材料表面与界面 .pptVIP

界面能实验证明，界面能γab约为1/4～1/2(γa＋γb)。如果a、b两物质能相互溶解或能形成金属间化合物，其界面能较小，约为a、b为同一物质Wc＝2γa或Wc＝2γba、b相互溶解a、b不能相互溶解由上式可以看出，Wc＞Wab，即相同物质间的摩擦要大于不同物质间的摩擦。若a、b两物质不能相互溶解，其界面能较大，约为第29页，共78页，星期日，2025年，2月5日2.3.1典型表面的结构组成贝氏层(Bielbylayer)重变形层轻变形层2.3表层的基本特性第30页，共78页，星期日，2025年，2月5日表面组成与材料所处的状态有密切关系第31页，共78页，星期日，2025年，2月5日（1）变形层：又称应变层或加工硬化层，它是材料表面区域的重要组成部分。摩擦过程也会形成变形层。（2）贝氏层：贝氏层是加工过程中表面分子产生溶解和表面产生流动之后淬火硬化而沉积的表层，它属于非晶或微晶结构。（3）表面吸附与化学反应层：第32页，共78页，星期日，2025年，2月5日2.3.2表面吸附表面吸附是实际固体重要的表面现象，它的存在可以显著降低表面的系统能量。吸附作用是固体表面最重要的特征之一。被吸附的分子称为吸附物（质），固体作为吸附剂。表面吸附按其作用力的性质可分为两类：物理吸附和化学吸附。在吸附过程中，一些能量较高的吸附分子，可能克服吸附势的束缚而脱离固体表面，称为“脱附”或“解吸”。当吸附与解吸达到动态平衡时，固体表面保存着一定数量的相对稳定的吸附分子，这种吸附，称为平衡吸附。第33页，共78页，星期日，2025年，2月5日物理吸附物理吸附的作用力，是范得瓦尔斯（VanderWaals）分子力。范得瓦尔斯分子力是由于表面原子与吸附原子之间的极化作用而产生的。这是很弱的一种吸力，吸附层的厚度也非常薄（一般为一个分子层到几个分子层的厚度）；分子易被吸附也易脱吸，但是对任何固体液体都有可能发生物理吸附。第34页，共78页，星期日，2025年，2月5日物理吸附膜对温度比较敏感。由物理吸附而产生的边界润滑，一般只适用于比较低的温度和摩擦热较小，即低载荷、低滑动速度的情况。硬脂酸在固体表面物理吸附第35页，共78页，星期日，2025年，2月5日化学吸附化学吸附，在吸附剂和吸附物的原子或分子间发生电子的转移，改变了吸附分子的结构。吸附剂和吸附物分子或原子之间的作用力，主要是静电库仑力。比物理吸附牢固，形成这种吸附所需的热量较大，一般为4.2×(10～102)KJ/mol，而物理吸附热为4.2～8.4KJ/mol,而且化学吸附只对某几种能形成化学键的吸附物质才有吸附作用。由于化学键力的作用范围一般不超过（2～3）×10-10m，故化学吸附层总是单分子层为多。第36页，共78页，星期日，2025年，2月5日典型例子：在边界润滑时，硬脂酸和氧化铁在有水存在时所产生的吸附。吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸“金属皂膜”。这种“金属皂膜”不仅有较低的切变强度，相对说来也有比较高的熔点。例如，硬脂酸的熔点是69℃，而这种金属皂膜的熔点约为120℃。因此，这种化学吸附膜作为润滑剂，可以在中等裁荷、中等温度及中等滑动速度下使用。第37页，共78页，星期日，2025年，2月5日硬脂酸化学吸附吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸“金属皂膜”第38页，共78页，星期日，2025年，2月5日物理吸附和化学吸附特性对比用于判别化学吸附和物理吸附的另一个判据是活化能。当产生化学吸附时，需要有一定的活化能。这可能是由于存在一个温度界限的缘故，低于此界限就不会发生化学吸附。物理吸附无需活化能，在任何温度下都会以一定的速率，即以使吸附物布满固体表面的速率发生物理吸附。特性物理吸附化学吸附吸附力分子间引力化学键力吸附热较小，近于液化热较大，近于化学反应热选择性无选择性有选择性吸附层单分子或多分子层单分子层第39页，共78页，星期日，2025年，2月5日表面化学反应是指吸附质与固体表面相互作用形成了一种新的化合物。金属表面特别是多晶体金属表面往往包含有很多缺陷：晶界、位错、台阶等，这些部位能量高，氧化也就往往从这些高能位置开始，一直到将表面覆盖。化学反应膜：一般是指金属表面与润滑油中的添加剂（有时也包括气体介质）相互作用产生的表面膜。氧化膜：有时也被认为是化学反应膜的一种，它是先发生氧的物理吸附，然后在界面发生吸附反应，而转换为化学吸附，最后在氧原子与金属之间发生化学