， 产生电流。 对照书本，认真做 笔记。 从已学的知识一点一点 向新知识渗透，通过实 验装置的一点点变化， 引出原电池的装置，便 于学生的吸收，且让学 生在观察、分析、讨论 中发现问题、提出问题、 解决问题。 提高学生的分析、表达、 归纳能力。 附：板书设计 §4-4 原电池原理 材料表面工程教案 李远睿编写 重庆大学材料科学与工程学院 2005年4月 前言Foreword 金属材料表面工程学科是涉及范围较广的学科。总的目的是：在保证材料整体强度水平不降低的基础上设法应用不同的现代技术手段赋予材料表面各种所需要的性能。本课程在介绍了金属表面的有关基础知识后，结合国内外最新的资料和信息及老师的科研实践，分别讲解：表面准备、表面冷塑性变性强化、表面覆层强化，高能量密度表面强化与改性、表面淬火强化，化学热处理表面强化及表面特殊涂覆处理和表面复合处理技术等内容。由于在热处理工艺学中学习了表面淬火强化和化学热处理等方面的内容，则在本课程中不再详细讨论了。 一综述： 1．金属材料表面工程学的地位。 金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械,设备和工程构件的主要材料。国内机械行业曾对114 个大型企业耗用材料的统计资料表明：钢铁材料占93.13%；有色金属占1.85%；非金属材料占5.2%。目前存在的主要问题是：材料消耗多、利用率低、质量欠稳定、制成的零部件或工程结构失效较早等。 2．机械零件失效的主要形式： a 塑性变形。原因是材料强度不足或过载使用； b 断裂。有韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂三种类型； c 磨损。按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损四类，各类磨损又可以细分为更具体的一些形式。 d 腐蚀。在环境及周围介质作用下，对金属材料及零件的腐蚀。 在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占80%以上。由现代理化手段分析后证实：失效通常是从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。故研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。 二表面强化技术的分类及概况。 1．分类。通常按表面强化技术的性质分类，可以分为： a化学热处理表面强化；b表面淬火强化；c表面覆层（化成处理覆层、覆衬、CVP、PVD薄膜和热浸渗）强化及装饰；d表面冷塑性变形强化；e表面复合强化；f表面高能量密度改性与强化。 2．各类表面强化的概况。 a 化学热处理表面强化。即用渗入原子在材料表层内扩散而形成人工内污染层，以改变表层的化学成分为先决条件，再进行不同处理后赋与表面和内部不同的组织，从而具有不同性能的表面强化方法。例如：钢的渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、热浸渗和渗金属等等。 b 表面淬火。不改变材料的化学成分，只是因表层相变而产生的强化方法称为表面淬火。例如：高频、中频和表面感应加热淬火、火焰加热表面淬火、电子束、激光（Laser）束加热表面淬火等。 c 表面冷塑性变形强化。在金属材料的再结晶温度之下，使其表层发生冷塑性变形后达到表层加工硬化，弥补其表面轻微脱碳和细小缺陷并形成表层残余压应力的强化方法称为表面冷塑性变形强化。其显著作用就是提高金属材料及其制品的高周疲劳寿命，且材料本身强度愈高，其表面强化效果愈显著。表面冷塑性变形强化的方法有：表面滚压、内孔挤压和表层喷丸强化。其中，喷丸强化用得最普遍。 d 表面覆层强化及装饰。使金属表面获得特殊的覆盖层，以提高其耐磨、耐蚀、抗疲劳及装饰等目的工艺方法都称为表面覆层强化及装饰。它分为：表面镀膜，化成处理和表面覆衬。表面镀膜主要有物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和分子外延技术等；化成处理主要有：化学镀、电镀、发蓝、发黑、磷化和铝的阳极氧化等；表面覆层主要为热喷涂、热堆焊覆层（衬）和用玻璃和地沥清等覆衬于其表面，以达到耐热、耐蚀、防滑、修复尺寸和防腐等目的。 e高能量密度表面强化。以极高密度的能量作用于金属表面使其发生物理、化学变化，达到强化或表面改性的目的称为高能量密度表面强化。特点是：方法简单、时间短、变形小、高效率等，但设备复杂，造价高。采用：电子束、激光束、太阳能和高频冲击表面感应加热等。能量密度：以电子束和激光束提供的能量密度最高，可达到： “材料表面工程”复习题 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。 表面能：严格意义上指材料表面的内能，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等。 洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表面。 清洁表面：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。 区别：洁净表面允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。洁净表面只有用特殊的方法才能得到。清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。 吸附作用：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其它物质(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：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)比初始电位差要小得多的现象。 钝化：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。 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。 《工程光学》课程教学大纲 一、课程基本信息 1、课程中文名称：工程光学 2、课程英文名称：Engineering Optics 3、课程编号： 4、课程类别：专业必修课 5、选课对象：测控技术与仪器专业 6、开课学期：第5学期 7、课程学时：教学总学时：54；实验学时：12 8、课程学分：教学学分：3；实验学分：1 9、先修课程：普通物理、高等数学、工程数学 二、课程性质,目的与任务 工程光学是自动化测试与控制专业本科生必修课，是机械电子工程专业本科生的指定选修课，课程共十四章，上篇几何光学系统地介绍了几何光学的基本定律与成像理论、理想光学系统的光学参数与成像特性、平面与平面镜成像系统、光学系统中的成像光束限制、光度学的基本原理、光学系统的光线光路计算和像差基本理论、典型光学系统和现代光学系统的成像特性和设计要求。下篇物理光学详细地阐述了光的电磁性质、光在各向同性介质界面上的传播规律和光波的叠加与分析、光波的干涉和典型干涉装置与应用、光波的衍射和付里叶光学的基本原理、光的偏振及其在晶体中的传播、光的量子性和激光、光纤。 目的和任务：通过教学和实验要求学生掌握几何光学的基本定律、高斯光学原理；学会应用光线追迹方法进行光路分析及像差计算；掌握典型光学系统(放大镜,显微镜,望远镜,摄像/投影)的特性；掌握现代光学有关知识(傅里叶变换光学，激光光学，光纤光学，扫描光学及光电光学等)；掌握平行平板的双光束干涉和多光束干涉；掌握光波的单缝衍射、双缝衍射及多缝衍射的特点；了解光在不同介质表面的反射和折射规律（金属、透明介质及晶体）。本课程在注重论述光学基本原理的同时，结合工程实际,通过本课程的学习可较全面掌握光学基本理论和实际应用技术，使学生在学习过程中掌握工程光学的基本理论、计算，学会分析、设计光学系统；培养学生在掌握经典光学理论的基础上，对现代光学系统原理及成像特性有更进上步识，为进一步研究开发光学测试仪器打下基础。 三、主要教学内容 第一章： 几何光学基本定律与成像概念：几何光学基本定律，成像的基本概念，光路计算与近轴成像，球面光学成像系统。 第二章： 理想光学系统：理想光学系统与共线成像理论，基点与基面，物像关系，放大率，光学系统的组合，透镜。 现代表面工程与技术 Modern Surface Engineering and Technology 什么是表面工程？ 表面工程是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。 第一章表面技术概论 表面技术是直接与各种表面现象或过程相关的，能为人类造福或被人们利用的技术----宽广的技术领域。 一、使用表面技术的目的 1、提高材料抵御环境作用能力。 2、赋予材料表面功能特性。 3、实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件。 途径： 表面涂覆：各种涂层技术（电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、气相沉积、包箔、贴片）。 表面改性：喷丸强化、表面热处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理。 二、表面技术的分类 1、按作用原理 (1)原子沉积 电镀、化学镀、物理、化学气相沉积 (2)颗粒沉积 热喷涂、搪瓷涂敷 (3)整体覆盖 包箔、贴片 (4)表面改性 2、按使用方法 (1)电化学法 电镀、电化学氧化（阳极氧化） (2)化学法 化学转化膜、化学镀 (3)真空法 物理、化学气相沉积、离子注入 (4)热加工法 热浸镀、热喷涂、化学热处理、堆焊 (5)其它方法 涂装、机械镀、激光表面处理 三、表面技术的应用 1、广泛性和重要性 (1)广泛性 内容广 基材广 种类多 遍及各行业，用于构件、零部件、元器件，效益巨大 (2)重要性 ?改善耐腐蚀、磨损、氧化、疲劳断裂、辐照损伤 ?提高产品长期运行可靠性、稳定性 ?满足特殊要求（必不可少或唯一途径） ?生产各种新材料、新器件（在制备临界温度超导膜、金刚石膜、纳米多层膜、纳米粉末、纳米晶体材料、多孔硅中起关键作用；又是许多光学、微电子、磁性、化学、生物等功能器件研究和生产的基础） 2、在结构材料及构件和零部件上的应用 表面技术作用：防护、耐磨、强化、修复、装饰 3、在功能材料和元器件上的应用 制造装备中具独特功能的核心部件。 表面技术可制备或改进一系列功能材料及元器件 物理特性： ?光学 反射镜材料，防眩零件 ?热学 散热材料，耐热涂层，吸热材料 ?电学 表面导电玻璃，绝缘涂层 ?磁学 磁记录介质，电磁屏蔽材料，磁泡材料 化学特性： 分离膜材料 4、在人类适应、保护和优化环境方面的应用 (1)净化大气 原料、燃料→CO2、NO2、SO2 措施：回收、分解 方法：制备触媒载体（钯炭、铂炭、钌炭、铑炭） (2)净化水质 制备膜材料，处理污水、化学提纯、水质软化、海水淡化 (3)抗菌灭菌 TiO2（粉状、粒状、薄膜状）可将污染物分解 ?当光照射半导体化合物时，并非任何波长的光都能被吸收和产生激发作用，只有能量E满足式(1)的光量子才能发挥作用。 ?光子波长 h-普朗克常数，4.138×10-15 eV·s； c-真空中光速，2.998×1017 nm/s 锐钛型TiO2的Eg = 3.2eV ?在TiO2粒子表面上，有还原作用；产生氧化作用。 在界面处的还原作用： 《材料表面工程导论》课程教学改革的初步探讨 作者：安冬敏周青军仝晓强 来源：《亚太教育》2016年第05期 摘要：《材料表面工程导论》是建立在物理、化学、冶金、材料、机械等学科基础上的交叉学科。本文把此门课程的教学内容与所在学校的办学特色相结合，从改进教学手段，加强科研与教学结合和上课对象等几方面着手探讨了本门课程的初步教学改革，旨在增强学生的学习动力和创新能力。 关键词：表面工程；教学改革；教学与科研；办学特色 《材料表面工程导论》是我校材料化学专业的一门专业选修课程。该课程内容丰富，是建立在物理、化学、材料、冶金、机械等学科基础上的交叉学科。通过学习本门课程，学生可获取材料表面工程学中的各种表面预处理技术、表面改性、表面强化技术、表面装饰技术、表面修复及其再制造技术等专业知识。学习此门课程的目的在于使學生具备初步解决工程构件和机械零部件表面实际问题的能力，为学生学习其他专业知识和就业奠定必要的技术基础。 《材料表面工程导论》课程涉及范围较广，内容繁杂，各种表面处理技术涉及到工程部件的方方面面，应用范围广泛。为了在较短的课时时间内，提高教学质量，增强学生对各种高、精、尖表面处理技术的领悟与掌握，我们结合学生的实际情况从以下四个方面对《材料表面工程导论》课程进行了教学改革的尝试。 一、多媒体与板书相结合，丰富教学手段 表面工程技术内涵丰富，外延广泛，发展迅速。多媒体教学可以丰富教学内容，增加表现手段，使一些抽象、枯燥的教学内容变得生动，既提高了学生的学习兴趣，又可以解决课时紧张的难题[1，2]。 在多媒体辅助教学中，要结合教学内容及学生的实际情况制作教案和电子课件。在重点章节，可以利用视频资料更为形象生动的展示各种表面技术的实际操作情况，加深学生印象。如金属材料表面的预处理工艺，一般要经过简单的机械处理、再经除油、浸蚀和抛光等过程，此一系列过程经简单的动画演示，再结合学生在西飞实习时参观铝的阳极化工艺过程的经历，达到音形并茂的结果。同时在教学中也采用板书，进行启发式提问，以培养学生的思考能力与创新意识。 二、坚持科研与教学相结合，加深学生理解 Graphical symbols for Surface Texture 表面结构的表示法 Definition of surface roughness 表面粗糙度概念 Parameters for surface roughness 表面粗糙度参数 Symbols of surface texture parameter 表面结构参数的符号 Indication of surface texture 表面结构要求的标注方法 Selecting the roughness value 表面粗糙度数值的选用 Exercises练习题 The microscopic geometrical property formed by the small clearance of the rise and fall on the machined surface is called surface roughness. 零件加工表面上具有较小间距的峰和谷所形成的微观几何形状特性称为表面粗糙度。 Definition of surface roughness 表面粗糙度概念 表面粗糙度仪 O Y X ≈ 1/n ∑=n i y 1 i | |L y i y n （1）Profile arithmetic mean deviation R a 轮廓算术平均偏差R a R a is the absolute arithmetic mean of contour deviated distance (distance between each point of the contour surface and the base line ox ) within a sample range of the part surface. R a 是在零件表面的一段取样长度内,轮廓偏距y （表面轮廓上点至基准线Ox 的距离）的绝对值的算术平均值。 R a R a =1/L x x y d |)(|?f 材料表面工程技术-考试复习资料． 1.表面工程:从材料表面的实际应用出发，科学设计工艺方法，严格监控工艺过程，实际检验施工质量，并对全过程进行记录和总结，改进其中的不足，不断提高技术水平，丰富理论内涵，开发新的用途和应用领域。采用表面技术，在零部件或工件表面涂覆一层或多层表面层而形成的技术，主要包 2.括电镀和化学镀、热喷涂、化学转化膜、热浸镀、涂料涂装、气相沉积、堆焊与熔结、 搪瓷和陶瓷涂覆、粘涂、溶胶-凝胶等。表面现象有关的一些表面技术: 1）表面湿润和反湿润技术. 2）表面催化技术3.3）膜技术4）表面化学技术 4. 表面5.在几个原子范围内的清洁表面其偏离三维周期性结构的主要特征是表面松弛、重构和表面台阶结构。从微观水平看，即使宏观看来非常光滑平整的表面实际上也是凹凸不平的，即表面6. 是粗糙的。吸附、吸收和化学反应是固体与气体发生作用的三种表现。7. 晶体表面缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类. 8.表面平整一般采用磨光、滚光、抛光及刷光和振动磨光。9.磨光是借助粘有磨料的特制磨光轮(或带)的旋转，以磨削金属零件表面的过程。 滚光是将成批零件与磨削介质一起在滚筒中作低速旋转，靠零件和磨料的相对运动进行光饰处理的过程。 抛光是用抛光轮和抛光膏或抛光液对零件表面进一步轻微磨削以降低粗糙度，也可用于镀后的精加工。 刷光是把刷光轮装在抛光机上，用刷光轮上的金属丝(钢丝、黄铜丝等)刷，同时用水或含某种盐类，表面活性剂的水溶液连续冲洗去除零件表面锈斑、毛刺、氧化皮及其他杂物，还可用于装饰目的进行丝纹刷光和缎面刷光等。 振动磨光是将零件与大量磨料和适量抛磨液置入容器中，在容器振动过程中使零件表面平整光洁。基体表面清洁的目的是：10. 打基础；)如电镀、热喷涂等(作为前序处理工艺的一部分，为下一涂装或其他表面加工． 作为一项单独表面处理技术，可提高工件寿命或恢复工件原状态或节能需要(锅炉清除水垢，提高热效率)； 消除工件(设备)隐患，提高安全性(如传热设备局部过热可通过清洗来解决)，消毒、灭菌，除放射性污染，有利于人体健康。 表面清洗主要包括除油和除锈。 喷砂是用机械或净化的压缩空气，将砂流强烈地喷向金属制品表面，利用磨料强11.力的撞击作用，打掉其上的污垢物，达到清理或修饰目的的过程。喷砂的主要用途有： 材料表面工程(材料化学专业) 目的和要求 材料表面工程是一门新的边缘学科, 它不但涉及到诸如表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论, 而且其本身也溶入了诸多学科的新技术. 本课程首先概要介绍表面物理化学和表面强度等材料表面工程基础理论知识, 然后就表面工程中10个大类表面技术的原理、工艺特点和应用领域进行重点介绍, 最后简要介绍材料表面工程中常用的一些分析和测试方法和技术. 本课程作为材料系高年级学生一门专业选修课, 目的在于给学生一个向导的作用, 让学生掌握整个材料表面工程的基本知识, 为学生将来从事这方面的工作或研究奠定一个较为扎实的基础, 课程以介绍各个相关表面工程技术的基本原理和研究方法为主, 也兼顾介绍一些生产工艺和发展方向等. 基本内容及学时分配 第一章绪论 (2学时) 1.1材料表面工程技术的意义、目的和作用 1.2材料表面工程技术的发展与分类 第二章表面物理化学基础 (4学时) 2.1 表面能与表面张力 2.2 固体表面结构 2.3 固体表面的润湿和吸附理论 2.4 Kelvin公式及其应用 2.5 表面原子的扩散 第三章表面强度 (2学时) 3.1 表面活性介质对力学性能的影响 3.2 表面膜层的应力 3.3 表面抗磨强度 3.4 表面抗腐蚀强度 3.5 疲劳载荷下的表面强度 第四章热渗镀 (2学时) 4.1 热渗镀原理 4.2 热浸镀 4.3 离子氮化 4.4 离子渗碳 第五章热喷涂 (2学时) 5.1 热喷涂原理 5.2 火焰喷涂 5.3 等离子喷涂 5.4 热喷涂涂层的特性和设计第六章堆焊 (2学时) 6.1 堆焊原理 6.2 电弧堆焊 6.3 等离子堆焊 第七章电镀 (2学时) 7.1 电沉积的基本原理 7.2 影响电镀层质量的基本因素7.3 合金镀 7.4 复合镀 7.5 电刷镀 第八章化学镀 (2学时) 8.1 化学镀基本原理 8.2 化学镀镍 8.3 化学镀铜 《材料表面工程基础》课后习题目录及答案1 1.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展? 2.表面工程技术的目的和作用是什么? 3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科? 4.为什么会造成表面原子的重组？ 5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？ 6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？ 7.热喷涂技术有什么特点？ 8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？ 9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？ 10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？ 11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？ 12.镀层如何分类？怎样选择使用？ 13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。 14.电镀的基本原理？ 15.共沉积合金的相特点有几种类型？ 16.电刷镀的原理及特点是什么？ 17.什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。 18.与电镀相比，化学镀有何特点？ 19.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？ 20.形成热浸镀层应满足什么条件？ 21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。 22.热镀铝的优缺点怎样？ 23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。 24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。 25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。 26.喷丸强化技术原理、特点、应用范围。 27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。 28.工件感应加热淬火的工艺流程。 29.各种表面淬火的特点和应用范围。 《表面技术概论》习题 30.什么是表面工程？表面工程技术的作用是什么？ 31.金属离子电沉积的热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么？ 32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂的特点。 33.热喷涂的涂层结构特点是什么？其涂层与基体的结合机理是什么？一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么？ 34.化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？ 35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一？你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议？ 1 ■■■■■■■■■■■■■■■524宿舍整理■■■■■■■■■■■■勿删■■■■■■■■■■■■压强(教案)
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