第二章固体表面与界面The surface and interface of the solid §2-1 固体的表面特性在工程实际中所见到的各种固体表面，一般都具有以下基本特性：（1）没有绝对平整和光滑的表面；（2）没有绝对完好的组织结构的表面；（3）没有绝对“干净”或完全裸露的表面（真空条件下的固体表面除外） 一、表面几何特征1.宏观几何形状误差由于机床精度不高引起的误差，它是不同于名义几何形状的一种连续而不重复的表面形状偏差，一般可用平面度、圆度和圆柱度等误差来表示。 一、表面几何特征2.中等几何形状误差由机床-刀具-工件组成的加工系统在工作时产生振动而引起的误差，它是一种在固体表面周期性重复出现的几何形状误差，一般用波度来表征，其波距一般为1-10mm。 一、表面几何特征3.微观几何形状误差由于切削加工的刀痕或切屑分离时工件表面发生塑性变形而引起的误差，一般用粗糙度表示。与波度不同，它不仅在数量上更小（其波距一般只有2-800微米），而且没有明显的周期性。轮廓的平均算术偏差Ra轮廓均方根偏差Rq微观不平度的最大高度Rmax不平度平均高度Rz 宏观粗糙度微凸体微观粗糙度表面的三维形貌图粗糙表面的二维图表面上的微小凸起部分称微凸体。如经过抛光研磨等加工，粗糙度显示出各向同性。描述表面粗糙度，不是用其最大的波峰波谷之差。国标（GB1031-83）规定了两种表面粗糙度的表示方法：中线平均值（CLA）和平均平方根值（均方根）（RMS）。 Zi粗糙表面示意图先取一中线（x轴），把二维轮廓分成上下两半，并满足：中线上方的轮廓与中线所围的面积等于中线下方轮廓的面积。令从中线到轮廓的高度为Zi。 ①中线平均值（CLA）表示表面轮廓上各点相对于中线的算术平均偏差。11nCLA??|Zi|dx??|Zi|L0ni?1LRMS）表示表面轮廓上各点相对于中线的偏差值之平方的平均值的开方。11n2222RMS?[?Zidx]?[?Zi]L0ni?1L11具有相同CLA值的不同形貌而用RMS,图中各不相同的形貌具有不同的表面粗糙度。
实际固体工程表面特征往往是以上述三种几何形状误差的组合形式出现的。 4.表面微凸体用触针式表面轮廓仪可直接测得表面的起伏不平。不过因其高度方向的放大比例远大于平面方向的。故所得图形并不能反映峰谷起伏的实际形状。而用电子显微镜观测到的表面，因其各向放大比例相等而比较真实。由电子显微镜观测到的图形可以看到，表面上的峰与谷实际上是比较平缓的，因此人们通常取微凸体为近似的半球状、锥状或柱状来进行几何因素的分析。 凡经过一般机械加工的表面，其微凸体高度的分布通常接近于正态分布（高斯分布）。正态分布曲线高度Zi微凸体的高度分布曲线正态分布曲线理论上应延伸到??处。而实际上在?3?的范围内已包括了99.5％的高度（σ为分布的标准差）。
二、表面组织结构特征经过不同加工过程形成的表面，因机械作用，往往导致材料的晶格扭歪、晶界开裂；由于温升导致金属发生相变而再结晶，使晶粒长大；或因为表层材料变形导致表层密度和体积发生变化，从而在表层的塑性变形层中产生残余应力，甚至产生微裂纹。金属表层内种种微观性状的改变，均对其摩擦磨损有密切的关系。因此需对其进行仔细的观察。 金属表面的原子排列具有一定的形状，对于没有缺陷的纯单晶体，表面上的原子排列应是整体材料内部原子排列的延伸。不同的金属具有不同的晶体结构。 根据固体物理的观点，结晶固体表面是晶体中原子的周期性排列出现大面积突然中止的地方，因而这一表面在结构上将会出现某种程度的变化或重新调整。但是表面的原子排列，往往不是整体材料内部原子排列的延伸，原子排列得不像理想的那样整齐。 1.点缺陷（Point defects）这种晶格缺陷在各个方向的延伸都很小，所以也称为零维缺陷。通常他是以空位的形式出现，即晶体点阵中，原来存在一个原子的点阵处失去了原子，而形成原子空位，这种缺陷即空位。杂质原子和间隙原子是点缺陷的另外两种表现形式。 2.线缺陷（Line defects）线缺陷只在一个方向上有明显的延伸，而在其他方向的缺陷延伸很小，故称为一维缺陷，表现为晶体中存在各种位错。晶体发生形变时，并不是整体刚性滑移，而是通过局部滑移引起局部变形，并逐步达到晶体的整体变形。位错可以看作是一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而形成的交界。 3.面缺陷（Plane defects）在两个方向延伸的缺陷成为面缺陷，也称为二维缺陷。金属一般是多晶体，它是有许多晶粒组成，因而存在晶粒边界面。晶界面就是一种面缺陷。此外由两个不同相之间形成的相界面也是一种面缺陷。 立方晶系中几个可能滑移的晶面表面结构缺陷模型 三、金属表面层的结构组成金属表面层一般由金属表面以上的外表层和金属表面以下的内表层组成。外表层由各种表面膜所组成，在干摩擦的条件下，主要有大气中的水蒸气、油雾或油污染而附着在金属表面上所形成的污染膜（厚度约5nm）和吸附膜（厚度约0.5nm）.与大气中的氧发生反应而形成的氧化膜（厚度约0.01-1μm）；