材料表面综合项目工程基础.doc

《材料表面工程基本》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注重获得迅速发展?  
2. 表面工程技术目和作用是什么? 
3.为什么说表面工程是一种多学科边沿学科? 
4.为什么会导致表面原子重组？ 
5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是抱负表面？
6.惯用材料表面解决预解决种类及办法有哪些？
7.热喷涂技术有什么特点？ 
8. 热喷涂涂层构造特点是什么？其形成过程中经历了哪几种阶段？ 
9.简朴分析热喷涂涂层结合机理？ 
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？如何选取使用？ 
13.金属电镀涉及哪些基本环节？阐明其物理意义。 
14.电镀基本原理？ 
15.共沉积合金相特点有几种类型？ 
16.电刷镀原理及特点是什么？ 
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. 热浸镀基本过程是什么？控制环节是什么？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形成过程。 
22.热镀铝优缺陷如何？ 
23.表面淬火与常规淬火区别：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.表面淬火层构成：淬硬区、过渡区和心部区。
25.硬化层厚度测定：金相法和硬度法。 
26.喷丸强化技术原理、特点、应用范畴。 
27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。 
28.工件感应加热淬火工艺流程。 
29.各种表面淬火特点和应用范畴。  
30.什么是表面工程？ 表面工程技术作用是什么？ 
31.金属离子电沉积热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积也许性取决于什么？  
32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂特点。 
33.热喷涂涂层构造特点是什么？其涂层与基体结合机理是什么？普通等离子喷涂层不也许形成太厚涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚超厚涂层，又是为什么？ 
34.化学镀基本原理是什么？有哪些特点？ 
35.材料表面工程技术是我校材料科学学科优势之一？你对于我校材料表面技术发展有什么想法和建议？
36.材料表面耐腐蚀技术有哪些？国内规定煤矿系统井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必要要进行钢构造长效防腐解决。普通寿命规定30～50年。请对该项规定进行设计：所需要材料涂层体系、工艺、涂层厚度等。 
37.材料表面耐磨损技术有哪些？试简述分析各自技术特点和合用范畴。 
38.提高零件表面表面耐蚀性能涂层技术重要有哪些？试简述分析各自技术特点和合用范畴。
39.热喷涂有哪些重要喷涂工艺？各有什么技术特点？热喷涂工艺选用基本原则是什么？ 
40.举例阐明对于耐腐蚀、耐磨损、耐高温、绝缘导电以及可磨损涂层各种状况下选用工艺和材料？
1． 材料表面工程技术为什么能得到社会注重获得迅速发展?   
1.工业发展对机电产品提出更高规定(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.有关科技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发展,激光束、离子束、电子束三种高能量密度热源实用化等。 
3.表面工程适合国内国情,能大量节约能源、资源,体现了科技尽快转化为生产力规定,符合可持续发展战略。 
  1）社会生产、生活需要 
  2）通过表面解决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问题   5）良好节能、节材效果   6）增进了新兴工业发展
2． 表面工程技术目和作用是什么?  
表面工程技术重要目：就是在于通过表面解决使材料表面按人们但愿性能进行变化。 
详细说：表面工程技术是在不变化基体材料成分、不削弱基体材料强度条件下，通过物理手段或化学手段赋予材料表面以特殊性能，从而满足工程技术上对材料提出规定技术。 
表面工程技术作用就是改进或赋予表面各种作用：提高材料或零件耐蚀性、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、减磨及润滑能力；提高耐热、导热、隔热、吸热、与热反射作用；赋予材料特定物理特性，赋予材料特定化学特性，赋予制件表面装饰特性，鲜艳色彩及图文；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能力；  
3.  为什么说表面工程是一种多学科边沿学科?  
材料表面工程是一门很新边沿学科，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、传质学等各种学科理论，并且其自身也溶入了诸多学科新技术。
4. 为什么会导致表面原子重组？  
处在界面上原子除受到来自内部自身原子作用力外，还受到外部介质分子(或原子）作用力。 显然其力是不平衡，若外部为真空更是如此。这使得表面原子偏离正常平衡位置，从而牵动着附近几层原子，导致表层产生畸变，表面各种缺陷更加重了这种畸变。 
这样就使表层原子能量比内部要高诸多。比较大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节构造向低能态演变趋势，以晶态物质、表面有众多微孔和巨大表面积以及活性大物质尤甚。处在界面上原子其原子构造与内部也存在区别，表面原子周边电子无论是能量或是空间分布都不同于内部原子，这就在很大限度上决定了材料表面化学特性。
5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是抱负表面？  
实际表面：一是所谓“内表面层”，它涉及基体材料和加工硬化层；另一某些是所谓“外表面层”，它涉及吸附层、氧化层等。 
清洁表面：清洁表面是通过特殊解决（即保证构成上拟定性）后，保持在超高真空下表面（即保证表面不随时间而变化） 
抱负表面：是一种理论上构造完整二维点阵平面。  
6. 惯用材料表面解决预解决种类及办法有哪些？  
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   除锈除油联合解决 
3、基体表面抛光解决：化学抛光  电化学抛光 4、 基体表面喷砂与喷丸解决：喷砂  喷丸  
7.  热喷涂技术有什么特点？ 
⑴涂层基体材料几乎不受限制  ⑵涂层材料种类选取范畴广泛 
⑶喷涂施工对象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畴内变化  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. 热喷涂涂层构造特点是什么？其形成过程中经历了哪几种阶段？ 
喷涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起层状组织构造。 颗粒与颗粒之间存在一定量空隙和孔洞。其孔隙率普通在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，喷涂过程普通经历四个阶段： 1）喷涂材料被加热(heating)、熔化(melting)； 2）熔化喷涂材料被雾化(atomizing)； 
3）熔融或软化微细颗粒喷射飞行(accelerated)； 
4） 粒子在基体表面发生碰撞、变形、凝固和堆积(impacting & flatten)。
9.简朴分析热喷涂涂层结合机理？ 
涂层结合涉及涂层与基体表面结合和涂层内部结合。涂层与基体结合强度称为结合力；涂层内部结合强度称为内聚力。涂层中颗粒与基体表面之间结合以及颗粒之间结合机理当前尚无定论： 
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   
火焰喷涂技术基本特点是：①普通金属、非金属基体均可喷涂，对基体形状和尺寸普通也不受限制，但小孔当前尚不能喷涂；②涂层材料广泛，金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料，可使表面具备各种性能，如耐腐蚀、耐磨；耐高温、隔热等：③涂层多孔性组织有储油润滑和减摩性能，具有硬质相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。 
火焰喷涂技术缺陷：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基体表面制备规定高；③火焰喷涂工艺受各种条件影响，涂层质量尚无有效检测办法。  
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、惰性氛围电弧喷涂 、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、保护氛围等离子喷涂 、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)可以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喷涂。②喷射粒子速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，因此喷涂材料不易氧化。
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）依照热喷涂材料不同形状，可以分为丝材、棒材、软线和粉末四类
（2）依照喷涂材料成分，可以分为金属、合金、陶瓷和塑料喷涂材料四大类 
（3）依照喷涂材料性质以及获得涂层性能，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朴化(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) 其他 
12. 镀层如何分类？如何选取使用？  
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电化学性质可分为：阳极性镀层和阴极性镀层
 3）按镀层组合形式，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 选取使用：一方面要理解镀层与否具备所规定使用性能，然后按照零件服役条件及使用性能规定，选用恰当镀层，还要按基材种类和性质，选用相匹配镀层；此外要根据零件加工工艺选用恰当镀层；此外，要考虑镀覆工艺经济性。
13. 金属电镀涉及哪些基本环节？阐明其物理意义。 
1）．传质环节：液相中反映粒子（金属水化离子或配合离子）向阴极表面传递环节，有电迁移、扩散及对流三种不同方式。 2）．前置化学环节：研究表白，直接参加阴极电化学还原反映金属离子往往不是金属离子在电解液中重要存在形式。在还原之前，离子在阴极附近或表面发生化学转化，然后才干放电还原为金属。  3）．电荷转移环节：反映粒子在阴极表面得到电子形成吸附原子或吸附离子过程称为电荷转移环节，又称为电化学环节，这里重要发生电荷从阴极表面转移到反映粒子过程，这是电沉积过程重要环节。  4）．结晶环节: 吸附原子通过表面扩散到达生长点而进入晶格，或吸附原子互相碰撞形成新晶核并长大成晶体。  
14. 电镀基本原理？ 
是指在具有欲镀金属盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层一种表面加工办法  
15. 共沉积合金相特点有几种类型？ 
（1）两种金属中至少有一种金属能从其盐水溶液中沉积出来。有些金属（如W,Mo
等）不能从其盐水溶液中沉积出来，但可以借助诱导沉积与铁族金属共沉积。 
（2）共沉积两金属沉积电位须十分接近。如果相差太大，则电位较正金属将优先镀出来，甚至完全排斥电位较负金属析出，这样就不能形成合金镀层。  
16. 电刷镀原理及特点是什么？ 
原理： 直流电源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设备工艺简朴，操作以便，不需要大渡槽设备。  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物，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陷。  
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、而是运用还原剂使溶液中金属离子在基体表面上自催化还原沉积出镀层化学解决办法。 
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、内腔镀件均可获得均匀镀层； 3.孔隙率底； 
4.镀液通过维护、调节可重复使用，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。 突出长处： 
  ①不需要外加直流电源设备，前解决工艺简朴。   ②对几何形状复杂镀件，可获得厚度均匀镀层。   ③可自动形成含第二种元素合金相 。 
  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。 
缺陷：化学镀与电镀相比，所用溶液稳定性较差，且溶液维护、调节和再生都比较麻烦，材料成本费较高。  
19. 热浸镀基本过程是什么？控制环节是什么？其实质是什么？  
热浸镀基本过程： 
（1） 介质中发生化学反映，以提供界面反映所需要反映物
（2）反映物通过扩散输运至金属表面，此称为外扩散 
（3）反映物中某些粒子被金属表面吸附，并发生界面反映 
（4）界面反映产生活性原子为金属表面层吸取并向纵深迁移，达到一定深度，此称内扩散  
热浸镀工艺 
预镀件à 前解决 à 热浸镀 à 后解决 à 制品  
定义： 
热浸镀是将一种基体金属浸在熔融状态另一种低熔点金属中，在其表面形成一层金属镀层办法。  
20. 形成热浸镀层应满足什么条件？  
a 渗入金属必要能与基体金属 形成固溶体或者金属间化合物 b 渗入元素与基体金属必要保 
持紧密接触，即渗入元素可以在界面被吸附 
c 必要保持一定温度，使原子具备一定扩散动力 
d 生成活性原子化学反映必要满足一定热力学条件 
21. 简述钢材热镀铝时扩散层形成过程。  
(a)当铁浸于熔融铝时，表面发生浸润、溶解和互相扩散形成扩散层。
(b)铝中铁浓度增大，形成金属间化合物FeAl3 
(c)随着两种金属原子互相扩散，层厚度达到一定值，并浮现Fe2A15相
(d) η 柱状晶生长，Fe2A15转变为FeAl3 
(e)由于Fe2A15生长和铁向铝中扩散速度增大，使铝在铁中固溶区消失 (f)在整个扩散层中，除η相外几乎无其她相存在  
22. 热镀铝优缺陷如何？  
镀铝钢长处： 
a 良好耐热性（抗高温氧化性） 
n 镀铝钢材在大气中在450 ℃如下可长期使用，且不变化其颜色，在500 ℃以上开始浮现氧化增重和变色。镀铝钢材耐热性远远高于未镀铝钢材 
b 良好耐腐蚀性 
n 特别耐具有S02、H2S、NO2 、C02，等工业大气腐蚀性。此外还耐海洋大气和潮湿环境腐蚀。镀铝钢耐海洋大气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成果 
c 对光和热良好反映性 
n 镀铝钢材具备优良对光和热反射能力。这与镀铝层表面形成致峦而光泽Al2O3膜关于。
镀铝钢缺陷： 
n 镀层具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，而使铝层具有杂质铁，从而影响其耐腐蚀性；镀铝温度依然偏高，而影响铝锅使用寿命；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. 表面淬火层构成：淬硬区、过渡区和心部区。 
25. 硬化层厚度测定：金相法和硬度法。 
26. 喷丸强化技术原理、特点、应用范畴。 
运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存压应力。  
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；  
可明显提高抗弯曲疲劳、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，铁内部将产生很大感应电流。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。受集肤效应影响，越接近工件表面电流越大。感应电流迅速将零件表面加热到Ac3或Acm以上，迅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. 工件感应加热淬火工艺流程。  
以齿轮加工为例 
锻打毛坯→正火解决(~220HB)→粗加工→调质解决（~250HB）→精加工（滚齿）→感应加热淬火→回火（~55HRC）→磨削  
29.  各种表面淬火特点和应用范畴。

详细参见PPT
30. 什么是表面工程？ 表面工程技术作用是什么？  
概念：是经表面预解决后，通过表面涂覆、表面改性或各种表面技术复合解决，变化固体金属表面或非金属表面形态、化学成分、组织构造和应力状态，以获得所需要表面性能系统工程。  
作用：提高材料或零件耐蚀性、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、减磨及润滑能力；提高耐热、导热、隔热、吸热、与热反射作用；赋予材料特定物理特性， 赋予材料特定化学特性， 赋予制件表面装饰特性，鲜艳色彩及图文；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能力；  
31.金属离子电沉积热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积也许性取决于什么？  
条件：电极电位足后负 取决：不但取决于其自身电化学性质，还决定于金属还原电位与氢还原电位相对大小 
 32. 什么是热喷涂技术？试简述热喷涂特点。 
运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工艺办法。 热喷涂技术特点： 
（1）取材范畴广  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表面性能 
33.热喷涂涂层构造特点是什么？其涂层与基体结合机理是什么？普通等离子喷涂层不也许形成太厚涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚超厚涂层，又是为什么？ 
（1）涂层构成        
涂层构成与喷涂前材料不完全相似。 （2）喷涂层构造   
无数变形粒子互相交错，呈波浪式堆叠在一起层状组织构造。※喷涂层由变形颗粒、气孔和氧化物夹杂构成。 （3）涂层残存应力 
溶融颗粒撞击基材表面，产生变形同步受到急冷而凝固； 粒子冷凝收缩产生微观收缩应力； 应力积聚导致涂层整体残存应力。 
（4）涂层硬度   硬度较喷涂前材料高  （5）热喷涂层性能 
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 涉及: 
[1]机械结合  撞成扁平状颗粒，与凹凸不平表面互相嵌合，形成机械结合 [2]冶金一化学结合   涂层和基材表面浮现扩散和合金化时结合  [3]物理结合  颗粒与基材表面由范德华力形成结合  
34.化学镀基本原理是什么？有哪些特点？ 
化学镀指不外加电流，在金属表面催化作用下，经控制化学还原法进行金属沉积过程  实现化学镀过程。 
（1）工艺设备简朴，不需电源、输电系统及辅助电极； （2）镀层厚度非常均匀； （3）结合力普通均优于电镀； 
（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学科优势之一？你对于我校材料表面技术发展有什么想法和建议？ 
36.材料表面耐腐蚀技术有哪些？国内规定煤矿系统井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必要要进行钢构造长效防腐解决。普通寿命规定30～50年。请对该项规定进行设计：所需要材料涂层体系、工艺、涂层厚度等。 
37.材料表面耐磨损技术有哪些？试简述分析各自技术特点和合用范畴。 
38.提高零件表面表面耐蚀性能涂层技术重要有哪些？试简述分析各自技术特点和合用范畴。  
39.热喷涂有哪些重要喷涂工艺？各有什么技术特点？热喷涂工艺选用基本原则是什么？  
①若涂层结合力规定不是很高，采用喷涂材料熔点不超过250O℃，可采用设备简朴、
成本低火焰喷涂。 
②对涂层性能规定较高某些比较贵重机件，应采用等离子喷涂。由于等离子喷涂材料熔点不受限制，热源具备非氧化性，涂层结合强度高，孔隙率低(可低于1％)。 ③工程量大金属喷涂施工最佳采用电弧喷涂。 
④规定高结合力、低孔隙度金属或合金涂层可采用近几年国外研制气体火焰超音速喷涂。规定高结合力、低孔隙度金属或陶瓷涂层则可采用低压等离子喷涂，特别是如对TI之类易于氧化材料，此法特别合用。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强化。 
⑤对于批量大工件，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对于安全性规定特别高机件，喷涂工艺及材料选取必要通过充分实验论证。 喷涂办法选定之后，还要选定预解决工艺，并拟定合理工艺参数。  
40.举例阐明对于耐腐蚀、耐磨损、耐高温、绝缘导电以及可磨损涂层各种状况下选用工艺和材料？