2020年摩擦磨损原理1固体的表面特性.ppt

物质不是无限的，在晶体中原子或分子的周期性排列发生大面积突然终止的地方就出现了界面，如固体－液体、固体－气体及固体－固体的界面，常把固体－气体（或真空）、固体－液体的界面称为固体的表面。
很多物理化学过程：催化、腐蚀、摩擦和电子发射等都发生在“表面”，可见其重要性。
摩擦磨损原理1固体的表面特性
2021/1/12
1
1 洁净的固体表面
金属的晶体结构
通常，金属在固态下都是晶体，其原子均为有规则的周期性重复排列、晶体结构是指组成晶体的物质质点(分子、原子、离子、原子集团)依靠一定的结合键在三维空间做有规律的周期性重复排列的方式。
金属元素中，约有百分之九十以上的金属属于FCC、BCC、HCP 3种晶体结构.
原子有规则的周期性重复排列
摩擦磨损原理1固体的表面特性
2021/1/12
2
（1）面心立方晶胞(fcc)
面心立方的晶胞: 在8个顶角各有1个原子，在立方体每一面中心还各有1个原子。金属钢、银、金、铝、镍、铅、铑、γ铁、γ钴、δ锰等，均为面心立方结构。
每1个原子周围与其等距离的最近邻的原子数目叫配位数(CN)。它是描述原子排列紧密程度的参量，配位数越高，原子排列越紧密，面心立方晶胞的配位数为12。
面心立方晶胞
摩擦磨损原理1固体的表面特性
2021/1/12
3
（2）体心立方晶胞(bcc)
体心立方晶胞: 在8个顶角各有1个原子，在其立方体的中心还有一个原子。显然，每一个原子周围有8个最近邻原子，因此，配位数为8。属于这种结构的；金属有钒、铌、钽、钼、铬、钡、β钛、α铁、δ铁、α钨等。
体心立方晶胞
摩擦磨损原理1固体的表面特性
2021/1/12
4
（3）密排六方晶胞(hcp)
密排六方晶胞: 六棱柱体的各角有一个原子，在其上、下面中心还各有一个原子，此外在两面的中间还有三个原子。配位数为12。属于这类结构的金属有镁、锌、镉、锆、α铍、α钛、α钴等。
密排六方晶胞
摩擦磨损原理1固体的表面特性
2021/1/12
5
3种典型金属晶体结构特征
以上所述都是理想晶体的结构，即把金属晶体中的原子排列看作是规则的、完整的，而且每个原子都是在阵点上静止不动的。然而，实际上金属晶体由于原子热振动，以及受到温度、辐射、压力加工等各种外界条件影响，在原子规则排列区中常出现原子排列的不规则区，这些不规则区称为“晶体缺陷”。
摩擦磨损原理1固体的表面特性
2021/1/12
6
表面晶体结构及缺陷
金属表面就是金属晶体与周围介质的界面。图为理想金属晶体表面原子的排列情况。表面原子M的配位数为5。而基体中的任一个原子的配位数为6。由此可知，表面原子的配位数比基体中的配位数少，表面原子少了在表面上层原子对它的约束，这将使表面原子处于高能状态。
晶体表面的原子
摩擦磨损原理1固体的表面特性
2021/1/12
7
面心立方表面原子的配位数（FCC）
晶体表面原子的配位数与晶体的位向有关，面心立方晶体不同位向表面，原子的配位数见表。
晶体表面原子不仅能量较高，而且还存在着许多缺陷。这些缺陷不是静止、稳定不变的，而是随着条件的改变而不断变化和交互作用的。它们对晶体表面的机械性能、物理性能和化学性能有很大的影响。
在表面的位置
配位数
表面所处晶面
配位数
角上原子
3
原子在(111)上
9
边缘原子
5
原子在(100)上
8
摩擦磨损原理1固体的表面特性
2021/1/12
8
晶体表面缺陷
按几何特征，晶体缺陷主要有以下3类：
（1）点缺陷
（2）线缺陷
（3）面缺陷
摩擦磨损原理1固体的表面特性
2021/1/12
9
点缺陷
在三维方向上尺寸都很小的缺陷称为点缺陷，如空位、间隙原子和置换原子等。
晶体中原子在其平衡位置上作高频率的热振动，振动能量经常变化，此起彼伏，称为能量起伏。在一定温度下，部分具有超额能量的原子有可能克服周围原子对它的束缚，而离开原来的平衡位置，于是在阵点上产生空位。
即使在极纯的金属中，也总会存在一定量的杂质原子。杂质原子使周围的晶体发生畸变，明显地影响晶体的性质。
点缺陷的存在对金属的物理和机械性能，以及热处理性能都有较大的影响。；产生一个间隙原子引起的体积膨胀相当于一个原子体积。
摩擦磨损原理1固体的表面特性
2021/1/12
10