03材料的性能(1)解析

Chapter3

PropertiesofMaterials材料的性能(1)Chapter2Structureandpropertyofmaterials8/17/2024材料應(yīng)用物理性質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)一般物理性能特殊物理性能結(jié)構(gòu)材料功能材料引言1.材料結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用之間的關(guān)系8/17/20242.各類材料的一般特性化學(xué)性能、力學(xué)性能和熱性能、電性能、磁性能和光學(xué)性能8/17/2024金屬及合金：耐腐蝕性無機非金屬：耐酸耐堿性高分子：耐溶性及老化性3.1化學(xué)性能

ChemicalPerformance——材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力（O2,酸，堿，光照等）化學(xué)穩(wěn)定性各類材料的薄弱環(huán)節(jié)8/17/2024(1)Chemicalstabilityofmetalmaterials(b)氧化物成核(c)氧化膜生長內(nèi)氧化:(a)縫隙，孔洞，微裂紋(b)宏觀裂紋表面氧化：(a)吸附（1）化學(xué)銹蝕3.1.1耐腐蝕性金屬氧化反應(yīng)的主要過程示意圖8/17/2024鋼鐵的電化學(xué)侵蝕過程（2）電化學(xué)銹蝕8/17/2024Example海水對金屬的侵蝕示意圖電化學(xué)保護法示意圖8/17/2024思考：為什么有的金屬（如鋁）比較活潑，但在空氣中很穩(wěn)定？為什么在潮濕環(huán)境下金屬材料容易生銹？材料應(yīng)用中有哪些防銹方法？8/17/20243.1.2耐酸堿性——無機非金屬材料堿性氧化物耐酸材料

以酸性氧化物SiO2為主盛堿液瓶塞堿式滴定管被HF酸腐蝕耐堿材料

8/17/2024SiO2酸堿反應(yīng)8/17/2024(3)Chemicalstabilityofpolymers熱塑性高分子材料一般由線形高分子構(gòu)成，很多有機溶劑都可以將其溶解；交聯(lián)型高分子在有機溶劑中不溶解，但能溶脹，使材料體積膨脹，性能變差；3.1.3耐有機溶劑性（1）老化

高分子制品受環(huán)境的影響，發(fā)生氧化、降解及交聯(lián)反應(yīng)，破壞了原有的化學(xué)結(jié)構(gòu)和使用性能。3.1.4耐老化性——高分子材料面臨的問題（2）老化的原因——內(nèi)因：聚合物自身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及加工時引入的雜質(zhì)?！庖颍簾?、光、輻射、力、化學(xué)介質(zhì)、霉和空氣中氧及臭氧。其中最主要的是熱氧化和光氧化作用。8/17/2024如聚合物在戶外的老化：主要是光氧老化，太陽光的波長為120nm~1200nm。其中能量高的遠紫外(120nm~280nm)部分多被O3吸收，300nm~400nm近紫外進入地面。其能量足以使大多數(shù)化學(xué)鍵斷裂(鍵能250kJ·mol-1~420kJ·mol-1)。（3）老化機理:

多為自由基的鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止的三步老化機理。（4）防老化措施：添加抗氧化劑、光穩(wěn)定劑。—抗氧化劑:能有效地抑制氧化的發(fā)生。如：“位阻酚”2,6-二叔丁基對甲酚可吸收(終止)兩個自由基?！馄帘蝿耗軌蛭栈蚍瓷渥贤夤獾奈镔|(zhì)。吸收紫外光激發(fā)，通過發(fā)射較弱的熒光、磷光或熱回至基態(tài)；反射紫外光（如光鋁粉用于ABS塑料的戶外光穩(wěn)定劑）。8/17/20242.1.3.3Mechanicalproperty3.2力學(xué)性能——材料抵受外力作用的能力材料的受力示意8/17/20243.2.1材料的強度(Strength)1.定義：材料在外力作用下不發(fā)生破壞時所能承受的最大應(yīng)力。2.比強度：強度與其表觀密度的比值。比強度的意義：（1）衡量材料輕質(zhì)高強性能的一項重要指標(biāo)；

（2）高比強度，對大跨度、高建筑十分有利。3.材料的脆性和韌性(1)脆性：在外力作用下，直到破壞前無明顯的塑性變形而發(fā)生突然破壞的性質(zhì)，主要根據(jù)其抗壓強度來劃分強度等級，如混凝土、水泥、粘土磚等；(2)韌性：在外力作用下，能吸收較大能量，并產(chǎn)生較大變形而不發(fā)生破壞的性質(zhì)，稱為韌性，主要根據(jù)其抗拉強度來劃分強度等級。如鋼材、木材、橡膠等。8/17/20244.材料的彈性和塑性(1)彈性是指材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)取消外力后，能完全恢復(fù)原形狀的性質(zhì)，稱為彈性。(2)塑性（延展性）是指材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)取消外力后，仍保持變形后的形狀和尺寸的性質(zhì)，稱為塑性。延伸率

<5%：脆性材料斷面收縮率

8/17/2024應(yīng)力（stress）：材料單位面積的受力5.

材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變（strain）：材料單位長度的伸長率8/17/2024應(yīng)力-應(yīng)變曲線ultimatetensilestrengthyieldstrength

彈性極限應(yīng)力應(yīng)變E:彈性模量或楊氏模量8/17/20246.材料的強度的一般特點：很多金屬材料既有高的強度，又有良好的延展性；多晶材料的強度高于單晶材料（含有缺陷）；這是因為多晶材料中的晶界可中斷位錯的滑移，改變滑移的方向。通過控制晶粒的生長，可以達到強化材料的目的。固溶體或合金的強度高于純金屬；雜質(zhì)原子的存在對位錯運動具有牽制作用。多數(shù)無機非金屬材料延展性很差，屈服強度高。源于共價鍵的方向性8/17/20243.2.2材料的硬度（hardness)

——材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力的量度(1)布氏硬度（Brinellhardness）單位壓痕面積的壓力，符號用HB強度、彈性、塑性和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)1.硬度測試優(yōu)點：測定的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。缺點：壓痕較大，易損壞成品表面。8/17/2024(2)洛氏硬度（Rockwellhardness）壓痕深度作為洛氏硬度值的計量，符號用HR表示。HR=(K-h)/0.002優(yōu)點:是操作迅速簡便；壓痕較??；可測量較薄工件的硬度。缺點:精確性較低。8/17/2024(3)維氏硬度（Vickershardness）也是以單位壓痕面積的力作為硬度值計量。壓頭是金剛石正四棱錐體，試驗力較小。維氏硬度用符號HV表示。HV=0.189F/d2優(yōu)點:適用于較大工件和較深表面層的硬度測定。缺點:是硬度值的測定較為麻煩，因此不太適合成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗。8/17/20242.材料硬度特征：由共價鍵結(jié)合的材料如金剛石具有很高的硬度，這是因為共價鍵的強度較高；無機非金屬材料有較高硬度;離子鍵和共價鍵的強度均較高；當(dāng)含有價態(tài)較高而半徑較小的離子時，所形成的離子鍵強度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高;高分子材料硬度通常較低分子鏈之間主要以范德華力或氫鍵結(jié)合，鍵力較弱金屬材料形成固溶體或合金時可顯著提高材料的硬度;8/17/20243.2.3疲勞性能

——材料抵抗疲勞破壞的能力疲勞（fatigue）：材料在循環(huán)受力（拉伸、壓縮、彎曲、剪切等）下，在局部（某點或某些點）產(chǎn)生永久性的損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現(xiàn)象。8/17/2024S-N曲線:

以應(yīng)力為縱坐標(biāo)，以疲勞壽命為橫坐標(biāo)，則可繪出應(yīng)力和疲勞壽命間的關(guān)系曲線，此曲線稱為應(yīng)力—壽命曲線。疲勞極限：材料能經(jīng)受“無限”次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。應(yīng)力—壽命曲線(S-N曲線)S條件疲勞極限：以某一指定壽命N0

（一般為107～108）所對應(yīng)的最大應(yīng)力作為疲勞極限。8/17/20242.1.3.4Thermalproperty熱容（heatcapacity）熱膨脹（thermalexpansion）熱傳導(dǎo)（thermalconduction）3.3熱性能

ThermalProperty它們均與材料中的原子振動有關(guān)，而導(dǎo)熱性還涉及電子的能量轉(zhuǎn)移8/17/20242.1.3.4Thermalproperty3.3.1熱容（heatcapacity）——固體的熱容是原子振動在宏觀性質(zhì)上的一個最直接的表現(xiàn)。1.定義:熱容是指一定量的物質(zhì)在升高1℃的時所需要的熱量。比熱容:

單位質(zhì)量的熱容，它的單位是J·K-1·g-1

或J·K-1·kg-1。

摩爾熱容:1mol物質(zhì)的熱容，單位為J.K-1·mol-1。等壓熱容（Cp）:對于組成不變的均相體系，等壓過程中的熱容。

等容熱容（Cv）:對于組成不變的均相體系，等容過程中的熱容。固體：Cp＝Cv=Cm8/17/2024（晶格熱振動）晶格熱容固體的熱容（電子的熱運動）電子熱容2.熱容的微觀認(rèn)識注：除非在極低溫度下，電子熱容是很小的（常溫下只有晶格熱容的1％）8/17/2024典型金屬元素定壓比熱隨溫度的變化3.實際固體材料的熱容規(guī)律室溫或更高溫度下：Cp=3R=24.9J

mol-1

K-1（杜隆-珀蒂定律）極低溫度下：Cp

T3，約10K以下才能觀察到Cp隨T3變化——溫度不是太低的情況，忽略自由電子對比熱的貢獻Cv=γT+AT3γT——自由電子對比熱的貢獻AT3——晶格振動對比熱的貢獻8/17/2024CP

≈

Cv：固體的熱膨脹系數(shù)很小，說明由于溫度變化所產(chǎn)生的體積膨脹很少，從而對外作功很小，反應(yīng)為在等壓過程中吸的熱與等容過程吸的熱的差異很小，粗略地考慮，可不必區(qū)分定壓熱容還是定體熱容，而以C

m

表示晶體的摩爾熱容。振動自由度在低溫下對熱容的不貢獻性：氣體熱容具有反?，F(xiàn)象：不少氣體的振動自由度只有在溫度比較高時才有貢獻，而在低溫下不作貢獻；實驗也證實晶體的熱容有類似的反?，F(xiàn)象。8/17/2024能量均分定理討論氣體摩爾內(nèi)能，在所有的自由度都做貢獻的情況下,NA

個原子所組成的多原子分子氣體的摩爾內(nèi)能為：如果把固體類比為由NA個“原子”所組成的“大分子”，這時能量均分定理也能被用來討論固體的熱容。由于固體處于靜止?fàn)顟B(tài)，它的平動、轉(zhuǎn)動運動不必考慮，固體的摩爾內(nèi)能為：

Um=（3NA-6）

2

kT/2≈3RT4.Dulong－Petit

定律杜隆-珀蒂定律—8/17/2024烈日當(dāng)空的海邊，沙子比海水熱得多。冰凍的豬肉在水中比空氣中解凍的快。用熱水取暖。一天中沿海地區(qū)溫度變化小，內(nèi)陸溫度變化大。生活常識：物質(zhì)中熱容量最大的是水（C=4.19J／g·K)農(nóng)村在培育秧苗時，為保護秧苗夜間不致受凍，傍晚要往秧田里灌水，夜間秧田里溫度不致降的太多，秧苗不致凍壞，早晨再把水放出去，以日照使秧苗溫度高一些，有利于生長。冰箱：箱內(nèi)貯存食品過少時，由于熱容量變小，壓縮機開停時間縮短，造成冰箱累計耗電量增加。所以食品過少時，可以用幾只塑料盒盛水放進冷凍室內(nèi)。沿海和內(nèi)陸氣候變化差別8/17/20242.1.3.4Thermalproperty膨脹系數(shù)定義：溫度變化1K時材料尺度的變化率。分類：線膨脹系數(shù)

l和體積膨脹系數(shù)

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3.3.2熱膨脹（thermalexpansion）8/17/2024Curve勢能一原子間距離曲線假想的實際的熱膨脹現(xiàn)象的微觀解釋rr8/17/2024Curve金屬和無機非金屬材料的線膨脹系數(shù)較?。痪酆衔锊牧陷^大。鍵強與熱膨脹膨脹的差異——原子間的鍵合力越強，則熱膨脹系數(shù)越小。8/17/2024①概念：熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個系統(tǒng)傳到另一個系統(tǒng)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做熱傳遞。②發(fā)生的條件：溫度差。③規(guī)律：從“溫度高的”傳到“溫度低的”，直到溫度相同為止。3.3.3熱傳導(dǎo)（thermalconduction）熱傳導(dǎo)是熱傳遞的一種方式(熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射)熱量通量8/17/202