1、洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:36 AMChapter 2 Structure and property of materials洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:36 AM材料应用材料应用物理性质物理性质微观结构微观结构一般物理性能一般物理性能特殊物理性能特殊物理性能结构材料结构材料功能材料功能材料引引 言言1.材料结构、性能与应用之间的关系材料结构、性能与应用之间的关系洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:37 AM2.各类材料的一般特性各类材料的一般特性 化学性能、力学性能和热性能、电性能、磁性能和光学性能化学性能、力学性
2、能和热性能、电性能、磁性能和光学性能洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:37 AM金属及合金：金属及合金：耐腐蚀性耐腐蚀性无机非金属：无机非金属：耐酸耐碱性耐酸耐碱性高分子：高分子：耐溶性及老化性耐溶性及老化性3.1 化学性能化学性能Chemical Performance材料抵抗各种介质作用的能力（材料抵抗各种介质作用的能力（O2,酸，碱，光照等）酸，碱，光照等）化学稳定性化学稳定性各类材料的薄弱环节各类材料的薄弱环节洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:38 AM(1)Chemical stability of metal materials(b)氧化
3、物成核(c)氧化膜生长l内氧化内氧化:(a)缝隙，孔洞，微裂纹(b)宏观裂纹l表面氧化：表面氧化：(a)吸附（1）化学锈蚀）化学锈蚀3.1.1 耐腐蚀性耐腐蚀性金属氧化反应的金属氧化反应的主要过程示意图主要过程示意图洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:38 AM钢铁的电化学侵蚀过程钢铁的电化学侵蚀过程（2）电化学锈蚀）电化学锈蚀洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:38 AMExample海水对金属的侵蚀示意图海水对金属的侵蚀示意图 电化学保护法电化学保护法示意图示意图洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:38 AM思考：思考：为什么有的
4、金属（如铝）比较活泼，但在为什么有的金属（如铝）比较活泼，但在空气中很稳定？空气中很稳定？为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？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？材料应用中有哪些防锈方法？洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:38 AM3.1.2 耐酸碱性耐酸碱性无机非金属材料无机非金属材料碱性氧化物碱性氧化物耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物SiO2为主为主盛碱液瓶塞盛碱液瓶塞碱式滴定管碱式滴定管被被HF酸腐蚀酸腐蚀耐碱材料耐碱材料 洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:38 AMSiO2酸碱反应酸碱反应洛阳师范学院洛阳师
5、范学院 1/30/2023 1:48:39 AM(3)Chemical stability of polymers 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；3.1.3 耐有机溶剂性（1）老化）老化 高分子制品受环境的影响，发生氧化、降解及交联反应，破坏了原有的化学结构和使用性能。3.1.4 耐老化性高分子材料面临的问题（2）老化的原因）老化的原因内因：聚合物自身的结构状态及加工时引入的杂质。外因：热、光、辐射、力、化学介质、霉和空气中氧及臭氧。其中最主要的是热氧化和光氧化作用。洛阳师范学院洛阳师范学院
6、 1/30/2023 1:48:39 AM 如聚合物在户外的老化：主要是光氧老化，太阳光的波长为120nm1200nm。其中能量高的远紫外(120nm280nm)部分多被O3吸收，300nm400nm近紫外进入地面。其能量足以使大多数化学键断裂(键能250kJmol-1 420kJmol-1)。（3）老化机理）老化机理:多为自由基的链引发、链增长和链终止的三步老化机理。（4）防老化措施：）防老化措施：添加抗氧化剂、光稳定剂。抗氧化剂:能有效地抑制氧化的发生。如：“位阻酚”2,6-二叔丁基对甲酚可吸收(终止)两个自由基。光屏蔽剂：能够吸收或反射紫外光的物质。吸收紫外光激发，通过发射较弱的荧光、磷
7、光或热回至基态；反射紫外光（如光铝粉用于ABS塑料的户外光稳定剂）。洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:39 AM2.1.3.3 Mechanical property3.2 力学性能力学性能材料抵受外力作用的能力材料抵受外力作用的能力FFFFFF拉伸压缩弯折剪切材料的受力示意材料的受力示意洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:39 AM3.2.1 材料的强度(Strength)1.定义：材料在外力作用下不发生破坏时所能承受的最大应力。2.比强度：强度与其表观密度的比值。比强度的意义：（1）衡量材料轻质高强性能的一项重要指标；（2）高比强度，对大跨度、高建
8、筑十分有利。3.材料的脆性和韧性材料的脆性和韧性(1)脆性：脆性：在外力作用下，直到在外力作用下，直到破坏前破坏前无明显的塑性变形而发无明显的塑性变形而发生突然破坏生突然破坏的性质的性质，主要根据其主要根据其抗压强度抗压强度来划分强度等级，来划分强度等级，如混凝土、水泥、粘土砖等；如混凝土、水泥、粘土砖等；(2)韧性：韧性：在外力作用下，能吸收较大能量，并产生在外力作用下，能吸收较大能量，并产生较大变形较大变形而不发生破坏而不发生破坏的性质，称为韧性，主要根据其的性质，称为韧性，主要根据其抗拉强度抗拉强度来划来划分强度等级。如钢材、木材、橡胶等。分强度等级。如钢材、木材、橡胶等。洛阳师范学院洛
9、阳师范学院 1/30/2023 1:48:39 AM4.材料的弹性和塑性(1)弹性 是指材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，能完全恢复原形状的性质，称为弹性。(2)塑性（延展性）是指材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质，称为塑性。延伸率00100%flll 5%：脆性材料00100%fAAA 断面收缩率洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:40 AM 应力（stress）：材料单位面积的受力0/FA5.5.材料的应力材料的应力-应变曲应变曲线 00()/lll 应变（strain）：材料单位长度的伸长率洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/
10、2023 1:48:40 AM应力应力-应变曲线应变曲线 ultimate tensile strength yield strength 弹性极限弹性极限 应力应力应变应变 (Hookes Law)EE:弹性模量或杨氏模量弹性模量或杨氏模量洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:41 AM6.材料的强度的一般特点：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（含有缺陷）；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
11、属材料延展性很差，屈服强度高。源于共价键的方向性 洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:41 AM3.2.2 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(1)布氏硬度（Brinell hardness）单位压痕面积的压力，符号用HB22(/2)()iFD DDD强度、弹性、塑性和韧性等力学性能的综合指标 1.硬度测试 优点：测定的数据准确。缺点：压痕较大，易损坏成品表面。洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:41 AM(2)洛氏硬度（Rockwell hardness）压痕深度作为洛氏硬度值的计量，符号用HR表示。HR=(K-h)/
12、0.002优点:是操作迅速简便；压痕较小；可测量较薄工件的硬度。缺点:精确性较低。洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:42 AM(3)维氏硬度（Vickers hardness）也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。压头是金刚石正四棱锥体，试验力较小。维氏硬度用符号HV表示。HV=0.189F/d2优点:适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。缺点:是硬度值的测定较为麻烦，因此不太适合成批生产的常规检验。洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:42 AM2.材料硬度特征：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
13、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;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 金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度;洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:42 AM3.2.3 疲劳性能疲劳性能材料抵抗疲劳破坏的能力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，在局部（某点或某些点）产生永久性的损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/20
14、23 1:48:42 AM S-N曲线:以应力为纵坐标，以疲劳寿命为横坐标，则可绘出应力和疲劳寿命间的关系曲线，此曲线称为应力寿命曲线。疲劳极限：材料能经受“无限”次循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。应力寿命曲线(S-N曲线)S 条件疲劳极限：以某一指定寿命N0（一般为107108）所对应的最大应力作为疲劳极限。洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:42 AM2.1.3.4 Thermal property 热容（heat capacity）热膨胀（thermal expansion）热传导（thermal conduction）3.3 热性能Thermal Property
15、它们均与材料中的原子振动有关，而导热性还涉及电子的能量转移洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:43 AM2.1.3.4 Thermal property3.3.1 热容（heat capacity）固体的热容是原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现。1.定义:热容是指一定量的物质在升高1的时所需要的热量。比热容:单位质量的热容，它的单位是JK-1g-1 或JK-1kg-1。摩尔热容:1 mol物质的热容，单位为 J.K-1mol-1。等压热容（Cp）:对于组成不变的均相体系，等压过程中的热容。等容热容（Cv）:对于组成不变的均相体系，等容过程中的热容。固体：CpCv=Cm洛
16、阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:43 AM （晶格热振动）晶格热容固体的热容 （电子的热运动）电子热容2.热容的微观认识注：除非在极低温度下，电子热容是很小的（常温下只有晶格热容的1）洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:43 AM典型金属元素定压比热随温度的变化3.实际固体材料的热容规律室温或更高温度下：Cp=3R=24.9 Jmol-1K-1（杜隆-珀蒂定律）极低温度下：CpT3，约10 K以下才能观察到Cp随T3变化 温度不是太低的情况，忽略自由电子对比热的贡献Cv=T+AT3T 自由电子对比热的贡献AT3 晶格振动对比热的贡献洛阳师范学院洛阳师范
17、学院 1/30/2023 1:48:43 AMCP Cv：固体的热膨胀系数很小，说明由于温度变化所产生的体积膨胀很少，从而对外作功很小，反应为在等压过程中吸的热与等容过程吸的热的差异很小，粗略地考虑，可不必区分定压热容还是定体热容，而以 C m 表示晶体的摩尔热容。振动自由度在低温下对热容的不贡献性：振动自由度在低温下对热容的不贡献性：气体热容具有反常现象：不少气体的振动自由度只有在温度比较高时才有贡献，而在低温下不作贡献；实验也证实晶体的热容有类似的反常现象。洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:43 AM能量均分定理讨论气体摩尔内能，在所有的自由度都做贡献的情况下,NA
18、个原子所组成的多原子分子气体的摩尔内能为：2/2)63(33AAkTNNUm如果把固体类比为由 N A 个“原子”所组成的“大分子”，这时能量均分定理也能被用来讨论固体的热容。由于固体处于静止状态，它的平动、转动运动不必考虑，固体的摩尔内能为：Um=（3NA-6）2 kT/2 3RT-11-113 6.02217 1.38062J molK24.9430J molKVC4.DulongPetit 定律RTUTUCmm3dd杜隆杜隆-珀蒂定律珀蒂定律洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:44 AMl烈日当空的海边，沙子比海水热得多。l冰冻的猪肉在水中比空气中解冻的快。l用热水取
19、暖。l一天中沿海地区温度变化小，内陆温度变化大。生活常识：物质中热容量最大的是水l农村在培育秧苗时，为保护秧苗夜间不致受冻，傍晚要往秧田里灌水，夜间秧田里温度不致降的太多，秧苗不致冻坏，早晨再把水放出去，以日照使秧苗温度高一些，有利于生长。l冰箱：箱内贮存食品过少时，由于热容量变小，压缩机开停时间缩短，造成冰箱累计耗电量增加。所以食品过少时，可以用几只塑料盒盛水放进冷冻室内。l沿海和内陆气候变化差别洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:44 AM2.1.3.4 Thermal property 膨胀系数定义：温度变化1K时材料尺度的变化率。分类：线膨胀系数l和体积膨胀系数V
20、3.3.2 热膨胀（thermal expansion）1 lpllT 1VpVVT洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:44 AMCurve势能一原子间距离曲线势能一原子间距离曲线假想的假想的实际的实际的 热膨胀现象的微观解释热膨胀现象的微观解释rr洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:45 AMCurve 金属和无机非金属材料的金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小；线膨胀系数较小；聚合物材料较大。聚合物材料较大。键强与热膨胀键强与热膨胀膨胀的差异膨胀的差异原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。洛阳师范学院洛阳师范学院
21、 1/30/2023 1:48:45 AM 概念：热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象，这种现象叫做热传递。发生的条件：温度差。规律：从“温度高的”传到“温度低的”，直到温度相同为止。3.3.3 热传导（thermal conduction）热传导是热传递的一种方式(热传导、热对流、热辐射)热量通量热量通量dTqdx 洛阳师范学院洛阳师范学院 1/30/2023 1:48:45 AM各种材料的导热率 金属材料有很高的热导率自由电子在热传导中担当主要角色；晶格振动（声子）无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率随温度升高而增大。半导体材料的热传导：电子与晶格振动（声子）的共同贡献 低温时，声子是热能传导的主要载体。较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。高分子材料热导率很低 热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差。注：晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响。
