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1、 1 材料的性能 Chapter3PropertiesofMaterials 2 GeneralCharactersofMaterials 3 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 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 加深理解材料结构与性能的关系 4 材料抵抗各种介质作用的能力 3 1化学性能ChemicalPerformance 5 1 Chemicalstabilityofmetalmaterials 1 化学锈蚀 3 1 1耐氧化性 金属氧化反应的主要过程示意图 6 7 8 9 几种金属的表面氧化膜对比 多孔氧化膜 致密氧化
2、膜 松散氧化膜 10 Electrochemistrycorrosion 2 电化学腐蚀 simpleelectrochemicalcell corrosioncellbetweenasteelwaterpipeandacopperfitting 11 Electrochemistrycorrosion SO2气体对铁的侵蚀过程 2 电化学腐蚀 12 Example 海水对金属的侵蚀示意图 13 Cathodicprotectionofaburiedsteelpipeline 电化学防锈 牺牲阳极法 14 15 16 17 18 19 20 思考 为什么有的金属 如铝 比较活泼 但在空气中很稳
3、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 21 3 1 2耐酸碱性 2 Chemicalstabilityofnon metalmaterials 22 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 23 3 Chemicalstabilityofpolymers 化学稳定性好 耐酸耐碱 高分子材料 24 3 Chemicalstabilityofpolyme
4、rs 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 3 1 3耐有机溶剂性 25 3 Chemicalstabilityofpolymers 光照下形成自由基 3 1 4耐老化性 高分子材料面临的问题 氧气的参与 自由基形成后导致链的断裂 降解 26 3 Chemicalstab
5、ilityofpolymers 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 结构与耐老化性 27 3 Chemicalstabilityofpolymers 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 耐老化性的提高 28 在介绍应力 应变曲线的基础上 介绍材料的弹性变形 塑性变形 高温蠕变及其它力学性能的理论
6、描述 产生的原因 影响因素 从断裂的现象和产生 断裂力学的原理出发 通过理论结合强度 应力场的分析 阐述断裂的判据 应力场强度因子 平面应变断裂韧性 延性断裂 脆性断裂 沿晶断裂 静态疲劳的概念 并根据此判据来分析提高材料强度及改进材料韧性的途径 3 2力学性能MechanicalProperty 29 人类最早学会利用的材料性质便是力学性质 如石器时代利用天然岩石的强度和硬度 青铜器时代利用铜的高塑性和高强度及加工硬化性能 而在铁器时代更是利用Fe C合金的高强度 硬度和塑性 尽管如此 人类真正认识和开始系统地理解材料的力学性质起始于19世纪中叶 人们利用金相显微镜对材料细微组织进行了研究
7、在我们身边注意到的经验是金属具有延展性 陶瓷硬而脆 橡胶具有很大的弹性形变 如此等等 图1 1比较了金属 陶瓷和高分子力学性质 迥然不同的力学行为是由其基本结构决定的 金属与陶瓷材料的晶体结构 包括键合类型 缺陷 主要是位错 是理解和描述其力学性质的核心概念 而在高分子材料中 却是分子链的构形 交联与缠结起了关键的作用 本章我们将研究这些概念如何使强度 塑性 断裂和高温行为得以定性和定量描述和理解 30 图1 1工程材料的金属 陶瓷和聚合物重要力学性能 31 材料抵受外力作用的能力 32 应力stress应变strain 拉伸强度弯曲强度冲击强度 3 2 1材料的强度 Strength 33
8、Experiment 样品拉伸试验 应力 应变曲线 ultimatetensilestrength yieldstrength 34 J AM CHEM SOC 2004 126 10226 10227 35 延展性或塑性的表征 延伸率 elongation断面收缩率 reductionofarea 5 脆性材料 36 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
9、属材料延展性很差 屈服强度高 源于共价键的方向性 37 低碳钢 锰钢 硬铝 退火球墨铸铁 38 硬度是材料的一种重要力学性能 但在实际应用中由于测量方法不同 测得的硬度所代表的材料性能也各异 例如金属材料常用的硬度测量方法是在静荷载下将一种硬的物体压入材料 这样测得的硬度主要反应材料抵抗塑性形变的能力 而陶瓷 矿物材料使用的划痕硬度却反映材料抵抗破坏的能力 所以硬度没有统一的定义 各种硬度单位也不同 彼此间没有固定的换算关系 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 材料弹性 塑性 强度和韧性等力学性能的综合指标 39 40 布氏硬度 Brinellhar
10、dness 洛氏硬度 Rockwellhardness HR K h 0 002维氏硬度 Vickershardness HV 0 189F d2 用静载压入的硬度试验法种类很多 常用布氏硬度 维氏硬度及洛氏硬度 这些方法的原理都是将一硬的物体在静载下压入被测物体表面 表面上被压入一凹面 以凹面单位面积上的荷载表示被测物体的硬度 图1 61为几种常用硬度的原理及计算方法 41 二 硬度试验方法 1 布氏硬度 淬火钢球或硬质合金球D mm 压入试样表面 测量圆形压痕d 圆形压痕表面积S Brinell 1900年 42 1 布氏硬度HB 淬火钢球 HBS 450硬质合金球 HBW 450 650
11、 43 2 HB表示方法 数字 硬度符号 数字 数字 数字 硬度值 HBW或HBS 钢球直径载荷定时280HBS10 3000 30 50HBW5 750 44 3 压痕几何相似原理 两个条件 1 为常数 2 F D2为常数 28 74od 0 24 0 6 D 45 优点 压痕面积大 反映较大区域内各组成相的平均性能 适合灰铸铁 轴承合金等测量 压痕面积较大 试验数据稳定 重复性高 缺点 压痕直径大 不宜在成品件上直接进行检验 硬度不同 更换压头直径D和载荷F 压痕直径的测量也比较麻烦 4 布氏硬度的优缺点 46 2 洛氏硬度 1 测量原理测量压痕深度值的大小 金刚石压头k 0 2淬火钢球k
12、 0 26 Rockwell 1919年 47 洛氏硬度计 HRAHRBHRC表示方法为硬度数据 硬度符号 如50HRC 48 适用于 测定极薄工件 经各种表面处理后工件的表面层硬度 试样较小 表面硬化层较浅或测试表面镀覆层时 2 表面洛氏硬度 与洛氏硬度区别 预加载荷为30N 总载荷比较小取残余压痕深度为0 1mm时的洛氏硬度为零 深度每增加0 001mm 表面洛氏硬度减小一单位 49 3 洛氏硬度的优缺点 优点简便迅速 效率高对试样表面造成损伤小 可用于成品零件检测有预加载荷 可消除表面轻微的不平度对试验结果的影响 缺点不同标尺的硬度值无法相互比较压痕小 对材料组织不均匀性很敏感 重复性差
13、 50 3 维氏硬度与显微硬度 1 测量原理 单位压痕表面积上所承受的压力 1925年由R Smith和G Sandland提出的 在Vickers厂最早使用而得名 51 2 表示方法 数字 硬度符号 数字 数字 硬度值 HV 载荷定时640HV30 20 50HV5 标准格式为xHVyHV前面的数值为硬度值 后面则为试验力 如果试验力保持时间不是通常的10 15秒 还需在试验力值后标注保持时间 如 600HV30 20 采用30千克力的试验力 保持20秒 得到硬度值为600 52 3 显微硬度 维氏显微硬度和努氏显微硬度 测定各种组成相的硬度以及研究金属化学成分 组织状态与性能的关系 53
14、4 优缺点 优点 采用对角线长度计量 精确可靠可以任意选择载荷比洛氏硬度所测试件更薄 测表面硬化层和仪表零件的硬度 缺点 测定方法较麻烦 工作效率低 压痕面积小 代表性差 不宜用于成批生产的常规检验 54 5 努氏硬度试验 一种显微硬度试验方法 与维氏显微硬度区别 1 压头形状不同2 硬度值为试验力除以压痕投影面积 Knoop 55 压痕细长 且只测量长对角线长度 精确度较高 适于测定表面渗层 镀层及淬硬层的硬度 可以测定渗层截面上的硬度分布等 56 一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面 根据重锤回跳的高度来表征材料硬度值大小 KS 6 肖氏硬度试验 优缺点 一般为手提式
15、 使用方便 便于携带 可测现场大型工件的硬度 其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大 测量精度较低 Shore 57 维氏硬度测量 58 硬度试验 59 布氏硬度法主要用来测定金属材料中较软及中等硬度的材料 很少用于陶瓷 维氏硬度法及努普硬度法都适于较硬的材料 也用于测量陶瓷的硬度 洛氏硬度法测量的范围较广 采用不同的压头和负荷可以得到15种标准洛氏硬度 此外还有15种表面洛氏硬度 其中HRA HRC都能用来测量陶瓷的硬度 陶瓷材料也常用显微硬度法来测量 其原理和维氏硬度法一样 但是把硬度试验的对象缩小到显微尺度以内 它能测定在显微观察时所评定的某一组织组成物或某一组成相的硬度 显微硬度试
16、验常用金刚石正四棱锥为压头 并在显微镜下测其硬度 试验所用公式和维氏硬度所用的相同 即式中 负荷P以g为单位 d以为单位 仪器有效负荷为2 200g 显微硬度试验法比较适于测定硬而脆的材料的硬度 所以也适用于测量陶瓷材料的硬度 60 陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度叫做莫氏硬度 它只表示硬度由小到大的顺序 不表示硬度的程度 后面的矿物可划破前面的矿物表面 一般莫氏硬度分为十级 后来因为有一些人工合成的硬度大的材料出现 又将莫氏硬度分为十五级以便比较 表1 10为莫氏硬度两种分级的顺序 7 莫氏硬度 61 62 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 这是因为共价键的强度较高 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 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 金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度 高分子材料硬度通常较低分子链之间主要以范德华力或氢键结合 键力较弱 63 3 2 3疲劳性能 材料抵抗疲劳破坏的能力 疲劳 fatigue 材料在循环受力 拉伸 压缩 弯曲 剪切等 下 在某点或某些点产生局部
