第三章PropertiesofMaterials材料的性能.

材料的性能Chapter3PropertiesofMaterials1Chapter3PropertiesofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials2GeneralCharactersofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials3本章主要内容材料的几类主要性能：化学性能力学性能热性能电性能磁性光学性能学习目的：1.了解材料的各类性能；2.学习一些材料性能的表征及测试方法；3.加深理解材料结构与性能的关系。Chapter3PropertiesofMaterials4溶蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗氧化性——材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性3.1化学性能ChemicalPerformanceChapter3PropertiesofMaterials5(1)Chemicalstabilityofmetalmaterials氧化物成核生长氧溶解氧化膜生长内氧化缝隙孔洞微裂纹宏观裂纹吸附（1）化学锈蚀3.1.1耐氧化性金属氧化反应的主要过程示意图Chapter3PropertiesofMaterials6Chapter3PropertiesofMaterials7Chapter3PropertiesofMaterials8几种金属的表面氧化膜对比多孔氧化膜致密氧化膜松散氧化膜9Chapter3PropertiesofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials10Electrochemistrycorrosion（2）电化学腐蚀simpleelectrochemicalcellcorrosioncellbetweenasteelwaterpipeandacopperfittingChapter3PropertiesofMaterials11ElectrochemistrycorrosionSO2气体对铁的侵蚀过程（2）电化学腐蚀Chapter3PropertiesofMaterials12Example海水对金属的侵蚀示意图Cathodicprotectionofaburiedsteelpipeline电化学防锈——牺牲阳极法13Chapter3PropertiesofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials14Chapter3PropertiesofMaterials15Chapter3PropertiesofMaterials16Chapter3PropertiesofMaterials17Chapter3PropertiesofMaterials18Chapter3PropertiesofMaterials19Chapter3PropertiesofMaterials20思考：•为什么有的金属（如铝）比较活泼，但在空气中很稳定？•为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？•材料应用中有哪些防锈方法？Chapter3PropertiesofMaterials213.1.2耐酸碱性耐酸材料以酸性氧化物SiO2为主耐碱材料大多数金属氧化物都是碱性氧化物，相应的材料表现出较强的耐碱性，而易受酸侵蚀或溶解。(2)Chemicalstabilityofnon-metalmaterialsChapter3PropertiesofMaterials22金属的耐酸碱性•主要是高温下浓碱液的腐蚀问题•镍铬铸铁中加入稀土，降低镍含量，可以降低材料成本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。耐蚀机理：碱蚀后稀土高镍铬铸铁表面生成完整、致密的-(Fe,Cr)2O3氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附着物，使材料本体受到保护。Chapter3PropertiesofMaterials23(3)Chemicalstabilityofpolymers化学稳定性好，耐酸耐碱高分子材料：•主链原子以共价键结合•长分子链对反应基团的保护•电绝缘性，无电化学腐蚀Chapter3PropertiesofMaterials24(3)Chemicalstabilityofpolymers•金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能；•热塑性高分子材料一般由线形高分子构成，很多有机溶剂都可以将其溶解；•交联型高分子在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材料体积膨胀，性能变差；•不同的高分子材料，其分子链以及侧基不同，对各种有机溶剂表现出不同的耐受性；•组织结构对耐溶剂性也有较大影响。–例如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在大多数有机溶剂中都难溶，因而具有很好的耐溶剂性。3.1.3耐有机溶剂性Chapter3PropertiesofMaterials25(3)Chemicalstabilityofpolymers•光照下形成自由基：3.1.4耐老化性——高分子材料面临的问题CH2CCHCH2CH3hCH2CCHCH3CH-H+•氧气的参与：RH2(1)RH+OOR+OOH(2)R+OOROOROOH+R(3)ROOH+RHRO+OH(4)RO+OHROH+R(5)HO+RHR+HO－－－－－－－•自由基形成后导致链的断裂（降解）：CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2+Chapter3PropertiesofMaterials26(3)Chemicalstabilityofpolymers•羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太阳光照射下容易被氧化降解。•聚四氟乙烯有极好的耐老化性能–氟原子与碳原子形成牢固的化学键；–氟原子的尺寸大小适中，一个紧挨一个，能把碳链紧紧包围住。•分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的酰氨键、聚碳酸酯的酯键、聚砜的碳硫键、聚苯醚的苯环上的甲基等等，都会降低高分子材料的耐老化性。结构与耐老化性Chapter3PropertiesofMaterials27(3)Chemicalstabilityofpolymers•改进聚合物分子结构•加入适当助剂–抗氧化剂–光屏蔽剂–紫外线吸收剂–淬灭剂耐老化性的提高•在介绍应力-应变曲线的基础上，介绍材料的弹性变形、塑性变形、高温蠕变及其它力学性能的理论描述、产生的原因、影响因素。从断裂的现象和产生、断裂力学的原理出发，通过理论结合强度、应力场的分析，阐述断裂的判据，应力场强度因子、平面应变断裂韧性、延性断裂、脆性断裂、沿晶断裂、静态疲劳的概念，并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径。Chapter3PropertiesofMaterials283.2力学性能MechanicalProperty•人类最早学会利用的材料性质便是力学性质，如石器时代利用天然岩石的强度和硬度：青铜器时代利用铜的高塑性和高强度及加工硬化性能；而在铁器时代更是利用Fe-C合金的高强度、硬度和塑性。尽管如此，人类真正认识和开始系统地理解材料的力学性质起始于19世纪中叶，人们利用金相显微镜对材料细微组织进行了研究。在我们身边注意到的经验是金属具有延展性，陶瓷硬而脆，橡胶具有很大的弹性形变，如此等等。图1-1比较了金属、陶瓷和高分子力学性质。迥然不同的力学行为是由其基本结构决定的。金属与陶瓷材料的晶体结构(包括键合类型)、缺陷(主要是位错)是理解和描述其力学性质的核心概念；而在高分子材料中，却是分子链的构形，交联与缠结起了关键的作用。本章我们将研究这些概念如何使强度、塑性、断裂和高温行为得以定性和定量描述和理解。Chapter3PropertiesofMaterials29Chapter3PropertiesofMaterials30图1-1工程材料的金属、陶瓷和聚合物重要力学性能Chapter3PropertiesofMaterials31——材料抵受外力作用的能力FFFFFF拉伸压缩弯折剪切Chapter3PropertiesofMaterials32•应力stress•应变strain拉伸强度弯曲强度冲击强度0/FA00()/lll3.2.1材料的强度(Strength)Chapter3PropertiesofMaterials33Experiment样品拉伸试验应力-应变曲线(Hooke'sLaw)EultimatetensilestrengthyieldstrengthChapter3PropertiesofMaterials34J.AM.CHEM.SOC.2004,126,10226-10227延展性或塑性的表征•延伸率elongation•断面收缩率reductionofarea00100%flll00100%fAAA5%：脆性材料35Chapter3PropertiesofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials36材料的一些力学性能特点：•很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性；•多晶材料的强度高于单晶材料；–这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑移的方向。通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的。•固溶体或合金的强度高于纯金属；–杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。•多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高。–源于共价键的方向性Chapter3PropertiesofMaterials37102030(%)0100200300400500600700800900(MPa)低碳钢锰钢硬铝退火球墨铸铁•硬度是材料的一种重要力学性能,但在实际应用中由于测量方法不同,测得的硬度所代表的材料性能也各异。•例如金属材料常用的硬度测量方法是在静荷载下将一种硬的物体压入材料,这样测得的硬度主要反应材料抵抗塑性形变的能力,而陶瓷、矿物材料使用的划痕硬度却反映材料抵抗破坏的能力。•所以硬度没有统一的定义,各种硬度单位也不同,彼此间没有固定的换算关系。Chapter3PropertiesofMaterials383.2.2材料的硬度（hardness)——材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标39锤击法---（锤击）布氏硬度压入法刻划法动态压入静态压入回跳法---肖氏硬度球体压入锥体压入布氏硬度洛氏硬度维氏硬度显微硬度莫氏硬度顺序法锉刀法硬度试验方法Chapter3PropertiesofMaterials40•布氏硬度（Brinellhardness）•洛氏硬度（Rockwellhardness）HR=(K-h)/0.002•维氏硬度（Vickershardness）HV=0.189F/d222(/2)()iFDDDD用静载压入的硬度试验法种类很多,常用布氏硬度、维氏硬度及洛氏硬度,这些方法的原理都是将一硬的物体在静载下压入被测物体表面,表面上被压入一凹面,以凹面单位面积上的荷载表示被测物体的硬度。图1-61为几种常用硬度的原理及计算方法。41二、硬度试验方法1．布氏硬度淬火钢球或硬质合金球D(mm)压入试样表面测量圆形压痕d,圆形压痕表面积SBrinell,1900年42(1)布氏硬度HB：)(222dDDDFSFHB淬火钢球：HBS450硬质合金球：HBW=450~650。43(2)HB表示方法：数字+硬度符号+数字/数字/数字↓↓↓↓↓硬度值(HBW或HBS)钢球直径载荷定时280HBS10/3000/30；50HBW5/750。442/sinDd(3)压痕几何相似原理2/sin11(222DFHB两个条件：1.φ为常数；2.F/D2为常数φ=28~74od=（0.24~0.6）D45①优点：压痕面积大→反映较大区域内各组成相的平均性能；适合灰铸铁、轴承合金等测量。压痕面积较大→试验数据稳定，重复性高。②缺点：压痕直径大→不宜在成品件上直接进行检验；硬度不同→更换压头直径D和载荷F；压痕直径的测量也比较麻烦。(4)布氏硬度的优缺点：462．洛氏硬度（1