第一章 金属表面特性
§ 1 金属表面几何形状
? 固体的表面性质
? 表面形貌：表面的形状
? 表面组成：表面结构和物理、化学性质
? 微凸体,… 凸起的波峰 ……
? 表面几何形状误差
? 用表面波纹度、表面粗糙度描述
1.表面波纹度
? 又称宏观粗糙度
? 是零件表面 周期性 重复出现的一种几何形状误差。
? 减少零件实际支承表面面积，在动配合中使零件
磨损加剧。
? 波高 h：波峰与波谷之间的距离。
? 波距 s：相邻两波形对应点的距离。
? h /s≈ 1,40 ； s一 般 1~10mm
表面形貌轮廓
微凸体
x
m m
样品长度 l
中线：实体面积 =空间面积
空间 实体
Zi
2.表面粗糙度
?又称微观粗糙度, 无明显的周期性
?波距 s较短 （ 约 2~800μm）
?波高 h较小 （ 约 0.03~400μm）
?表面粗糙度越低, 则表面越光亮 。
?评定指标,
?Ra---轮廓算术平均偏差, Rq---轮廓均方根偏差
?Rz---微观不平度十点高度, Ry---轮廓最大高度 。
? 中线 m：实体面积＝空间面积
?
?
?
n
i
iznRa
1
1 ?? l dxxf
lRa 0 )(
1
Zi—以中线为起点度量出的廓形高度
n—在样品标准长度 l内的测量次数
l —随粗糙度而定，粗糙度等级不同,l 值不同
轮廓算术平均偏差 Ra
? 轮廓图形上各点和中线之间距离平方的平均值
的平方根
? Zi大的点比重大，能高度反映粗糙度
? Ra≈ 0.8Rq
2
1
1
2)(1
??
?
??
?? ?
?
n
i
z inRq
2
1
0
2 )(1
??
?
??
?? ? l dxxf
lRa
轮廓均方根偏差 Rq
? 是在标准长度 l内五个最高的轮廓峰高的平均值与
五个最低的轮廓谷深的平均值之和
5
5
1
5
1
? ?
? ?
?
? i i
vipi hh
Rz
hpi—第 i个最高的轮廓峰高
hvi —第 i个最低的轮廓谷深
微观不平度十点高度 Rz
?轮廓最大高度 Ry
? 是表面经常出现的微观不平度的最大高度。
? 即在标准取样长度内轮廓顶线和轮廓谷底线之
间的距离。
? 一般取若干段，求 Ry的平均值，
? 避免出现用 R偶然 代替 Ry
?相互换算（在一定程度上）
表 面 Rq/Ra Rz/Ra Ry/Ra
车 削
磨 削
研 磨
随机统计
1.10~1.15
1.18~1.30
1.30~1.50
1.25
4~5
5~7
----
----
4~5
7~14
7~14
8.0
3.表面轮廓高度的分布
? 以表面轮廓中线为 x轴,
? 在标准长度 l内, 每隔一定距离 Δl,测量轮廓图形
距参考中线的高度 Z1,Z2,……Zi
? 然后求出同一 Z值的个数, 作为该高度的纵标频数 。
2
2
2
2
1)( ?
???
zvez ??
? 微凸体高度分布
? 微凸体高度分布曲线
? 表面粗糙度越低，曲线越接近正态分布
Δl
Z1 Z2
ZiZ
x 频率
磨削表面轮廓高度分布曲线
-075 -05 –025 0 0.25 0.5 0.75
高度 z（ μ）
80
60
40
20
频率
§ 2支承面积曲线
? 能表示粗糙表层的微凸体的高度分布
? 表示表面磨损到一定程度时, 支承面积的大小
? 主要用于计算实际接触面积
? 简便起见，一般用二维作图法求支承面积曲线
l l
x3 x2 x1
a1
a2
a3 b1b
2
c1
c2
c3
a1 c1
a2 b2 c2
a3 b3 c3
理想 支承面积曲线
?轮廓支承长度率 tp
? tp=(a+b+c+……)/l
? tp=Ax/A0
? tp=bxν (近似逼近支承面积开始的一小段 )
? Ax—距峰顶为 x处的支承面积
? A0 —距峰顶为 Ry处的支承面积
? x —距峰顶的距离
? B,ν —支承面积曲线参数，实测或计算获得
?支承面积曲线
? 即轮廓支承长度率
? 是所有纵坐标分布曲线的累计分布，由于大多
数工程表面轮廓高度都接近正态分布
?支承面积曲线可表示为
? ? ? ?dzzx ? ????? ??
Z为从中线开始测量的轮廓高度
ψ （ z） 为轮廓高度分布的概率密
度函数
?轮廓图形的高度层
? 按支承面积大小将轮廓图形分为三个高度层
? <25%-----为波峰, 为最高层
? 25%~75%------为波中, 为中间层
? >75%--------为波谷，为最低层
? 波峰与摩擦磨损有很大关系
? 波谷与润滑情况下贮油性有关
§ 3金属的表面结构
?金属的晶体结构
? 面心立方晶胞 fcc
? 铜, 银, 金, 铝, 镍, 铅, 铑, γ 铁, ……,
? 体心立方晶胞 bcc
? 钒, 铌, 钼, 铬, 钡, α 铁, α 钨 ……
? 密排六方晶胞 hcp
? 镁、锌、镉、锆,α 铍,α 钛,α 钴
?表面晶体结构及缺陷
? 点缺陷
肖脱基空位, 弗兰克尔空位
? 线缺陷
位错 ---刃型位错, 螺型位错, 混合位错
? 面缺陷
界面
?固态金属材料的重要界面
?表面
指所研究的金属材料系统与周围气相或液相介
质的接触面 。
?晶界, 亚晶界
指多晶体材料内部, 结构及成分相同, 而位向
不同的两部分晶体之间的界面 。
?相界
指晶体内部，结构不同，甚至成分也不同的两
部分晶体之间的界面
§ 4表面能与表面张力
?表面能大小与晶格类型有关
? 随结合键能增加而增加 。
? 根据结合键能可以预计断开一个粘着接点所需
的能量 。
?表面自由能
? 指晶体表面的单位面积自由能的增加, J/m2
? 也可以用单位长度的表面张力 （ N/m） 来表示 。
? 表面张力作用与表面上, 力图使表面缩小 。
?低表面能的晶面暴露在晶体的外表面
? 晶体中各个晶面能不相同
? 密排面的表面能较小 （ 因为层面间距较大 ） 。
? 表面能愈低的面, 摩擦也越小 。
§ 5金属表面的化学性质
?物理吸附
? 由于分子或原子相互吸引而产生的吸附 。
? 吸附能力较弱, 对温度敏感, 热量可使分子脱吸
? 一般能量小于 104J/mol。
? 一般是在常温, 低速, 轻载条件形成 。
? 吸附和脱吸是完全可逆
?化学吸附
? 吸附膜与固体表面之间发生电子互换或存在共用
电子对 。
? 吸附膜与固体表面的结合力强 。
? 稳定, 不可逆, 高温下才脱吸 。
? 一般是在中等载荷, 中等滑动速度及中等温度下
形成 。
? 吸附强弱与固体表面和被吸附物质的特性有关 。
? 基本是一单层过程 。
?氧化
? 金属表面在加工过程中, 新生表面一旦暴露, 很
快与空气中的氧 起化学反应, 形成金属氧化膜
Fe2O3
Fe3O4
FeO
Fe
§ 6金属表层的组成
? 普通脏污层 ---油污或灰尘
? 吸附层 ----大气中液体或气体分子吸附膜
? 氧化层 ---金属表面与空气中的氧形成氧化物层 。
? 贝氏层 ---由于急加工中表面熔化和表面分子层
的流动 。
? 变形层 ----由于机加工而形成的变质层 。
普通脏污层
吸附层
氧化层
贝氏层
严重变形层
轻度变形层
金属表层的组成
§ 1 金属表面几何形状
? 固体的表面性质
? 表面形貌：表面的形状
? 表面组成：表面结构和物理、化学性质
? 微凸体,… 凸起的波峰 ……
? 表面几何形状误差
? 用表面波纹度、表面粗糙度描述
1.表面波纹度
? 又称宏观粗糙度
? 是零件表面 周期性 重复出现的一种几何形状误差。
? 减少零件实际支承表面面积，在动配合中使零件
磨损加剧。
? 波高 h：波峰与波谷之间的距离。
? 波距 s：相邻两波形对应点的距离。
? h /s≈ 1,40 ； s一 般 1~10mm
表面形貌轮廓
微凸体
x
m m
样品长度 l
中线：实体面积 =空间面积
空间 实体
Zi
2.表面粗糙度
?又称微观粗糙度, 无明显的周期性
?波距 s较短 （ 约 2~800μm）
?波高 h较小 （ 约 0.03~400μm）
?表面粗糙度越低, 则表面越光亮 。
?评定指标,
?Ra---轮廓算术平均偏差, Rq---轮廓均方根偏差
?Rz---微观不平度十点高度, Ry---轮廓最大高度 。
? 中线 m：实体面积＝空间面积
?
?
?
n
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Zi—以中线为起点度量出的廓形高度
n—在样品标准长度 l内的测量次数
l —随粗糙度而定，粗糙度等级不同,l 值不同
轮廓算术平均偏差 Ra
? 轮廓图形上各点和中线之间距离平方的平均值
的平方根
? Zi大的点比重大，能高度反映粗糙度
? Ra≈ 0.8Rq
2
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轮廓均方根偏差 Rq
? 是在标准长度 l内五个最高的轮廓峰高的平均值与
五个最低的轮廓谷深的平均值之和
5
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? i i
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Rz
hpi—第 i个最高的轮廓峰高
hvi —第 i个最低的轮廓谷深
微观不平度十点高度 Rz
?轮廓最大高度 Ry
? 是表面经常出现的微观不平度的最大高度。
? 即在标准取样长度内轮廓顶线和轮廓谷底线之
间的距离。
? 一般取若干段，求 Ry的平均值，
? 避免出现用 R偶然 代替 Ry
?相互换算（在一定程度上）
表 面 Rq/Ra Rz/Ra Ry/Ra
车 削
磨 削
研 磨
随机统计
1.10~1.15
1.18~1.30
1.30~1.50
1.25
4~5
5~7
----
----
4~5
7~14
7~14
8.0
3.表面轮廓高度的分布
? 以表面轮廓中线为 x轴,
? 在标准长度 l内, 每隔一定距离 Δl,测量轮廓图形
距参考中线的高度 Z1,Z2,……Zi
? 然后求出同一 Z值的个数, 作为该高度的纵标频数 。
2
2
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? 微凸体高度分布
? 微凸体高度分布曲线
? 表面粗糙度越低，曲线越接近正态分布
Δl
Z1 Z2
ZiZ
x 频率
磨削表面轮廓高度分布曲线
-075 -05 –025 0 0.25 0.5 0.75
高度 z（ μ）
80
60
40
20
频率
§ 2支承面积曲线
? 能表示粗糙表层的微凸体的高度分布
? 表示表面磨损到一定程度时, 支承面积的大小
? 主要用于计算实际接触面积
? 简便起见，一般用二维作图法求支承面积曲线
l l
x3 x2 x1
a1
a2
a3 b1b
2
c1
c2
c3
a1 c1
a2 b2 c2
a3 b3 c3
理想 支承面积曲线
?轮廓支承长度率 tp
? tp=(a+b+c+……)/l
? tp=Ax/A0
? tp=bxν (近似逼近支承面积开始的一小段 )
? Ax—距峰顶为 x处的支承面积
? A0 —距峰顶为 Ry处的支承面积
? x —距峰顶的距离
? B,ν —支承面积曲线参数，实测或计算获得
?支承面积曲线
? 即轮廓支承长度率
? 是所有纵坐标分布曲线的累计分布，由于大多
数工程表面轮廓高度都接近正态分布
?支承面积曲线可表示为
? ? ? ?dzzx ? ????? ??
Z为从中线开始测量的轮廓高度
ψ （ z） 为轮廓高度分布的概率密
度函数
?轮廓图形的高度层
? 按支承面积大小将轮廓图形分为三个高度层
? <25%-----为波峰, 为最高层
? 25%~75%------为波中, 为中间层
? >75%--------为波谷，为最低层
? 波峰与摩擦磨损有很大关系
? 波谷与润滑情况下贮油性有关
§ 3金属的表面结构
?金属的晶体结构
? 面心立方晶胞 fcc
? 铜, 银, 金, 铝, 镍, 铅, 铑, γ 铁, ……,
? 体心立方晶胞 bcc
? 钒, 铌, 钼, 铬, 钡, α 铁, α 钨 ……
? 密排六方晶胞 hcp
? 镁、锌、镉、锆,α 铍,α 钛,α 钴
?表面晶体结构及缺陷
? 点缺陷
肖脱基空位, 弗兰克尔空位
? 线缺陷
位错 ---刃型位错, 螺型位错, 混合位错
? 面缺陷
界面
?固态金属材料的重要界面
?表面
指所研究的金属材料系统与周围气相或液相介
质的接触面 。
?晶界, 亚晶界
指多晶体材料内部, 结构及成分相同, 而位向
不同的两部分晶体之间的界面 。
?相界
指晶体内部，结构不同，甚至成分也不同的两
部分晶体之间的界面
§ 4表面能与表面张力
?表面能大小与晶格类型有关
? 随结合键能增加而增加 。
? 根据结合键能可以预计断开一个粘着接点所需
的能量 。
?表面自由能
? 指晶体表面的单位面积自由能的增加, J/m2
? 也可以用单位长度的表面张力 （ N/m） 来表示 。
? 表面张力作用与表面上, 力图使表面缩小 。
?低表面能的晶面暴露在晶体的外表面
? 晶体中各个晶面能不相同
? 密排面的表面能较小 （ 因为层面间距较大 ） 。
? 表面能愈低的面, 摩擦也越小 。
§ 5金属表面的化学性质
?物理吸附
? 由于分子或原子相互吸引而产生的吸附 。
? 吸附能力较弱, 对温度敏感, 热量可使分子脱吸
? 一般能量小于 104J/mol。
? 一般是在常温, 低速, 轻载条件形成 。
? 吸附和脱吸是完全可逆
?化学吸附
? 吸附膜与固体表面之间发生电子互换或存在共用
电子对 。
? 吸附膜与固体表面的结合力强 。
? 稳定, 不可逆, 高温下才脱吸 。
? 一般是在中等载荷, 中等滑动速度及中等温度下
形成 。
? 吸附强弱与固体表面和被吸附物质的特性有关 。
? 基本是一单层过程 。
?氧化
? 金属表面在加工过程中, 新生表面一旦暴露, 很
快与空气中的氧 起化学反应, 形成金属氧化膜
Fe2O3
Fe3O4
FeO
Fe
§ 6金属表层的组成
? 普通脏污层 ---油污或灰尘
? 吸附层 ----大气中液体或气体分子吸附膜
? 氧化层 ---金属表面与空气中的氧形成氧化物层 。
? 贝氏层 ---由于急加工中表面熔化和表面分子层
的流动 。
? 变形层 ----由于机加工而形成的变质层 。
普通脏污层
吸附层
氧化层
贝氏层
严重变形层
轻度变形层
金属表层的组成
