第四章 材料的性能

金属氧化反应的 主要过程示意图
缝隙 孔洞 微裂纹
宏观裂纹
5
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
（2）电化学腐蚀
Electrochemistry corrosion
simple electrochemical cell
corrosion cell between a steel water pipe and a copper fitting
33
延展性或塑性的表征
• 延伸率 elongation
< 5%：
脆性材料

l f l0 l0
wk.baidu.com00%
• 断面收缩率 reduction of area

A0 A f A0 100%
34
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；
3
4.1 化学性能 Chemical Performance
——材料抵抗各种介质作用的能力 溶蚀性 耐腐蚀性 抗渗透性 抗氧化性
4
化学稳定性
4.1.1 耐氧化性 （1）化学锈蚀
吸附
氧化物成核 生长 氧溶解 氧化膜生长 内氧化
(1) Chemical stability of metal materials
拉伸强度
弯曲强度
冲击强度 • 应力stress 样品在单位横截面积上所承受的负荷
F / A0
• 应变strain
样品原始截面积
( l l0 ) / l 0
变形后长度
原始标距长度
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下图为样品拉伸试验示意图，该装置可以测量 材料的应变随应力的变化情况，测量时，施加恒 定而缓慢的拉力。可以得到应力-应变曲线
• 压头有两种：
– 120°圆锥金刚石； – 淬火钢球，d=1.588mm
d=3.175mm。
• 加载方式为两步加载：
– 初载P0； –主载P1； 卸去主载P1后，实际压入深度为e， 为了适应数值越大硬度越高的概念，人为规定一常数k，则：
k e HR 0.002
对金刚石压头，k=0.2；
对淬火钢球压头， k=0.26
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弹性变形 的来源
原子间距离的小量改变或 原子间化学键的有限拉伸
不同材料具有不同的弹性模量 ——金属材料具有较高的弹性模量，如不锈钢 为204GPa，钨为407GPa ——无机非金属材料的杨氏模量通常也较高， 如玻璃为120GPa ——典型高分子材料的弹性模量为2，弹性较 差，但一些合成纤维有较高的杨氏模量。
Ps s A0
屈服极限：σs ；
条件屈服强度：
σ0.2
屈服强度是工程技术上最重要的力学性能指标之一：
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作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选 材依据； 根据屈强比（σ s /σ b）的大小，衡量进一步塑性变形的倾 向，作为金属材料冷变形加工的参考依据。 根据使用条件下要求不同，规定条件屈服强度，如一般机 器结构件用 为屈服强度；高压窗口用的坚固螺栓采用 或 。
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高分子材料：
化学稳定性好，耐酸耐碱
(3) Chemical stability of polymers
• 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
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4.1.3 耐有机溶剂性
(3) Chemical 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； • 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。
0.2
0.01
0.001
陶瓷材料不存在屈服；
高分子材料把其应力应变曲线上刚开始屈服降落的应力定 义为屈服强度。
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抗拉强度
抗拉强度试样在拉断过程中最大实验力所对应 的名义应力： Fb b A0
σ b 是重要的力学性能指标之一，表征材料在承受拉伸 载荷时的实际承载能力。 其重要性表现在： • 对高分子、陶瓷材料，是产品设计的重要依据； • 对变形要求不高的金属材料，有时为减轻重量，也可作为强 度设计的依据； • 易于测定，被广泛用作产品规格说明和质量控制指标；
e 1 ae e e 2 2E
2
• 提高弹性极限（相当于提 高弹性模量）；
• 提高弹性应变（相当于 降低弹性模量。
数值上等于应力应变曲线 弹性区以下所包围的面积。
30
屈服极限
材料的屈服极限（Yield limit）定义为应 力-应变曲线上屈服平台的应力。表示材料开始 发生明显塑性变形的抗力
压痕面积大
•
优点 – 硬度值能反映材料在较大区域内各组成相的平均性； – 试验数据稳定，重复性高。
•
缺点 – 不宜在成品件上直接进行检验； – 硬度不同的材料需要更换压头直径D 和载荷F；
– 压痕直径的测量较麻烦。
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洛氏硬度（Rockwell Hardness）
• 原理:用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm的 淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸 载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出 硬度值。
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三个条件 ① 存在电位差
② 有电解质溶液
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
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（2）电化学腐蚀
Electrochemistry corrosion
SO2气体对铁的侵蚀过程
9
Example
海水对金属的侵蚀示意图
10
电化学防锈——牺牲阳极法
Cathodic protection of a buried steel pipeline
–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
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(MPa)
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 锰钢 硬铝 低碳钢
退火球墨铸铁
(%)
10 20 30
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4.2.2 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
材料弹性、塑性、 强度和韧性等力学 性能的综合指标
F ( / 2) D ( D D 2 Di2 )
• 布氏硬度（Brinell hardness）

• 洛氏硬度（Rockwell hardness） HR=(K-h)/0.002 • 维氏硬度（Vickers hardness） HV=0.189F/d2
样品拉伸试验
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下图就是典型的应力-应变曲线。不同力学性能 的材料，其应力-应变曲线也有所不同，曲线A对 应于韧性较大的材料，曲线B对应于韧性较小的 材料。
ultimate tensile strength yield strength
Experiment
E
(Hooke's Law)
应力-应变曲线
可直接计数
41
洛氏硬度标尺
42
• 优点 –操作简便、迅速； –压痕小，可对工件直接检验； –硬度测试范围大。 • 缺点 –分散性大，重复性差； –不同标尺的硬度值既不能直接比较，也不能互相换算。
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弹性极限σe（Elastic limit）－材料发生可逆的弹性变形的上限
应力值。应力超过此值，则材料开始发生塑性变形
Pe e A0
对工作条件不允许产生微量塑性变形的零件，其设 计或选材的依据应是弹性极限。
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弹性比功
单位体积材料在塑性变形前（弹性变形过程中）吸收 的最大弹性变形功称为弹性比功。
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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？
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4.1.2 耐酸碱性
(2) Chemical stability of non-metal materials
耐酸材料
以酸性氧化物SiO2为主
耐 碱 材 大多数金属氧化物都是碱性氧化物， 料
Chapter 4 Properties of Materials
材料的性能
1
General Characters of Materials
2
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。
相应的材料表现出较强的耐碱性， 而易受酸侵蚀或溶解。
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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。
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耐老化性的提高
(3) Chemical stability of polymers
• 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
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抗氧化剂：提高高分子的抗氧化能力 光屏蔽剂：在聚合物与光辐射源之间 起屏障作用的物质。如：聚乙烯的铝 粉涂层及分散于橡胶中的炭黑 紫外线吸收剂：吸收并消散能引发聚 合物降解的紫外线辐射 猝灭剂：消散聚合物分子上的激发态 的能量
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维氏硬度测量
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布氏硬度（ Brinell Hardness ）
布氏硬度测量如上图所示，把直径为D （一般为10㎜）的硬钢球用力F压按在 试样表面，保持规定时间，然后卸荷， 测量被测表面压痕直径Di然后使用下 式计算。

F ( / 2) D ( D D 2 Di2 )
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布氏硬度试验特点
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耐老化性测试
——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 氙灯
可仿制全部的太阳光谱
辐射源
紫外光
只是模仿太阳光的破坏效果
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4.2 力学性能 Mechanical Property
——材料抵受外力作用的能力
F F
F
F
F 拉伸
F 压缩 弯折 剪切
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3.2.1 材料的强度(Strength)
• 自由基形成后导致 链的断裂（降解）：
CH3 CH2 C O CH3 O C
CH3 CH2 CH2 + C O O CH3
CH3 C O C O CH3
CH3 CH2 C O O CH3
CH C
CH C
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结构与耐老化性
(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。
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J. AM. CHEM. SOC. 2004, 126, 10226-10227
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弹性模量
多数固体材料在静拉伸的最初阶段都会发生弹性变形，表 现为正应力σ 与正应变ε 成正比 。
E
此式即为胡克定律（Hooke’s law），式中比例系数E即为 正弹性模量，简称弹性模量（Modulus of elasticity），又称杨 氏模量（Young’s modulus）， 其几何意义是应力-应变曲线上直线段的斜率， 而物理意义是产生100％弹性变形所需的应力，单位与应 力相同。
(1) RH + O－O R + O－OH
RH (2) R + O－O R－O－O RO－OH+R
(3) RO－OH+RH RO + OH (4) RO + OH ROH + R (5) HO + RH R + H 2O
– 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。
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4.1.4 耐老化性
• 光照下形成自由基：
(3) Chemical stability of polymers
——高分子材料面临的问题
CH3 CH2C CHCH2 h -H+ CH3 CH2C CH CH
• 氧气的参与：