【正文】 性評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn) p48 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 電化學(xué)腐蝕的原因： 當(dāng) 2種或 1種金屬材料其內(nèi)部有 2種不同的組成物 (如 2種相 )時(shí)，若處于同一電解質(zhì)中， ∵ 各自不同的電極電位 ?，低 ?→負(fù)極， e由低 ?極 →高 ?極 →金屬表面 →許多微小電流。 ∵ 低 ?極失去 e →氧化反應(yīng)，而高 ?得到 e →還原反應(yīng)， ∴ ?低的金屬便不斷地受到腐蝕。如陽(yáng)極金屬 M的溶解可寫(xiě)為： M?M?＋ e?；鋁的陽(yáng)極氧化為：6OH?＋ 2 Al? Al2O3＋ 3H2O＋ 6e?。 金屬與氧化物不完全一樣，有的金屬 (Al、 Cr等 )氧化后→Al2O Cr2O3等在表面 →致密膜 →空氣中的 O2不再與金屬直接接觸，防止了繼續(xù)氧化 →↗ 金屬抗氧化能力。而鐵所生成的 FeO、 Fe2O3組織疏松， O2可透過(guò)表層與 Fe繼續(xù)發(fā)生作用 →金屬遭受破壞。 ?無(wú)機(jī)非金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?侵蝕機(jī)理： 由氣相－固相反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)所決定。 p49表 2?9定性地列出了各種陶瓷材料的耐蝕性。 ?陶瓷、混凝土、灰漿等的耐久性取決于材料的密度、氣孔率，化學(xué)作用 (溶解、溶出、氧化等 ) ，和物理作用 (干濕作用、 T變化、凍結(jié)融化等 )等因素。 ?陶瓷材料使用中也常遇到氣體侵蝕問(wèn)題 (CO和 H2等 —還原性， O2—氧化性， Cl2和 SO2等 —反應(yīng)性 )。 表 2?9 各種陶瓷材料的耐蝕性 種類(lèi) 酸及酸性氣體 堿液及堿性氣體 熔融金屬 Al2O3 MgO BeO ZrO2 ThO2 TiO2 Cr2O3 SnO2 SiO2 良好 差 尚可 尚可 差 良好 差 尚可 良好 尚可 良好 差 良好 良好 差 差 差 差 良好 良好 良好 良好 良好 尚可 差 差 尚可 SiC Si3N4 良好 良好 尚可 尚可 尚可 良好 BN B4C 尚可 良好 良好 尚可 良好 － TiC TiN 差 尚可 差 尚可 － － ?如 聚四氟乙烯 ：不僅 CF結(jié)合很牢，且分子規(guī)整對(duì)稱(chēng)易于結(jié)晶， F原子組成了嚴(yán)密的保護(hù)層，包圍了碳鏈→化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。 ?高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性： 大多數(shù)較穩(wěn)定，有良好的抗腐蝕能力 如 。主要 ∵ 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?分子鏈上各原子是共價(jià)鍵結(jié)合，鍵能較高，結(jié)合很牢 ?形態(tài)特殊，使得大分子鏈上能夠參加化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)與化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)的接觸較困難。 如 ?高聚物大都是絕緣體，不會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。 聚四氟乙烯 PTFE： 有極好的化穩(wěn)性，高溫下也不與濃酸、濃堿、有機(jī)溶劑和強(qiáng)氧化劑等起反應(yīng)，在沸騰的“王水”中也毫無(wú)損傷，可在 195?250℃ 長(zhǎng)期使用，∴ 獲 “塑料王”的美稱(chēng)； 聚氯乙烯 PVC： 應(yīng)用極廣的重要塑料，耐酸、耐堿性好，且有一定的強(qiáng)度和剛度，可制成各種規(guī)格的管道、閥門(mén)、泵、容器以及各種防腐襯里； 酚醛樹(shù)脂等熱固性塑料 ： ∵ 具有化學(xué)鍵交聯(lián)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，耐腐蝕性也很好。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?晶態(tài)高聚物 ： ∵ 長(zhǎng)鏈分子間堆砌緊密，有相當(dāng)高的化穩(wěn)性； ?無(wú)定形高聚物處于玻璃態(tài)時(shí) ： ∵ 大分子鏈不能自由運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)基團(tuán)被固定，化學(xué)反應(yīng)也難進(jìn)行； ?在高彈性態(tài)和粘流態(tài)時(shí) ：也 ∵ 大分子鏈雜亂無(wú)章，彼此纏結(jié)，許多基團(tuán)被包裹起來(lái)，難與其他反應(yīng)介質(zhì)接觸， ∴ 與低分子物質(zhì)相比，反應(yīng)仍較緩慢。 ?高分子材料的老化： 指在加工、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中，受化學(xué)結(jié)構(gòu)影響，在光、熱、氧、高能輻射、氣候、生物等因素的綜合作用下， 失去原有性能 而喪失使用價(jià)值 的過(guò)程 (即物理化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能變壞的現(xiàn)象 )。有 2種情況： 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?大分子鏈間產(chǎn)生交聯(lián)： 線型 or支鏈型結(jié)構(gòu) →體型結(jié)構(gòu)，性能變僵、變脆，喪失彈性等。 ?大分子鏈的降解 ：鏈長(zhǎng)度 ↘ →相對(duì)分子質(zhì)量 ↓，即聚合度 ↘ →性能變軟、變粘、脫色、喪失機(jī)械強(qiáng)度等。 ?強(qiáng)度與塑性 ?硬度 ?斷裂與韌性 ?疲勞特性和耐磨性等 力學(xué)性能 材料在使用過(guò)程中，都或多或少要經(jīng)受力的作用。 材料受外力作用時(shí)的變形行為及其抵抗破壞的能力，又稱(chēng)機(jī)械性能， 是一系列物理性能的基礎(chǔ)。通常包括： 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 材料在載荷作用下抵抗明顯的塑性變形或破壞的最大能力。按作用力的方式不同，可分為： 強(qiáng)度與塑性 ： 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?拉伸強(qiáng)度 ?壓縮強(qiáng)度 ?彎曲強(qiáng)度 ?沖擊強(qiáng)度 ?疲勞強(qiáng)度等。 ∵ 材料中一般都存在有晶格錯(cuò)亂、空隙、氣孔、殘余應(yīng)力等，聚集體材料中又存在有不均勻性和各向異性等各種缺陷， ∴ 多數(shù)情況下，實(shí)測(cè)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)有較大的離散性，需盡量多測(cè)幾個(gè)樣品。 通常材料中缺陷越少、分子間鍵合強(qiáng)度越大，材料的強(qiáng)度也越高 。 ?拉伸強(qiáng)度 ：是將試片在拉力機(jī)上施以靜態(tài)拉伸負(fù)荷，使其破壞 (斷裂 )時(shí)的載荷。拉伸強(qiáng)度越大，說(shuō)明材料越不易斷裂。 不同的拉伸速度下，測(cè)得的拉伸強(qiáng)度值是不同的。一般，較慢拉伸速度下，材料的強(qiáng)度值較小。 表 210給出了一些材料的拉伸強(qiáng)度值。 陶瓷材料 金屬材料 高分子材料 長(zhǎng)石 (KalSi3O8) 45 MgSiO3 68 Al2O3 270 SiC 350 金剛石 500 Al 689 Cu 1480 Be 552 Mo 2070 Fe 3450 聚乙烯 22?39 聚苯乙烯 35?63 聚甲基丙烯酸甲酯 49?77 尼龍 6 74?78 聚酰亞胺 94 表 210 一些材料的拉伸強(qiáng)度值 /MPa ?彎曲強(qiáng)度 (抗彎強(qiáng)度 )：指采用簡(jiǎn)支梁法將試樣放在兩支點(diǎn)上 ， 在兩支點(diǎn)間的試樣上試加集中載荷 ， 使試樣變形直至破裂時(shí)的載荷 。 是材料韌性 、 脆性的度量 。 計(jì)算公式為： P——破壞載荷， l——試樣在支點(diǎn)間的跨度，b、 d—— 分別是試樣的長(zhǎng)度和厚度。 ?b=3Pl/2bd2 (N/m2) 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ： 材料在載荷作用下，應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)后能產(chǎn)生顯著的殘余變形而不即行斷裂的性質(zhì)。屈服強(qiáng)度 —材料在外力作用下發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力。材料拉伸時(shí)延伸率較大，代表其塑性越好。陶瓷材料的塑性最差。 －應(yīng)變曲線 ： 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。 在材料上作用以拉伸、壓縮等外力時(shí)，會(huì)相應(yīng)地發(fā)生內(nèi)應(yīng)力 ? ，按此應(yīng)力的大小產(chǎn)生應(yīng)變 ? 。 ?＝ P/A ?＝ (LLo)/Lo P—載荷， A— 橫截面積， Lo—標(biāo)距間的原始距離，L——施加 P后標(biāo)距間的距離。應(yīng)力－應(yīng)變曲線按材料的組成、組織有所不同，大體上可分為 5種類(lèi)型 (圖 222) ? 曲線 1：開(kāi)始為直線，隨后表現(xiàn)出屈服現(xiàn)象，應(yīng)力 ↗ 應(yīng)變 ↗ →斷裂，如軟鋼； ? 曲線 2：接近于直線，但不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，曲線稍微向上凸出，突然斷裂，如玻璃、硬石塊、鑄鐵等 。 ? 曲線 3：開(kāi)始時(shí)向上凸出 (接近于指數(shù)變化 )，在接近斷裂時(shí)應(yīng)變 ? ? ，如軟石塊、蒸壓輕質(zhì)混凝土、木材的壓縮曲線、質(zhì)硬而脆的塑料等； ? 曲線 4：開(kāi)始階段接近于直線或有向上凸的趨勢(shì)，隨后應(yīng)力出現(xiàn)極大值，一度屈服，然后應(yīng)力再次 ?而斷裂，如硬而粘性大的塑料； ? 曲線 5：開(kāi)始階段稍許趨于向下凹，隨后應(yīng)變同應(yīng)力 ?的成正比 ? ，當(dāng)應(yīng)力再度 ??時(shí)便斷裂，如軟質(zhì)橡膠 。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?彎曲屈服強(qiáng)度 ： 指某些非脆性材料，當(dāng)載荷達(dá)到某一值時(shí)，其變形繼續(xù)增加而載荷不增加時(shí)的強(qiáng)度。 ?壓縮強(qiáng)度 ：也稱(chēng)抗壓強(qiáng)度，是指在試樣上施加壓縮載荷至破裂 (對(duì)脆性材料 )或產(chǎn)生屈服現(xiàn)象(對(duì)非脆性材料 )，原單位橫截面積上所能承受的載荷。試樣通常為圓柱形 or正方形。 ?沖擊強(qiáng)度 ：是材料在高速?zèng)_擊狀態(tài)下發(fā)生斷裂時(shí)單位面積上所需的能量。 ： ?彈性 —材料在載荷作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)載荷除去后能恢復(fù)原狀的能力； ?剛度 —指材料在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。反映材料剛度的指標(biāo)是彈性模量。 ?E表征物體變形的難易程度。 縱向彈性模量也稱(chēng)楊氏模量。如把材料看成彈性體時(shí)，在應(yīng)力 應(yīng)變曲線彈性段的斜率即為彈性模量。代表性材料的 E見(jiàn) 表 211 。高分子材料 E變化范圍較寬，是應(yīng)用多樣性的原因之一。 ? E = ? ： 指材料在彈性極限范圍內(nèi)，是應(yīng)力 ?與應(yīng)變 ?的比值，用 E(Pa)表示： 表 211 一些代表性材料的楊氏模量 /N?m2 陶瓷材料 金屬材料 高分子材料 金剛石 1012 111 Al2O3 1011 001 MgO 1011 100 NaCl 1010 100 Si3N4(多晶 ) 1011 SiC(多晶 ) 1011 W 1011 Sn 1010 Cu 1011 Zn 1010 Ag 1010 Al 1010 聚乙烯 ? 109 PMMA ? 109 橡膠 2 105 聚苯乙烯 ? 109 尼龍 6 109 硬塑料 5 1015 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 硬度 P HB= (?/2)D (D??D2d2) P：作用載荷， D：壓頭直徑， d：壓痕直徑。 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 能抵抗其他較硬物體壓入表面的能力。常用試驗(yàn)方法有布氏、維氏、和洛氏試驗(yàn)。 ?布氏硬度試驗(yàn) ：通常將 Φ10mm的堅(jiān)硬鋼球壓入材料的表面，測(cè)出表面上留下的壓痕直徑，并按下式算出布氏硬度值（ HB或 BHN）。 ?洛氏試驗(yàn) ： 測(cè)軟材料時(shí)用小鋼球；測(cè)較硬材料時(shí)可用金剛鋼石錐體。硬度計(jì)可自動(dòng)測(cè)出壓頭穿透的深度，并將深度數(shù)值轉(zhuǎn)換為洛氏硬度數(shù)值。 ?維氏試驗(yàn)： 用不同載荷的金剛錐進(jìn)行壓痕，測(cè)量微觀硬度 常用材料的硬度和彈性模量 見(jiàn)表 212 表 212 幾種常用材料的硬度和彈性模量 材料 彈性模量 (E) /MPa 維氏硬度 (Hv) /kg?mm2 橡 膠 塑 料 鎂合金 鋁合金 鋼 氧化鋁 碳化鈦 金剛石 1380 41300 72300 207000 400000 390000 1210000 很低 17 30~40 170 300~800 1500 3000 6000~10000 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 斷裂與韌性 材料的力學(xué)斷裂是由原子間或分子間的鍵斷開(kāi)而引起的，按斷裂時(shí)的應(yīng)變大小分為： 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?脆性斷裂： 指材料未斷裂之前無(wú)塑性變形發(fā)生，或發(fā)生很小塑性變形導(dǎo)致破壞的現(xiàn)象。如巖石、混凝土、玻璃、鑄鐵等，稱(chēng)為脆性材料。 ?延性斷裂 ：指在斷裂前產(chǎn)生大的塑性變形的斷裂。如軟鋼及其他軟質(zhì)金屬、橡膠、塑料等。 ?韌性： 材料抵抗裂紋萌生與擴(kuò)展的能力。 ?韌性與脆性 ： 意義相反的 2個(gè)概念。韌性高，意味著其脆性低；反之亦然。韌性的度量指標(biāo)有 2類(lèi)： 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 ?沖擊韌性 ：用材料受沖擊而斷裂的過(guò)程所吸收的沖擊功大小來(lái)表征韌性?？捎糜谠u(píng)價(jià)高分子材料的韌性，但一般不適用韌性很低的材料 (如陶瓷 ) 。 ?斷裂韌性 ：較常用的指標(biāo)，表示材料阻抗斷裂的能力。常用材料裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值 K1C來(lái)表征材料的韌性。材料的斷裂力學(xué)承認(rèn)材料中存在著由各種缺陷構(gòu)成的微裂紋。在外力的作用下，這些微裂紋的擴(kuò)展 →斷裂。 從大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出 斷裂應(yīng)力 ?f與裂紋尺寸 C之間 de關(guān)系為 ： 第二章 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能 K1＝ A?f ? C K1—應(yīng)力強(qiáng)度因子， A—材料幾何形狀參數(shù) （由力學(xué)分析計(jì)算 or實(shí)驗(yàn)求出） 。應(yīng)力 ?，裂紋擴(kuò)大， K1值也 ? ，但不能無(wú)限的 ? ，當(dāng)達(dá)到極限值 K1C時(shí)，即使不加外力，裂紋也會(huì)自行擴(kuò)展而造成斷裂。 K1C稱(chēng)為斷裂韌性，與微裂紋形狀、尺