2015表面工程复习题.
《材料表面工程》考试要点
一、名词解释
表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件的表面具有特殊成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法
洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分与体内相同的表面。
极化：腐蚀电池工作时，阴、阳两极之间有电流通过，使得其电极电位值与初始电位值有一定的偏离，使阴阳两极之间的电位差比初始电位差要小得多，这种现象称为极化现象。
热喷焊技术：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。
堆焊技术：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的技术。物理气相沉积:在真空条件下，以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上，形成薄膜或涂层的过程。
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。
润湿：液体在固体表面上的铺展技术。
等离子体热扩渗：利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，形成热扩渗层的工艺过程。
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的一类技术。
吸附作用：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其他物质分子的能力。
表面能：严格意义上指材料表面的内能，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等。
腐蚀：材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。
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。
表面淬火：采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac 3（对亚共析钢）或者Ac 3 （对过共析钢）之上，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、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。
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。
热喷涂:采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使喷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。
电镀：在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流点的作用下，以被镀基体金属位阴极，以欲镀金属或其他惰性气体为阳极，通过点解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜表面工程技术。
化学镀：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。
复合电镀:在电镀或化学镀溶液中加入非溶性的固体微粒，并使其与主体金属共沉积在基体表面，或把长纤维埋入或卷缠于基体表面后沉积金属，形成一层金属基的表面复合材料的过程。
阳极氧化：金属或电化学的氧化。
二、简答题
1. 清洁表面与洁净表面的区别;
答：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方法才能得到；清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗即可；洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。
2. 表面粗糙度的两种常用表达方式及含义
答：1.轮廓的算术平均偏差R a ：∑==n
1i i a |y |n 1R 式中y i 为波峰高或波谷深的数
值，n 为测量的波峰或波谷的个数。
2、真实面积与投影面积的比i ：l i
A
A i =
式中A i 为真实面积 A l 为投影面积
3. 简述表面形变强化技术的主要用途和方法;
答：受控喷丸技术，主要应用于那些需要改善疲劳强度和抗应力腐蚀能力的零件上；表面滚压技术，表面改性层的最大深度达5mm 以上，能较大幅度地改
善材料表面的疲劳寿命、抗应力腐蚀能力。只适合一些形状简单的零件(平板类、轴类和沟槽类等） 4. 写出Young 方程，并用图示法说明“润湿”与“不润湿”；
答：Young 方程：
G -L L -S G -S G -L L -S G -S /-cos cos σσσθθ
σσσ）（=+=
5. 材料的腐蚀原理;
答：化学腐蚀：；电化学腐蚀
6. 材料的极化机理; 答：电化学极化：电极上的电化学反应速度小于电子运动速度；浓差极化：溶液中的物质扩散速度小于电化学反应速度；电阻极化：在电极表面生成了具有保护作用的氧化膜、钝化膜或不溶性的腐蚀产物等，增大了体系的电阻，阻碍了电极反应的进行，主要发生在阳极上
7. 形成热扩渗层的基本条件
θ σL －G σS
－G
σS －L
答：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%
8.表面预处理的工序包括哪些
答：表面预处理是表面工程技术能否成功实施的关键因素。主要工序包括：机械性清理，脱脂，化学浸蚀、抛光和电化学抛光，脱脂—浸蚀综合处理等。
9.常见的电镀方式、金属镀层及其用途、分类。
10.铝合金阳极氧化的工艺流程，其氧化膜的形成过程、结构特点及性能特点；
答：工艺流程：预处理——氧化——阳极氧化的封闭
形成过程：将铝制件作为阳极，其他材料作为阴极置于电解池中，通上直流电，阳极析出氧气，阴极析出氢气，阳极上的氧气大部分与铝形成了Al2O3（包括电化学和化学过程）其具体过程如下：
结构特点：结构致密和氧化膜厚度较大；
性能特点：1、膜的厚度在不同的电解液中的厚度极限不一样；
2、孔隙度与金属表面的光滑度有关，表面越光滑，孔隙度越小；
3、硬度非常高和好的耐磨性；
4,、结合力非常强。
5、柔韧性在不同的温度阶段不一样；
6、耐蚀性可以通过增加膜厚的、降低电流密度和降低阳极氧化温度及减低酸浓度等来改善；
7、阳极氧化膜的耐热性非常好；
11.等离子喷涂工艺的主要特点如何？
答：高温低压等离子体，优点:焰流温度及速度高，喷涂材料适应而广，特别适合喷涂高熔点材料；涂层密度及结合强度高。缺：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。
12.对比PVD和CVD法中薄膜的生成过程。
答：PVD：①、气相粒子的产生：利用物理方法产生气相粒子；
②输运过程：气体粒子传输到基片；
③沉积成膜过程：气相粒子入射并沉积在基片表面上并凝聚成膜（凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜）。
CVD：①、反应气体向基片扩散；
②、反应气体吸附于基片的表面；
③、反应气体在基体表面发生化学反应；
④、反应产生的气相副产物被排掉，产生的固体物质沉积下来成为不蒸发的固体膜；
13.化学镀有哪些主要特点？
答：优点：镀层致密，孔隙少、硬度高，具有极好的化学性能和物理性能；可镀制形状复杂的工件，且镀层厚度均匀；可镀基材广泛；设备简单；缺点：可镀制的金属有限；镀液昂贵，稳定性差，镀制成本高。
14.最常见的磨损种类有哪些？如何通过表面技术提高表面耐磨性？
答：磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损和高温磨损
1，使表面具有良好的力学性能，通过表面淬火、涂覆和合金化都可以达到目的；2、设法降低材料表面的摩擦系数。渗硫，渗氧，渗氮，氧碳氮共渗15.简述激光淬火技术的基本原理与主要应用。
答：基本原理：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。
主要应用：提高抽油泵筒的耐磨性，耐蚀性，缸体，缸套硬化。
16.简述热扩渗层的主要形成过程。
答：一、产生沉渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面；二、渗剂元素的活性原子吸附在基体金属的表面上，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；三、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。17.简述PECVD的原理与主要特点。
答：原理：在反应室内设置高压电场，反应气体在高压电场中激发成由非常活泼的激发分子、原子、离子、和原子团构成的等离子体。
特点：沉积温度低；膜与基材结合强度高、成膜速度快、可制膜层材料的范围。
18.结合金属腐蚀的主要形式，简述金属腐蚀控制与防护的方法。
答：1、产品合理设计与正确选材；2、电化学保护；3、表面覆层及
表面处理；①.阳极型金属覆层；②.阴极型金属及非金属涂层；4、加入缓蚀剂；
19.什么是转化膜技术？其主要用途有哪些？
答：转化膜技术是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期金属外观的一类技术。
主要用途：用于防护和装饰；提高涂膜与基体的结合力；耐磨减摩；适用于冷成形加工；电绝缘性.
20.在蒸发镀膜中，为什么必须精确控制蒸发源的温度？
答：因为蒸发速率是影响蒸镀过程的因素，而蒸发速率直接受蒸发源的温度的影响，因此必须精确控制蒸发源的温度来保证蒸镀的精度。
三、阐述题及论述题
1. 以离子渗氮工艺为例，说明等离子体热扩渗工艺的原理，特点及主要工艺参数。
基本原理：利用辉光放电现象，将含氮气体介质电离后渗入工件表面，从而获得表面渗
氮层的工艺。特点：具有气体、能量消耗少，环境污染小，工作环境好，工件表面质量高，生产周期短等优点。设备成本较高(真空、较高电压)，不适用于大型零件；主要工艺参数：
2.表面工程技术中，改性层与基体的结合界面的主要类型有哪些？其形成过程(形成机理)及结合强度的特点如何？各种结合界面一般出现在哪些常用的表面技术中？并针对某一种结合界面，说明可采取哪些主要措施来提高其结合强度？
基于固相宏观成分差异形成的界面（结合界面）
冶金结合界面：当覆层与基体材料之间的界面结合是通过处于熔融状态的覆层材料沿处于半熔化状态下的固体基材表面向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合界面。特点：结合强度很高
技术：激光熔覆技术、堆焊与喷焊技术等。
扩散结合界面：两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成的结合界面。特点：
技术：热扩渗工艺、离子注入工艺（“类扩散”界面）等
外延生长界面：当工艺条件合适时，在（单晶）衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的新单晶层的工艺过程，就称为外延生长，形成的界面称为外延生长界面。特点：理论上应有较好的结合强度。具体取决于所形成的单晶层与衬底的结合键类型，如分子键、共价键、离子键或金属键等。
技术：气相外延（化学气相沉积技术等）、液相外延（电镀技术等）
化学键结合界面：当覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界面。特点：结合强度较高，界面的韧性较差
技术：物理和化学气相沉积技术、离子注入技术、热扩渗技术、转化膜技术等。
分子键结合界面：涂(镀)层与基材表面以范德华力结合的界面。特点：结合强度较低。
技术：部分（低温）物理气相技术、涂装技术等
机械结合界面：覆层与基材的结合界面主要通过两种材料相互镶嵌等机械连接作用而形成。特点：结合强度不高
技术：热喷涂、包镀技术、涂装技术等
4．等离子体技术应用在了哪些表面工程技术中？并分析说明等离子体在这些技术中的具体作用；
5．对比分析热喷涂、热喷焊、堆焊在基本工作原理、结合强度、稀释率、主要
应用等方面的不同；
1）工作原理：
A、热喷涂是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
使涂层材料加热细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程
B、热喷焊是采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或半熔化，
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C、堆焊是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的技术。2）结合强度方面：热喷涂涂层与基体结合强度较差；热喷焊组织致密，冶金缺陷很少，与
基材为冶金结合，结合强度高；堆焊结合强度也比较高
3）稀释率方面：
a、热喷涂稀释率较低；
b、喷焊层会被稀释，稀释率相对比较高；
c、堆焊的稀释率比热喷焊大得多；4）应用方面：
热喷涂主要用于a、喷涂耐腐蚀涂层；b、喷涂耐磨涂层；c、喷涂耐高温涂层；
d、喷涂功能涂层；
e、喷涂成型；
热喷焊主要用于：a、重载零件的表面强化与修复；b、只适合特定金属材料，不能用于形状复杂，易热变形的零件；堆焊可用于零件修复或制造特殊表面性能的新零件。
3、从产生气相镀料粒子的原理出发，分析离子镀膜与蒸发镀膜、溅射镀膜在粒子能量、沉积速率、膜层密度、膜基结合强度的区别；
离子镀膜：粒子高速轰击在基片表面溅射清洗并活化基片表面，加热蒸发源使镀料汽化蒸发然后电离，在电场加速下轰击工件表面并沉积；
蒸发镀膜使通过加热使蒸发料汽化(或升华)，以原子分子或原子团离开熔体表面，凝聚在一定温度的基片或工件表面；
溅射镀膜是用高能离子轰击工件表面，通过能量传递使固体原子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面
以上为这三种镀膜的产生气相镀膜粒子的原理，由此分析：
1）离子镀膜和溅射镀膜时的粒子能量高，蒸发镀膜时的粒子能量低；
2）离子镀膜与蒸发镀膜的沉积速率高，溅射镀膜的沉积速率低
3）离子镀膜的膜层质量好（密度高，细密，等轴晶），溅射镀膜的膜层密度高纯度高，蒸发镀膜的膜层一般为非晶
4）离子镀膜和溅射镀膜膜基结合强度高，蒸发镀膜
的膜基结合强度低