材料性能检测课件：9课程总结（第一章）.ppt

1、 化学性能化学性能 材料在受到外界条件（温度、压力、气氛材料在受到外界条件（温度、压力、气氛等）变化的影响，或与某些侵蚀性介质接触时产生化学反等）变化的影响，或与某些侵蚀性介质接触时产生化学反应而引起的材料应而引起的材料内部成分、结构和性能改变内部成分、结构和性能改变的现象，以及的现象，以及材料的化学特征形成的有用功能。材料的化学特征形成的有用功能。 包括三方面的内容：包括三方面的内容： （1 1）材料在材料在外界温度、压力外界温度、压力等条件变化时，其内部等条件变化时，其内部结结构和性能构和性能随之随之变化变化，即化学稳定性能（包括体积稳定）；即化学稳定性能（包括体积稳定）； （2 2）材料

2、在与材料在与侵蚀性介质侵蚀性介质（固、液、气相）接触时，（固、液、气相）接触时，引起引起内部成分、结构内部成分、结构、使用性能使用性能变化的反应性能，即抗腐变化的反应性能，即抗腐蚀性和活性；蚀性和活性； （3 3）利用与外界的物质交换或能量交换形成的有用功利用与外界的物质交换或能量交换形成的有用功能，如能，如 化学传感器等。化学传感器等。 材料腐蚀的基本概念材料腐蚀的基本概念 “腐蚀腐蚀”是物质的是物质的表面表面在外界环境或介质影响发生在外界环境或介质影响发生化学反应化学反应而受而受到破坏的现象。到破坏的现象。 “腐蚀腐蚀”是指物质本身的是指物质本身的“质质”的变化的变化化学变化化学变化 。

3、材料的腐蚀是一种材料的腐蚀是一种自发自发进行的过程，是物质由进行的过程，是物质由高能态高能态向向低能态低能态的转变的转变形式。形式。 例如，例如，铁铁在自然界中多以在自然界中多以赤铁矿赤铁矿的形式存在，属于比较稳定的状态，的形式存在，属于比较稳定的状态，只有赋予矿石一定的能量，才能使之还原为金属铁，铁比它的化合物具只有赋予矿石一定的能量，才能使之还原为金属铁，铁比它的化合物具有更高的自由能，因此金属铁具有释放能量而回到热力学更稳定的自然有更高的自由能，因此金属铁具有释放能量而回到热力学更稳定的自然存在状态存在状态氧化物、硫化物及其他化合物的倾向，腐蚀就是这种变化氧化物、硫化物及其他化合物的倾向

4、，腐蚀就是这种变化的表现。的表现。 材料的腐蚀具有材料的腐蚀具有双重性质双重性质：金属构件的腐蚀是相当有害的，它会造：金属构件的腐蚀是相当有害的，它会造成设备的毁坏。而用腐蚀现象对金属材料进行电化学加工，制备信息硬成设备的毁坏。而用腐蚀现象对金属材料进行电化学加工，制备信息硬件的印刷线路板，制取奥氏体不锈钢粉末，利用金属的阳极氧化膜对金件的印刷线路板，制取奥氏体不锈钢粉末，利用金属的阳极氧化膜对金属进行保护等都是利用腐蚀机理而派生的技术。故不能片面地只把腐蚀属进行保护等都是利用腐蚀机理而派生的技术。故不能片面地只把腐蚀视作一种破坏、失效，而应当利用腐蚀的有利效应为人类服务。视作一种破坏、失效，

5、而应当利用腐蚀的有利效应为人类服务。腐蚀的分类腐蚀的分类根据金属腐蚀的机理不同分类根据金属腐蚀的机理不同分类 （1 1）化学腐蚀）化学腐蚀 材料表面与材料表面与非电解质（干燥气、高温气体、非电解质非电解质（干燥气、高温气体、非电解质溶液）溶液）直接发生化学作用而引起的破坏称为化学腐蚀。在化学腐蚀过程中，直接发生化学作用而引起的破坏称为化学腐蚀。在化学腐蚀过程中，电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行的，因而没有电流产生。电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行的，因而没有电流产生。 例如：例如：铝铝在四氯化碳或乙醇中的腐蚀在四氯化碳或乙醇中的腐蚀 镁和钛镁和钛在甲醇中的腐蚀等都属于化学腐蚀在甲醇

6、中的腐蚀等都属于化学腐蚀 （2 2）电化学腐蚀）电化学腐蚀 材料表面与电解质溶液发生电化学反应而引起的破材料表面与电解质溶液发生电化学反应而引起的破坏。任何一种按电化学机理进行的腐蚀反应至少包括一个阳极反应和一个坏。任何一种按电化学机理进行的腐蚀反应至少包括一个阳极反应和一个阴极反应，并有电流产生。阴极反应，并有电流产生。 电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀形式，例如金属在大气、海水、电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀形式，例如金属在大气、海水、土壤、介质中的腐蚀。土壤、介质中的腐蚀。 化学腐蚀化学腐蚀 电化腐蚀电化腐蚀条件金属跟金属跟Cl2、O2等直接接触等直接接触不纯金属或合金跟电解质溶液接触

7、不纯金属或合金跟电解质溶液接触现象无电流产生无电流产生有微弱的电流有微弱的电流本质金属被氧化过程金属被氧化过程较活泼金属被氧化过程较活泼金属被氧化过程备注两者同时发生，以电化腐蚀为主两者同时发生，以电化腐蚀为主根据腐蚀破坏的外部特征分类根据腐蚀破坏的外部特征分类 （1 1）全面腐蚀腐蚀全面腐蚀腐蚀 分布在整个表面上并连成一片的腐蚀破坏，分布在整个表面上并连成一片的腐蚀破坏，又可分为均匀腐蚀和不均匀腐蚀。又可分为均匀腐蚀和不均匀腐蚀。 均匀腐蚀均匀腐蚀：腐蚀均匀地发生在整个表面上，材料表面上各部：腐蚀均匀地发生在整个表面上，材料表面上各部分的腐蚀速度基本相同。分的腐蚀速度基本相同。 不均匀腐蚀不

8、均匀腐蚀：腐蚀作用虽然发生在整个材料表面上，但各部：腐蚀作用虽然发生在整个材料表面上，但各部分的腐蚀速度相差较大。分的腐蚀速度相差较大。 （2 2）局部腐蚀腐蚀局部腐蚀腐蚀 主要发生在材料表面的某一区域，而表面的主要发生在材料表面的某一区域，而表面的其他部分未被破坏，局部腐蚀比全面腐蚀有更大的危害性，而且更难其他部分未被破坏，局部腐蚀比全面腐蚀有更大的危害性，而且更难以预测。以预测。 应力（）：作用于被测试样单位面积上产生形变的力。应力是作用负载 与起始横截面积之比。单位：Ncm2应变（）：伸长度与试样的计量长度之比，简而言之就是单位原始长度 试样的长度变化。无量纲。伸长率 （ ）：拉伸负载所

9、引起试样长度的增加。屈服点：应力应变曲线上的应力不再增加的点。屈服强度：应力应变偏离比例关系时材料所承受的极限应力。即屈服点对应的应力。弹性模量（E）：在材料的比例极限以下，应力与相对应的应变之比，通常用FA表示，单位：Ncm2。也称杨氏模量：表征材料刚度的量。胡克定律E， E弹性模量弹性模量: 可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。 弹性变形的本质：从微观上讲，材料弹性变形是外力作用所引起的原子间距离发生可逆变化的结果。因此，材料对弹性变形的抗力取于原子间作用力的大小，即与原子间结合键类

10、型、原子大小、原子间距离有关。共价键和离子键结合的晶体，结合力强，E都较大；分子键结合力弱，这样结合的物体E较低。塑性变形机理：由晶体滑移和孪生晶引起的。 晶体受力时，晶体的一部分（主要晶面）对另一部分发生平移滑动（滑移）。滑移面：原子最密排晶面。滑移方向：原子最密排方向，滑移面和滑移方向组成滑移系统，滑移系统多，材料塑性好。 材料的材料的蠕变蠕变蠕变：蠕变：载荷作用下，形变随载荷作用时间的增加而增加的现象。载荷作用下，形变随载荷作用时间的增加而增加的现象。主要为：非晶态高分子和非晶合金材料主要为：非晶态高分子和非晶合金材料 oa主要是发生弹性，塑性变形；ab过渡蠕变段，蠕变速率（/t）随时间

11、的增加而减小。到b点达最小值。bc稳态蠕变段，即（/t）常数，形变硬化与高温产生的软化过程平衡。 cd加速蠕变段，随时间延长，蠕变速率逐渐增大，至d点产生蠕变断裂。愈来愈大的塑性变形便在晶界形成微孔和裂纹，试件也开始产生缩颈，硬度：硬度：材料抵抗另一物体压入的能力，材料抵抗另一物体压入的能力，用局部用局部变形特征变化表示。其能敏感反映出材料化学变形特征变化表示。其能敏感反映出材料化学成分，组织结构的差异，与强度之间有对应关成分，组织结构的差异，与强度之间有对应关系，是一个综合力学性能指标。系，是一个综合力学性能指标。(一）摩氏硬度 硬度硬度材料材料硬度高低硬度高低硬度硬度材料材料硬度高低硬度高

12、低12345678910滑石滑石石膏石膏方解石方解石萤石萤石磷灰石磷灰石正长石正长石石英石英黄玉黄玉刚玉刚玉金刚石金刚石极软极软极硬极硬123456789101112131415滑石滑石石膏石膏方解石方解石萤石萤石磷灰石磷灰石正长石正长石SiO玻璃玻璃石英石英黄玉黄玉石榴石石榴石熔融氧化锆熔融氧化锆 刚玉刚玉碳化硅碳化硅碳化硼碳化硼金刚石金刚石极软极软极硬极硬影响硬度的因素影响硬度的因素1矿物、晶体和陶瓷材料的组成和结构矿物、晶体和陶瓷材料的组成和结构 一般离子半径越小，离子电价越高，配位数越小，一般离子半径越小，离子电价越高，配位数越小，结合能就越大，抵抗外力摩擦、刻划和压入的能力也结合能就

13、越大，抵抗外力摩擦、刻划和压入的能力也就越强，所以硬就越强，所以硬 度就越大；度就越大；2材料的裂纹和杂质材料的裂纹和杂质 裂纹和杂质的存在，会降低硬度；裂纹和杂质的存在，会降低硬度；3测试测试压力压力、温度温度、压入速度压入速度和和试验时间试验时间。 如温度高，硬度将下降。如温度高，硬度将下降。 晶格热振动是三维的。在三维方向上各质晶格热振动是三维的。在三维方向上各质点热运动时动能的总和，即为该材料的热量。点热运动时动能的总和，即为该材料的热量。 材料的各种热性能的物理本质，均与材料的各种热性能的物理本质，均与晶格晶格振动振动有关。材料是由晶体及非晶体组成的。晶有关。材料是由晶体及非晶体组成

14、的。晶体点阵中的质点（原子、离子）总是围绕着平体点阵中的质点（原子、离子）总是围绕着平衡位置作微小振动，从而产生热量。这种振动衡位置作微小振动，从而产生热量。这种振动称为晶格热振动。晶格热振动以格波的形式在称为晶格热振动。晶格热振动以格波的形式在材料内传播。材料内传播。材料热学性能的物理本质材料热学性能的物理本质热容定义热容定义 热容是使材料温度升高热容是使材料温度升高1K所需的能量，所需的能量，它反映材料从周围环境中吸收热量的能力，它反映材料从周围环境中吸收热量的能力，不同温度下，热容不同不同温度下，热容不同 TTTQCq 比热容比热容 1.TQTmc1.QcT m均pppTHTQCvvvT

15、UTQCq 平均比热容平均比热容 q摩尔热容摩尔热容q 恒压热容恒压热容q 恒容热容恒容热容mCcM 无机材料的热容与材料的结构无明显的关系无机材料的热容与材料的结构无明显的关系无机材料有大致相同的热容曲线无机材料有大致相同的热容曲线 在较高温度下，固体的摩尔热容约等于构成该在较高温度下，固体的摩尔热容约等于构成该固体化合物的各元素的原子热容的总和固体化合物的各元素的原子热容的总和 C = niCi式中，式中， ni：化合物中元素化合物中元素i的原子数，的原子数， ci ：化合物中元素化合物中元素i的摩尔热容的摩尔热容 多相复合材料的比热容约等于构成该复合材多相复合材料的比热容约等于构成该复合

16、材料的物质的比热容之和料的物质的比热容之和 c = gici式中，式中， g gi i：材料中第材料中第i i种组成的重量百分数，种组成的重量百分数， c ci i：材料中第材料中第i i种组成的比热容种组成的比热容。热膨胀热膨胀 物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象 不同物质的热膨胀特性是不同的，有的物质随温不同物质的热膨胀特性是不同的，有的物质随温度变化有较大的体积变化，而另一些物质则相反。度变化有较大的体积变化，而另一些物质则相反。即使是同一种物质，由于晶体结构不同，也将有不即使是同一种物质，由于晶体结构不同，也将有不同的热膨胀性能。同的热膨胀

17、性能。热膨胀系数热膨胀系数 l线膨胀系数：线膨胀系数： l体膨胀系数：体膨胀系数：Tlll0TVVV0lv3l线膨胀系数与体膨胀系数的关系线膨胀系数与体膨胀系数的关系: :l:温度升高温度升高1K时，物体的相对伸长时，物体的相对伸长 实际上，固体材料的实际上，固体材料的l值并不是一个常数，而是值并不是一个常数，而是随着温度稍有变化，在工业上，一般用平均线膨胀随着温度稍有变化，在工业上，一般用平均线膨胀系数表示材料的热膨胀特性。系数表示材料的热膨胀特性。假定试样在温度假定试样在温度T0时时的长度为的长度为l0，升高到温度，升高到温度T，长度变为，长度变为l，则试样在，则试样在T0T范围内的平均线

18、膨胀系数定义为：范围内的平均线膨胀系数定义为：TllTTllll00001)()(1 热膨胀和结合能、熔点的关系热膨胀和结合能、熔点的关系热膨胀和结构的关系热膨胀和结构的关系石英晶体膨胀系数石英晶体膨胀系数: : 1210-6/K，石英玻璃的膨胀系数石英玻璃的膨胀系数: 0.510-6/K。 热传导热传导：温度梯度温度梯度：沿热流方向，每单位长度的温度变化；温沿热流方向，每单位长度的温度变化；温度梯度为矢量，其方向沿热流指向温度升度梯度为矢量，其方向沿热流指向温度升高方向。高方向。当材料一端的温度比另一端高时，热量会从当材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端的现象称为热传导。热

19、端自动地传向冷端的现象称为热传导。热流密度热流密度(q)：单位时间内通过与热流垂直的单位面积的热量单位时间内通过与热流垂直的单位面积的热量 定义定义 材料承受温度的急剧变化而不致破坏材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力。的能力。 抗热冲击断裂性抗热冲击断裂性 材料抵抗瞬时断裂的能力材料抵抗瞬时断裂的能力 抗热冲击损伤性抗热冲击损伤性 热损伤可导致材料的表面开裂、表层热损伤可导致材料的表面开裂、表层剥落并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗剥落并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性。这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性。光的物理本质光的物理本质光速与真空中的电导率光速与真空中的

20、电导率0和导磁率和导磁率0的关系的关系：001c光子（光子（Photon）的能量的能量 ：hchE光速与波长光速与波长和和频率频率的关系：的关系：c光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 (nm) 红 760622 3.910144.81014 660 橙 622597 4.810145.01014 610 黄 597577 5.010145.41014 570 绿 577492 5.410146.11014 540 青 492470 6.110146.41014 480 兰 470455 6.410146.61014 460 紫 455400 6.610147.51014 430 人眼最

21、为敏感的光是黄绿光，即人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。附近。可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围光在均匀介质中的直线传播定律；光在均匀介质中的直线传播定律；光通过两种介质的分界面时的反射定律光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律；和折射定律；光的独立传播定律和光路可逆性原理。光的独立传播定律和光路可逆性原理。 介质对光的反射与折射介质对光的反射与折射 折射定律指出，折射线的方向满足：折射定律指出，折射线的方向满足： 折射线位于入射面内，并和入射线分别处在法折射线位于入射面内，并和入射线分别处在法线的两侧；线的两侧； 对单色光而言，入射角对单色光而言，入

22、射角i的正弦和折射角的正弦和折射角r的正的正弦之比是一个常数，即弦之比是一个常数，即 sini/sinr=n2/n1=n21 n21称为第二介质相对于第一介质的相对折射率。称为第二介质相对于第一介质的相对折射率。它与光波的波长及界面两侧介质的性质有关，而它与光波的波长及界面两侧介质的性质有关，而与入射角无关。与入射角无关。 如果第一介质为真空，则上式可写为如果第一介质为真空，则上式可写为 sini/sinr=n2式中式中n2为第一介质相对于真空的相对折为第一介质相对于真空的相对折射率，或第二介质的绝对折射率，简称射率，或第二介质的绝对折射率，简称折射率。折射率。n=V真空真空 / V材料材料=

23、c / V材料材料介质的折射率永远是大于介质的折射率永远是大于1的正数。的正数。 如如:空气空气 n=1.003， 固体氧化物固体氧化物 n=1.32.7， 硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃 n=1.51.9。折射率折射率n的定义：的定义： 光在真空和材料中的速度之比即为材料光在真空和材料中的速度之比即为材料的的折射率折射率。材料的折射率反映了光在该材料中传材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。播速度的快慢。光密介质：光密介质：折射率大的介质折射率大的介质 光的传播速度慢光的传播速度慢光疏介质：光疏介质：折射率小的介质折射率小的介质 光的传播速度快。光的传播速度快。v构成材料元素的离子半径构成材料

24、元素的离子半径 一般大离子得到高折射率的材料，小离子得到低折射率的材一般大离子得到高折射率的材料，小离子得到低折射率的材 料，如：料，如：PbS的的 n=3 . 912 SiCl4 n=1 . 412 v材料的结构、晶型和非晶态材料的结构、晶型和非晶态 均质介质均质介质：对于非晶态（无定形体）和立方晶体各方向同性：对于非晶态（无定形体）和立方晶体各方向同性材料，光速不因传播方向改变而变化，材料只存在一个折射率。材料，光速不因传播方向改变而变化，材料只存在一个折射率。 非均质介质非均质介质：除立方晶体外的晶体，光进入后分为两相垂直：除立方晶体外的晶体，光进入后分为两相垂直而传播速度不同的两个波，

25、构成两条折射光线，此现象称为双而传播速度不同的两个波，构成两条折射光线，此现象称为双折射。折射。v材料所受的内应力材料所受的内应力 有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的向的n大，平行于主应力方向的大，平行于主应力方向的n小。小。v同质异构体同质异构体 在同质异构体材料中，高温时的晶型折射率在同质异构体材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率高。较低，低温时存在的晶型折射率高。光的全反射光的全反射全反射全反射：当光从光密介质射向光疏介质，且入：当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角时，光线被射角大于临界角时，光线被100%反射的现象。反射的现象。此时不再有折射光线，入射光的能量全部回到此时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。第一介质中。)(sin2112nnnnc临界角：临界角： 无机材料的透光性无机材料的透光性透光性透光性是个综合指标，即光通过无机是个综合指标，即光通过无机材料后，剩余光能所占的百分比。材料后，剩余光能所占的百分比。表征材料导电性的能力111 cm SRcmL 材料的分类及其电导率材料电阻率(.cm)电导率(-1.cm-1)超导体导体半导体绝缘体010-8-10-510-5-107107-1020105-10810-7-10510-20-10-7