第3章材料化学

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1Chapter3PropertiesofMaterials材料的性能Chapter2Structureandpropertyofmaterials22.1.3Propertyofmaterials各类材料的一般特性GeneralCharactersofMaterials三大材料的一般特点:金属材料:①在常温下一般为固体(汞例外)。②熔点一般较高,(Sn(232℃)、Pb(327℃)、Zn(420℃)、Al(659℃)③密度一般都较大,(Mg、Al密度为3g/m3以下)④呈现固有的金属光泽;⑤纯金属的延展性较大⑥因自由电子是能量的载流子,所以导热性和导电性好,特别是Ag、Cu、Al等尤为明显;⑦多数金属在空气中易被氧化;⑧合金的性质取决于母相金属的性质和合金的组成,一般合金较硬、较脆,延展性变小、导电性也变小。无机非金属材料:①与金属不同,自由电子的数目少,因此导电性和导热性均小,除离子化者外,在常温下是电的绝缘体,但在高温下表现出导电性;②由于共价键键合力强,质坚硬,抗压强度虽高,但抗拉强度却小,且呈脆性;③材料的熔点都较高,耐热性好,且化学稳定性较强,但二水石膏在120℃发生热解,氧化硅系统的结晶质矿物(长石、石英等)在较低温度(560-570℃)发生相变,表现出剧烈的膨胀,耐热性较差,石灰石在900℃发生热分解。高分子材料的特性为:①随聚合度增大,熔融状态时的粘度增大,固态时的强度增大;②有热塑性树脂(加热时软化,温度降低时凝固,可反复进行)和热固性树脂(加热时发生反应固化,且不熔不溶)之分;③具有较高的比强度(强度除以材料的密度所得到的比值);④一般耐水性和耐化学试剂侵蚀性较优良;⑤耐热性、耐老化性较差,易蠕变,热膨胀率大;⑥易燃烧,有的会产生有害气体。6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。72.1.3.2Chemicalperformance溶蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗氧化性3.1化学性能ChemicalPerformance——材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性材料对外界接触物的耐受性8材料氧化腐蚀耐酸碱性材料无机非金属材料高分子材料金属材料不同材料的化学性能特点有所不同耐有机溶剂性耐老化性金属化学特性:易失去电子被氧化(多数为锈蚀)。锈蚀的破坏作用:钢材锈蚀1%,它的强度就要降低5%—10%常识:钢材在干燥空气中不易生锈,在潮湿空气(尤其是在海水中)很容易生锈。3.1.1耐氧化性金属腐蚀金属被腐蚀后缩短金属设备的使用寿命,甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故.美国1975年因金属腐蚀造成的经济损失为700亿美元,占当年国民经济生产总值的4.2%.据统计,每年由于金属腐蚀造成的钢铁损失约占当年钢产量的10~20%.金属腐蚀事故引起的停产、停电等间接损失就更无法计算.锈蚀机理:一、化学锈蚀:金属与非电解质相接触时,介质中的分子被金属表面所吸附,并分解为原子,然后与金属原子化合,生产锈蚀产物。如:在空气中的金属首先吸附氧分子,然后发生氧化还原反应形成金属氧化物,氧化物成核、生长并形成氧化膜。氧化膜很致密时,氧分子不能穿过氧化膜,阻止了金属的进一步氧化(如金属铝),在材料设计中,利用致密氧化膜的保护特性,以改善材料的耐氧化腐蚀性能。应用:在钢中加入对氧的亲和力比铁强的Cr、Si、Al等,形成致密的Cr2O3、SiO2、Al2O3等保护膜,从而提高了钢的高温抗腐蚀性能。6/3/20208:20:02PM116/3/20208:20:02PM12(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)化学锈蚀金属氧化反应的主要过程示意图1有电位差存在(不同金属或者同种金属的不同区域之间2有电解质溶液(两极材料共处于相连通的电解质溶液中)。潮湿的空气溶解了SO2等酸性气体并吸附在金属表面形成水膜,即可构成电解质溶液。3具有不同点位的两部分金属之间必须有导线或者直接接触二、电化学锈蚀:原理:金属原电池原理,当两种金属材料在电解质溶液中构成原电池时,作为原电池负极的金属就会锈蚀。形成腐蚀电池(原电池)三个基本条件:范围:金属在潮湿空气中的大气锈蚀,在酸、碱、盐溶液和海水中发生的锈蚀,在地下土壤中的锈蚀,在不同金属接触处的锈蚀均属于电化学锈蚀。6/3/20208:20:02PM14ElectrochemistrycorrosionSO2气体对铁的侵蚀过程电化学腐蚀由于空气中不可避免地存在着水蒸气、酸性气体,所以电化学腐蚀要比化学腐蚀更普遍,危害性也更大。为了防止金属发生电化学腐蚀,可以通过抑制以上三个条件的任意一个条件。用途:方法一、在金属涂料底漆中加入具有表面活性的缓蚀剂,借助其界面吸附作用可将金属表面上吸附的水置换出来。此外,底漆中的水分可被缓蚀剂的胶粒或界面膜稳定在油中,使其不能与金属接触。方法二、牺牲阳极法保护金属则是人为地构造腐蚀电池。通过在金属材料上外加较活泼的金属作为阳极,金属材料作阴极,而使阴极的金属材料得以被保护。6/3/20208:20:02PM16Example海水对金属的侵蚀示意图6/3/20208:20:02PM17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?无机非金属材料:除了金刚石、石墨、单质硅等少数为单质外,大多数为化合物,价态较稳定,不易发生氧化还原反应,但是由于这些化合物大多具有一定的酸性或碱性,在接触酸碱时可能会被腐蚀。3.1.2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。6/3/20208:20:02PM19如:1、酸性氧化物(如SiO2)腐蚀机理:SiO2+2NaOHNa2CO3+H2O或SiO2+4HFSiF4↑+2H2OSiF4+2HFH2[SiF6]用途?盛碱液的玻璃瓶不能用玻璃盖;酸碱滴定管的构造。2、碱性氧化物(大多数金属氧化物)。当材料中含有大量的碱性氧化物时表现出较强的耐碱性,而易受酸侵蚀或溶解。6/3/20208:20:02PM20金属的耐酸碱性•主要是高温下浓碱液的腐蚀问题(氯碱工业中)•例如碳钢在室温的碱性溶液是耐蚀的,但在高温浓碱溶液中不耐蚀•高镍铸铁耐蚀性较好•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。6/3/20208:20:02PM21(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6/3/20208:20:02PM22(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6/3/20208:20:02PM23(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。在太阳照射下容易老化,导致性状发生变化(黄变)、力学性能下降。CH2CCHCH2CH3hCH2CCHCH3CH-H+•氧气参与光降解过程: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+光化学降解反应6/3/20208:20:02PM24(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。耐老化性:聚四氟乙烯聚乙烯聚丙烯•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6/3/20208:20:02PM25(3)Chemicalstabilityofpolymers•改进聚合物分子结构•加入适当助剂–抗氧化剂–光稳定剂光屏蔽剂:在聚合物与光辐射源之间起一屏蔽作用的物质。如聚乙烯的铝粉涂层、分散于橡胶中的炭黑紫外线吸收剂:吸收并消除能引发聚合物降解的紫外线辐射。淬灭剂:消散聚合物分子上的激发态的能量。耐老化性的提高耐老化性测试•耐老化性测试通常模拟太阳光辐射条件,把测试样品放在老化试验箱中,辐照一定时间后观察性能变化。•辐射光源:氙灯、紫外线灯•测试性能:外观(颜色)、力学性能6/3/20208:20:02PM266/3/20208:20:02PM272.1.3.3Mechanicalproperty3.2力学性能MechanicalProperty——材料抵受外力作用的能力FFFFFF拉伸压缩弯折剪切6/3/20208:20:02PM282.1.3.3Mechanicalproperty•应力stress(材料所受的力,等于样品在单位横截面积上所承受的负荷)•应变strain(材料受力发生的形变,等于样品受力时的相对长度变化)3.2.1材料的强度(Strength)0/FA00()/lll物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。――材料所能承受的极限应力.金属的弹性、塑性及强度一般是通过金属拉伸试验来测定。将光滑试样装夹在拉伸试验机上,沿试样轴向以一定速度施加载荷,使其发生拉伸变形直至断裂。2020/6/3拉伸试验机样品拉伸试验6/3/20208:20:02PM30Experiment应力-应变曲线(Hooke'sLaw)Eultimatetensilestrengthyieldstrength若将纵坐标以应力(=F/A0,A0为试样原始截面积)表示,横坐标以应变表示,则这时的曲线与试样的尺寸无关,称为应力一应变曲线(一曲线)。6/3/20208:20:02PM31低碳钢铸铁32曲线分为四阶段:1.阶段I(oab段)―弹性变形阶段a:Ppb:Pe(不产生永久变形的最大抗力)oa段:△L∝P直线阶段ab段:极微量塑性变形(0.001--0.005%)2.阶段II(bcd段)―塑性变形c:屈服点Ps屈服现象:金属材料开始产生明显塑性变形的标志。拉伸机上,低碳钢缓慢加载单向静载拉伸曲线333.阶段III(dB段)―均匀塑性变形阶段B:Pb材料所能承受的最大载荷4.阶段IV(BK段)―不均匀塑性变形1.低C钢、正火、退火调质中C钢,低、中C合金钢、某些Al合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。2.铸铁、陶瓷:只有第I阶段3.中、高碳钢:没有第II阶段颈缩拉伸机上,低碳钢缓慢加载单向静载拉伸曲线形成颈缩,应力达到K点,试样断裂341.低C钢、正火、退火调质中C钢,低、中C合金钢某些Al合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。2.铸铁、陶瓷:只有第I阶段3.

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