材料表面新技术2013模拟考试题

材料表面新技术模拟考试题（1）

一. 名词与术语解释(30分)

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10. 高分子材料表面金属化技术 化学转化膜技术 激光表面合金化 纳米复合镀技术 热喷涂技术 电火花表面强化 离子注入表面改性 激光 材料表面变形强化技术 表面微细加工技术

二. 简述题(30分)

1.

2.

3.

4.

5. 离子渗氮中, 渗层厚度与温度(T)和时间(t)存在什么关系? 渗层表面硬度与温度有何关系? 喷丸强化的机理是什么? 激光淬火处理前为什么要对材料表面进行黑化预处理? 黑化法有哪几种? 简述表面化学热处理的三个基本过程 常用的表面技术有哪些?

三. 论述题(40分，每小题20分)

1. 一5mm 厚低碳钢材料，将被应用于高温和腐蚀环境中，请你设计出提高其耐高温和耐腐蚀性能的表面技术与工艺方法。

2. GCr15轴承钢被应用于耐磨零件，请你利用激光淬火工艺在其表面制备出厚度0.2mm, 硬度达到1100HV 的耐磨淬火层。请设计出详细的工艺技术参数和阐明表征性能的方法。

材料表面新技术模拟考试题及参考答案（1）

一. 名词与术语解释(30分)

1. 高分子材料表面金属化技术

答：利用物理或化学手段使高分子表面性质发生变化，从而呈现处金属某些功能，赋予其适应环境要求的特有性能。湿浸涂镀（化学镀）、干法涂镀（真空沉积、溅射的）、金属涂料涂层。

2. 化学转化膜技术

答：化学转化膜技术是指通过金属与溶液界面上的化学或电化学反应，在其表面形成稳定的化合物膜层。如：氧化物膜、磷化物膜、铬酸盐膜、溶胶－凝胶膜等。

3. 激光表面合金化

答: 是在高能束激光作用下，将一种或多种合金元素与基体表面快速熔凝，从而使价廉材料表层获得具有预定高合金特性的技术。

4. 纳米复合镀技术

答:纳米复合镀技术是采用电镀或化学镀方法，将纳米尺寸级的不溶性固体微粒（通常为陶瓷粒子）加入镀液中，使其与基质金属共沉积得到复合镀层的技术。

5. 热喷涂技术

答: 是利用一种热源将喷涂材料加热至熔融状态，并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的表面技术。

6. 电火花表面强化

答: 是通过电火花放电的作用把一种导电材料涂敷熔渗到另一种导电材料的表面，从而改变后者表面物理和化学等性能的工艺方法。

7. 离子注入表面改性

答: 是把某种元素的原子电离成离子，并使其在几十至几百千伏的电压下进行加速，在获得较高速度后射入放在真空靶室中的工件表面的一种离子束技术。

8. 激光

答: 是由受激辐射引起的并通过谐振放大了的光，激光由激光器产生。

9. 材料表面变形强化技术

答：是指表面形变强化是利用机械能使工件表面产生塑性变形，引起表面形变强化的方法。

10. 表面微细加工技术

答：是在微电子学基础上发展起来的用于制造微米量级物体特定几何结构的一类加工技术。综合运用了物理、化学及机械加工等方法，以及系统、控制、真空、封装等最先进的加工技术。

二. 简述题(30分)

1. 常用的表面技术有哪些?

答: 化学热处理、激光相变硬化、激光合金化、电子束相变硬化、离子注入、热喷涂技术、电镀、电刷镀及化学镀、物理化学气相沉积技术、堆焊技术、熔结技术等。

2. 简述表面化学热处理的三个基本过程

答: (1) 化学介质的分解。在一定温度下，化学介质可发生化学分解反应，生成活性原子。

(2) 活性原子的吸收。介质分解生成活性原子，如[C]、[N]等，为钢的表面所吸附，然后溶入基体金属铁的晶格中。（3）原子的扩散。钢表面吸收活性原子后，该元素的浓度大大提高，形成了浓度梯度，在一定温度下，扩散形成一定厚度的扩散层。 。

3. 激光淬火处理前为什么要对材料表面进行黑化预处理? 黑化法有哪几种?

答: 由于一般零件是在精加工之后才强化处理的，表面光亮，对激光的反射率高，吸收率低，因此处理的表面必须进行预处理，通常用黑化的方法。(1)磷化法。(2) 炭素法。(3)油漆法。

4. 喷丸强化的机理是什么?

答: 将大量高速运动的弹丸喷射到零件表面上，尤如无数小锤反复锤击金属表面，由此，金属表面将产生极为强烈塑性变形，这种变形使零件表面产生一定厚度的冷作硬化层，并产生一层残余压缩应力。此表面层起到了强化作用。

5. 离子渗氮中, 渗层厚度与温度(T)和时间(t)存在什么关系? 渗层表面硬度与温度有何关系?

答: 一般说，渗氮层厚度随温度升高而增加也随时间增长而增加。渗层表面硬度随温度升高而下降。

三. 论述题(40分，每小题20分)

1. 一5mm 厚低碳钢材料，将被应用于高温和腐蚀环境中，请你设计出提高

其耐高温和耐腐蚀性能的表面技术与工艺方法。

答: 要点:(1)用喷丸处理将低碳钢表面清除干净后。(2)再用电弧将铝(Al)合金粉末喷涂到钢的表面，形成20µm的喷涂层。(3)在大气中用激光使涂层熔化，并使表层的铝氧化，结果在材料表面形成耐热、耐蚀的氧化铝(AL2O3)层，达到工艺技术要求。

2．GCr15轴承钢被应用于耐磨零件，请你利用激光淬火工艺在其表面制备出厚度0.2mm, 硬度达到1100HV 的耐磨淬火层。请设计出详细的工艺技术参数和阐明表征性能的方法。

答：（1）GCr15轴承钢表面预处理：首先对样品表面利用酸洗、碱洗（如果是干净的精加工零件就者用金属表面清洗剂）进行除锈除油处理，使处理表面干净；然后进行黑化处理，表面磷化形成表面黑化层（或者用墨汁进行黑化处理，容易清理），提高材料表面的吸收激光的能力。

（2）激光器选择和设计激光处理工艺参数：激光器选择JHM-1GY-400型YAG 晶体脉冲激光器，波长1.064μm 。激光工艺参数为：电流I=120A,光斑直径φ=1mm,频率f=300hz，脉宽D=0.4ms，搭接率为0.3，扫描速度V=5mm/s。

（3）淬火处理：把预处理了的样品放在激光器工作台上，工作台可以通过计算机控制进行X 和Y 轴的运动，按照设计的参数对样品表面进行热处理。

(4)样品组织结构与性能表征。利用金相显微镜对样品的截面形貌进行观察如图2所示。其硬化层形貌皆成月牙形，与钢基体部分相比组织明显细化。

（5）利用显微硬度仪对样品截面进行硬度的测量，其结果如图3所示。材料表面硬度达到了1150HV ，淬硬层厚度大于200mm 。达到了技术指标要求。

材料表面新技术模拟考试题（2）

一．解释（30分）

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10. 三束表面改性 表面化学热处理 激光表面纳米化 堆焊技术 电弧喷涂 热浸镀技术 物理气相沉积（PVD ）技术 喷丸强化 离子镀技术 自洁陶瓷

二．简述题（30分）

1.

2.

3.

4. 材料表面技术应用能够实现的功能有哪些? 表面纳米化的常用方法有哪些？非平衡热力学表面纳米化的机理？ 热喷涂技术其表面涂层形成的过程和特点是什么？用简图说明过程。 激光表面淬火时，为什么要对材料表面进行预处理？ 预处理的方法有哪几种？

5. 利用图示说明激光诱导原位涂层梯度设计与分层的功能是什么？

三． 论述题（40分，每小题20分）

1. 有一5mm 厚低碳钢材料，将被应用于高温和腐蚀环境中，请你联合应用喷丸技术、电弧喷涂技术和激光表面溶凝技术，设计出提高其表面耐高温和耐腐蚀性能的工艺方法和表面功能层，并用图示表明设备与处理方法。

2. 从机械零件失效原因分析入手，论述材料表面存在的缺陷，经表面技术处理后，材料表面能获得多种应用功能层，以适应材料表面的应用工况，并提出你对材料表面技术发展和研究方面创新见解。

材料表面新技术模拟考试题及参考答案（2）

一．解释（30分）

1. 三束表面改性

答：是指将激光束、电子束、离子束施加于材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的方法。

2. 表面化学热处理

答：在一定的温度下，在不同的活性介质中，向钢的表面渗入适当的元素，同时向钢的内部扩散，形成预期的组织和性能为目的的热处理过程。

3. 激光表面纳米化

答：是指利用激光技术，在一定的工艺条件下，诱导材料表面形成具有纳米晶组织结构的工艺技术。

4. 堆焊技术

答：堆焊是将焊接中零件的连接技术移植到对零件表面进行敷焊的技术。它是利用焊接热源使基材表面与敷焊的材料之间形成熔化冶金结合的一种表面工程技术。

5. 电弧喷涂

答：是以电弧为热源，将金属丝熔化并用气流雾化使熔融粒子高速喷到工件表面形成涂层的一种工艺。

6. 热浸镀技术

答: 热镀是将被镀零件浸入熔融的的低熔点金属中短时间加热，经固－液反应后提出冷却，熔融金属在零件表面形成镀层的表面强化工艺。

7. 物理气相沉积（PVD ）技术

答：是指在真空条件下，采用物理方法将固态的镀料转化为原子、分子或离子的气相物质再沉积于基体表面，从而形成薄膜的制备方法。主要有真空蒸镀、溅射镀、离子镀等方法。 。

8. 喷丸强化

答：是利用喷丸机将大量的弹丸高速射到材料的表面，形成强烈的朔性变形并形成一层冷作硬化层和压应力结构，从而达到强化的目的。

9. 离子镀技术

答：在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物离子轰击作用的同时把蒸发物或其反应物沉积在基体上。

10. 自洁陶瓷

答：是指在陶瓷材料表面用适当的工艺形成一层含有纳米 TiO2 等材料组成的功能层。在光作用下，纳米TiO2 具有催化分解陶瓷表面油污作用来达到自洁效果。

二．简述题（30分） 。

1. 材料表面技术应用能够实现的功能有哪些?

答：（1）提高耐磨性或耐腐蚀、抗疲劳、抗氧化、防辐射性能；（2）改善表面的传热性或隔热性，（3）改善表面的导电性或绝缘性；(4) 改善表面的导磁性或电磁屏蔽性；（5）改善表面的增光性、反光性或吸波性；（6）改善表面的粘着性或不粘性；（7）改善表面的吸油性或干摩性；（8）改善表面的摩擦系数（提高或降低）；（9）改善表面的装饰性或仿古做旧性等举例说明表面化学热处理的三个基本过程。 。

2. 表面纳米化的常用方法有哪些？非平衡热力学表面纳米化的机理？

答：常用的方法有三种：表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合方式。

非平衡热力学法的机理是：将材料快速加热使材料的表面达到熔化或相变温度，再进行急剧冷却，通过动力学控制来提高形核率，抑制晶粒长大，可以在材料的表面获得纳米晶组织。

3. 热喷涂技术其表面涂层形成的过程和特点是什么？用简图说明过程。

答：热喷涂涂层形成的过程有四个阶段：

1.

2.

3.

4. 喷涂材料的加热、熔化。 熔化的喷涂材料被雾化。 熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行。 粒子在基材表面发生了碰撞、变形、凝固、和堆集。

涂层形成过程示意图如下。

特点：涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起而形成的层状组织结构，结合主要是机械结合。 。

5. 激光表面淬火时，为什么要对材料表面进行预处理？ 预处理的方法有哪几种？

答：因为激光表面淬火的材料或工件，一般是由机械加工制备而成，表面具有一定的光洁度，它们对激光具有很强的反射作用，为了提高激光的利用率，须要对材料表面进行黑化预处理，

否则难以实现淬火。

黑化的方法有三种：

1.

2.

3. 磷化法 炭素法 油漆法

6. 利用图示说明激光诱导原位涂层梯度设计与分层的功能是什么？

答：梯度涂层设计可以根据涂层厚度需要设计多层结构，可以是2层到十几层组成，如下图是具有3层亚层组成的梯度涂层。其功能分别是：第一层主要是有利于与铜合金基体形冶金结合的界面，消除裂纹和气孔缺陷，提高涂层与基体的结合力，使之应用过程中不能够脱落。第2层主要是在第一层合金基础上，通过充分改变进一步提高硬度改善耐磨和耐蚀性能。第3层可以作为工作层，进一步逐渐提高硬度，形成硬度的梯度增强趋势，使最外层硬度达到最高，最后形成了一个界面冶金结合、陶瓷颗粒逐渐增加、硬度延梯度涂层逐渐增加、外层硬度最高的具有高耐磨、高耐蚀和高强韧性的先进涂层。

三．论述题（40分，每小题20分）

1. 有一5mm 厚低碳钢材料，将被应用于高温和腐蚀环境中，请你联合应用

喷丸技术、电弧喷涂技术和激光表面溶凝技术，设计出提高其表面耐高温和耐腐蚀性能的工艺方法和表面功能层，并用图示表明设备与处理方法。

1). 材料表面的预处理

a ．除油除锈：用碱洗---水洗---酸洗---水洗---吹干

b ．喷丸技术粗化处理：粗化目的，提高材料表面的粗糙度，增加表面活性，有利于形成结合强度高的热喷涂层。用喷丸对低碳钢材料进行喷丸处理，使表面形成凹凸平面。 。

2). 电弧喷涂铝合金层。用电弧喷涂将铝合金材料喷射到钢的表面，形成20μm 喷涂层。 具体工艺参数：铝合金丝材直径 3 mm，40V ，400A ，空气压力0.7MPa ,喷枪距工件表面约200-300mm ,如图下所示:

Al2O3 具有耐高温耐腐蚀双重性能, 把电弧喷涂后的Al 涂层, 利用CO2激光, 在一定的工艺条件下在大气中进行熔化, 并使表面层铝(Al) 氧化, 形成Al2O3功能层。 如下图：激光表面溶凝处理形成Al2O3 工作层。

工艺：激光器功率为800-1000W ，光斑直径为5 mm，对喷涂层进行扫描，速度为20 mn/s。 经过上述联合处理，最后形成了Al2O3表面结构层。从而达到了工艺要求。

2. 从机械零件失效原因分析入手，论述材料表面存在的缺陷，经表面技术处理后，材料表面能获得多种应用功能层，以适应材料表面的应用工况，并提出你对材料表面技术发展和研究方面创新见解。

答案要点：从以下几个方面论述（展开）

1.

2.

3.

4.

5.

说明机械设备的失效是由个别零件失效引起，个别零件的失效从表面开始，如腐蚀、疲劳断裂、磨蚀等。 说明材料表面常见的缺陷：裂纹、应力集中、夹杂、氧化皮等，是材料失效的起因。 提出几个常见表面技术，如激光淬火、化学热处理、堆焊技术、电镀、化学镀、电刷镀技术等 经过表面技术的适当处理，表面能够形成9大功能层。如耐磨、耐蚀、抗氧化、抗疲劳、导电、导热、减磨、仿古作旧、粘结和不粘性能等以适应使用需要。 提出自己的创新见解。

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1. 非晶体的特点有

长程有序; 短程有序; 三维空间周期性排列; 有晶界;

2. 以下叙述中正确的是

HCP 表示的是体心六方晶体;

FCC 表示的是面心立方晶体;

3. 化学键不包括

离子键; 共价键; 金属键; 分子键; BCC 表示的是面心立方晶体; FCC 表示是体心立方晶体

4. 以下选项中, 不是实际表面特点的是

有吸附气体层; 有表面弛豫; 有贝尔比层; 有氧化层;

5. 以下那个是化学吸附特点

范德华力; 无选择性; 可逆; 难解吸;

6. 连铸结晶器铜合金表面失效主要形式不包括 磨损断裂热裂纹热腐蚀

7. 激光熔覆涂层技术特点不包括 基材变形小

熔覆层稀释率高环境友好型技术功率密度高

8. 连铸结晶器铜合金表面激光原位制备梯度涂层合金设计中不包括那个元素 Cr Ti Co Ni

9. 关于激光原位制备铜合金表面梯度涂层，那一项不正确

表面工作层硬度达到800Hv 以上

耐热冲击性提高

摩擦系数增加1/3 磨损量较基体减少

在线测试答案

(1)B; (2)C; (3)D; (4)B; (5)D; (6)B; (7)B; (8)B; (9)B