材料化学第3章材料的性能

Chapter3 Properties of Materials
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(MPa)
900 800 锰钢
700
600
硬铝
500
低碳钢
400
300
200 退火球墨铸铁
100
(%)
0 1 23
0 00
Chapter3 Properties of Materials
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延展性或塑性的表征
材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。
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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。
➢ 冲击强度
• 应力stress：单位横截面积上所承受的负荷（F）， 又称工程应力。
F / A0
• 应变strain：材料受力发生的形变，又称工程应变。
(l l0 ) / l0
l—试样受力变形后的长度，l0—试样的原始标距长度
Chapter3 Properties of Materials
– 源于共价键的方向性
Chapter3 Properties of Materials
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3.2.2 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（Brinell hardness）
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 D2 Di2 )
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（2）电化学腐蚀
阳极：Fe→Fe2++2e 阴极：
Electrochemistry corrosion
铁的电化学腐蚀过程
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Example
海水对金属的侵蚀示意图
电化学防锈——牺牲阳极法
3、s－b曲线： 弹性变形+均匀塑性变形
σb 拉伸强度 极限拉伸强度（UTS）
ultimate tensile strength
yield strength
bk
S
e
4、b点以后出现颈缩现象，
即试样局部截面明显缩小
试样承载能力降低，应力 下降到K点时达到σK试样 发生断裂。
o
应力-应变曲线
b — 极限拉伸强度 K — 断裂点
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3.1 化学性能 Chemical Performance
——材料对外界接触物的耐受性
耐酸碱性 耐腐蚀性 抗渗透性 耐氧化性
化学稳定性
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3.1.1 耐氧化性
（1）化学锈蚀
金属与非电解质相接
触时，介质中的分子
被金属表面所吸附，
并分解为原子，然后 与金属原子化合，生
常用的标尺为A、B、C （K：0.2 0.26 0.2）
• 符号HR前面的数字为硬度值， 后面为使用的标尺。
HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。 HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。 HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。
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 料
物，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。
形变的直线向右平移
0.002应变量（偏移量）
其延长线与应力－应变 曲线的交点所对应的应力
o
为屈服强度。
应力-应变曲线
Chapter3 Properties of Materials
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塑性形变的产生 对于晶体材料：由于位错的滑移，或者原子面通过 位错的形成和移动而依次地滑移 非晶体材料：基于黏性流
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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
Chapter3 Properties of Materials
烷过氧自由基
(3) RO－OH+RH RO• + •OH
(4) RO• + •OH ROH + R•
(5) HO• + RH R• + H2O
Chapter3 Properties of Materials
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• 自由基形成后导致链的断裂（降解）： (3)Chemicalstability ofpolymers
Chapter3 Properties of Materials
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强度
材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（1） 弹性极限（σe）
指金属材料能保持弹性变形的最大应力。
它表征了材料抵抗弹性变形的能力。
（2） 屈服强度（σS）
指材料在外力作用下，产生明显塑性形变的抗力。
它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。 屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据。
• 维氏硬度（Vickers hardness） HV=0.189F/d2
F:作用在压头的试验力 d：压痕两对角线长度 的评价值
维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。
• 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。
• 符号HR前面的数字为硬度值， 后面为使用的标尺。
用一个顶角120度的金刚石圆锥体或直径1.59、3.18mm的 钢球，在一定载荷F下压入被测材料表面，由压痕的深度 h求出材料的硬度。
h越大，硬度越低，反之，硬度越高。
• 洛氏硬度（Rockwell hardness） HR=(K-h)/0.002
• 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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3.1.3 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。
– 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。
Chapter3 Properties of Materials
CH3 CH3
CH2 C CH C CH2
OC
CO
O
O
CH3 CH3
PMMA
CH2 + O
CH3 C CH C
CH3 C CH2 CO
O
O
CH3 CH3
Chapter3 Properties of Materials
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结构与耐老化性
(3) Chemical stability of polymers
σs 屈服强度
Chapter3 Properties of Materials
yield strength
S
e
o
应力-应变曲线
e — 弹性极限点 S — 屈服点
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对于没有明显屈服点的材料，
规定： 以产生0.002残余变形的
yield strength
应力值σ0.2 为屈Hale Waihona Puke Baidu强度。
S
e 把应力-应变曲线的弹性
Chapter 3 Properties of Materials
材料的性能
Chapter3 Properties of Materials
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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
Chapter3 Properties of Materials
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3.1.4 耐老化性 (3) Chemical stability of polymers ——高分子材料面临的问题
• 光照下形成自由基：
CH3
h
CH2C CHCH2
-H+
• 氧气的参与：
CH3
CH2C CH CH
烯丙基自由基
(1) RH + •O－O• R• + •O－OH 氢过氧自由基
(2) R• + •O－O• R－O－O• RH RO－OH+R•
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3.2 力学性能 Mechanical Property
——材料抵受外力作用的能力，主要有强 度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳性能等。
F
F
F
F
F
F
拉伸
压缩
弯折
剪切
Chapter3 Properties of Materials
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3.2.1 材料的强度 (Strength)
➢ 拉伸强度
依受力形式：➢ 弯曲强度
Chapter3 Properties of Materials
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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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3.1.2 耐酸碱性
(2) Chemical stability of non-metal materials
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。
Chapter3 Properties of Materials
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高分子材料：
化学稳定性好，耐酸耐碱
(3) Chemical stability of polymers
• 延伸率
elongation
• 断面收缩率
< 5%：
脆性材料
l f l0 100%
l0
lf—试样拉断后的最后标距长度
reduction of area
相对收缩值 A0 Af 100%
A0
A0—试样原始横截面积
Af—断口处的横截面积
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Experiment
样品拉伸试验
Chapter3 Properties of Materials
应力-应变曲线
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材料的拉伸曲线
1、oe段：直线、弹性形变
E (Hooke's Law)
E: 弹性模量或杨氏模量 形变源于：原子间距离的 小量改变或原子间化学键 的有限拉伸
2、es段：曲线、
弹塑性变形
(1) Chemical stability of metal materials
成锈蚀产物。
金属氧化反应的 主要过程示意图
Chapter3 Properties of Materials
吸附
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
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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
（3）拉伸强度（σb ） 是材料发生最大均匀塑性变形的抗力。
它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大载荷的应力。 物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力
拉伸强度 — 是脆性材料选材的依据。
E (Hooke's Law)
E—弹性模量，反应材料的坚硬程度或抵抗弹性形变的能力
J. AM. CHEM. SOC. 2004, 126, 10226-10227
度。 • 材料的b与HB之间的经验关系：
对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： b(MPa)≈1HB或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
• 洛氏硬度（Rockwell hardness） HR=(K-h)/0.002
常用的标尺为A、B、C （K：0.2 0.26 0.2）
Di: 压痕直径
把直径为D的硬钢球用 力F压按在试验表面， 保持规定时间，然后 卸荷，测量被测表面 压痕直径Di.
Chapter3 Properties of Materials
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• 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 • 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材
料。 • 应用：适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬