材料表面工程复习题标准答案

1.什么是材料表面工程？

表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需要表面性能的系统工程

2.表面工程的作用有哪些？

（1）对于机械零件

提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性、抗疲劳强度等力学性能；

保证现代机械在高速、高温、高压、重载以及强腐蚀介质工况下可靠而持续地运行

（2）对于电子电器元件

提高元器件表面的电、磁、声、光等特殊物理性能；

保证现代电子产品容量大、传输快、体积小、高转换率、高可靠性;

（3）对于机电产品的包装及工艺品

提高表面的耐蚀性和美观性；

实现机电产品优异性能、艺术造型与绚丽外表的完美结合

（4）对生物医学材料

提高人造骨骼等人体植入物的耐磨性、耐蚀性，尤其是生物相容性；

保证患者的健康并提高生活质量

3.表面工程技术包含哪些内容？

内容：失效分析、表面技术、涂覆层性能、涂覆层材料、预处理和后加工、表面检测技术、表面质量控制、使用寿命评估、表面施工管理、技术经济分析、三废处理和重大工程实践4.表面工程技术发展经过了哪三个阶段？

经历的三个阶段：

第一阶段以单一表面工程技术的品种增加、工艺成熟为特征；

第二阶段以复合表面工程技术的出现和协同创新为主要特征；

第三阶段以微纳米材料和纳米技术与传统表面工程技术的结合与实用化为主要特征

5.在材料表面工程中用于表面淬火的加热方式有哪几种？

（1）感应加热(高频、中频、工频)表面淬火；

（2）火焰加热表面淬火；

（3）激光加热表面淬火；

（4）等离子体加热表面淬火；

6.简要说明热扩渗的原理。

（1）介质分解

活性介质在一定温度下，进行化学分解，析出活性（初生态的）原子（或离子）的过程

化学介质分解的速度，取决于化学介质性质、数量、分解的温度、压力以及有无催化剂（2）吸收

活性原子在金属表面吸附与金属表面原子产生键合而进入金属表层的过程

吸收的方式活性原子向钢的固溶体中溶解或形成化合物

吸收的强弱与活性介质的分解速度、渗入元素的性质、扩散速度、钢件的成分及其表面状态有关

（3）扩散

被钢件表面吸收的活性原子（或离子）向钢件深处迁移，以形成一定厚度的扩散层（即渗层）7.激光加热表面淬火有哪些特点？

（1）淬硬层组织细化，硬度比常规淬火提高15-20%，铸铁经淬火后耐磨性可提高3-4倍（2）加工速度极快，工艺周期短，生产效率高，成本低，工艺过程易实现数控

（3）可进行大型零件局部表面硬化及形状复杂工件的硬化处理

（4）淬硬层深度可精确控制

（5）可以实现自冷淬火，不需要油或水等淬火介质

8.感应加热表面淬火的优点。

（1）热源在工件表面，加热速度快，热效率高

（2）工件因不是整体加热，变形小

（3）工件加热时间短，表面氧化脱碳量少

（4）表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等具有很大提高，有利于发挥材料潜力，节约材料消耗，提高零件使用寿命

（5）设备紧凑，使用简便，劳动条件好

（6）可将设备组织到生产线中，如果采用程序自动调节系统，可对过程精确控制，废品量较低

（7）不仅可应用于工件的表面，内孔等的淬火，还可以应用于工件的穿透加热和化学热处理

9.常用的表面淬火方法有哪些？

（1）感应加热(高频、中频、工频)表面淬火；

（2）火焰加热表面淬火；

（3）激光加热表面淬火；

（4）等离子体加热表面淬火

10.什么是堆焊技术？堆焊技术中包含哪些具体的方法？

（1）堆焊技术：将具有一定使用性能的合金借助一定的热源，熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法；

（2）方法：氧乙炔火焰堆焊；焊条电弧堆焊；埋弧堆焊；钨极氩弧堆焊；等离子弧堆焊；熔化极气体保护堆焊；电渣堆焊；激光堆焊；聚焦光束粉末堆焊；摩擦堆焊

11．堆焊的作用有哪些？

（1）可用于修复材料因服役而导致的失效部位；

（2）可用于强化材料或零件的表面；

（3）延长服役件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本

12．堆焊的特点？

（1）堆焊层与母材具有典型的冶金结合

（2）堆焊合金种类选择范围宽

13．常用的合金化方法有哪些？

（1）焊条药皮渗合金法

（2）焊剂渗合金法

（3）合金焊丝或焊带渗合金法

（4）药芯焊丝渗合金法

（5）合金粉末渗合金法

14．简要说明母材对堆焊材料的稀释作用以及对表面处理层的影响。

母材对堆焊金属的稀释

一般来说，堆焊材料往往是高合金材料或与母材合金体系完全不同的合金

即使堆焊合金中某种元素的过渡率为1，堆焊合金中该合金元素的浓度也会低于原始浓度15．常用的堆焊方法

氧乙炔火焰堆焊、焊条电弧堆焊、埋弧堆焊、等离子弧堆焊、电渣堆焊、激光堆焊、摩擦堆焊

16热喷涂的基本概念

热喷涂技术是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它们的复合材料等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法

17．简要说明热喷涂涂层的形成过程。

涂层的形成过程是喷涂颗粒在飞行结束之后的过程，即冲击、碰撞、变形、凝固那四个过程18.简要说明热喷涂的基本原理。

（1）喷涂材料的熔化阶段

线材：端部进入热源的高温区域，即被加热熔化，形成熔滴

粉末：进入高温区域后，在行进过程中被加热熔化或软化

（2）熔滴雾化阶段

线材：端部形成的熔滴，在外加压缩气流或热源自身射流的作用下，使熔滴脱离线材并雾化成细微的熔粒，向前喷射

粉末：一般不存在熔粒再被破碎和雾化的过程，而是被气流或热源射流推动向前喷射（3）飞行阶段先被加速，随距离增加而减速

（4）碰撞阶段

19.热喷涂的分类

（1）熔体热喷涂：金属溶液注入喷涂

（2）火焰热喷涂：普通火焰喷涂、爆炸喷涂、高速火焰喷涂

（3）电能热喷涂：电弧喷涂、线爆喷涂、等离子体喷涂

（4）高能热喷涂：激光喷涂

20.常用的热喷涂方法

（1）线材或棒材火焰喷涂

（2）粉末火焰喷涂

（3）高速（超音速）火焰喷涂

（4）气体爆燃喷涂技术

（5）电弧喷涂

（6）等离子喷涂

（7）高能等离子喷涂

（8）可控气氛与低气压等离子喷涂

（9）冷喷涂

21.稀土元素在电刷镀液中的作用是什么？

（1）电刷镀过程中，随着金属离子的还原，有一定量的N、H、O进入镀层，加入的稀土元素可与镀层中的氢、氧形成稀土氢化物、氧化物或氮化物

（2）稀土氢化物可以消除、减少氢脆，提高镀层的抗疲劳强度

（3）稀土氧化物能减少镀层中片状氧化物造成的应力，消除分布在晶界的微量杂质的负作用

（4）稀土氮化物能增强镀层强度、硬度、耐磨性和耐蚀性

（5）在电刷镀液中加入一定量的稀土元素可显著提高镀层中的非晶态组织比例，过量则造成非晶态组织比例下降

22.复合电刷镀的含义？

复合镀层分为层状镀层和组合镀层

23.简要说明电刷镀的原理以及设备结构。

（1）原理：采用专用的直流电源设备，电源的正极接镀笔，负极接工件；镀笔通常采用高纯石墨块作阳极材料，外包棉花或涤棉套；基本变化过程：金属离子在液相中传质，到达阴极表面边界层；金属离子穿过阴极表面边界层完成表面转化；与阴极的电子交换，金属原子被还原成吸附态金属原子；后续表面转化，金属原子结晶

（2）设备结构：电刷镀电源设备；电刷镀镀笔

24.常采用什么材料作为电刷镀镀笔的阳极材料？

镀笔通常采用高纯石墨块作阳极材料，外包棉花或涤棉套

25.常用的电刷镀镀液种类有哪些？

电刷镀镀液的分类

（1）预处理液：去除被镀金属表面油污、锈蚀、氧化层和各种杂质；包括电净液、活化液（2）电沉积金属镀液：单金属镀液、合金镀液

（3）退镀镀液：从工件表面腐蚀去除金属或多余镀层的溶液

（4）钝化和阳极化镀液：在工件表面生成致密氧化膜

（5）特殊用途的镀液：在工件表面获得各种特殊功能的表面层，如抛光、染色发黑、防变色等

26.什么叫气相沉积技术？气相沉积技术的种类？

（1）气相沉积技术

是通过一定的方式，将待沉积的材料通过汽化由气相直接沉积于待处理物体表面的技术（2）气相沉积技术的分类

a)物理气相沉积（PVD）

b)化学气相沉积（CVD）

c)等离子体化学气相沉积（PCVD）

27.气相沉积过程中膜的生长类型有哪几种？

(一)核生长型（Volmer-Weber型）

(二)单层生长型（Frank-van der Merwe型）

(三)单层上的核生长型（Stranski-Krastanov型）

28.什么是多晶、单晶和非晶态薄膜？单晶薄膜的含义是说整个薄膜就是一个完整晶体吗？

（1）多晶结构薄膜—由若干尺寸大小不等的晶粒所组成，在薄膜形成过程中原子有规则的排列；

单晶薄膜是材料的所有部分任一晶轴的取向完全相同，其所有的原子或分子均以正确的规则进行排列；

非晶态薄膜原子排列在2—3个原子距离内原子排列是有秩序的 大于这个距离其排列是杂

乱无规则的；

（2）不是，单晶薄膜是许多晶粒的结合，因而实际上被称为单晶膜的物质是取向大致相同的晶粒集合体

29.简要说明物理气相沉积和化学气相沉积的区别是什么？

物理气相沉积技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术；

化学气相沉积是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术；

化学气相沉积方法和物理气相沉积的主要区别在于化学气相沉积方法伴随着某种化学反应

过程

30.什么是化学转化膜技术？化学转化膜的性质以及用途？

（1）处于表层的基底金属直接和选定介质中的阴离子反应使之形成自身转化的不溶于水和给定介质、并与基体结合牢固的产物膜，这个膜层就称为化学转化膜

（2）化学转化膜的性质和用途

a)防护和装饰作用

化学转化膜具有较高的稳定性，对介质具有较强的隔离作用

对转化膜进行着色处理或其他处理，可以获得特殊的颜色或表面效果的膜

b)增强涂膜与基体的结合力

转化膜与基体的结合力都很好，广泛作为油漆涂层的底层

c)提高耐磨性

铝阳极氧化膜比铝的硬度大大提高

磷化膜本身摩擦系数小，具有很好的持油性

d)增强电绝缘性

31.简述铝及其合金的阳极氧化原理及其膜的特性。

（1）原理：铝及其合金的阳极氧化实质上是水的电解过程

（2）阳极氧化膜的特性

a)铝阳极氧化膜的耐蚀性在各种实际大气环境和人工加速腐蚀中都表现出较高的耐蚀性，

具有良好的防护效果

b)氧化膜的密度随铝合金的种类、阳极氧化和封孔处理条件而不同，表观密度大致在

2~3g/cm3

c)具有较高的硬度和耐磨性：莫氏硬度值7~8，介于水晶和刚玉之间；膜的硬度受电解液

的种类、电解条件和材质的影响；电解液温度对硫酸膜硬度有显著影响，温度越低，硬度越高

d)阳极氧化膜是透明的，透明度受材料的纯度、合金元素的影响，材料纯度愈高，透明度

愈好

e)阳极氧化膜是高阻的绝缘体，且高温电阻降低较少

f)多孔质阳极氧化膜对着色处理非常有利，孔的尺寸和数量取决于电解液的种类和处理条

件，特别是电压

g)氧化膜的导热率约为工业纯铝的1/3，在活塞和汽缸等制品上可以制成100微米的隔热

硬质膜，氧化膜的热膨胀系数为工业纯铝的1/5，温度变化时易出现开裂现象

32.铝及其合金的着色方法有哪几种？

a)自然发色法

b)电解着色法

c)染色法

33.彩色不锈钢的发色原理是什么？

发色原理：

1)光的干涉现象

2)控制在不锈钢表面形成的

透明氧化膜厚度，使其能够对某种需要出现的颜色加强，即可得到我们需要的色泽

3)彩色不锈钢形成稳定和均匀的色泽的关键在于形成的氧化膜厚度的均匀性

4)氧化膜的厚度通常在0.2~0.4μm，其颜色产生如下色系

34.获得金属涂覆层的技术有哪些？

1)电镀

2)电刷镀

3)化学镀

4)堆焊

5)热喷涂

6)气相沉积

7)热浸镀

8)机械镀锌

35.什么是阴极镀层？什么是阳极镀层？镀层的电化学特性是一成不变的吗？（1）阳极镀层

a)是当镀层与基体金属形成腐蚀电池时，镀层为阳极而首先溶解

b)这类镀层不仅能对基体起机械保护作用，还能起电化学保护作用

c)为防止金属腐蚀尽可能选用阳极镀层

（2）阴极镀层

a)在镀层与基体构成微电池时，镀层为阴极

b)这种镀层对基体金属只能起到机械保护的作用，一旦镀层出现缺陷，会导致基体金属的

加速溶解

c)镀层虽然没有被腐蚀，但是基体腐蚀之后，最终镀层会从基体上剥离脱离，失去镀层的

保护作用

（3）金属的电极电位随介质的不同而发生变化

因此镀层是“阴极镀层”还是“阳极镀层”，除了比较镀层金属的活性和母材金属的活性之外，还要看介质的性质

a)如在一般按条件下，锌对铁而言是典型的阳极镀层，但在热水中（70~80℃）时，锌的

电极电位变得比铁正了，因而变成了阴极镀层

b)锡对铁而言，在一般条件下，为“阴极涂层”但在有机酸的介质中，却成了“阳极镀层”

36.什么是化学镀？化学镀液和电镀液有什么区别？

（1）利用镀液中的还原剂，将镀层金属离子还原沉积与母材表面的工艺

（2）与电镀相比的特点

a)镀层厚度非常均匀

b)通过敏化、活化等前处理，化学镀可以在非金属（非导体）表面上进行

c)工艺设备简单

d)化学镀是靠基材的自催化活性才能起镀，其结合力一般优于电镀

e)可以实现的镀层金属种类不及电镀广泛，化学镀中较为成熟的是化学镀镍

f)成本高，化学镀液不如电镀液稳定，控制较难

g)化学镀镍层的性能优于电镀镍层的性能

37.电镀锌的后处理工序钝化有几种常见的方式？

（1）铬酸盐钝化

A.按照铬酸含量不同分为：高铬钝化、低铬钝化和超低铬钝化

B.按照钝化后镀层的颜色分为：彩色钝化、白钝化、五彩钝化、军绿钝化和黑钝化（2）无铬钝化

38.激光产生的条件是什么？

在通常情况下，处于基态下的粒子数比激发态的粒子数多，产生粒子数反转是激光产生的一个必要条件，不能形成粒子数反转的状态，是不能发生激光的。

39.工业激光器有哪几种类型？

a)连续激光

b)脉冲激光

c)巨脉冲激光

d)超短脉冲激光

40.材料表面处理后表面膜的表面结构表征包含什么内容？

(一)表面成分分析

(二)表面结构测定

(三)表面形貌观察

41.涂覆层的外观质量一般包括哪些方面的内容？

涂覆层的外观质量一般包括：

1)表面缺陷指产品经表面处理后表面上的不连续或不均匀性；针孔、麻点、斑点、气泡、

结瘤、烧焦、毛刺、暗影、阴阳面

2)光泽度指产品经表面处理后其表面的反光性方法：目测评定法、样板对照法、光度计

测量法

3)色泽产品经表面处理后其表面的色彩

4)覆盖性产品经表面涂敷后，在其规定的应涂敷的部位是否全被涂覆层覆盖

42.微观结构分析包含哪些内容？

(一)表面或界面组织形态

(二)显微组织的特征参量：晶粒度、晶粒尺寸、大晶界长度、第二相和脱溶相的小、形状和

分布、夹杂物的种类、形状和分布

(三)表面涂覆层的结合状态

43.表面粗糙度的检测方法主要有哪些？

1)样板对照法检测

2)轮廓仪法（触针法）检测

3)干涉显微镜法

4)散斑法

5)显微镜调焦法

6)扫描隧道显微镜法