材料科学材料性能与指标.ppt
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1、材料的性能Chapter 2Properties of Materials1General Characters of Materials2本章主要内容本章主要内容材料的几类主要性能:材料的几类主要性能:化学性能化学性能力学性能力学性能热性能热性能电性能电性能磁性磁性光学性能光学性能学习目的:学习目的:了解材料的各类性能;了解材料的各类性能;学习一些材料性能的表征及测试方法;学习一些材料性能的表征及测试方法;加深理解材料结构与性能的关系。加深理解材料结构与性能的关系。3溶蚀性溶蚀性耐腐蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗渗透性抗氧化性抗氧化性材料抵抗各种介质作用的能力材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性化学
2、稳定性2.1 化学性能化学性能Chemical Performance4(1)Chemical stability of metal materials氧化物成核氧化物成核 生长生长氧溶解氧溶解氧化膜生长氧化膜生长内氧化内氧化缝隙缝隙孔洞孔洞微裂纹微裂纹宏观裂纹宏观裂纹吸附吸附(1)化学锈蚀)化学锈蚀3.1.1 耐氧化性耐氧化性金属氧化反应的金属氧化反应的主要过程示意图主要过程示意图5几种金属的表面氧化膜对比几种金属的表面氧化膜对比多孔氧化膜多孔氧化膜致密氧化膜致密氧化膜松散氧化膜松散氧化膜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
3、而偏离理论公式,并失去保护作用。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。氧比膜中的应力与松弛是决定氧化动力学的重要因素。生长应力与热应力生长应力与热应力生长应力与热应力生长应力与热应力78大家有疑问的,可以询问和交流大家有疑问的,可以询问和交流可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点910Electrochemistry corrosion(2)电化学腐蚀电化学腐蚀simple electrochemical cell corrosion cell between a steel water
4、pipe and a copper fitting11Electrochemistry corrosionSO2气体对铁的侵蚀过程气体对铁的侵蚀过程(2)电化学腐蚀电化学腐蚀12Example海水对金属的侵蚀示意图海水对金属的侵蚀示意图13Cathodic protection of a buried steel pipelineWhy Mg?How about Ca,Al,Zn?电化学防锈电化学防锈牺牲阳极法牺牲阳极法14思考:思考:为什么有的金属(如铝)比较活泼,但在为什么有的金属(如铝)比较活泼,但在空气中很稳定?空气中很稳定?为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈?为什么在潮湿环境下金属材
5、料容易生锈?材料应用中有哪些防锈方法?材料应用中有哪些防锈方法?152.1.2 耐酸碱性耐酸碱性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物SiO2为主为主耐耐碱碱材材料料 大多数金属氧化物都是碱性氧化大多数金属氧化物都是碱性氧化物,物,相应的材料相应的材料表现出较强的耐表现出较强的耐碱性,而易受酸侵蚀或溶解。碱性,而易受酸侵蚀或溶解。(2)Chemical stability of non-metal materials16金属的耐酸碱性金属的耐酸碱性主要是高温下浓碱液的腐蚀问题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,可以降低材料成镍铬铸铁中加入稀土,降低镍含量,可以降低材
6、料成本,又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。本,又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。耐蚀机理:耐蚀机理:碱蚀后稀土高镍铬铸铁碱蚀后稀土高镍铬铸铁表面生成完整、致密的表面生成完整、致密的-(Fe,Cr)2O3氧化膜和氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附着物,等附着物,使材料本体受到保护。使材料本体受到保护。17(3)Chemical stability of polymers化学稳定性好,耐酸耐碱化学稳定性好,耐酸耐碱高分子材料:高分子材料:主链原子以共价键结合主链原子以共价键结合 长分子链对反应基团的保护长分子链对反应基团的保护 电绝缘性,无电化学腐蚀电绝缘性,无电化学腐蚀18(3)Chemica
7、l stability of polymers金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能;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;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;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;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。组织结构对耐溶
8、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。溶,因而具有很好的耐溶剂性。2.1.3 耐有机溶剂性耐有机溶剂性19(3)Chemical stability of polymers光照下形成自由基:光照下形成自由基:2.1.4 耐老化性耐老化性高分子材料面临的问题高分子材料面临的问题 氧气的参与:氧气的参与:自由基形成后导致自由基形成后导致链的断裂(降解):链的断裂(降解):20(3)Chemical stability of polymers羰基容易吸收紫外光,因此含羰基的聚合物在太阳光羰
9、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。照射下容易被氧化降解。聚四氟乙烯有极好的耐老化性能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。包围住。分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的酰氨键酰氨键酰氨键酰氨键、聚碳酸、聚碳酸酯的酯键、聚砜的碳硫键、聚苯醚的苯环上的甲基等酯的酯键、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。等,都会降低高分子材料的耐老化性。结构与结构与耐
10、老化性耐老化性21(3)Chemical stability of polymers改进聚合物分子结构改进聚合物分子结构加入适当助剂加入适当助剂抗氧化剂抗氧化剂 光屏蔽剂光屏蔽剂 紫外线吸收剂紫外线吸收剂 淬灭剂淬灭剂 耐老化性耐老化性的提高的提高22材料抵受外力作用的能力材料抵受外力作用的能力2.2 力学性能Mechanical Property23 拉伸强度拉伸强度Tensile strength 弯曲强度弯曲强度 Flexural strength 扭转强度扭转强度Torsional strength 抗压强度抗压强度 Compression strength 冲击强度冲击强度 Impa
11、ct strength2.2.1 材料的强度(Strength)24应力应力stress应变应变strain 1.1.弹性模量:弹性模量:E E2.2.强度:强度:p、e、s、b3.3.塑性塑性:k k、k k4.4.静力韧度静力韧度:1.拉伸性能拉伸性能25Experiment样品拉伸试验样品拉伸试验应力应力-应变曲线应变曲线 ultimate tensile strength yield strength 26无明显屈服的塑性材料拉伸曲线无明显屈服的塑性材料拉伸曲线树脂材料拉伸曲线树脂材料拉伸曲线27102030(%)0100200300400500600700800900(MPa)低碳钢
12、低碳钢锰钢锰钢硬铝硬铝退火球墨铸铁退火球墨铸铁2829延展性或塑性的表征延展性或塑性的表征延伸率延伸率 elongation断面收缩率断面收缩率 reduction of area 5%5%可承受冲击载荷,适合于可承受冲击载荷,适合于锻压和冷加工锻压和冷加工脆性材料脆性材料断裂前变形很小断裂前变形很小抗压能力远大于抗拉能力抗压能力远大于抗拉能力延伸率延伸率 5%5%适合于做基础构件或外壳适合于做基础构件或外壳312.扭转性能扭转性能扭转试验方法:GB/T 10128-1988GB/T 10128-1988试样:圆柱或圆管32扭转性能指标扭转曲线353.弯曲性能弯曲性能弯曲试验方法:GB/T 1
13、0128-1988GB/T 10128-1988挠度s 弯曲应力f弯曲应变f 弯曲强度fM3637NiNi合金合金(板厚板厚45mm)45mm)焊缝弯曲无裂纹焊缝弯曲无裂纹为合格为合格 例:焊接件弯曲工艺试验38M 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a aE=tga aO1O2f1(f)低碳钢拉伸应低碳钢拉伸应力应变曲线力应变曲线D(s下下)(e)BC(s上上)A(p)E(b)g (MPa)200400 0.10.2O低碳钢压缩应低碳钢压缩应力应变曲线力应变曲线4.4.压缩性能压缩性能40 e eO b灰铸铁的灰铸铁的拉伸曲线拉伸曲线 b灰铸铁的灰铸铁的压缩曲线压缩曲线
14、=45o剪应力引起剪应力引起断裂断裂41典型材料压缩曲线典型材料压缩曲线1-1-高塑性材料;高塑性材料;2-2-低塑性材料低塑性材料(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43(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cka aE=tga aO1O2f1(f)低碳钢拉伸应低碳钢拉伸应力应变曲线力应变曲线D(s下下)(e)BC(s上上)A(p)E(b)g (MPa)200400 0.10.2O低碳钢压缩应低碳钢压缩应力应变曲线力应变曲线(4)材料拉伸与压缩力学行为对
15、比塑性材料:45 e eO b灰铸铁的灰铸铁的拉伸曲线拉伸曲线 b灰铸铁的灰铸铁的压缩曲线压缩曲线 =45o剪应力引起剪应力引起断裂断裂低塑性及脆性材料:46材料的一些力学性能特点: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;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;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移的方向。通过控制晶粒的生长,可以达到强化材料的目的。目的。固溶体或合金的强度高于纯金属;固溶体或合金的强
16、度高于纯金属;杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。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。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源于共价键的方向性 472.2.2 材料的硬度(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局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度布氏硬度(布氏硬度(Brinell hardness)洛氏硬度(洛氏硬度(Rockwell hardness)HR=(K-h)/0.002维氏硬度(维氏硬度(Vickers hardness)HV=0.189F/d2 材料弹性、塑性、材料弹性、塑性、强度
17、和韧性等力学强度和韧性等力学性能的综合指标性能的综合指标 划痕法(莫氏硬度),静压法,回跳法(肖氏硬度)划痕法(莫氏硬度),静压法,回跳法(肖氏硬度)划痕法(莫氏硬度),静压法,回跳法(肖氏硬度)划痕法(莫氏硬度),静压法,回跳法(肖氏硬度)48维氏硬度测量维氏硬度测量49硬度试验硬度试验50各种材料的硬度特征: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;是因为共价键的强度较高;无机非金属材料有较高硬度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;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
18、离子时,所形成的离子键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。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金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。度。高分子材料硬度通常较低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,键力较弱分子链之间主要以范德华力或氢键结合,键力较弱511882年德国矿物学家莫尔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 铁铁铁铁
19、 则约是等级则约是等级则约是等级则约是等级56,56,人骨人骨人骨人骨的莫氏硬度为3到4之间。牙釉质和牙骨质构成齿冠的外层齿冠的外层齿冠的外层齿冠的外层,莫氏硬度为67,主要成分为羟基磷灰石。522.2.3 疲劳性能疲劳性能材料抵抗疲劳破坏的能力材料抵抗疲劳破坏的能力疲劳(疲劳(fatigue):材料在循环受力(拉伸、压缩、弯曲、):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。全断裂的现象。疲
20、劳曲线疲劳曲线(S-N曲线曲线)53热容(热容(heat capacity)热膨胀(热膨胀(thermal expansion)热传导(热传导(thermal conduction)2.3 热性能热性能Thermal Property54定压热容定压热容Cp晶体材料较高温度下:晶体材料较高温度下:Cp=3R=24.9 J mol-1 K-1。极低温度下:极低温度下:Cp T3定容热容定容热容CV2.3.1 热容(heat capacity)单位质量物质升高1K所需要的热量55膨胀系数膨胀系数:温度变化温度变化1K时材料尺度的变化量。时材料尺度的变化量。线膨胀系数线膨胀系数 l和体积膨胀系数和体
21、积膨胀系数 V 2.3.2 热膨胀thermal expansion56Curve势能一原子间距离曲线势能一原子间距离曲线假想的假想的实际的实际的热膨胀现象解释热膨胀现象解释57Curve金属和无机非金属材金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小;料的线膨胀系数较小;聚合物材料则较大。聚合物材料则较大。键强与热膨胀键强与热膨胀膨胀的差异膨胀的差异原子间的键合力越强,则热膨胀系数越小原子间的键合力越强,则热膨胀系数越小。58Examples热量通量热量通量q:热导率热导率:表征物质热传导性能的物理量。:表征物质热传导性能的物理量。单位:单位:W m-1 K-1,或,或 cal cm-1 s-1 K-
22、11 cal cm-1 s-1 K-1=4.2 102 W m-1 K-1 2.3.3 热热传导(传导(thermal conduction)热量从系统的一部分传到另一部分或由一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个系统传到另一个系统的现象59各种材料的导热率各种材料的导热率金属材料有很高的热导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;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;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;晶格振动晶格振动无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。无机陶瓷或其它绝缘材料热导率
23、较低。热传导依赖于晶格振动(声子)的转播。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。随温度升高而增大。半导体材料的热传导:半导体材料的热传导:电子与声子的共同贡献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。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。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。热传导是靠分子链节及链
24、段运动的传递,其对能量传递的效果较差。60Examples铜固态401 W m-1 K-110mm2 10mm 20oC 温差热导功率温差热导功率 61导电性导电性介电性介电性铁电性铁电性压电性压电性 材料被施加电场时所产生的响应行为材料被施加电场时所产生的响应行为2.4 电性能Electrical Property622.1.3.5 Electrical property2.4.1 导电性能导电性能Electrical Conductivity金属:导体、半导体(半导体金属砷、碲等)金属:导体、半导体(半导体金属砷、碲等)陶瓷:绝缘体、半导体陶瓷:绝缘体、半导体高分子材料:绝缘体、半导体、导
25、体高分子材料:绝缘体、半导体、导体其它:硅、锗(半导体),石墨(导体)其它:硅、锗(半导体),石墨(导体)632.1.3.5 Electrical property电阻:电阻:电阻率:电阻率:电导率:电导率:=1/=nZe 要增加材料的导电性,关键是增大单位体积内载流子的数目要增加材料的导电性,关键是增大单位体积内载流子的数目(n)和使载流子更易于流动(增大)和使载流子更易于流动(增大 值)值)。铜59.6E6 S/m 1.5方?米/欧银 100 铜 99 金 74 铝 61 锌 27 铁 17 铅 7.9642.1.3.5 Electrical property能带理论(能带理论(Band
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