材料科学-材料性能与指标

材料的性能1Chapter2PropertiesofMaterials2GeneralCharactersofMaterials3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。4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2.1化学性能ChemicalPerformance5(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6金属的氧化动力学曲线常常由于发生氧化膜的开裂与剥落而偏离理论公式，并失去保护作用。氧比膜中的应力与松弛是决定氧化动力学的重要因素。生长应力与热应力10Electrochemistrycorrosion（2）电化学腐蚀simpleelectrochemicalcellcorrosioncellbetweenasteelwaterpipeandacopperfitting11ElectrochemistrycorrosionSO2气体对铁的侵蚀过程（2）电化学腐蚀12Example海水对金属的侵蚀示意图CathodicprotectionofaburiedsteelpipelineWhyMg?HowaboutCa,Al,Zn?电化学防锈——牺牲阳极法1314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？152.1.2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-metalmaterials16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。17(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18(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。2.1.3耐有机溶剂性19(3)Chemicalstabilityofpolymers•光照下形成自由基：2.1.4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+20(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21(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22——材料抵受外力作用的能力FFFFFF拉伸压缩弯折剪切2.2力学性能MechanicalProperty23拉伸强度Tensilestrength弯曲强度Flexuralstrength扭转强度Torsionalstrength抗压强度Compressionstrength冲击强度Impactstrength2.2.1材料的强度(Strength)24•应力stress•应变strain0/FA1.弹性模量：E2.强度：p、e、s、b3.塑性:k、k4.静力韧度:1.拉伸性能25Experiment样品拉伸试验应力-应变曲线(Hooke'sLaw)Eultimatetensilestrengthyieldstrength无明显屈服的塑性材料拉伸曲线树脂材料拉伸曲线27102030(%)0100200300400500600700800900(MPa)低碳钢锰钢硬铝退火球墨铸铁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290Chapter3PropertiesofMaterials30塑性材料和脆性材料力学性能比较:塑性材料断裂前有很大塑性变形抗压能力与抗拉能力相近延伸率δ5%可承受冲击载荷，适合于锻压和冷加工脆性材料断裂前变形很小抗压能力远大于抗拉能力延伸率δ5%适合于做基础构件或外壳2.扭转性能扭转试验方法：GB/T10128-1988试样：圆柱或圆管扭转性能指标WT切应力：002Ld切应变：40032/dTLG切变模量：WTpp扭转比例极限：WT3.03.0扭转屈服强度：WTbb条件抗扭强度：扭转曲线3.弯曲性能弯曲试验方法：GB/T10128-1988挠度s弯曲应力σf弯曲应变εf弯曲强度σfMNi合金(板厚45mm)焊缝弯曲无裂纹为合格例：焊接件弯曲工艺试验bbbbWM抗弯强度：62bhW矩形试样截面系数：M试样弯矩W试样抗弯界面系数b试样界面宽h试样界面高aE=tgaO1O2f1(f)低碳钢拉伸应力应变曲线D(s下)(e)BC(s上)A(p)E(b)ga(MPa)2004000.10.2O低碳钢压缩应力应变曲线4.压缩性能Ob灰铸铁的拉伸曲线b灰铸铁的压缩曲线a=45o剪应力引起断裂典型材料压缩曲线1-高塑性材料；2-低塑性材料(2)压缩断裂形式切断:碳纤维增强镁基复合材料压缩断裂正断:纵向裂纹，如陶瓷材料注意:高塑性材料压扁而不破坏(3)压缩性能指标与拉伸试验相仿：强度指标：pc、ec、sc、bc塑性指标：相对压缩率ck、相对断面扩展率ckaE=tgaO1O2f1(f)低碳钢拉伸应力应变曲线D(s下)(e)BC(s上)A(p)E(b)ga(MPa)2004000.10.2O低碳钢压缩应力应变曲线(4)材料拉伸与压缩力学行为对比塑性材料：Ob灰铸铁的拉伸曲线b灰铸铁的压缩曲线a=45o剪应力引起断裂低塑性及脆性材料：46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472.2.2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•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材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标划痕法（莫氏硬度），静压法，回跳法（肖氏硬度）48维氏硬度测量49硬度试验50各种材料的硬度特征：•由共价键结合的材料如金刚石具有很高的硬度，这是因为共价键的强度较高；•无机非金属材料有较高硬度–离子键和共价键的强度均较高；–当含有价态较高而半径较小的离子时，所形成的离子键强度较高（因静电引力较大），故材料的硬度更高。•金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。•高分子材料硬度通常较低–分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱Chapter3PropertiesofMaterials511882年德国矿物学家莫尔列出10种矿物作为硬度标准。10种矿物的硬度从高至低依次排列如下：钻石10、刚玉9、水晶8、石英7、正长石6、磷灰石5、氟石4、方解石3、石膏2、滑石1铁则约是等级5~6,人骨的莫氏硬度为3到4之间。牙釉质和牙骨质构成齿冠的外层，莫氏硬度为6～7，主要成分为羟基磷灰石。522.2.3疲劳性能——材料抵抗疲劳破坏的能力•疲劳（fatigue）：材料在循环受力（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。疲劳曲线(S-N曲线)热容（heatcapacity）热膨胀（thermalexpansion）热传导（thermalconduction）532.3热性能ThermalProperty54•定压热容Cp–晶体材料较高温度下：Cp=3R=24.9Jmol-1K-1。–极低温度下：CpT3•定容热容CVdTdQC2.3.1热容（heatcapacity）——单位质量物质升高1K所需要的热量55•膨胀系数a：温度变化1K时材料尺度的变化量。•线膨胀系数al和体积膨胀系数aV1lpllTa1VpVVTa2.3.2热膨胀thermalexpansion56Curve势能一原子间距离曲线假想的实际的热膨胀现象解释57Curve•金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小；•聚合物材料则较大。键强与热膨胀膨胀的差异——原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。58Examples•热量通量q：•热导率：表征物质热传导性能的物理量。–单位：Wm-1K-1，或calcm-1s-1K-1–1calcm-1s-1K-1=4.2102Wm-1K-12.3.3热传导（thermalconduction）——热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象dTqdx59各种材料的导热率•金属材料有很高的热导率–自由电子在热传导中担当主要角色；–金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响；–晶格振动•无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。–热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。–高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率随温度升高而增大。•半导体材料的热传导：–电子与声子的共同贡献–低温时，声子是热能传导的主要载体。–较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。•高分子材料热导率很低–热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差。60Examples铜固态401Wm-1K-110mm210mm20oC温差热导功率61导电性介电性铁电性压电性——材料被施加电场时所产生的响应行为2.4电性能ElectricalProperty622.1.3.5Elec