材料化学-材料的性能

1、Chapter3 Properties of Materials1Chapter3 Properties of Materials2General Characters of MaterialsChapter3 Properties of Materials3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。Chap

2、ter3 Properties of Materials4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稳定性3.1 化学性能化学性能Chemical PerformanceChapter3 Properties of Materials5(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

3、化反应的主要过程示意图主要过程示意图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6Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials7Electrochemistry corrosion（2）电化学腐蚀电化学腐蚀simple electrochemical cell corrosion cell between a steel water pipe and a copper fitting形成腐蚀电池的三个基本条件形成腐蚀电池的三个基本条件1） 电位差存

4、在： 不同金属或同种金属的不同区域之间存在电位差。 电位差越大，腐蚀越强烈； 较活泼的金属电位较低，成为阳极而遭受腐蚀。 2） 电解质溶液存在： 两级材料共处于相连通的电解质溶液中。3） 具有不同电位的两部分金属之间必须有导线连接或直接接触。Cathodic protection of a buried steel pipeline 电化学防锈电化学防锈牺牲阳极法牺牲阳极法牺牲阳极法是人为地构牺牲阳极法是人为地构造腐蚀电池造腐蚀电池:在金属材料上外加较活泼的金属作阳极，金属材料作为阴级，发生电化学腐蚀时阳极被腐蚀，金属材料主体则得以保护。Chapter3 Properties of Mater

5、ials10Example海水对金属的侵蚀示意图海水对金属的侵蚀示意图Chapter3 Properties of Materials11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？Chapter3 Properties of Materials123.1.2 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

6、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 materialsChapter3 Properties of Materials13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

7、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。 Chapter3 Properties of Materials14(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Chapter3 Properties of Materials15(3) Chemical st

8、ability 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

9、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。 3.1.3 耐有机溶剂性耐有机溶剂性Chapter3 Properties of Materials16(3) Chemical stability of polymers 光照下形成自由基：光照下形成自由基：3.1.4 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 CH2CCHCH2CH3hCH2CCHCH3CH-H+ 氧气的参与：氧气的参与：RH2(1) RH + OOR + OOH(2) R +

10、 OOROO ROOH+R(3) ROOH+RHRO + OH(4) RO + OH ROH + R(5) HO + RH R + H O 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）：CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2+Chapter3 Properties of Materials17(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

11、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、聚酰氨的酰氨键、聚碳酸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。 结构与结构与耐老化性耐老化性Chapter3 Properties of Materials18(3) Che

12、mical 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3.1 力学性能Mechanical Property材料抵受外力作用的能力，材料抵受外力作用的能力， 表征包括强度表征包括强度（strength)，韧性，韧性(toughness)，硬度，硬度(hardness) 等等tensile compressive bendingshear3.1.1 材料的强度(Strength)应力应力stress应变应变strain 样品拉伸

13、试验样品拉伸试验- 依据：材料受力时的形变Experiment应力应力- -应变曲线应变曲线 00100%flllyield strength ：材料选择的主要依据：材料选择的主要依据 ，E: 弹性模量弹性模量 (Youngs modulus), 反映材料的反映材料的坚硬程度（坚硬程度（stiffness)塑性变形塑性变形弹性形变弹性形变金属材料和无机非金属金属材料和无机非金属材料材料E通常较高，通常较高，典型的高分子材料典型的高分子材料E小小弾塑性变形弾塑性变形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 area0

14、0100%fAAA 5%：脆性材料脆性材料22Chapter3 Properties of MaterialsChapter3 Properties of Materials23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

15、高于纯金属；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。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 3.1.2 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） 维氏硬度（维氏硬度（Vickers hardness）材料弹性、塑性、材料弹性、塑性、强度和韧性等力学强度和

16、韧性等力学性能的综合指标性能的综合指标 维氏硬度测量维氏硬度测量布氏硬度压痕较大，布氏硬度压痕较大，测量值准，但不适用测量值准，但不适用于硬度较高的材料于硬度较高的材料洛氏硬度压痕很小，洛氏硬度压痕很小，测量值具局部性，须测量值具局部性，须测数点求平均值，适测数点求平均值，适用于成品和薄片用于成品和薄片维氏硬度适用于较大维氏硬度适用于较大工件和较深表面层的工件和较深表面层的硬度测定。硬度测定。Chapter3 Properties of Materials26硬度试验硬度试验矿物莫氏硬度 Mohs scale of hardness 表示矿物硬度的一种标准。 1812年由德国矿物学家莫斯莫斯(

17、Frederich Mohs)首先提出。 应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕，习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度。 用测得的划痕的深度分十级来表示硬度硬度：滑石(talc)1（硬度最小），石膏(gypsum)2，方解石(calcite)3，萤石(fluorite)4，磷灰石(apatite)5，正长石(feldspar;orthoclase;periclase)6，石英(quartz)7，黄玉(topaz)8，刚玉(corundum)9，金刚石(diamond)10。 硬度值并非绝对硬度值，而是按硬度的顺序表示的值。 Chapter3 Properties of Mate

18、rials27Chapter3 Properties of Materials28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