chapter 2 表面形貌和表面性质

z点缺陷
C
z线缺陷
D
B A
z面缺陷
点缺陷
a 空位
杂质原子
b 间隙原子
c 置换原子
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲—晶格 畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生 变化。
线缺陷
C D
B A
线缺陷
位错破坏了原子的有序排列，位错运动可使晶体产生弹性畸 变和塑性变形。位错的产生使金属接近表面处产生微孔隙， 当微孔隙凝聚时就产生相平行的裂纹，当裂纹生长到极限长 度时，材料就会以“薄瓣状”剥落下来。加工硬化就是当位错 密度随塑性变形增加而增加时，许多位错相互作用的结果。
Outline
2.1 表面形貌 z2.1.1 表面形貌 z2.1.2 表面粗糙度的评定参数
2.2 金属内部结构和表面性质 z2.2.1 固体表面层结构的变化 z2.2.2 摩擦表面的性质 z2.2.3 切削加工对表面层的影响
2.3 固体表面的接触 z2.3.1 接触的本质 z2.3.2 接触表面的相互作用 z2.3.3 接触面积 z2.3.4 赫兹接触
表面形貌
材料的表面形貌是指其几何形状的详细图形，着重 研究表面微凸体高度的变化，表面形貌由形状公差、波 纹度和表面粗糙度组成。
表面形状误差
实际表面形状与理想表面形状的宏观偏差，是一种连续而 不重复的形状偏差。它是机床-工件- 刀具系统的误差和弹 性变形等造成，如机床和刀具精度不够、不正确的加工规 范或温度应力等。表面形状误差的数值由最大偏差表示， 国家标准 GB1182～1184-80 规定了形状和位置公差。
固体表面层结构的变化
在常见金属中： ¾体心立方晶格：铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、铁(αFe)等。 ¾面心立方晶格：铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和铁 (γ-Fe)等。 ¾密排六方晶格：镁(Mg)、镉(Cd)、铍(Be)、锌（Zn）等。
固体表面层结构的变化
晶体缺陷 按几何特征，晶体缺陷主要有三类：
2.2 金属内部结构和表面性质
摩擦过程中，除了表面形貌影响摩擦磨损性能外，材料 表面的物理、化学、机械性能影响也很大。如表层的吸附作 用；切削加工和摩擦过程中，表层金属材料的金相组织和机 械性能的改变；固体表面结构的变化和表面膜的变化等均导 致表面层性质与本体材料有很大的差异。
固体表面层结构的变化
金属及其合金都是由原子或分子所组成的一种物质的凝聚集 态。通常，金属在固态下都是晶体，其原子按一定几何形状 有规则的排列，称为空间晶体。基本排列形式分别为体心立 方、面心立方和密排六方。三种典型晶体的结构特征见下 图：
tp
=
a+b l
+c
tp =
Ax A0
Ao离峰顶最大高度面积
表面形貌统计学特性
切削加工的金属表面形貌包含了周期变化和随即变化两 个部分，单一形貌参数不能够描述复杂的表面形貌，采 用形貌统计参数能反映更多的表面形貌信息。
轮廓高度分布函数：右图 为以轮廓的中心线为x轴，轮 廓上各点高度为zi。轮廓高 度的概率密度分布曲线，绘 制方法如下:
面缺陷
晶体
晶
界
面缺陷
晶界对位错运动起阻碍作用，使金属的强度升高。 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。
亚晶界
摩擦表面性质
表面张力、表面能、接触角 表面膜 金属的表层结构
固体表面层结构的变化
晶体结构变化：晶体结构变化可改变表面的摩擦特性
z例如钴在加热时，晶体结构从密排六方晶格转为面心立方晶 格，摩擦系数增大，而当温度降到室温时，摩擦系数将与原 先密排六方晶格的摩擦系数相符。说明了结构变化的“微观 可逆性”。
的凸峰和五点最低的凹谷之间的算术平均距离，hpi第i
个最高的轮廓峰高，hvi第i个最低的轮廓峰高。这一参
数对表面轮廓的评定，在测量时易受人为因素的影响，
不能稳定反映出表面的几何特征。
5
5
∑ ∑ h pi +
h vi
R Z = i=1
i =1
5
高度特性参数
轮廓最大高度Ry:在取样长度内，轮廓的峰顶线和谷 底线之间的距离。峰顶线和谷底线平行于中线且分别 通过轮廓最高点和最低点。
表面粗糙度(surface roughness)
表面粗糙度是固体表面的基本形貌，又称表面微观粗糙 度，波距小，约 2-800μm，波高较低 0.03-400μm，属 表面微观几何形状误差。
主要与切削加工方法、刀具的运动轨迹、磨损及工艺系 统的高频振动有关。
GB1031-83 规定了表面粗糙度的参数和数值。工程上通 常采用表面粗糙度表征表面的形貌参数。
表面粗糙度的评定参数
高度特征参数：沿着垂直于中心线的方法测量的。包括： z轮廓算术平均偏差 Ra z微观不平度十点平均高度Rz z轮廓最大高度Ry
间距特征参数：是沿着中心线方向测量的，能直接反映表 面加工纹理的细密程度。包括： z轮廓微观不平度的平均间距Sm z轮廓的单峰平均间距S
形状特征参数：用轮廓支撑长度率表示。
形状特性参数
z以通过最高峰顶点的直线为零位线，在标准长度L的轮廓 曲线上，作与中线平行的一系列直线，如h1、h2、 h3…..
z将各平行线截取轮廓图形中微凸体的长度相加，画在轮 廓图右侧，直到轮廓图形的最低点为止，连接图中各点 ，即得到支承面曲线。
z描述参数（GB3505-83)： 相对支承长度率： 支承面积： Ax离峰顶h处面积
表面波纹度
表面周期性重复出现的几何 形状误差，是有规律、周期性 、峰和谷的大小几乎相等的表 面宏观误差。是由机床-工件刀具系统的振动和机床传动件 的缺陷引起的。
它的存在对摩擦磨损是有 害的，减少配合件的实际接触 面积，导致真实接触表面压强 增加，加快零件的磨损。
波高h：波峰与波谷之距离 波距s：相邻波形对应点距离
n
∑ t p
=
ηp l
=
bi
i =1
l
形状特性参数
z按支撑面积的大小将轮廓图形分三个高度层：支承面积小 于25%的部分称为波峰，为最高层；在25%-75%之间部分称 为波中，为中间层；大于75%部分为波谷，最低层。
z评定摩擦表面的接触和表面磨合:(a)图中，支撑面曲线在 微凸体顶部处的斜率较大，曲线较陡，这种表面组成的摩 擦副，接触面积小，耐磨性差。(b)图中的支撑面曲线在 微凸体顶部处的斜率较小，曲线较平缓，这种表面组成的 摩擦副，接触面积较大，耐磨性能较好。
¾偏态S：衡量分布曲线偏离对称位置的指标，定义为：
∫ S
=
1 σ3
−∞ z 3ψ (z )dz
+∞
¾峰态S：表示分布曲线的尖峭程度,定义为：
∫ K
=
1 σ4
+∞z4ψ (z)dz
−∞
表面形貌统计学特性
自相关函数R(l)：反映了相邻轮廓的关系和轮廓曲线的
变化趋势。对于任一条轮廓曲线，自相关函数是各点的 轮廓高度与该点相距一定间隔处的轮廓高度乘积的数学
l)
2.1.3表面形貌的测量
光切法：双管显微镜测量表面粗糙度，常用于车、铣、刨 等外表面的Rz的评定，测量范围0.5-60 µm。
干涉法：利用光干涉原理，用干涉显微镜测量。可测Rz和 Ry，测量范围0.025-0.8 µm。
印模法：利用石蜡、低熔点合金(锡铅等)或其他印模材料 将被测表面印模下来，然后对复制印模表面进行测量。由于 印模材料不能充满谷底，其测量值略有缩小。该法适用于笨 重零件及内表面(深孔、凹槽、内螺纹等)。
∑ Sm
=
1 n
n i=1
Smi
三个评定主参数对照
Ｒa:能客观地反映表面微观几何形状的特征。 Ｒz:反映表面微观几何形状特征方面不如Ｒa全面，但测量
方便。
Ｒy:所反映表面微观几何形状特征更不全面，但测量十分简 便，弥补了Ｒa、Ｒz不能测量极小面积的不足。
确定表面粗糙度时，可在三项高度特性方面的参数中Ra、Rz 、Ry 选取，只有当用高度参数不能满足表面功能要求时， 才选取附加参数。
高度特性参数
上图为一条典型的表面轮廓曲线y(x)。l 为取样长度；m-m 为轮廓中心线，该线之上轮廓包围的面积与之下包围的面 积相等；yi 为轮廓上的点与中心线的距离。
高度特性参数
轮廓算术平均偏差Ra:轮廓上各点高度在测量长度范围内的 算术平均值，数学表达式：
∑ ∫ Ra
=
1 n
n 1
yi
近似为： Ra
表面粗糙度的特征
变化规律：呈现某种规律性变化或为无规律的随机变化特 征。如车削、钻孔或刨削等工艺加工的表面微凹凸体分布往 往具有一定的规律和方向性；磨削、研磨或抛光等精加工表 面则为无规律的随机分布特征。
与摩擦磨损关系密切：表面粗糙度的特征对接触表面的压 力分布、接触变形程度、分子吸引力的大小、以及摩擦阻力 和摩擦成因等有决定性的影响。
表面形貌的测量
针描法：利用仪器的触针与被测表面相接触，当触针 以一定的速度的沿被测表面移动时，微观不平的痕迹是 触针做垂直轮廓方向的运动，从而产生电信号，信号经 过处理后，可直接测出测量Ra。
比较法：将被测表面与粗糙度样块进行比较来评定表 面粗糙度。比较法可用目测直接判断或借助于放大镜、 显微镜比较或凭触觉来判断表面粗糙度。用此法检验表 面粗糙度是生产车间常用的方法。
高度特性参数
轮廓均方根偏差 Rq：轮廓图形上各点和中线之间距 离平方和平均值的平方根。均方根偏差比算术平均偏差 优越，在理论上普遍采用。
∫ ∑ Rq =Leabharlann 1 L[y(x)]2dx =
L0
1 n
n 1
yi 2
微观不平度十点平均高度Rz：在取样长度范围内以平
行轮廓中线的任一条直线为基准，测量轮廓上五点最高