表面技术相关练习题及答案

表面技术相关作业题陈庆强第一章1.找找看，在我们身边有哪些使用了表面工程技术的物品答：金属零件防腐，建筑物涂层，家具的涂层等。

2.表面工程技术的目的和作用是什么答：表面工程技术的目的和作用主要是为了获得更好的表面性能，如机械性能、可加工性、抗磨性、热特性、电特性、电磁性、光特性、装饰性等。

3.查阅资料，探讨表面工程技术发展的新趋势、新方向答：发展方向主要有：新型涂层、发展复合表面技术、纳米表面工程、传统表面工程技术的创新、表面工程领域中的清洁生产等。

第二章4.为什么会造成表面原子的重组答：大多数金属表面上的点阵类型与体相的类型是一致的，即表面单胞等于体相单胞在表面的投影，或为（1X1）表面结构。

但是表面使原子的周期排列受到破坏，尤其在表面吸附物质的作用下，表面的键合作用难免会重新调整以达到平衡，即导致原子的重排。

5.什么是实际表面什么是清洁表面什么是理想表面答：①实际表面是指暴露在未加工控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能再低真空或高温）下的表面。

这种表面可能是单晶或多晶，也可能是粉体或非晶体。

这是在日常工作和生产中经常遇到的表面，又称真实表面；②清洁表面是指经过特殊处理后，保持在超高真空条件下，使外来污染少到不能用一般表面分析方法探测到的表面；③理想表面是一种理论上结构完整的二维点阵平面。

它可以想象成将一块无限大的晶体，从中间剖开，将其分成两部分后所形成的表面，并认为半无限晶体中的原子位置和结构的周期性与原来的无限晶体完全一样，但这种理想表面在自然界中是不存在的。

6.清洁表面有什么特点答：表面重构：平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显着不同，原子位置作了较大幅度的调整。

表面驰豫：表面的原子周期性突然破坏，表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下位移以降低体系能量，表面上原子的这种位移称为表面驰豫。

表面偏析：表面原子从内部分凝出来。

化学吸附：外来原子吸附于表面并形成化学键台阶：表面原子形成台阶结构。

化合物：外来原子进入表面，并与表面原子形成化合物第三章7.表面预处理的目的和重要性。

答①清除被处理材料表面附着的杂质，使表面洁净并处于活性状态！②有利于提高涂层与基体材料之间的结合强度。

8.预处理工艺：机械清理、脱脂、浸蚀。

答：①机械清理：借助机械力除去材料表面上的腐蚀产物、油污及其他各种杂物。

方法主要有磨光、抛光、滚光、光饰和喷砂等。

②脱脂：去除被处理零件表面的油污，主要方法有：溶剂法、化学法、电化学法。

③浸蚀的目的是除去金属表面的氧化物，有的还可以改变零件的表面状况。

它分为化学浸蚀和电化学浸蚀两种。

第四、五章9.堆焊与一般焊接的区别及特性答：堆焊：用电焊或气焊法把金属熔化，堆在工具或机器零件上的焊接法。

通常用来修复磨损和崩裂部分。

堆焊的特点：①堆焊层与基体金属的结合是冶金结合，结合强度高，抗冲击性能好。

②堆焊材料与基体往往差别很大，因而具有异种金属焊接的特点。

③为保证堆焊层自身高性能，要求尽可能低的稀释率。

④堆焊层厚度大，一般堆焊层厚度可在2～ 30mm 内调节，更适合于严重磨损的工况。

10.什么是熔合区，其结构特点是什么答：熔合区指的是堆焊层与基体之间的分界区，一般包括熔合线和具有结晶层和扩散层的过渡区段，该区段内成分是不固定的，它与基体之间的界线成为融合线。

熔合区的化学成分介于基材和堆焊层之间，性能也不同于基材。

11.等离子喷焊的特点答: ①属高能束，能量集中、热利用率高、熔敷速度高、熔深浅。

稀释率低，电弧稳定、挺直度好，易保持方向性，焊接填充材料的送给是独立控制的，所以稀释率和堆焊层尺寸便于控制。

②通过喷焊电流、电压、送粉速度、枪-工件相对移动速度、焊枪摆幅的调节，可使喷焊层厚度、宽度在很大范围内变化。

(3)对经预热的自熔性合金粉末涂层再加热至1000～1300℃，使颗粒熔化，造渣上浮到涂层表面，生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中，使颗粒间和基体表面达到良好结合。

(4)最终沉积物是致密的金属结晶组织并与基体形成冶金结合，其结合强度约300-400MPa，抗冲击性能较好、耐磨、耐腐蚀第七章12.对比分析钢铁发蓝、阳极氧化及微弧氧化工艺原理。

答：①钢铁发蓝即钢铁的化学氧化，是指钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理，使其表面生成一层均匀的蓝黑到黑色膜层的过程。

氧化膜主要由Fe3O4组成，膜厚一般为～ m，最厚可达m。

依据钢铁的成分、表面状态和氧化操作条件的不同，氧化膜的颜色呈灰黑、深黑或蓝黑色，故习惯上又称为发蓝或发黑。

②阳极氧化实际上是电化学氧化，钢铁表面化学氧化生成的氧化膜是由Fe3O4组成，这一转化膜的形成是一种电化学和化学过程。

电化学过程如下：由于钢铁表面是不均匀的，当将其浸入电解质溶液中时，表面上将形成无数微电池。

在微阳极区发生铁的溶解：Fe = Fe2+ + 2e在有氧化剂的强碱性介质中，溶解的铁发生转化，生成铁酸：6Fe2+ + NO2- + 11OH- = 6HFeO2 + H2O + NH3在微阴极区铁酸被还原: HFeO2 + e = HFeO2-随之，HFeO2与HFeO2-相互作用，并脱水生成磁性氧化铁2HFeO2 + HFeO2- = Fe3O4 + OH- + H2O化学过程：钢铁表面在热碱溶液和氧化剂作用下生成亚铁酸钠4Fe + NaNO3 + 7NaOH = 4Na2FeO2 + 2H2O + NH33Fe + NaNO2 + 5NaOH = 3Na2FeO2 + H2O + NH3亚铁酸钠进一步与溶液中的氧化剂反应生成铁酸钠2Na2FeO2 + NaNO3 + H2O = Na2Fe2O4 + NaNO2 + 2NaOH6Na2FeO2 + NaNO2 + 5H2O = 3Na2Fe2O4 + 7NaOH + NH3铁酸钠(Na2Fe2O4)与亚铁酸钠(Na2FeO2)相互作用生成磁性氧化铁Na2Fe2O4 + Na2FeO2 +2H2O = Fe3O4 + 4NaOH氧化膜的形成：通过电化学反应和化学反应在钢铁表面附近生成Fe3O4。

由于Fe3O4在浓碱溶液中的溶解度极小，很快就从溶液中结晶析出，在钢铁表面形成晶核，晶核逐渐长大，形成一层连续致密的黑色氧化膜。

挂灰：在形成Fe3O4的同时，部分铁酸钠发生水解变为氢氧化铁(含水氧化铁)Na2Fe2O4 + (m+1)H2O = Fe2O3·mH2O + 2NaOH含水氧化铁在较高温度下失去部分水而形成红色沉淀物附在氧化膜表面，成为红色挂灰而影响氧化膜的质量。

氧化膜的后处理：为了提高化学氧化膜的抗蚀能力，氧化后应进行填充处理。

方法是：①30～50g/L的肥皂水溶液，80～90℃，浸泡1～2分钟。

②50～80g/L的重铬酸钾(K2Cr2O7)溶液，70～80℃，浸泡5～10分钟。

③微弧氧化微弧氧化又称微等离子体氧化，是通过电解液与相应电参数的组合，通过在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。

其实质是在普通阳极氧化的基础上，通过弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，从而形成了强化陶瓷膜。

涂层形成机理：将铝、镁、钛合金样品置于脉冲电场环境电解液中；样品表面因受端电压作用而发生微弧放电；所产生的高温高压条件使微区的铝、镁原子与溶液中的活化氧离子结合生成有陶瓷结构特征的氧化层。

反应过程分为阳极氧化阶段、火花放电阶段、微弧氧化阶段和熄弧阶段。

放电结束后，反应产物经历了一个熔融、冷却和凝固的过程，在放电通道内积累，使陶瓷膜的厚度增长。

第八章13.物理与化学气相沉积原理，特点及分类答：物理气相沉积是指在真空条件下，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。

包括真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜。

化学气相沉积是指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。

CVD包括常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、等离子化学气相沉积。

原理过程：反应气体扩散至工件表面；反应气体分子被基材表面吸附；在基材表面产生化学反应，形核等；生成物从基材表面扩散主要特点有：①在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体；②可以在大气压(常压)或者低于大气压(低压)下进行沉积。

③采用等离子和激光辅助技术可以显着地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；④镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者得到混和镀层；⑤可以控制镀层的密度和纯度；⑥绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀制；⑦沉积层通常具有柱状晶结构，不耐弯曲。

但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层⑧可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物层。

14.化学气相反应类型有哪些答：热分解反应、还原反应、氧化反应、水解反应、氮化反应或氨解反应、碳化反应、歧化反应、合成反应、基体反应、等离子体激发反应、光激发反应、激光激发反应、第九章15.激光淬火、激光熔凝、激光熔覆以及激光表面合金化有何相同处和不同处答：它们都属于激光表面改性的方法，激光淬火不改变基材表面成分，激光熔覆以及激光表面合金化改变基材表面成分16.什么是离子注入答：离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。

第十章17.热浸镀的基本过程是什么控制步骤是什么答: 热浸镀的基本过程是:预镀件前处理热浸镀后处理制品溶剂处理是保证热浸镀层质量不可缺少的关键程序。

18.形成热浸镀层应满足什么条件答：镀层的形成主要依靠加热扩散的作用，所得镀层（渗层）与基体金属之间是形成冶金结合-结合牢固，不脱落；合金层是由两种金属组成的金属间化合物。

这一部分的镀层有少量的基体金属相微量夹杂，因而使其结构与性能也与纯金属有所不同。

19.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。

答：(1)当铁浸于熔融铝时，表面发生浸润、溶解和相互扩散形成扩散层。

(2)铝中铁浓度增大，形成金属间化合物FeAl3(3)随着两种金属原子的相互扩散，层的厚度达到一定值，并出现Fe2A15相(4) η柱状晶生长，Fe2A15转变为FeAl3(5)由于Fe2A15的生长和铁向铝中扩散速度的增大，使铝在铁中的固溶区消失(6)在整个扩散层中，除η相外几乎无其他相存在20.热镀铝的优缺点怎样答：优点：良好的耐热性（抗高温氧化性）、良好的耐腐蚀性、对光和热的良好反应性缺点：镀层含有金属间化合物脆性相，使其加工性变坏，钢材表面被铝液侵蚀并溶解在铝液中，而使铝层含有杂质铁，从而影响其耐腐蚀性；镀铝的温度仍然偏高，而影响铝锅的使用寿命；镀层表面易粘服铝渣而影响其外观等第十一章21.钢工件，渗碳热处理后空冷，随后进行正常的淬火、回火处理，试分析工件在渗碳空冷后及淬火回火后，由表面到心部的组织。