1、材料材料- -环境的相互作用环境的相互作用 工程材料科学与设计工程材料科学与设计（James P. SchafferJames P. Schaffer等著）等著）余永宁等翻译余永宁等翻译机械工业出版社机械工业出版社材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义2Even if the present, the match does not stop changes the page.即使现在，对手也不停地翻动书页。即使现在，对手也不停地翻动书页。 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义3材料与环境实例材料与环境实例铝合金上生成了粘附性很好的保护性氧化物铝合金上生成了粘附性很好的保护性氧化物
2、铜作为屋顶的覆盖材料铜作为屋顶的覆盖材料美国由于腐蚀造成的损失美国由于腐蚀造成的损失15001500亿美元亿美元/ /年年 1. 引言引言材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义4 2. 液液-固反应固反应电荷转移是否在反应机制中起重要作用电荷转移是否在反应机制中起重要作用（1 1）电化学腐蚀）电化学腐蚀（2 2）直接溶解机制：涉及固体在周围液态环境中）直接溶解机制：涉及固体在周围液态环境中的溶解而没有实质性的电荷转移的溶解而没有实质性的电荷转移（3 3）静态疲劳机制）静态疲劳机制硅酸盐在含水环境中强度随时间的延长而下降硅酸盐在含水环境中强度随时间的延长而下降 材料科学与工程导论材料科学与
3、工程导论讲义讲义5静态疲劳机制静态疲劳机制1expfQCtRT在持续载荷而不是循环载荷条件下发生的化学破坏，在持续载荷而不是循环载荷条件下发生的化学破坏，而不是力学破坏。而不是力学破坏。对于静态疲劳，在恒定应力下腐蚀对于静态疲劳，在恒定应力下腐蚀速率表示断裂时间的倒数速率表示断裂时间的倒数ft为断裂时间为断裂时间材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义6 直接溶解机制直接溶解机制（1 1）对于聚合物和有机材料的直接溶解，通常的）对于聚合物和有机材料的直接溶解，通常的设计规则之一为设计规则之一为“相似相溶相似相溶”（2 2）特种陶瓷对于侵蚀性环境的抗力可用其键的）特种陶瓷对于侵蚀性环境的抗力
4、可用其键的强度来衡量。强度来衡量。（3 3）液态金属致脆）液态金属致脆 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义7电化学腐蚀电化学腐蚀基本原理在基本原理在物理化学物理化学中已经学习过中已经学习过应用分析：应用分析：（1 1）罪证实验室能够将磨掉的枪支序列号）罪证实验室能够将磨掉的枪支序列号“奇迹奇迹”地显现出来地显现出来（2 2）抛光过的珠光体组织经过酸）抛光过的珠光体组织经过酸“侵蚀侵蚀”以后，以后，珠光体组织变得清晰珠光体组织变得清晰（3 3）低）低CuCu含量的含量的Al-CuAl-Cu二元合金比高二元合金比高CuCu含量的类含量的类似合金更耐蚀似合金更耐蚀材料科学与工程导论材料科学
5、与工程导论讲义讲义8 各种腐蚀类型各种腐蚀类型（1-41-4）均匀腐蚀；电偶腐蚀；浓差电池；点蚀和）均匀腐蚀；电偶腐蚀；浓差电池；点蚀和缝隙腐蚀缝隙腐蚀（5 5）氢脆）氢脆（6 6）应力促进的腐蚀）应力促进的腐蚀材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义9氢脆氢脆氢可以与金属直接反应产生脆性氢化物相，这在钛氢可以与金属直接反应产生脆性氢化物相，这在钛和其他和其他HCPHCP以及一些以及一些BCCBCC金属中比较常见。金属中比较常见。氢离子能够迁移到位错处，并与位错相互作用，降氢离子能够迁移到位错处，并与位错相互作用，降低其迁移率，导致延展性降低。低其迁移率，导致延展性降低。导致阴极的性能下降
6、。（往往被误解为导致阴极的性能下降。（往往被误解为阳极腐蚀阳极腐蚀）材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义10设计：设计：用在木浆处理中的搅拌叶片的力学性能很快用在木浆处理中的搅拌叶片的力学性能很快失效。叶片是用普碳钢制造，浆液中含有高失效。叶片是用普碳钢制造，浆液中含有高浓度的硫化氢。为减少预计的腐蚀问题所做浓度的硫化氢。为减少预计的腐蚀问题所做的所有努力却只提高了搅拌叶片的失效速率。的所有努力却只提高了搅拌叶片的失效速率。请给出问题的解答。请给出问题的解答。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义11 腐蚀的防护腐蚀的防护（1 1）温度）温度（2 2）选材）选材（3 3）改进设计
7、）改进设计（4 4）阴极保护）阴极保护（5 5）使用保护性涂层）使用保护性涂层（6 6）缓释剂）缓释剂 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义12许多工程材料使用在气体环境而非液体环境中。许多工程材料使用在气体环境而非液体环境中。考察气体侵蚀的特点和机制，讨论减少这种环考察气体侵蚀的特点和机制，讨论减少这种环境破坏的设计策略。境破坏的设计策略。 3. 直接气体侵蚀（气直接气体侵蚀（气-固反应）固反应）材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义13（1 1）环境气体对成键结构的改变）环境气体对成键结构的改变实例：汽车轮胎侧壁在实例：汽车轮胎侧壁在“正常正常”环境中开裂环境中开裂弹性体主干
8、的碳链上含有未饱和的双键，环境中的氧弹性体主干的碳链上含有未饱和的双键，环境中的氧（或者硫）就可能与这些键反应，生成附加的交联。（或者硫）就可能与这些键反应，生成附加的交联。交联密度增大，会降低橡胶的塑性。（弹性体在应力交联密度增大，会降低橡胶的塑性。（弹性体在应力下更容易发生键的破坏和开裂）。紫外线加速氧化。下更容易发生键的破坏和开裂）。紫外线加速氧化。光致氧化光致氧化对策：轮胎添加炭黑，部分阻挡紫外线，减缓破坏。对策：轮胎添加炭黑，部分阻挡紫外线，减缓破坏。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义14（2 2）气体反应产物的形成）气体反应产物的形成实例：钢在氧气环境中容易脱碳，导致在靠
9、实例：钢在氧气环境中容易脱碳，导致在靠近表面生成贫碳区（比基体钢材软），从而近表面生成贫碳区（比基体钢材软），从而降低了耐磨性。降低了耐磨性。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义15（3 3）保护性和非保护性固态氧化物）保护性和非保护性固态氧化物能够保护基体材料的固态氧化物必须是连续能够保护基体材料的固态氧化物必须是连续的、粘附良好的，并且能将材料完全覆盖。的、粘附良好的，并且能将材料完全覆盖。皮林皮林- -贝德沃兹比（贝德沃兹比（PBPB）：）：1mol1mol氧化物所占的氧化物所占的体积除以用来产生体积除以用来产生1mol1mol氧化物所消耗的金属氧化物所消耗的金属体积。体积。1P
10、B2.31PB2.3材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义16（4 4）改进耐气体侵蚀性的方法）改进耐气体侵蚀性的方法基本方法：选用最好的材料，必要的话改进材料的成分；基本方法：选用最好的材料，必要的话改进材料的成分；改进使用环境的成分；使用涂层。改进使用环境的成分；使用涂层。实例实例; ;氧化物氧化物FeFe2 2O O3 3的生长速率受到的生长速率受到O O2-2-通过氧化物的空位辅助的扩通过氧化物的空位辅助的扩散所控制，试建议一种能降低散所控制，试建议一种能降低FeFe氧化速率。氧化速率。对策：对策：通过降低氧化物中氧空位浓度来阻滞通过降低氧化物中氧空位浓度来阻滞O O2-2-扩散
11、。可以添加扩散。可以添加MOMO2 2的氧化物。注意还要遵守休姆的氧化物。注意还要遵守休姆- -罗瑟里法则。可以加罗瑟里法则。可以加ZrOZrO2 2。 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义17磨损的定义磨损的定义由于机械作用而非化学作用引起的表面材料的剥落。由于机械作用而非化学作用引起的表面材料的剥落。对磨损原因和机理的理解既可以改进设计以减少剥蚀、对磨损原因和机理的理解既可以改进设计以减少剥蚀、又可以在工艺过程中对磨损机理加以利用。又可以在工艺过程中对磨损机理加以利用。 4. 摩擦磨损（固摩擦磨损（固-固相互作用）固相互作用）材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义18（1 1
12、）磨损机理）磨损机理粘着磨损；粘着磨损；高接触应力高接触应力磨料磨损；磨料磨损；表面疲劳；火车车轮最常见的失效机制表面疲劳；火车车轮最常见的失效机制腐蚀磨损腐蚀磨损 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义19（2 2）减少摩擦与磨损的设计）减少摩擦与磨损的设计 最常用的方法是：使用润滑剂和表面处理最常用的方法是：使用润滑剂和表面处理 润滑剂：液体润滑润滑剂：液体润滑 固体润滑：固体润滑：石墨、石墨、oSoS2 2表面处理：表面处理： 表面渗碳；离子注入；表面硬化陶瓷涂层表面渗碳；离子注入；表面硬化陶瓷涂层材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义20所有的材料都受到高能辐照的影响所有的材料都受到高能辐照的影响 聚合物中辐照会直接导致键的断裂，进而引起交联聚合物中辐照会直接导致键的断裂，进而引起交联金属比陶瓷更能抵抗辐照损伤。金属比陶瓷更能抵抗辐照损伤。辐照能严重损坏半导体材料的电学和磁学性能辐照能严重损坏半导体材料的电学和磁学性能 5. 辐照损伤辐照损伤材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义21
