材料表面工程技术练习题(答案).pdf

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1、材料表面工程技术练习题（答案）材料表面工程技术练习题（答案）一、解释名词1.喷丸强化技术:利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、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、疲劳强度和抗压力腐蚀能力的表面工程技术。2.干法热浸渗:先将经常规方法脱脂除锈清洗后的清洁工件或钢材进行溶剂处理，干燥后再将工件浸入欲渗金属溶液中，保温数分钟后抽出，水冷。3.粘结底层:某些材料能够在很宽的条件下喷涂并粘结在清洁、光滑的表面上，而且这类涂层表面粗糙度适中，对随后喷涂的其它涂层有良好的粘结作用。4.溅射镀膜:用高能粒子轰击固体表面，通过能量传递，使固体的原

2、子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面形成薄膜的方法。(在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。)5.分子束外延:在超高真空环境中，将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到温度适宜的衬底表面上，在合适的条件下就能沉积出所需要的外延层。6.激光合金化技术:激光合金化就是利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分的技术。换言之，它是一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术。7.物理气相沉积:在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其粒子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。8.真空

3、蒸镀:在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。9.热喷涂工艺:热喷涂是用专用设备把某种固体材料熔化并使其雾化,加速喷射到机件表面,形成一特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的一种工艺方法。10.气相沉积:气相沉积技术也是一种在基体上形成一层功能膜的技术，它是利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。气相沉积技术一般可分为两大类:物理气相沉积(pvd)和化学气相沉积(cvd)。11.合金电镀:在一个镀槽中，同时沉积含有两种或两种以上金属元素镀层称为合金电镀。12.腐蚀:材料与环境介质作用而引起的恶

4、化变质或破坏。13.电镀:在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。14.堆焊: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层的技术。15.离子镀膜:真空蒸发镀膜:在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体(基片/基板/衬底、工件)表面，凝结形成固态薄膜的方法。16.化学转化膜: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(形状及几何尺寸)的一类技术。17.表面工程技术:为满足特定的工

5、程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。18.表面能:严格意义上指材料表面的内能，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。19.洁净表面:材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表面。20.清洁表面:一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。21.吸附作用:物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其它物质(主要是气体、液体)分子的能力。22.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。23.极化:腐蚀电池工作时，阴、阳极之间有电流通过，使阴、阳极之间的电位差(实际电极电位)比初

6、始电位差要小得多的现象。24.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。25.表面淬火:用特定热源将钢铁材料表面快速加热到 Ac3(对亚共析钢)或者Ac1(对过共析钢)之上(奥氏体化)，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。27.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，使表层材料在再结晶温度之下产生弹、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。28.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。29.

7、热喷涂:采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂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。30.热喷焊: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。31.电镀:在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以被镀基体金属为阴极，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的金属膜的表面工程技术。32.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。33.复合电镀:在电镀或化学镀溶液中加入非溶性的固体微粒，

8、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。34.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形状及几何尺寸)的一类技术。而不改变其金属外观(35.真空蒸发镀膜:在真空室内，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体(基片/基板/衬底、工件)表面，凝结形成固态薄膜的方法。36.溅射镀膜:用高能粒子轰击固体表面，通过能量传递，使固体的原子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面形成薄膜的方法。37.离子镀膜:在真空条件下，靠直流电场引起放电，阳极兼作蒸发源，基片放在阴极

9、上，在气体离子和蒸发物质的轰击下，将蒸发物质或其反应物镀在基片上。二、填空题1.对于受控喷丸技术，钢制零件一般选用(铸钢)或(铸铁)弹丸，以得到较深的塑性变形层和较大的残余应力值，但要求获得低粗糙度时，常采用(玻璃)弹丸。不锈钢、铝、钛合金一般也采取(玻璃)弹丸。2.钢件渗碳后，表面为(高碳)钢，心部仍保持(低碳)状态。再通过(淬火)及(低温回火)工艺，可使渗碳件具有表面硬度高，耐磨损，心部硬度低，塑性和韧性好的特点。3.各种渗碳剂或渗碳气体在高温下产生的活性碳原子是不一样的。为了评价气氛的渗碳能力，把在给定温度下，钢件表面碳含量与炉中气氛达到(动平衡)时，钢件表面的(实际碳含量)称为碳势。4

10、.感应加热表面淬火的原理是利用感应电流的(集肤效应)，(临近效应)和(环状效应)。5.(表面硬度)、(渗碳层深度)和(心部硬度)是衡量气体渗碳件是否合格的三大主要性能指标，它们基本决定了渗碳件的综合力学性能。6.热喷涂时，熔滴撞击基材后扩展成(薄膜)，撞击时的高能量有助于熔滴的扩展，但会因为(表面张力)和(凝固过程)而停止扩展，并凝固成一种(扁平的薄饼状)结构。7.采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到(Ac3(对亚共析钢)或者(Ac1(对过共析钢)温度以上，然后使其(快速)冷却并发生(马氏体)转变，形成表面强化层的工艺过程，就称为表面淬火技术。8.热扩渗时，渗剂元素原子扩散的机理主要有(间隙式

11、扩散)、(置换式扩散)和(空位式扩散)三种。9.腐蚀按材料腐蚀原理分为(化学腐蚀)和(电化学腐蚀)两种。10.热喷涂时，当熔滴撞击基体并快速冷却凝固时，颗粒内部会产生(压应力)，而在基体表面产生(拉应力)。喷涂完成后，涂层内部残余应力大小与(涂层厚度)成正比。11.磨损分为(粘着磨损)、(磨粒磨损)、(疲劳磨损)、(腐蚀磨损)微动磨损、冲蚀(包括气蚀)磨损高温磨损。12.离子镀膜是(真空蒸发)与(真空溅射)相结合的一种镀膜工艺。13.常用的热喷涂工艺方法有(火焰喷涂工艺)、(电弧喷涂工艺)和(等离子喷涂工艺)。三、简答题1(表面淬火技术与常规淬火技术有何区别,答:提高加热速度将使钢的相变点温度

12、大幅度提高。快速加热还可以使奥氏体晶粒及其中的亚结构显著细化。表面淬火的冷却速度一般比整体淬火的要快。因此，材料经表面淬火后的硬度值比普通淬火后的要高。快速加热条件下渗碳体难以充分溶解，形成的奥氏体成分也相当不均匀。这些不均匀的奥氏体不但促进过冷奥氏体分解，而且在随后的快速淬火过程中分别形成低碳马氏体区域与高碳马氏体区域，造成显微硬度的微观不均匀。因此，表面淬火之前常需要进行预先热处理。2(简述复合镀的原理和需要满足的基本条件,答:复合镀是将固体微粒子加入镀液中与金属或合金共沉积，形成一种金属基的表面复合材料的过程。复合镀需要满足的基本条件:(1)粒子在镀液中是充分稳定的，既不会发生)粒子在镀

13、液中要完全润湿，形成任何化学反应，也不会促使镀液分解。(2分散均匀的悬浮液。(3)镀液的性质要有利于固体粒子带正电荷，即有利于)粒子的粒度要适当。(5)要有粒子吸附阳离子表面活性剂及金属离子。(4适当的搅拌。3(最基本的金属腐蚀的主要形式和金属材料腐蚀控制及防护方法,答:金属腐蚀的主要形式:局部腐蚀、全面腐蚀和在机械力作用下的腐蚀。金属材料腐蚀控制及防护方法:(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(4)加入缓蚀剂。4(简述热喷涂涂层的形成过程。答:涂层材料经加热熔化和加速-撞击基体-冷却凝固-形成涂层。其中涂层材料的加热、加速和凝固过程是三个最主要的方面。一般希望

14、所有涂层材料都完全熔化并一直保持到撞击基体表面之前，并且不产生挥发。喷涂材料在飞行速度最大时撞击基体的颗粒动能与冲击变形量最大，形成的涂层结合较好。因此，调整喷嘴与工件的距离到最佳位置非常重要。熔滴撞击基材后扩展成薄膜，撞击时的高速度有助于熔滴的扩展，但会因为表面张力或凝固过程而停止扩展，并凝固成一种扁平的薄饼状结构。5.简述离子镀膜的特点,答:膜层与基材结合力高:高能量的离子不仅能打入基材，而且在与基材表面原子撞击时，还放出热，使膜层与基材间形成显微合金层，提高结合强度。均镀能力强:惰性气体原子在放电时撞击蒸气镀膜粒子，使之分散，提高均镀能力。基体材料与镀膜材料可以广泛搭配:基材可以是金属、

15、陶瓷、玻璃，塑料等;镀膜材料也可以是金属和各类陶瓷材料。6(简述常用的热浸渗方法及其应用,答:热浸渗工艺按脱脂除锈、表面保洁方式来分两种:溶剂法(湿法和干法)、氧化还原法(森吉米尔法)。热渗锌层具有良好的耐腐蚀能力，更高的硬度和耐磨性。热渗铝是既可以保持工件的基体韧性，又可以提高表面的抗氧化和耐腐蚀能力。7(简述 CVD 的沉积条件,答:(1)在沉积温度下，反应物必须有足够高的蒸气压;(2)反应产物除薄膜为固态外，其他的必须是挥发性的;(3)沉积薄膜本身必须有足够低的蒸气压，基体材料在沉积温度下的蒸气压也必须足够低。8(简述等离子体热扩渗与普通气体热扩渗技术相比都有哪些基本特点,答:(1)表面

16、活性高，热扩渗速度快;(2)热扩渗层组织容易控制;(3)可)易实现工艺过程的自动控去除氧化膜和钝化膜，能进行有效热扩渗;(4制。9(简述热浸镀锌及镀锌层的形成过程,答:热浸镀锌是将钢铁浸泡在高温的锌溶液中，使钢铁表面被锌裹覆，再利用锌对钢铁的隔离与阳极牺牲作用，达到防蚀效果。形成过程包括:(1)铁基表面被锌液溶解形成铁锌合金相层;(2)合金层中的锌原子进一步向基体扩散，形成锌铁固溶体;(3)合金层表面包裹着一薄层锌。10.简述离子镀膜的特点,答:膜层与基材结合力高:高能量的离子不仅能打入基材，而且在与基材表面原子撞击时，还放出热，使膜层与基材间形成显微合金层，提高结合强度。均镀能力强:惰性气体

17、原子在放电时撞击蒸气镀膜粒子，使之分散，提高均镀能力。基体材料与镀膜材料可以广泛搭配:基材可以是金属、陶瓷、玻璃，塑料等;镀膜材料也可以是金属和各类陶瓷材料。11.简述表面工程技术中结合界面的类型及其结合强度的特点,答:(1)冶金结合界面 特点:结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。(2)扩散结合界面 特点:覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子级别的混合或合金化。(3)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。(4)化学键结合界面 特点:结合强度较高，界面的韧性较差，表面发生粘

18、连、氧化、腐蚀等化学作用也会产生化学键结合界面。(5)分子键结合界面 特点:覆层与基材(或衬底)之间未发生扩散或化学作用。结合强度较低。(6)机械结合界面 特点:结合强度不高，但可起辅助作用。12.简述形成热扩渗层的基本条件,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。(产生活性原子;反应平衡常数1%。)。13.简述热扩渗层的形成机理,答:(1)产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面。活性原子的提供方式:热激活能法、

19、化学反应法(常用方法)。(2)渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，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。(3)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，即扩渗层成长过程(简称扩散过程)。扩散的机理:间隙式扩散、置换式扩散和空位式扩散机理。14.简述化学镀的原理与特点;答:化学镀是一个在催化条件下发生的氧化一还原反应过程。优点:镀层致密，孔隙少、硬度高，具有极好的化学和物理性能;可镀制形对非金属等材料需经过适状复杂的工件，且镀层厚度均匀;可镀基材广泛(当的预处理);设备简单(不需要外加直流电源)。缺点:可镀制

20、的金属(合金体系)有限;镀液昂贵，稳定性差，镀制成本高。四、论述题1.试述受控喷丸对材料表面形貌与性能的影响?(1)对材料表面硬度的影响 由于加工硬化效应等，受控喷丸后材料表面的硬度可以大幅度提高，且硬化层深度最高可达 0.8mm。一般地，弹丸强度或者动能越大，则变形层深度越大，喷丸后零件的表面硬度也越大;弹丸硬度越高，喷丸强化层深度越深;其它条件相同时，被喷零件的硬度越高，则喷丸强化层越浅。(2)对表面粗糙度的影响 零件的表面粗糙度对其疲劳寿命影响很大，降低表面粗糙度可以增加零件的疲劳寿命。受控喷丸以后的零件表面痕迹不同于切削加工表面，痕迹没有方向性，有利于增加零件的疲劳强度。喷丸时材料表面

21、的粗糙度与喷丸粒子的直径有关。弹丸直径的最佳值与工件材料、弹丸形状、弹丸速度等因素有关。(3)对疲劳寿命与抗应力腐蚀能力的影响 在最佳工艺参数下进行表面喷丸以后，在工件表面一定深度内可以产生数百兆帕的压应力，因而可以大幅度提高材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力。2.试述常用的热喷涂工艺方法及其基本特点?答:(1)火焰喷涂工艺)优点:设备投资少，无电力要求，操作容易，沉积效率高等。缺点:涂层氧含量较高，孔隙较多，焰流温度较低，涂层种类较少，涂层结合强度偏低，涂层质量不高。(2)电弧喷涂工艺。优点:涂层密度及结合强度较高，喷涂速度和沉积效率高，运行费用较低。缺点:只能用于具有导电性能的金属线材。(3)

22、等离子喷涂工艺。优点:焰流温度高，喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料;涂层密度及 结合强度高。缺点: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。3.试述热喷涂涂层结合的三种机理?答:(1)机械结合:碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒，由于凸凹不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。一般说来，涂层与基体表面的结合以机械结合为主。(2)冶金-化学结合:这是当涂层和基体表面出现扩散和合金化时的一种结合类型，包括在结合面上生成金属间化合物或固溶体。当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。(3)物理结合:颗粒对基体表面的结合，是由范德华力或次价键形成的结合。4.

23、试述表面淬火和化学热处理的概念及区别,答:表面淬火只对工件的表面或部分表面进行热处理，所以只改变表层的组织。而心部或其它部分的组织仍保留原来的低硬度、高塑性和高韧性的性能，这样工件截面上由于组织不同性能也就不同。表面淬火便于实现机械化、自动化，质量稳定，变形小，热处理周期短，费用少，成本低，还可用碳钢代替一些合金钢。化学热处理是将工件表面渗进了某些化学元素的原子，改变了表层的化学成份，使表面能得到高硬度或某些特殊的物理、化学性能。而心部组织成份不变，仍保留原来的高塑性。高韧性的性能，这样在工件截面上就有截然不同的化学成份与组织性能。化学热处理生产周期长，不便于实现机械化、自动化生产，工艺复杂，

24、质量不够稳定，辅助材料消耗多、费用大、成本高，许多情况下还需要贵重的合金钢。化学热处理只在获得表面层的更高硬度与某些特殊性能及心部的高韧性等方面优于表面淬火。5.试述什么是堆焊,堆焊层有哪些特点,答:堆焊是焊接领域中的一个分支，是一种熔焊工艺。但堆焊的目的并不是为了连接机件，而是借用焊接的手段对金属材料表面进行厚膜改质，即在零件上堆敷一层或几层具有希望性能的材料。堆焊层的特点:(1)异种金属的堆焊，一般来说比同种金属的堆焊要困难一些。(2)结晶化学的差异是影响堆焊的重要因素，主要指焊层与基体材料的晶格类型、点阵常数、原子半径及电子结构等差异。(3)若两种金属不相容，则不可能直接用于堆焊，如铅与

25、铜、铁与镁、铁与铅;(4)金属相容性比较好的有:Fe-Ni,Fe-V,Ni-W,Ni-Mn 等。(5)对于只能有限互溶而易形成金属间化合物的焊材，用于一般焊接会降低接头性能，但是大多可用于堆焊。6.试述堆焊与一般焊接的区别及特性,答:堆焊:用电焊或气焊法把金属熔化，堆在工具或机器零件上的焊接法。通常用来修复磨损和崩裂部分。堆焊的特点:?堆焊层与基体金属的结合是冶金结合，结合强度高，抗冲击性能好。?堆焊材料与基体往往差别很大，因而具有异种金属焊接的特点。?为保证堆焊 层自身高性能，要求尽可能低的稀释率。?堆焊层厚度大，一般堆焊层厚度可在 2,30mm 内调节，更适合于严重磨损的工况。7.试述物理

26、与化学气相沉积原理，特点及分类?答:物理气相沉积是指在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其离子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。包括真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜。化学气相沉积是指把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上的化学反应在基体上制得金属或化合物薄膜的方法。CVD 包括 常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、等离子化学气相沉积。原理过程:反应气体扩散至工件表面;反应气体分子被基材表面吸附;在基材表面产生化学反应，形核等;生成物从基材表面扩散 主要特点有:?在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体;?

27、可以在大气压(常压)或者低于大气压(低压)下进行沉积。?采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行;?镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者得到可在复杂形状混和镀层;?可以控制镀层的密度和 纯度;?绕镀性好，的基体上以及颗粒材料上镀制;?沉积层通常具有柱状晶结构，不耐弯曲。但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层?可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物层。8.试述几种典型表面淬火工艺及特点,表 42 各种表面淬火工艺的特点比较参数/特火焰淬高频淬火 激光淬等离子电阻淬 点 火 火 弧淬火 火 2353 功率密度 1010 10 10,2/W?cm加热时间 10100 110 l 1/s硬化层 0.52.5 0.11.2 0.11.5 0.35/mm 生产成本 低 适中 高 适中 较低 操作方淬硬层深淬火部位精确可原位淬工艺特点 便，大面度调节方控，易于实现自动火，淬硬积淬火便，适合大化。重叠淬火有回层薄，均匀性批量生产 火软带 较差