1、Chapter 3Properties of Materials材料的性能Chapter3 Properties of Materials1General Characters ofMaterialsChapter3 Properties of Materials2本章主要內(nèi)容材料的幾類(lèi)主要性能：ØØØØØØ化學(xué)性能力學(xué)性能熱性能 電性能 磁性光學(xué)性能學(xué)習(xí)目的：1. 了解材料的各類(lèi)性能；2.3.學(xué)習(xí)一些材料性能的表征及測(cè)試方法；加深理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。Chapter3 Properties of Materials33.1化學(xué)性

2、能Chemical Performance材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力溶蝕性耐腐蝕性抗?jié)B透性抗氧化性Chapter3 Properties of Materials4化學(xué)穩(wěn)定性3.1.1耐氧化性吸附（1）化學(xué)銹蝕氧化物成核 生長(zhǎng)氧溶解氧化膜生長(zhǎng)內(nèi)氧化縫隙孔洞微裂紋金屬氧化反應(yīng)的主要過(guò)程示意圖宏觀裂紋Chapter3 Properties of Materials5幾種金屬的表面氧化膜對(duì)比Chapter3 Properties of Materials6松散氧化膜致密氧化膜多孔氧化膜（2）電化學(xué)腐蝕corrosion cell between a steel water pipe and a co

3、pper fittingsimple electrochemical cellChapter3 Properties of Materials7（2）電化學(xué)腐蝕SO2氣體對(duì)鐵的侵蝕過(guò)程Chapter3 Properties of Materials8海水對(duì)金屬的侵蝕示意圖Chapter3 Properties of Materials9電化學(xué)防銹犧牲陽(yáng)極法Cathodic protection of a buried steel pipelineChapter3 Properties of Materials103.1.2耐酸堿性耐酸材料耐堿材料Chapter3 Properties of M

4、aterials11大多數(shù)金屬氧化物都是堿性氧化物，相應(yīng)的材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐堿性，而易受酸侵蝕或溶解。以酸性氧化物SiO2為主金屬的耐酸堿性主要是高溫下濃堿液的腐蝕問(wèn)題鎳鉻鑄鐵中加入稀土，降低鎳含量，可以降低材料成本，又可以保證合金鑄鐵良好的耐堿蝕性。耐蝕機(jī)理：堿蝕后稀土高鎳鉻鑄鐵表面生成完整、致密的g-(Fe, Cr)2O3 氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附著物，使材料本體受到保護(hù)。Chapter3 Properties of Materials12高材料：化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸耐堿 主鏈原子以共價(jià)鍵結(jié)合 長(zhǎng)鏈對(duì)反應(yīng)基團(tuán)的保護(hù) 電絕緣性，無(wú)電化學(xué)腐蝕Chapter3 Properties o

5、f Materials133.1.3耐性金屬材料和無(wú)機(jī)非金屬材料有好的耐性能；，很多有機(jī)熱塑性高材料一般由線形高溶劑都可以將其溶解；交聯(lián)型高在中不溶解，但能溶脹，使材料體積膨脹，性能變差；不同的高材料，其鏈以及側(cè)基不同，對(duì)各種表現(xiàn)出不同的耐受性；組織結(jié)構(gòu)對(duì)耐溶劑性也有較大影響。 例如，作為結(jié)晶性聚合物，聚乙烯在大多數(shù)溶，因而具有很好的耐溶劑性。中都難Chapter3 Properties of Materials143.1.4耐老化性CH3CH3CH2CCHCH2hn-H+光照下形成自由基：CH2CCHCH氧氣的參與：RH + ·OO· ¾¾®

6、 R· + ·OOH(1)(2)(3)(4)(5)R·+ ·OO· ¾¾® ROO· ¾R¾H® ROOH+R·ROOH+RH ¾¾® RO· + ·OHRO·HO·+ ·OH ¾¾® ROH + R·+ RH ¾¾®R·+ H2O自由基形成后導(dǎo)致鏈的斷裂（降解）：CH3CH3CH3CH3CCH2CO O C

7、H3CH2CH2 COC OCHCC OCH2O+ CC OCHOCH3CH3CH3Chapter3 Properties of Materials15高材料的問(wèn)題結(jié)構(gòu)與耐老化性羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太陽(yáng)光照射下容易被氧化降解。聚四氟乙烯有極好的耐老化性能氟原子與碳原子形成牢固的化學(xué)鍵；氟原子的包圍住。大小適中，一個(gè)緊挨一個(gè)，能把碳鏈緊緊鏈中含有不飽和雙鍵、聚酰氨的酰氨鍵、聚碳酸酯的酯鍵、聚砜的碳硫鍵、聚苯醚的苯環(huán)上的甲基等等，都會(huì)降低高材料的耐老化性。Chapter3 Properties of Materials16耐老化性的提高 改進(jìn)聚合物 加入適當(dāng)助劑結(jié)構(gòu)抗氧化劑消除

8、自由基、分解氫過(guò)氧化物涂層、炭黑光劑紫外線吸收劑紫外區(qū)的光劑淬滅劑消散激發(fā)態(tài)能量Chapter3 Properties of Materials173.2 力學(xué)性能Mechanical Property材料抵受外力作用的能力Chapter3 Properties of Materials18FFFFFF拉伸壓縮彎折剪切3.2.1 材料的強(qiáng)度(Strength)Ø 拉伸強(qiáng)度Ø 彎曲強(qiáng)度Ø 沖擊強(qiáng)度應(yīng)力stresss = F / A0應(yīng)變straine = (l - l0 ) / l0Chapter3 Properties of Materials19ultimate

9、 tensile strengthyield strength樣品拉伸試驗(yàn)s = Ee(Hooke's Law)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Chapter3 Properties of Materials20延展性或塑性的表征延伸率delongationd < 5%： 脆性材料- l0d = l f´100%l0斷面收縮率Yreduction of area= A0 - AfY´100%A0Chapter3 Properties of Materials21材料的一些力學(xué)性能特點(diǎn)：很多金屬材料既有高的強(qiáng)度，又有良好的延展性；多晶材料的強(qiáng)度高于單晶材料；這是因?yàn)槎嗑Р牧现械木?/p>

10、界可中斷位錯(cuò)的滑移，改變滑移的方向。通過(guò)目的。晶粒的生長(zhǎng)，可以達(dá)到強(qiáng)化材料的固溶體或合金的強(qiáng)度高于純金屬；雜質(zhì)原子的存在對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有牽制作用。多數(shù)無(wú)機(jī)非金屬材料延展性很差，屈服強(qiáng)度高。源于共價(jià)鍵的方向性Chapter3 Properties of Materials22s(MPa)9008007006005004003002001000錳鋼硬鋁低碳鋼退火球墨鑄鐵e(%)102030Chapter3 Properties of Materials233.2.2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材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)布氏硬度（Brinel

11、l hardness）FHB =(p / 2)D(D -D2- D2 )i洛氏硬度（Rockwell hardness）HR=(K-h)/0.002維氏硬度（Vickers hardness）HV=0.189F/d2Chapter3 Properties of Materials24Chapter3 Properties of Materials25維氏硬度測(cè)量硬度試驗(yàn)Chapter3 Properties of Materials26各種材料的硬度特征：由共價(jià)鍵結(jié)合的材料如石具有很高的硬度，這是因?yàn)楣矁r(jià)鍵的強(qiáng)度較高；無(wú)機(jī)非金屬材料有較高硬度離子鍵和共價(jià)鍵的強(qiáng)度均較高；當(dāng)含有價(jià)態(tài)較高而半徑較小

12、的離子時(shí)，所形成的離子鍵強(qiáng)度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。金屬材料形成固溶體或合金時(shí)可顯著提高材料的硬度。高材料硬度通常較低鏈之間主要以力或氫鍵結(jié)合，鍵力較弱Chapter3 Properties of Materials273.2.3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，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象。Chapter3 Properties of Materials283.3熱性能Thermal PropertyØ 熱容（heat capaci

13、ty）Ø 熱膨脹（thermal expansion）Ø 熱傳導(dǎo)（thermal conduction）Chapter3 Properties of Materials293.3.1 熱容（heat capacity）1mol物質(zhì)升高1K所需要的熱量C = dQdT定壓熱容Cp晶體材料較高溫度下：Cp=3R=24.9 J×mol-1×K-1。極低溫度下：CpµT3熱容CVChapter3 Properties of Materials303.3.2 熱膨脹thermal expansion 膨脹系數(shù)a：溫度變化1K時(shí)材料尺度的變化量。 線膨脹系

14、數(shù)al和體積膨脹系數(shù)aV= æ 1 öæ ¶löaç l ÷ç ¶T ÷lèøèø p= æ 1 öæ ¶V öaç V ÷ç ¶T ÷Vèøèø pChapter3 Properties of Materials31熱膨脹現(xiàn)象解釋勢(shì)能一原子間距離曲線Chapter3 Properties of Materials32

15、假想的實(shí)際的膨脹的差異原子間的鍵合力越強(qiáng)，則熱膨脹系數(shù)越小。與熱膨脹Chapter3 Properties of Materials33 金屬和無(wú)機(jī)非金屬材料的線膨脹系數(shù)較 小； 聚合物材料則較大。3.3.3 熱傳導(dǎo)（thermal conduction）熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個(gè)系統(tǒng)傳到另一個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)象熱量通量q ：q = -l dTdx熱導(dǎo)率l：表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量。：W×m-1×K-1，或 cal×cm-1×s-1×K-1 1 cal×cm-1×s-1×K-1=4.2´102 W&

16、#215;m-1×K-1Chapter3 Properties of Materials34各種材料的導(dǎo)熱率金屬材料有很高的熱導(dǎo)率 自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要； 金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對(duì)導(dǎo)熱性有影響； 晶格振動(dòng)無(wú)機(jī)陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。 熱傳導(dǎo)依賴(lài)于晶格振動(dòng)（聲子）的轉(zhuǎn)播。 高溫處的晶格振動(dòng)較劇烈，再加上電子運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)增加，其熱導(dǎo)率 隨溫度升高而增大。半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)： 電子與聲子的共同貢獻(xiàn) 低溫時(shí)，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。 較高溫度下電子能激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。高材料熱導(dǎo)率很低 熱傳導(dǎo)是靠及鏈段運(yùn)動(dòng)的傳遞，其對(duì)能量傳遞的效果較差。Chapt

17、er3 Properties of Materials35Chapter3 Properties of Materials363.4電性能ElectricalProperty材料被施加電場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)行為Ø 導(dǎo)電性Ø 介電性Ø 鐵電性Ø 壓電性Chapter3 Properties of Materials373.4.1導(dǎo)電性能Electrical Conductivity金屬：導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）陶瓷：絕緣體、半導(dǎo)體高材料：絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）Chapter3 Properties of Materi

18、als38R = r æ löç A ÷電阻：èøs = nZemChapter3 Properties of Materials39要增加材料的導(dǎo)電性，關(guān)鍵是增大體積內(nèi)載流子的數(shù)目（n）和使載流子更易于（增大m 值）。電阻率：r電導(dǎo)率：s = 1/r能帶理論（Band Theory） 能帶的形成Chapter3 Properties of Materials40 各種材料的能帶結(jié)構(gòu) Chapter3 Properties of Materials413.4.2介電性能Dielectric Property電容C（capacitanc

19、e）電荷量q與電壓V的比值：C=q/V平板電容計(jì)算：C =e (A/L) e：介電常數(shù)，表征材料極化和儲(chǔ)存電荷的能力； 相對(duì)介電常數(shù)er：er=e/e0Chapter3 Properties of Materials42某些介電材料的性能Chapter3 Properties of Materials433.4.3鐵電性與壓電性Ferroelectricity and Piezoelectricity鐵電性材料在除去外電場(chǎng)后仍保持部分極化狀態(tài)Chapter3 Properties of Materials44溫度TcCurie temperatureChapter3 Properties of

20、 Materials45壓電性PiezoelectricityChapter3 Properties of Materials46外力 極化 電場(chǎng)（a）施加一定電壓s，產(chǎn)生反向電壓，導(dǎo)致兩端電壓下降（b）施加（c）施加較大電壓，材料產(chǎn)生變形Chapter3 Properties of Materials47常用的壓電陶瓷：BaTiO3 、PbTiO3、PbZrO3 、 NH4H2PO43.5 磁性Magnetic Property磁性基本概念3.5.1Hm：磁化強(qiáng)度magnetizationcm：磁化率magnetic susceptibilityChapter3 Properties of

21、Materials48磁性的來(lái)源磁偶極子magnetic dipoles電子本身具有自旋，因而能產(chǎn)生自旋磁性，稱(chēng)為自旋磁矩電子繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生軌道磁性Chapter3,PCrohpemeritsietrsyooffMMaateteriraialsls 2008, ceszzh10/18/2013 10:21:08 AM493.5.2 磁性的種類(lèi)反磁性（diamagnetism）cm <0磁場(chǎng)撤去后磁效應(yīng)消失Hg、Cu、Ag、Pb石、MgO 、NaCl絕大多數(shù)高材料順磁性（paramagnetism）cm >0含有非零角動(dòng)量原子（例如過(guò)渡金屬）的材料。cmµT-1

22、（一些非過(guò)渡金屬（例如Al）。cm與T無(wú)關(guān)定理）Chapter3 Properties of Materials50鐵磁性（ferromagnetism）在不太強(qiáng)的磁場(chǎng)中，就可以磁化到飽和狀態(tài)。鐵磁溫度f(wàn)erromagnetic Curie temperatureChapter3 Properties of Materials51反鐵磁性（antiferromagnetism）在外電場(chǎng)作用下，相鄰磁矩反向排列。 Mn、Cr鐵氧體磁性（ferrimagnetism）不同的磁矩反平行排列時(shí)，在一個(gè)方向呈現(xiàn)出凈磁矩。代表：磁鐵礦Fe3O4Chapter3 Properties of Materials52鐵磁性反鐵磁性鐵氧體磁性Chapter3 Properties of Materials53反鐵磁性（MnO）3.5.3 磁疇和磁化曲線磁疇自旋磁矩在一個(gè)個(gè)微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地”整齊排列起來(lái)而形成的磁化小區(qū)域。磁疇Magnetic Domain磁疇壁Magnetic Domain WallChapter3 Properties of Materials54磁滯回線hysteresis loopChapter3 Properties of Materials55軟磁材料硬磁材料Chapter3 Properties of Materials563.6 光學(xué)性能Optic