固体表面特征.pptx

教学目的与要求教学目的与要求n介介绍绍表表面面形形貌貌的的概概念念，掌掌握握表表征征表表面面形形貌貌的的参参数及其计算方法，了解表面形貌的测量方法；数及其计算方法，了解表面形貌的测量方法；n介介绍绍金金属属表表面面的的基基本本特特性性，了了解解金金属属表表面面的的物物理吸附和化学吸附现象；理吸附和化学吸附现象；教学重点、难点教学重点、难点n表面粗糙度的表征和测量表面粗糙度的表征和测量2.1 表面的基本特性表面的基本特性 表表面面是是一一个个抽抽象象的的概概念念，实实际际常常把把无无厚厚度度的的抽抽象象表表面面叫叫数数学学表表面面，把把厚厚度度在在几几个个原原子子层层内内的的表表面面叫叫作作物物理表面理表面，而把我们常说实际的固体表面叫，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面工程表面。一、固体表面一、固体表面 理理想想的的晶晶体体由由原原胞胞组组成成，并并具具有有三三维维周周期期性性。但但物物质质不不是是无无限限的的，在在晶晶体体中中原原子子或或分分子子的的周周期期性性排排列列发发生生大大面面积积突突然然终终止止的的地地方方就就出出现现了了界界面面，如如固固体体液液体体、固固体体气气体体及及固固体体固固体体的的界界面面，常常把把固固体体气气体（或真空）、固体液体的界面体（或真空）、固体液体的界面称为固体的称为固体的表面表面。很很多多物物理理化化学学过过程程：催催化化、腐腐蚀蚀、摩摩擦擦和和电电子发射等都发生在子发射等都发生在“表面表面”，可见其重要性。，可见其重要性。1.固体表面的特点固体表面的特点固体表面的不均一性。固体表面的不均一性。(1)固体表面的凹凸不平固体表面的凹凸不平(2)固体中晶体晶面的不均一性：固体中晶体晶面的不均一性：各相异性、晶面不完整各相异性、晶面不完整(3)表面被外来物质所污染，表面吸附外来杂质表面被外来物质所污染，表面吸附外来杂质(4)制备和加工条件制备和加工条件表现在：表现在：金属表面的实际构成示意图金属表面的实际构成示意图 工程表面工程表面 对于给定条件下的表面，其实际组成及各层的厚度对于给定条件下的表面，其实际组成及各层的厚度与表面制备过程、环境以及材料本身的性质有关。与表面制备过程、环境以及材料本身的性质有关。2.固体表面力场固体表面力场定义：定义：晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面，质体内部，质点力场是对称的。但在固体表面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，称之称之为为固体表面力固体表面力固体表面力固体表面力。固体中表面力分为哪几类？固体中表面力分为哪几类？表面力的分类：表面力的分类：(2)范得华力范得华力(分子引力分子引力)(1)化学力（长程力）化学力（长程力）定向作用力定向作用力FK(静电力静电力)：发生于极性分子之间：发生于极性分子之间诱导作用力诱导作用力FD ：发生于极性与非极性分子之间。：发生于极性与非极性分子之间。分散作用力分散作用力FL(色散力色散力)：发生于非极性分子之间。：发生于非极性分子之间。F F范范范范F FKKF FD DF FL L 1/r1/r7 7二、清洁表面二、清洁表面n是指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、是指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。n制备清洁表面对于表面分析，特别是对表面结构的分制备清洁表面对于表面分析，特别是对表面结构的分析是非常重要的。析是非常重要的。n可以采用真空蒸发、磁控溅射、分子束外延等方法得可以采用真空蒸发、磁控溅射、分子束外延等方法得到比较纯净的薄膜材料，作为研究清洁表面结构的试到比较纯净的薄膜材料，作为研究清洁表面结构的试样。样。n三、表面结构三、表面结构n1.1.金属的晶格类型金属的晶格类型n金金属属及及其其合合金金都都是是由由原原子子或或分分子子所所组组成成的的一一种种物物质质的的凝凝聚聚集集态态，金金属属的的性性能能不不仅仅取取决决于于其其组组成成原原子子的的本本性性和和原原子子间间结结合合键键的的类类型型，同时也取决于原子规则排列的方式。同时也取决于原子规则排列的方式。n固态金属规则排列的原子即称为晶体结构。固态金属规则排列的原子即称为晶体结构。n基本排列形式有体心立方晶格、面心立方晶格和密排基本排列形式有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。六方晶格。a a a a 体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格 b b b b 面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格 c c c c 密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构在常用金属中：在常用金属中：n体体心心立立方方晶晶格格：铬铬(Cr)(Cr)、钼钼(Mo)(Mo)、钨钨(W)(W)、钒钒(V)(V)、铁铁(-Fe)(-Fe)等。等。n面面心心立立方方晶晶格格：铝铝(Al)(Al)、铜铜(Cu)(Cu)、镍镍(Ni)(Ni)、铅铅(Pb)(Pb)和和铁铁(-Fe)(-Fe)等。等。n密密排排六六方方晶晶格格：镁镁(Mg)(Mg)、镉镉(Cd)(Cd)、铍铍(Be)(Be)、锌锌（ZnZn）等。等。2 2晶体结构变化晶体结构变化 n 晶晶体体结结构构的的变变化化可可以以改改变变金金属属表表面面的的摩摩擦擦特特性性。如如元元素素钴钴在在加加热热时时，晶晶体体结结构构从从常常温温的的密密排排六六方方晶晶格格转转变变为为面面心心立立方方晶晶格格，摩摩擦擦系系数数增增大大，而而当当温温度度降降到到室室温温时时，摩摩擦擦系系数数将将减减小小到到原原来来的的数数字字。而而四四氯氯化化物物在在温温度度升升高高到到222.5K222.5K时，摩擦系数大大降低。时，摩擦系数大大降低。n 在在摩摩擦擦力力的的作作用用下下，表表层层反反复复变变形形，温温度度也也随随之之变变化化，接接触触区区的的晶晶体体结结构构和和材材料料结结构构在在不不断断变变化化，导导致致互互相相作作用用的的两两表表面面摩摩擦擦特特性性的的改改变变。所所以以原原子子由由有有序序排排列列状状态态转转化化为无序排列状态是材料结构变化的重要因素之一为无序排列状态是材料结构变化的重要因素之一 面心立方表面原子的配位数面心立方表面原子的配位数在表面的位置在表面的位置配位数配位数表面所处晶面表面所处晶面配位数配位数角上原子角上原子3原子在原子在(111)上上9边缘原子边缘原子5原子在原子在(100)上上8 表表面面原原子子M M 的的配配位位数数为为 5 5。而而基基体体中中的的任任一一个个原原子子的的配配位数为位数为 6 6。3.3.表面结构表面结构n表表面面上上方方原原子子的的空空缺缺，必必然然导导致致晶晶体体表表面面电电荷荷分分布布的的变变化化，从从而而使使表表面面原原子子排排列列或或多多或或少少发发生生变变化化。不不过过，实实验验分分析析表表明明，很很多多晶晶体体材材料料的的表表面面有有着着近近乎乎理理想想的的原原子子排排列列。当当然，也有很多例外。然，也有很多例外。n金金属属表表面面出出现现“断断键键”，原原子子的的能能量量会会升升高高，为为了了达达到到一一个个较较稳稳定定的的状状态态，电电子子也也要要重重新新分分布布，也也就就是是说说电电子子与与离离子子、电电子子与与电电子子之之间间的的交交互互作作用用都都会会发发生生变变化化，使使表表面面与与体体内内的的电电子子分分布布不不同同，一一般般要要在在表表面面形形成成一一电电偶偶层层，可可降降低十分之几电子伏特的表面能。低十分之几电子伏特的表面能。n材材料料表表面面电电子子结结构构的的不不同同，在在很很大大程程度度决决定定表表面面的的化化学学性性质，对金属表面的质，对金属表面的吸附和粘着吸附和粘着是非常重要的。是非常重要的。四、表面缺陷四、表面缺陷n按照几何特征，晶体缺陷主要分为：按照几何特征，晶体缺陷主要分为：n（1 1）点缺陷点缺陷n（2 2）线缺陷线缺陷n（3 3）面缺陷面缺陷 a a 空位空位 b b 间隙原子间隙原子 c c 置换原子置换原子 点缺陷点缺陷 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲晶格晶格畸变畸变，使金属的，使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生变电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生变化。化。线缺陷线缺陷 位位错错破破坏坏了了原原子子的的有有序序排排列列，位位错错运运动动可可使使晶晶体体产产生生弹弹性性畸畸变变和和塑塑性性变变形形。位位错错的的产产生生使使金金属属接接近近表表面面处处产产生生微微孔孔隙隙，当当微微孔孔隙隙凝凝聚聚时时就就产产生生相相平平行行的的裂裂纹纹，当当裂裂纹纹生生长长到到极极限限长长度度时时，材材料料就就会会以以“薄薄瓣瓣状状”剥剥落落下下来来。加加工工硬硬化化就就是是当当位位错错密密度度随随塑塑性性变变形形增增加加而而增增加加时时，许许多多位位错错相相互互作作用的结果。用的结果。面缺陷面缺陷晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）晶界晶界亚晶界亚晶界晶界对位错运动起阻碍作用，使金属的强度升高。晶界对位错运动起阻碍作用，使金属的强度升高。晶粒越细，则晶界越多，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。强度和塑性越高。2.2 表面表面张力与表面能张力与表面能 在在表表面面，晶晶格格的的周周期期性性被被切切断断，因因此此表表面面原原子子处处于于与与固固体体内内部部不不同同的的环环境境之之中中。其其实实，表表面面的的组组成成和和物物理理性性质质是是由由单单一一相相慢慢慢慢地地变变化化而而来来的的领领域域，虽虽然然很很难难把把它它当当作作原原来来的的热热力力学学相相，但但能能作作为为一一种种由由温温度度、面面积积、曲曲率率半半径径以以及及各各组组分分原原子子的的质质量量等等决决定定的的特特殊殊相相来来处处理理。总总之之，固固体体表表面面相相的的热热力力学学性性质质必必须须与与固固体内部区别开来考虑。体内部区别开来考虑。表面张力表面张力 在建立新的表面时，邻近的原子丢失、键被切断。在建立新的表面时，邻近的原子丢失、键被切断。为此，必须作某种功。为此，必须作某种功。在一定的温度、压力下，保持在一定的温度、压力下，保持平衡条件，当表面积平衡条件，当表面积a只增加只增加da时，该系统也必须做时，该系统也必须做功。功。这个可逆的表面功这个可逆的表面功 W S由下式给出：由下式给出：如如果果没没有有任任何何非非可可逆逆过过程程，那那么么这这个个可可逆逆功功 就就等于表面能量的变化。因此等于表面能量的变化。因此表面张力表面张力 高温时，在由解理而制得的新的表面的情况下，表高温时，在由解理而制得的新的表面的情况下，表面原子自由地在表面扩散的时候，与面积无关，则面原子自由地在表面扩散的时候，与面积无关，则 所以所以（表面张力与表面自由能相一致（表面张力与表面自由能相一致）低温，解理表面的原子不能自由扩散时，由于在表面低温，解理表面的原子不能自由扩散时，由于在表面残留有畸变，因此残留有畸变，因此 表面能的物理图像表面能的物理图像 以面心立方金属的（以面心立方金属的（100）面作为表面）面作为表面 只只有有当当每每个个原原子子有有12个个最最近近邻邻，能能量量才才最最低低，结结构构最最稳稳定定。当当少少了了四四个个最最近近邻邻原原子子，出出现现了了四四个个“断断键键”时时，表表面面原原子子的的能能量量就就会会升升高高。和和表表面面原原子子的的这这种种高高出出来来的的能能量量相相连连的的就就是是表表面能面能。晶面的表面能晶面的表面能 不同晶面作表面时，断键数目不同，因而表面能不同。不同晶面作表面时，断键数目不同，因而表面能不同。表面能表面能 还还可可以以更更直直观观地地说说明明表表面面能能，设设有有一一横横截截面面为为1cm1cm2 2的的固固体体柱柱，在在理理想想条条件件下下（真真空空中中）将将它它分分成成两两段段时时所所作作的的功功称称为为内内聚聚功功W Wc c，它它表表征征了了相相同同物物质质间间的的吸吸引引强强度度。拉拉断断后后的的固固体体柱柱增增加加了了两两个个面面积积为为1cm1cm2 2的的新新表表面面，相相应应增增加加的的表表面面能能为为2 2a a，a a为为固固体体a a增加的表面能。增加的表面能。根据功能原理得根据功能原理得Wc2a 物质的表面能和界面能物质的表面能和界面能 假如柱的上段为物质假如柱的上段为物质a a，下段为物质，下段为物质b b，则接触部分的界面能为，则接触部分的界面能为abab。若使柱在。若使柱在a a、b b界面上断开，对柱所作的功称为粘附功界面上断开，对柱所作的功称为粘附功W Wabab。断。断开后柱增加表面能开后柱增加表面能a a和和b b。根据功能原理得。根据功能原理得 Wababab 界面能界面能 实实验验证证明明，界界面面能能ab约约为为1/41/2(ab)。如如果果a、b两物质能相互溶解或能形成金属间化合物，其界两物质能相互溶解或能形成金属间化合物，其界面能较小，约为面能较小，约为 。若。若a、b 两物质不能相两物质不能相互溶解，其界面能较大，约为互溶解，其界面能较大，约为 。a、b为同一物质为同一物质 Wc2a 或或 Wc2b由上式可以看出，由上式可以看出，WcWab，即相同物质间的摩擦要，即相同物质间的摩擦要大于不同物质间的摩擦。大于不同物质间的摩擦。a、b相互溶解相互溶解 a、b不能相互溶解不能相互溶解1.1.典型表面的结构组成典型表面的结构组成贝氏层贝氏层贝氏层贝氏层(Bielby layer)(Bielby layer)(Bielby layer)(Bielby layer)重变形层重变形层重变形层重变形层轻变形层轻变形层轻变形层轻变形层2.3 表层的基本特性表层的基本特性表面的组成与材料所处的状态有密切关系表面的组成与材料所处的状态有密切关系 (1)(1)变形层变形层n又称应变层或加工硬化层，它是材料表面区域的又称应变层或加工硬化层，它是材料表面区域的重要组成部分。摩擦过程也会形成变形层重要组成部分。摩擦过程也会形成变形层。（2）贝氏层）贝氏层n贝氏层是加工过程中表面分子产生溶解和表面产贝氏层是加工过程中表面分子产生溶解和表面产生流动之后淬火硬化而沉积的表层，它属于非晶生流动之后淬火硬化而沉积的表层，它属于非晶或微晶结构。或微晶结构。(3)表面吸附与化学反应层表面吸附与化学反应层 表面吸附是实际固体重要的表面现象，它的存在可表面吸附是实际固体重要的表面现象，它的存在可以显著降低表面的系统能量。以显著降低表面的系统能量。吸吸附附作作用用是是固固体体表表面面最最重重要要的的特特征征之之一一。被被吸吸附附的的分分子子称称为为吸吸附附物物（质质），固固体体作作为为吸吸附附剂剂。表表面面吸吸附附按按其其作作用用力力的的性性质质可可分分为为两两类类：物物理理吸吸附附和和化化学学吸吸附附。在在吸吸附附过过程程中中，一一些些能能量量较较高高的的吸吸附附分分子子，可可能能克克服服吸吸附附势势的的束束缚缚而而脱脱离离固固体体表表面面，称称为为“脱脱附附”或或“解解吸吸”。当当吸吸附附与与解解吸吸达达到到动动态态平平衡衡时时，固固体体表表面面保保存存着着一一定定数数量量的的相相对对稳稳定定的的吸吸附附分分子子，这这种种吸吸附附，称称为为平平衡衡吸附。吸附。物理吸附物理吸附 物物理理吸吸附附的的作作用用力力，是是范范得得瓦瓦尔尔斯斯（Vander Waals）分分子子力力。范范得得瓦瓦尔尔斯斯分分子子力力是是由由于于表表面面原原子子与吸附原子之间的极化作用而产生的。与吸附原子之间的极化作用而产生的。这这这这是是是是很很很很弱弱弱弱的的的的一一一一种种种种吸吸吸吸力力力力，吸吸吸吸附附附附层层层层的的的的厚厚厚厚度度度度也也也也非非非非常常常常薄薄薄薄（一一一一般般般般为为为为一一一一个个个个分分分分子子子子层层层层到到到到几几几几个个个个分分分分子子子子层层层层的的的的厚厚厚厚度度度度）；分分分分子子子子易易易易被被被被吸吸吸吸附附附附也也也也易易易易脱脱脱脱吸吸吸吸。但但但但是是是是对对对对任任任任何何何何固固固固体体体体液液液液体体体体都都都都有有有有可可可可能能能能发生物理吸附。发生物理吸附。发生物理吸附。发生物理吸附。物物理理吸吸附附膜膜对对温温度度比比较较敏敏感感。由由物物理理吸吸附附而而产产生生的的边边界界润润滑滑，一一般般只只适适用用于于比比较较低低的的温温度度和和摩摩擦擦热热较较小，即小，即低载荷、低滑动速度低载荷、低滑动速度的情况。的情况。硬脂酸在固体表面物理吸附硬脂酸在固体表面物理吸附化学吸附化学吸附 化化学学吸吸附附，在在吸吸附附剂剂和和吸吸附附物物的的原原子子或或分分子子间间发发生生电子的转移电子的转移，改变了吸附分子的结构。，改变了吸附分子的结构。吸吸附附剂剂和和吸吸附附物物分分子子或或原原子子之之间间的的作作用用力力，主主要要是是静静电电库库仑仑力力。比比比比物物物物理理理理吸吸吸吸附附附附牢牢牢牢固固固固，形形形形成成成成这这这这种种种种吸吸吸吸附附附附所所所所需需需需的的的的热热热热量量量量较较较较大大大大，一一一一般般般般为为为为4.2(104.2(1010102 2)KJ/mol)KJ/mol，而而而而物物物物理理理理吸吸吸吸附附附附热热热热为为为为4.24.28.4KJ/mol,8.4KJ/mol,而而而而且且且且化化化化学学学学吸吸吸吸附附附附只只只只对对对对某某某某几几几几种种种种能能能能形形形形成成成成化化化化学学学学键键键键的的的的吸吸吸吸附附附附物物物物质质质质才才才才有有有有吸吸吸吸附附附附作作作作用用用用。由由由由于于于于化化化化学学学学键键键键力力力力的的的的作作作作用用用用范范范范围围围围一一一一般般般般不不不不超超超超过过过过（2 23 3）1010-10-10mm，故故故故化化化化学吸附层总是单分子层为多。学吸附层总是单分子层为多。学吸附层总是单分子层为多。学吸附层总是单分子层为多。典型例子：典型例子：在边界润滑时，硬脂酸和氧化铁在有水存在在边界润滑时，硬脂酸和氧化铁在有水存在时所产生的吸附。吸附结果是表面上形成了一层时所产生的吸附。吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸硬脂酸“金属皂膜金属皂膜”。这种。这种“金属皂膜金属皂膜”不仅有不仅有较低的切变强度，相对说来也有比较高的熔点。较低的切变强度，相对说来也有比较高的熔点。例如，硬脂酸的熔点是例如，硬脂酸的熔点是69，而这种金属，而这种金属皂膜的熔点约为皂膜的熔点约为120。因此，这种化学吸附膜。因此，这种化学吸附膜作为润滑剂，可以在中等裁荷、中等温度及中作为润滑剂，可以在中等裁荷、中等温度及中等滑动速度下使用。等滑动速度下使用。硬脂酸化学吸附硬脂酸化学吸附 吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸“金属皂金属皂膜膜”物理吸附和化学吸附的比较物理吸附和化学吸附的比较 用用于于判判别别化化学学吸吸附附和和物物理理吸吸附附的的另另一一个个判判据据是是活活化化能能。当当产产生生化化学学吸吸附附时时，需需要要有有一一定定的的活活化化能能。这这可可能能是是由由于于存存在在一一个个温温度界限的缘故，低于此界限就不会发生化学吸附。度界限的缘故，低于此界限就不会发生化学吸附。物物理理吸吸附附无无需需活活化化能能，在在任任何何温温度度下下都都会会以以一一定定的的速速率率，即即以使吸附物布满固体表面的速率发生物理吸附。以使吸附物布满固体表面的速率发生物理吸附。表面化学反应表面化学反应 表表面面化化学学反反应应是是指指吸吸附附质质与与固固体体表表面面相相互互作作用用形形成成了了一一种种新新的化合物。的化合物。金金属属表表面面特特别别是是多多晶晶体体金金属属表表面面往往往往包包含含有有很很多多缺缺陷陷：晶晶界界、位位错错、台台阶阶等等，这这些些部部位位能能量量高高，氧氧化化也也就就往往往往从从这这些些高高能能位置开始，一直到将表面覆盖。位置开始，一直到将表面覆盖。化化学学反反应应膜膜：一一般般是是指指金金属属表表面面与与润润滑滑油油中中中中的的添添加加剂剂（有时也包括气体介质）相互作用产生的表面膜。（有时也包括气体介质）相互作用产生的表面膜。氧氧化化膜膜有有时时也也被被认认为为是是化化学学反反应应膜膜的的一一种种，它它是是先先发发生生氧氧的的物物理理吸吸附附，然然后后在在界界面面发发生生吸吸附附反反应应，而而转转换换为为化化学学吸吸附附，最后在氧原子与金属之间发生化学反应，生成氧化膜。最后在氧原子与金属之间发生化学反应，生成氧化膜。n机械零件的表面形貌直接影响其磨损、疲劳与腐蚀，以及接触机械零件的表面形貌直接影响其磨损、疲劳与腐蚀，以及接触刚度和传热性能，影响界面间的导电性能与密封性能。刚度和传热性能，影响界面间的导电性能与密封性能。n磨具的表面形貌影响它的磨削性能；磨具的表面形貌影响它的磨削性能；n喷涂表面预处理后的形貌影响表面涂层喷涂表面预处理后的形貌影响表面涂层(如油漆如油漆)的质量与外观；的质量与外观；n飞机跑道的表面形貌影响飞机起降的平稳性与飞机机件的寿命；飞机跑道的表面形貌影响飞机起降的平稳性与飞机机件的寿命；n公路路面的表面形貌影响汽车行驶的平稳性与汽车的寿命；公路路面的表面形貌影响汽车行驶的平稳性与汽车的寿命；n海洋表面的形貌直接同船舶航行有关，而电子的发射、电磁波海洋表面的形貌直接同船舶航行有关，而电子的发射、电磁波的反射也同器件的表面形貌有密切的关系。的反射也同器件的表面形貌有密切的关系。n所以，表面形貌越来越为工程技术界所重视。所以，表面形貌越来越为工程技术界所重视。2.4 表面形貌表面形貌机械抛光表面的SEM形貌（1000）机械加工的表面产生凹凸不平的机械加工的表面产生凹凸不平的原因原因：1 1、切削加工过程刀具遗留在工件表面上的痕迹；、切削加工过程刀具遗留在工件表面上的痕迹；2 2、切屑与表面分离断裂时引起不规则的塑性变形；、切屑与表面分离断裂时引起不规则的塑性变形；3 3、机机床床工工件件系系统统的的振振动动在在工工件件表表面面上上留留下下的的波波形形，以以及及机机床床系系统统误误差差和和工工件件在在切切削削力力与与重重力力等等作作用用下发生变形引起的误差。下发生变形引起的误差。表面形貌表面形貌形形状状误误差差：实实际际表表面面形形状状与与理理想想表表面面形形状的宏观偏差状的宏观偏差 波波纹纹度度：表表面面周周期期性性重重复复出出现现的的几几何何形形状误差状误差 表面粗糙度：表面粗糙度：表面表面微观微观几何形状误差几何形状误差 波纹度和粗糙度的主要区别是波长不同 表表面面粗粗糙糙度度与与摩摩擦擦磨磨损损的的关关系系较较密密切切，它它对对接接触触表表面面上上的的压压力力分分布布，接接触触变变形形的的程程度度，摩摩擦擦阻力大小和摩擦成因等都有很大影响。阻力大小和摩擦成因等都有很大影响。2.4.1 2.4.1 表面粗糙度国家标准表面粗糙度国家标准 2.4.1.1 2.4.1.1 2.4.1.1 2.4.1.1 基本术语基本术语基本术语基本术语 1.1.实际轮廓实际轮廓（表面轮廓）（表面轮廓）实际轮廓是指平面与实际表面相交所得的轮廓线。实际轮廓是指平面与实际表面相交所得的轮廓线。实际轮廓实际轮廓 2.2.取样长度取样长度lrlr 取样长度是指用于判别具有表面粗糙度特取样长度是指用于判别具有表面粗糙度特征的一段基准线长度。征的一段基准线长度。标准规定取样长度按表面粗糙程度合理取值，标准规定取样长度按表面粗糙程度合理取值，通常应包含至少通常应包含至少5 5个轮廓峰和轮廓谷。个轮廓峰和轮廓谷。取样长度和评定长度取样长度和评定长度 3.3.评定长度评定长度lnln 评定长度是指评定轮廓表面粗糙度所必需的一段长度。评定长度是指评定轮廓表面粗糙度所必需的一段长度。一般情况下，标准推荐一般情况下，标准推荐ln=5lr ln=5lr，4.4.基准线（中线基准线（中线m m）基准线是用以评定表面粗糙度参数大小所规定的一条基准线是用以评定表面粗糙度参数大小所规定的一条参考线，据此来作为评定表面粗糙度参数大小的基准。参考线，据此来作为评定表面粗糙度参数大小的基准。（1 1）轮廓的最小二乘中线）轮廓的最小二乘中线 在取样长度内，使轮廓上各点至一条假想线距离的平在取样长度内，使轮廓上各点至一条假想线距离的平方和为最小方和为最小 轮廓最小二乘中线轮廓最小二乘中线 （2 2）轮廓算术平均中线）轮廓算术平均中线 在取样长度内，由一条假想线将实际轮廓分为上、在取样长度内，由一条假想线将实际轮廓分为上、下两部分，而且使上部分面积之和等于下部分面积之和下两部分，而且使上部分面积之和等于下部分面积之和 轮廓算术平均中线轮廓算术平均中线5.5.轮廓单元轮廓单元 即一个轮廓峰和其相邻的一个轮廓谷的组合即一个轮廓峰和其相邻的一个轮廓谷的组合。6.6.轮廓峰高轮廓峰高zpzp 轮廓峰高即轮廓最高点距中线的距离轮廓峰高即轮廓最高点距中线的距离 7.轮廓谷深轮廓谷深zv 轮廓谷深即中线与轮廓最低点之间的距离轮廓谷深即中线与轮廓最低点之间的距离 轮廓算术平均中线轮廓算术平均中线轮廓单元轮廓单元8.8.轮廓单元的高度轮廓单元的高度ztzt 轮廓单元的高度即一个轮廓单元的峰高和谷深之和轮廓单元的高度即一个轮廓单元的峰高和谷深之和 9.9.轮廓单元的宽度轮廓单元的宽度xsxs 轮廓单元的宽度即中线与轮廓单元相交线段的长度轮廓单元的宽度即中线与轮廓单元相交线段的长度 10.10.在水平位置在水平位置c c上轮廓的实体材料长度上轮廓的实体材料长度MlMl（c c）即在一个给定水平位置即在一个给定水平位置c c上用一条平行于中线的线与上用一条平行于中线的线与轮廓单元相截所获得的各段截线长度之和轮廓单元相截所获得的各段截线长度之和 11.11.高度和间距辨别力高度和间距辨别力高度和间距辨别力分别是指应计入被评定轮廓的轮廓峰高度和间距辨别力分别是指应计入被评定轮廓的轮廓峰和轮廓谷的最小高度和最小间距。和轮廓谷的最小高度和最小间距。2.4.2表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的评定参数一、固体的表面形貌一维表征一、固体的表面形貌一维表征 宏观和微观粗糙度宏观和微观粗糙度 1、表面轮廓高度方向一维表征、表面轮廓高度方向一维表征 （1）轮廓算术平均偏差（或）轮廓算术平均偏差（或称中心线平均值称中心线平均值Ra）轮廓算术平均偏差（轮廓算术平均偏差（Ra），又称中位线算术平均偏），又称中位线算术平均偏差（差（CLA，Center line average），定义为），定义为一个取样长一个取样长度内，表面轮廓线偏离其中位线的绝对值的算术平均值度内，表面轮廓线偏离其中位线的绝对值的算术平均值。其数学表达式为其数学表达式为 其离散化计算公式为其离散化计算公式为（2）轮廓均方根偏差（）轮廓均方根偏差（Rq，简称简称RMS,Root mean square）统计学认为，均方根偏差（统计学认为，均方根偏差（Rq），能比），能比Ra更好地描述更好地描述表面轮廓的粗糙度特征。其定义为，表面轮廓的粗糙度特征。其定义为，在一个取样长度内，在一个取样长度内，表面轮廓线偏离其中位线的距离的平方的算术平均值的表面轮廓线偏离其中位线的距离的平方的算术平均值的平方根。平方根。其数学表达式为其数学表达式为 其离散化计算公式为其离散化计算公式为 对对绝绝大大多多数数的的固固体体表表面面而而言言，Ra与与Rq之之间间有有如如下下的的近似关系，即近似关系，即（3）微观不平度十点平均高度（）微观不平度十点平均高度（Rz）定义为定义为取样长度内，取样长度内，5个最大的轮廓峰高的平均值与个最大的轮廓峰高的平均值与5个最深的轮廓谷深的平均值之和个最深的轮廓谷深的平均值之和。其数学表达式为。其数学表达式为（4）轮廓最大高度（）轮廓最大高度（Ry）定义为定义为取样长度内，轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间取样长度内，轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间的距离。的距离。Ra值相同的轮廓值相同的轮廓 Ra Rq2.29 2.542.29 2.542.29 2.642.29 2.682.29 2.682.29 2.592、表面轮廓水平方向的表征、表面轮廓水平方向的表征（1）高点数高点数 所谓高点数，是所谓高点数，是指在评定长度内，高出中位线或与中指在评定长度内，高出中位线或与中位线平行的某一预先设定高度的线的完整表面轮廓峰的位线平行的某一预先设定高度的线的完整表面轮廓峰的数目数目。如图所示的表面轮廓，其高点数为。如图所示的表面轮廓，其高点数为7。（2）轮廓微观不平度的平均间距）轮廓微观不平度的平均间距Sm 含有一个轮廓峰（与中位线有交点的峰）和相邻轮含有一个轮廓峰（与中位线有交点的峰）和相邻轮廓谷（与中位线有交点的谷）的一段中位线长度廓谷（与中位线有交点的谷）的一段中位线长度，称为，称为轮廓微观不平度间距轮廓微观不平度间距。在取样长度内，轮廓微观不平度。在取样长度内，轮廓微观不平度间距的平均值，称为轮廓微观不平度平均间距，用间距的平均值，称为轮廓微观不平度平均间距，用Sm表表示，示，轮廓的单峰平均间距也是反映表面微观几何形状上轮廓的单峰平均间距也是反映表面微观几何形状上峰谷间距特性方面的表面粗糙度参数，同样，其数值愈峰谷间距特性方面的表面粗糙度参数，同样，其数值愈大，表面愈粗糙。大，表面愈粗糙。二、固体表面形貌的二维表征二、固体表面形貌的二维表征 直至目前，几个相对成熟且有一定应用前直至目前，几个相对成熟且有一定应用前途的表面形貌特征的二维表征参数是：途的表面形貌特征的二维表征参数是：轮廓高轮廓高度分布的概率密度函数、轮廓的支承长度率及度分布的概率密度函数、轮廓的支承长度率及支承面积曲线、表面轮廓的自相关函数和功率支承面积曲线、表面轮廓的自相关函数和功率谱密度函数。谱密度函数。表面轮廓的自相关函数和功率谱密度函数表面轮廓的自相关函数和功率谱密度函数这两者是相互关联的，它们相互构成一对傅立这两者是相互关联的，它们相互构成一对傅立叶变换对。叶变换对。1.轮廓高度分布的概率密度函数轮廓高度分布的概率密度函数所谓轮廓高度分布的概率密度函数所谓轮廓高度分布的概率密度函数 f(z)，是指在一个，是指在一个取样长度内，取样长度内，轮廓高度为轮廓高度为 z 的概率的概率，其数学表达式为，其数学表达式为 2.概率密度函数概率密度函数 常用的概率密度函数有：三角形分布、矩形分布、常用的概率密度函数有：三角形分布、矩形分布、高斯分布、韦布分布和伽玛分布等。高斯分布、韦布分布和伽玛分布等。常用高斯分布常用高斯分布(Gaussian distribution)，又称，又称正态分正态分布布。m为为 z 的平均值；的平均值；为标准方差，即为标准方差，即Rq。正态分布正态分布通常认为，机通常认为，机加工表面的轮廓高加工表面的轮廓高度接近正态分布。度接近正态分布。右图为实测的电蚀右图为实测的电蚀表面的轮廓高度分表面的轮廓高度分布和正态分布的概布和正态分布的概率密度，锯齿线所率密度，锯齿线所示为实测值，光滑示为实测值，光滑曲线所示为正态分曲线所示为正态分布曲线，可见实际布曲线，可见实际电蚀表面的轮廓高电蚀表面的轮廓高度接近正态分布。度接近正态分布。一般在一般在 -3 到到+3 包含包含99%的分布，常以的分布，常以 3 3 作为作为Gauss的极限分布，的极限分布，越大数据越分散。越大数据越分散。3.支承面积曲线支承面积曲线 在取样长度内，距峰顶线距离为在取样长度内，距峰顶线距离为p且与中位线平行的且与中位线平行的一条线，与轮廓相截所得的各段截线长度一条线，与轮廓相截所得的各段截线长度bi之和，称为此之和，称为此高度下的支承长度，用高度下的支承长度，用 p表示。表示。n三、固体表面形貌的三维表征（图形法、参数三、固体表面形貌的三维表征（图形法、参数法、随机过程法）法、随机过程法）n四、固体表面形貌的分形（四、固体表面形貌的分形（Fractal）表征）表征2.4.3 表面粗糙度的选用及标注2.4.3.1 2.4.3.1 2.4.3.1 2.4.3.1 表面粗糙度评定参数的选用表面粗糙度评定参数的选用表面粗糙度评定参数的选用表面粗糙度评定参数的选用 鉴于零件表面粗糙度对其使用性能的多方面影鉴于零件表面粗糙度对其使用性能的多方面影响，在选择表面粗糙度评定参数时，应能充分合理响，在选择表面粗糙度评定参数时，应能充分合理地反映表面微观几何形状的真实情况。地反映表面微观几何形状的真实情况。2.4.3.2 2.4.3.2 2.4.3.2 2.4.3.2 表面粗糙度主参数值的选用表面粗糙度主参数值的选用表面粗糙度主参数值的选用表面粗糙度主参数值的选用 （1 1 1 1）同一零件上，工作表面的粗糙度值应比非）同一零件上，工作表面的粗糙度值应比非）同一零件上，工作表面的粗糙度值应比非）同一零件上，工作表面的粗糙度值应比非工作表面小。工作表面小。工作表面小。工作表面小。（2 2 2 2）摩擦表面的粗糙度值应比非摩擦表面小）摩擦表面的粗糙度值应比非摩擦表面小）摩擦表面的粗糙度值应比非摩擦表面小）摩擦表面的粗糙度值应比非摩擦表面小;滚动摩擦表面的粗糙度值应比滑动摩擦表面小。滚动摩擦表面的粗糙度值应比滑动摩擦表面小。滚动摩擦表面的粗糙度值应比滑动摩擦表面小。滚动摩擦表面的粗糙度值应比滑动摩擦表面小。（3）摩擦面、承受高压和交变载荷的工作面的粗糙度数值）摩擦面、承受高压和交变载荷的工作面的粗糙度数值应小一些。应小一些。（4）尺寸精度和形状精度要求高的表面，粗糙度数值应小）尺寸精度和形状精度要求高的表面，粗糙度数值应小一些。一些。（5）要求耐腐蚀的零件表面，粗糙度数值应小一些。）要求耐腐蚀的零件表面，粗糙度数值应小一些。（6）有关标准已对表面粗糙度要求作出规定的，应按相应）有关标准已对表面粗糙度要求作出规定的，应按相应标准确定表面粗糙度数值。标准确定表面粗糙度数值。2.4.3.3 表面粗糙度的标注表面粗糙度的标注表面粗糙度的基本符号 2.4.4 表面粗糙度的测量表面粗糙度的测量表面形貌的测量对于解决摩擦学问题是极为表面形貌的测量对于解决摩擦学问题是极为重要的，测量表面微观或宏观的几何性能，可用重要的，测量表面微观或宏观的几何性能，可用很多方法。在观察和测量表面形貌的方法中，比很多方法。在观察和测量表面形貌的方法中，比较常用的有用较常用的有用干涉干涉或反射显微术的或反射显微术的光测法光测法以及用以及用电子显微镜电子显微镜等方法。等方法。观测表面形貌和表面轮廓的分辨率方面，观测表面形貌和表面轮廓的分辨率方面，目目前比较先进的原子力显微镜（前比较先进的原子力显微镜（AFM）和扫描隧道）和扫描隧道显微镜（显微镜（STM）可以达到原子的尺度。）可以达到原子的尺度。在测量表在测量表面轮廓和粗糙度的仪器中，以电子放大的面轮廓和粗糙度的仪器中，以电子放大的触针式触针式仪器仪器使用最为普及。使用最为普及。AFM图象图象 表面轮廓仪表面轮廓记录法表面轮廓记录法 轮廓仪得到的表面形貌轮廓仪得到的表面形貌 电子显微镜观察法电子显微镜观察法干摩擦条件下淬火硬化的干摩擦条件下淬火硬化的Cr12MoV模模具钢磨损表面具钢磨损表面SEM分析分析 润滑条件下离子氮化的润滑条件下离子氮化的Cr12MoV模具钢磨损表面模具钢磨损表面SEM分析分析