材料表面工程基础

《材料表面工程基础》课后习题目录及答案

1.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展

2.表面工程技术的目的和作用是什么

3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科

4.为什么会造成表面原子的重组

5.什么是实际表面什么是清洁表面什么是理想表面

6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些

7.热喷涂技术有什么特点

8.热喷涂涂层的结构特点是什么其形成过程中经历了哪几个阶段

9.简单分析热喷涂涂层的结合机理

10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺各有什么特点

11.热喷涂材料有哪几大类热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作

12.镀层如何分类怎样选择使用

13.金属电镀包括哪些基本步骤说明其物理意义。

14.电镀的基本原理

15.共沉积合金的相特点有几种类型

16.电刷镀的原理及特点是什么

17.什么叫化学镀实现化学镀过程有什么方式。

18.与电镀相比，化学镀有何特点

19.热浸镀的基本过程是什么控制步骤是什么其实质是什么

20.形成热浸镀层应满足什么条件

21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。

22.热镀铝的优缺点怎样

23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。

24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。

25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。

26.喷丸强化技术原理、特点、应用范围。

27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。

28.工件感应加热淬火的工艺流程。

29.各种表面淬火的特点和应用范围。

30.什么是表面工程表面工程技术的作用是什么

31.金属离子电沉积的热力学条件是什么金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么

32.什么是热喷涂技术试简述热喷涂的特点。

33.热喷涂的涂层结构特点是什么其涂层与基体的结合机理是什么一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么

34.化学镀的基本原理是什么有哪些特点

35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议

36.材料表面耐腐蚀的技术有哪些我国规定煤矿系统的井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必须要进行钢结构长效防腐处理。一般的寿命要求30～50年。请对该项要求进行设计：所需要的材料涂层体系、工艺、涂层厚度等。

37.材料表面的耐磨损技术有哪些试简述分析各自的技术特点和适用范围。

38.提高零件表面表面耐蚀性能的涂层技术主要有哪些试简述分析各自的技术特点和适用范围。

39.热喷涂有哪些主要的喷涂工艺各有什么技术特点热喷涂工艺选用的基本原则是什么

40.举例说明对于耐腐蚀、耐磨损、耐高温、绝缘导电以及可磨损涂层的各种情况下的选用工艺和材料

1．材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展

1.工业发展对机电产品提出更高要求(高温、高压、高速、重载以及腐蚀介质等

恶劣工况下可靠地工作)。

2.相关科技的发展为表面工程注入活力、提供支撑:如高分子材料和纳米材料的发展,激光束、离子束、电子束三种高能量密度热源的实用化等。

3.表面工程适合我国国情,能大量节约能源、资源,体现了科技尽快转化为生产力的要求,符合可持续发展战略。

1）社会生产、生活的需要

2）通过表面处理大幅度提高产品质量3）节约贵重材料

4）实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题5）良好的节能、节材效果6）促进了新兴工业的发展

2．表面工程技术的目的和作用是什么

表面工程技术的主要目的：就是在于通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改变。

具体说：表面工程技术是在不改变基体材料的成分、不削弱基体材料的强度的条件下，通过物理手段或化学手段赋予材料表面以特殊的性能，从而满足工程技术上对材料提出的要求的技术。

表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种作用：提高材料或零件的耐蚀性、抗高温氧化性及提高抗浸蚀能力；提高耐摩擦磨损、磨蚀、粘结、咬合、冲刷、减磨及润滑的能力；提高耐热、导热、隔热、吸热、与热反射的作用；赋予材料特定的物理特性，赋予材料特定的化学特性，赋予制件表面装饰特性，鲜艳的色彩及图文；非金属表面金属化、光化及抗老化；提高材料制件表面完整性、光洁度、提高抗疲劳和抗腐蚀疲劳的能力；

3. 为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科

材料表面工程是一门很新的边缘学科，它不但涉及到诸如：表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论，而且其本身也溶入了诸多学科的新技术。

4. 为什么会造成表面原子的重组

处于界面上的原子除受到来自内部自身原子的作用力外，还受到外部介质分子(或原子）的作用力。显然其力是不平衡的，若外部为真空更是如此。这使得表面原子偏离正常的平衡位置，从而牵动着附近的几层原子，造成表层产生畸变，表面的各种缺陷更加重了这种畸变。

这样就使表层原子的能量比内部的要高很多。比较大的表面能有剩余吸引力，必

然有通过原子迁移或吸附外来物质以调整结构向低能态演变的趋势，以晶态物质、表面有众多微孔和巨大表面积以及活性大的物质尤甚。处于界面上的原子其原子结构与内部的也存在区别，表面原子周围的电子无论是能量或是空间分布都不同于内部原子，这就在很大程度上决定了材料表面的化学特性。

5.什么是实际表面什么是清洁表面什么是理想表面

实际表面：一是所谓“内表面层”，它包括基体材料和加工硬化层；另一部分是所谓“外表面层”，它包括吸附层、氧化层等。

清洁表面：清洁表面是经过特殊处理（即保证组成上的确定性）后，保持在超高真空下的表面（即保证表面不随时间而改变）

理想表面：是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。

6. 常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些

1、基体表面平整：磨光滚光抛光刷光振动磨光

2、基体表面清洁：除油（有机溶剂除油化学除油电化学除油超声除油）除锈除锈除油联合处理

3、基体表面抛光处理：化学抛光电化学抛光

4、基体表面喷砂与喷丸处理：喷砂喷丸

7. 热喷涂技术有什么特点

⑴涂层的基体材料几乎不受限制⑵涂层材料的种类选择范围广泛

⑶喷涂施工对象的尺寸大小和形状不受限制⑷母材性能不变化

⑸涂层厚度可在较大范围内变化⑹可喷涂成形

⑺节能高效，但涂层面积小时经济性差⑻环保性好，对环境污染小

8. 热喷涂涂层的结构特点是什么其形成过程中经历了哪几个阶段

喷涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构。颗粒与颗粒之间存在一定量的空隙和孔洞。其孔隙率一般在1~15%之间。涂层中还伴有氧化物和夹杂。

从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段：1）喷涂材料被加热(heating)、熔化(melting)；2）熔化的喷涂材料被雾化(atomizing)；

3）熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行(accelerated)；

4）粒子在基体表面发生碰撞、变形、凝固和堆积(impacting & flatten)。

9.简单分析热喷涂涂层的结合机理

涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。涂层与基体的结合强度称为结合力；涂层内部的结合强度称为内聚力。涂层中颗粒与基体表面之间的结合以及颗粒之间的结合机理目前尚无定论：

1）机械结合——抛锚效应2）扩散-冶金结合 3）化学－物理结合-----范德华力等

10. 热喷涂只要有哪几种喷涂工艺各有什么特点

火焰喷涂

火焰喷涂技术的基本特点是：①一般金属、非金属基体均可喷涂，对基体的形状和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能喷涂；②涂层材料广泛，金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料，可使表面具有各种性能，如耐腐蚀、耐磨；耐高温、隔热等：③涂层的多孔性组织有储油润滑和减摩性能，含有硬质相的喷涂层宏观硬度可达450HB，喷焊层可达65HRC；④火焰喷涂对基体影响小，基体表面受热温度为200～250℃，整体温度约70℃～80℃，故基体变形小，材料组织不发生变化。

火焰喷涂技术的缺点：①喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷；②基体表面制备要求高；③火焰喷涂工艺受多种条件影响，涂层质量尚无有效检测方法。

丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、粉末火焰喷焊、棒材火焰喷涂、超音速火焰喷涂（HVOF）爆炸喷涂、普通、高速、超音速丝材电弧喷涂、真空电弧喷涂、惰性气氛电弧喷涂、高频喷涂、线材电爆喷涂大气等离子喷涂、低压真空等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂、水稳等离子喷涂、超音速等离子喷涂激光喷涂------ 激光喷涂、激光喷焊电弧喷涂的特点(1)热效率高(2)生产率高(3)喷涂成本低(4)涂层结合强度高(5)可方便地制备伪合金涂层

等离子喷涂：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。

11. 热喷涂材料有哪几大类热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作

（1）根据热喷涂材料的不同形状，可以分为丝材、棒材、软线和粉末四类

（2）根据喷涂材料的成分，可以分为金属、合金、陶瓷和塑料喷涂材料四大类

（3）根据喷涂材料的性质以及获得的涂层性能，可以分为隔热材料，抗高温氧化材料，耐磨材料，耐腐蚀材料，自润滑减磨材料，导电、绝缘材料，黏结底层材料和功能材料八类

轧钢辊767起落架轴汽车气缸表面等离子喷涂陶瓷生物人造骨关节航空发动机有3000多处需要热喷涂表面长效防护火箭发射燃烧筒热障涂层造纸辊水轮机叶片汽轮机高度集成化和操作简单化(智能傻瓜型) 节能、高效（喷涂速率和沉积效率）新型涂层材料的开发(非晶态、准晶态、纳米材料和金属间化合物)清洁生产非晶态涂层准晶态涂层纳米涂层金属间化合物涂层超混杂涂层(金属、聚合物、陶瓷层间交替) 其它

12. 镀层如何分类怎样选择使用

1）按使用性能可分为：①防护性镀层②防护-装饰性镀层③装饰性镀层④耐磨和减磨镀层⑤电性能镀层⑥磁性能镀层⑦可焊性镀层⑧耐热镀层⑨修复用镀层

2）按镀层与基体金属之间的电化学性质可分为：阳极性镀层和阴极性镀层

3）按镀层的组合形式，可分为：单层镀层和复合镀层

4）按镀层成分分类，可分为：单一金属镀层、合金镀层及复合镀层选择使用：首先要了解镀层是否具有所要求的使用性能，然后按照零件的服役条件及使用性能要求，选用适当的镀层，还要按基材的种类和性质，选用相匹配的镀层；另外要依据零件加工工艺选用适当的镀层；此外，要考虑镀覆工艺的经济性。

13. 金属电镀包括哪些基本步骤说明其物理意义。

1）．传质步骤：液相中的反应粒子（金属水化离子或配合离子）向阴极表面传递的步骤，有电迁移、扩散及对流三种不同方式。2）．前置化学步骤：研究表明，直接参加阴极电化学还原反应的金属离子往往不是金属离子在电解液中的主要存在形式。在还原之前，离子在阴极附近或表面发生化学转化，然后才能放电还原为金属。3）．电荷转移步骤：反应粒子在阴极表面得到电子形成吸附原子或吸附离子的过程称为电荷转移步骤，又称为电化学步骤，这里主要发生电荷从阴极表面转移到反应粒子的过程，这是电沉积过程的重要步骤。4）．结晶步骤: 吸附原子通过表面扩散到达生长点而进入晶格，或吸附原子相互碰撞形成新的晶核并长大成晶体。

14. 电镀的基本原理

是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方

法

15. 共沉积合金的相特点有几种类型

（1）两种金属中至少有一种金属能从其盐的水溶液中沉积出来。有些金属（如W,Mo

等）不能从其盐的水溶液中沉积出来，但可以借助诱导沉积与铁族金属共沉积。

（2）共沉积的两金属的沉积电位须十分接近。如果相差太大，则电位较正的金属将优先镀出来，甚至完全排斥电位较负金属的析出，这样就不能形成合金镀层。

16. 电刷镀的原理及特点是什么

原理：直流电源的正极通过导线与镀笔相联，负极通过导线和工件相联，当电流方向由镀笔流向工件时为正向电流，正向电流接通时发生电沉积；电流方向从工件流向镀笔时为反向电流，反向电流接通时工件表面发生溶解。

特点：

①设备工艺简单，操作方便，不需要大的渡槽设备。②镀层种类多，与基体结合力强，力学性能好③沉积速度快，生产效率高

④刷镀液不含氰化物和剧毒药品，操作安全污染小。⑤但存在劳动强度大，消耗阳极包缠材料等缺点。

17. 什么叫化学镀实现化学镀过程有什么方式。

定义：化学镀也称为无电解镀(Electroless Plating)或自身催化电镀(autocatalytic plating)，是一种不使用外电源、而是利用还原剂使溶液中的金属离子在基体表面上自催化还原沉积出镀层的化学处理方法。

三种方式：置换沉积、接触沉积和还原沉积。

18. 与电镀相比，化学镀有何特点

1.镀覆过程不需外电源驱动；

2.均镀能力好，形状复杂、有内孔、内腔的镀件均可获得均匀的镀层；

3.孔隙率底；

4.镀液通过维护、调整可反复使用，但使用周期有限；

5.可在金属、非金属以及有机物上沉积镀层。突出优点：

①不需要外加直流电源设备，前处理工艺简单。②对几何形状复杂的

镀件，可获得厚度均匀的镀层。③可自动形成含第二种元素的合金相。

④化学镀层多为非晶态金属镀层(如Ni—P合金)。⑤可在金属、非金属、半导体等不同基材上镀覆。

缺点：化学镀与电镀相比，所用的溶液稳定性较差，且溶液的维护、调整和再生都比较麻烦，材料成本费较高。

19. 热浸镀的基本过程是什么控制步骤是什么其实质是什么

热浸镀基本过程：

（1）介质中发生化学反应，以提供界面反应所需要的反应物

（2）反应物通过扩散输运至金属表面，此称为外扩散

（3）反应物中的某些粒子被金属表面吸附，并发生界面反应

（4）界面反应产生的活性原子为金属表面层吸收并向纵深迁移，达到一定的深度，此称内扩散

热浸镀的工艺

预镀件前处理热浸镀后处理制品

定义：

热浸镀是将一种基体金属浸在熔融状态的另一种低熔点金属中，在其表面形成一层金属镀层的方法。

20. 形成热浸镀层应满足什么条件

a 渗入金属必须能与基体金属形成固溶体或者金属间化合物

b 渗入元素与基体金属必须保

持紧密的接触，即渗入元素可以在界面被吸附

c 必须保持一定的温度，使原子具有一定的扩散动力

d 生成的活性原子的化学反应必须满足一定的热力学条件

21. 简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。

(a)当铁浸于熔融铝时，表面发生浸润、溶解和相互扩散形成扩散层。

(b)铝中铁浓度增大，形成金属间化合物FeAl3

(c)随着两种金属原子的相互扩散，层的厚度达到一定值，并出现Fe2A15相

(d) η柱状晶生长，Fe2A15转变为FeAl3

(e)由于Fe2A15的生长和铁向铝中扩散速度的增大，使铝在铁中的固溶区消失(f)在整个扩散层中，除η相外几乎无其他相存在

22. 热镀铝的优缺点怎样

镀铝钢的优点：

a 良好的耐热性（抗高温氧化性）

镀铝钢材在大气中在450 ℃以下可长期使用，且不改变其颜色，在500 ℃以上开始出现氧化增重和变色。镀铝钢材的耐热性远远高于未镀铝的钢材

b 良好的耐腐蚀性

特别耐含有S02、H2S、NO2 、C02，等工业大气的腐蚀性。此外还耐海洋大气和潮湿环境的腐蚀。镀铝钢耐海洋大气的腐蚀性也优于镀锌钢。表列出美国钢铁公司对镀铝钢板在不同地区不同环境下腐蚀结果

c 对光和热的良好反应性

镀铝钢材具有优良的对光和热的反射能力。这与镀铝层表面形成致峦而光泽的Al2O3膜有关。

镀铝钢的缺点：

镀层含有金属间化合物脆性相，使其加工性变坏，钢材表面被铝液侵蚀并溶解在铝液中，而使铝层含有杂质铁，从而影响其耐腐蚀性；镀铝的温度仍然偏高，而影响铝锅的使用寿命；镀层表面易粘服铝渣而影响其外观等

23. 表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。

24. 表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。

25. 硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。

26. 喷丸强化技术原理、特点、应用范围。

利用高速弹丸强烈冲击零部件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。

喷丸强化已广泛用于弹簧、齿轮、链条、轴、叶片、火车轮等零部件；

可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳。抗微动磨损、耐点蚀（孔

蚀）能力。

27. 感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。

铁制零件在高频交变磁场中，铁的内部将产生很大的感应电流。电流在金属体内自行闭合，称为涡流。由于工件阻抗很小，涡流很大。受集肤效应的影响，越靠近工件表面电流越大。感应电流快速将零件的表面加热到Ac3或Acm以上，快速冷却后即可在零件表层获得马氏体组织。

感应加热频率越高，淬硬层越浅，但加热速度越快。

28. 工件感应加热淬火的工艺流程。

以齿轮加工为例

锻打毛坯→正火处理(~220HB)→粗加工→调质处理（~250HB）→精加工（滚齿）→感应加热淬火→回火（~55HRC）→磨削

29. 各种表面淬火的特点和应用范围。

具体参见PPT

30. 什么是表面工程表面工程技术的作用是什么

概念：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、组织结构和应力状态，以获得所需要表面性能的系统工程。

作用：提高材料或零件的耐蚀性、抗高温氧化性及提高抗浸蚀能力；提高耐摩擦磨损、磨蚀、粘结、咬合、冲刷、减磨及润滑的能力；提高耐热、导热、隔热、吸热、与热反射的作用；赋予材料特定的物理特性，赋予材料特定的化学特性，赋予制件表面装饰特性，鲜艳的色彩及图文；非金属表面金属化、光化及

抗老化；提高材料制件表面完整性、光洁度、提高抗疲劳和抗腐蚀疲劳的能力；

31.金属离子电沉积的热力学条件是什么金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么

条件：电极电位足后负取决：不仅取决于其本身的电化学性质，还决定于金属的还原电位与氢还原电位的相对大小

32. 什么是热喷涂技术试简述热喷涂的特点。

利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，以一定速度喷射到基体表面形成涂层的工艺方法。热喷涂技术的特点：

（1）取材范围广金属、合金、陶瓷、有机高分子材料均可作为喷涂材料（2）可用于各种基体

（3）保持基体较低的温度（4）工效高（5）被喷涂物件不受大小限制（6）涂层厚度较易控制

（7）可赋予普通材料以特殊的表面性能

33.热喷涂的涂层结构特点是什么其涂层与基体的结合机理是什么一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么

（1）涂层组成

涂层组成与喷涂前的材料不完全相同。（2）喷涂层的结构

无数变形粒子互相交错，呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构。※喷涂层由变形颗粒、气孔和氧化物夹杂组成。（3）涂层残余应力

溶融颗粒撞击基材表面，产生变形同时受到急冷而凝固；粒子冷凝收缩产生微观收缩应力；应力积聚造成涂层整体残余应力。

（4）涂层的硬度硬度较喷涂前的材料高（5）热喷涂层的性能

防锈防蚀性能耐磨性能耐高温性能

涂层中颗粒与基材表面间，颗粒与颗粒间属‘物理一化学”结合包括:

[1]机械结合撞成扁平状的颗粒，与凹凸不平的表面互相嵌合，形成机械的结合[2]冶金一化学结合涂层和基材表面出现扩散和合金化时的结合[3]物理结合颗粒与基材表面由范德华力形成的结合

34.化学镀的基本原理是什么有哪些特点

化学镀指不外加电流，在金属表面的催化作用下，经控制化学还原法进行的金属沉积过程实现化学镀过程。

（1）工艺设备简单，不需电源、输电系统及辅助电极；（2）镀层厚度非常均匀；（3）结合力一般均优于电镀；

（4）可在金属、非金属以及有机物上沉积镀层。

35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议

36.材料表面耐腐蚀的技术有哪些我国规定煤矿系统的井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必须要进行钢结构长效防腐处理。一般的寿命要求30～50年。请对该项要求进行设计：所需要的材料涂层体系、工艺、涂层厚度等。

37.材料表面的耐磨损技术有哪些试简述分析各自的技术特点和适用范围。

38.提高零件表面表面耐蚀性能的涂层技术主要有哪些试简述分析各自的技术特点和适用范围。

39.热喷涂有哪些主要的喷涂工艺各有什么技术特点热喷涂工艺选用的基本原则是什么

①若涂层结合力要求不是很高，采用的喷涂材料的熔点不超过250O℃，可采用设备简单、

成本低的火焰喷涂。

②对涂层性能要求较高的某些比较贵重的机件，应采用等离子喷涂。因为等离子喷涂材料熔点不受限制，热源具有非氧化性，涂层结合强度高，孔隙率低(可低于1％)。③工程量大的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂。

④要求高结合力、低孔隙度的金属或合金涂层可采用近几年国外研制的气体火焰超音速喷涂。要求高结合力、低孔隙度的金属或陶瓷涂层则可采用低压等离子喷涂，特别是如对TI之类易于氧化的材料，此法尤其适用。爆炸喷涂所得涂层结合强度最高，可达17OMPA，孔隙率更低，可用于某些重要部件的强化。

⑤对于批量大的工件，宜采用自动喷涂。自动喷涂机可以成套购买，也可以自行设计。⑥对于安全性要求特别高的机件，喷涂工艺及材料的选择必须经过充分的试验论证。喷涂方法选定之后，还要选定预处理工艺，并确定合理的工艺参数。

40.举例说明对于耐腐蚀、耐磨损、耐高温、绝缘导电以及可磨损涂层的各种情

况下的选用工艺和材料