工程材料 课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,工程材料的物理、化学性能及常用功能材料,物理性能,化学性能,可以用电、磁、光和热性能来描述,耐腐蚀性和抗氧化性,目的,（,1,）了解材料常用的物理、化学性能特点，（,2,）了解结构以及加工工艺对物理、化学性能的影响规律。,1,1,电性能,2,磁性能,3,热性能,4,光学性能,工程材料的物理、化学性能及常用功能材料,5,腐蚀与氧化,2,1,电学性能,一、导电性：,1,、金属的电子能带结构特点,2,、绝缘体和半导体的电子能带结构特点,3,、影响材料电导率的因素,材料的导电性一般用电阻率（,）来表示，电阻率表示单位长度、单位面积导体的电阻，其单位为,m,。电阻率越低，材料的导电性越好,根据电阻率数值的大小可把材料分为：,超导体：,0,导体：,10-8-10-5m,半导体：,10-5-107m,绝缘体：,107-1020m,通常金属的电阻率随温度的升高而增加，而非金属材料则与此相反,3,1,电学性能,二、超导性,三、介电性：,1,、材料的极化：电子极化、离子极化、分子极化,2,、介电强度,四、铁电性：能自发极化的材料叫铁电材料,五、压电性和电致伸缩现象,材料在应力场作用下发生极化而产生电场；反之，在外加电场作用下使介电材料发生极化，从而导致其尺寸发生变化,六、热电效应：,工业上常用热电偶器件来测量高温或控制温度,4,2,磁学性能,一、磁化：材料在磁场作用下，使感生的或固有的磁偶极子排列时聚向趋于一致,二、磁化率：,磁化强度,M,和磁场强度,H,的比值,三、磁性分类：,抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性,四、磁性材料,1,、软磁材料：特点磁导率高，矫顽力小，磁滞损耗低,2,、硬磁材料：永磁材料具有高的剩余磁感强度、高的矫顽力,5,2,磁学性能,五、磁化曲线,6,3,热学性能,材料受热时，有三个重要的效应：材料的吸热、传热和热膨胀,一、热容：,Cp,1mol,固体温度升高,1K,所需的热量,二、热导率：,两个相距,1cm,，面积为,1cm2,的平行平面，如果这两个平面的温度度,1K,，则在,1,秒内从一个平面传导到另一个平面的热量，单位为,J/,cm.s.k,材料导热性的好坏直接影响着材料的使用性能，如果零件材料的导热性太差，则零件在加热或冷却时，由于表面和内部产生温差，膨胀不同，就会产生变形或裂纹。热交换器等传热设备的零部件一般常用导热性好的材料（如铜、铝等）来制造,通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料,三、热膨胀：,用线膨胀系数描述，即每升高,1K,，在单位长度上的长度变化量,7,4,光学性能,太空探索,气象预测,资源考察,军事侦察,光学系统收集信息,8,4,光学性能,材料在与特征光谱或连续光谱的光子发生交互作用时，表现出一些很有应用价值的光学性能,一、吸收和透射,如果光子不具有使电子激发到更高能级的能量，那么光子可以透过材料而不被吸收，这种材料就是透明的。光子是透射材料还被吸收，取决于光子能量和导带与价带间的能隙的关系,二、折射和反射,三、光学材料,1,、光导纤维：光在光电纤维中传播的基本原量是全反射,2,、光学薄膜：如增透膜、偏振膜、分光膜、滤光膜等,9,5,腐蚀与氧化,腐蚀,材料与周围环境介质发生某种化学反应而使其性能退化的现象。,化学腐蚀,电化学腐蚀,是指材料与环境介质直接发生化学反应。例如发动机燃烧室受燃气腐蚀、液压管道受 化工产品侵蚀等,是指材料在电解液中由于形成微电池而引起的腐蚀。是材料腐蚀的主要形式,10,5,腐蚀与氧化,阴极反应,2H,+,+ 2e,-, H,2,O,2,+ 2H,2,O + 4e,-,4OH,-,O,2,+ 4H,+,+ 4e,-, 2H,2,O,11,5,腐蚀与氧化,两极的形成方式,(1),两种连接在一起的不同材料,12,5,腐蚀与氧化,两极的形成方式,(2),材料中存在两种不同相或成分偏析区域与基体,(3),材料中存在局部残余应力，通常高应力区呈阳极，低应力区呈阴极。与之相似，当晶粒不均匀时，具有较细晶粒的区域呈阳极，具有较粗晶粒的区域呈阴极。,(4),电解质溶液中存在浓度差异,通常与高浓度的溶液相接触的金属呈阴极，与低浓度溶液相接触的金属呈阳极。,13,5,腐蚀与氧化,提高耐腐蚀性途径,（,1,）合金化,工程上通过合金化来达到以下目的：,形成单相合金。,减小多相合金中组成相间的电极电位差。,使材料表面钝化。例如形成致密的氧化膜。,（,2,）结构设计,此外，从结构设计方面可采取如下方法：,防止形成闭合回路。例如，当钢管与铜紧固件连接时，可使用塑料等使钢管与铜紧固件之间保持电绝缘。,在连接的材料之间避免出现裂缝。,14,5,腐蚀与氧化,提高耐腐蚀性途径,(3),涂层,涂层用来隔绝阳极区域与阴极区域。常用的有油脂、油漆、陶瓷以及金属镀层。,(4),阴极保护,(5),材料的选择与热处理,通过选择适当的材料与适合的热处理制度，可以防止或减缓腐蚀。例如铸件中的偏析会导致形成细小的电化学微电池，可以通过均匀化处理（扩散退火）来改善耐腐蚀性能。,15,5,腐蚀与氧化,耐热性,热稳定性 ：是指材料在高温下的抗氧化性。,金属在高温下可与氧反应，在表面生成氧化物薄膜。,n M + m O,2, M,n,O,2m,定义,P-B,比率,= M,氧化物,金属,/nM,金属,氧化物,可将氧化物分为三类：,多孔型,氧化物与金属的体积比率大于,1,，此时，氧化膜呈多孔状，例如，镁的氧化膜。,致密型,氧化物与金属的体积比率接近,1,，此时，形成一种附着力强，无孔的，具有保护性能的氧化膜，例如，铝或铬的氧化膜。,剥落型,氧化物与金属的体积比率小于,1,，此时，刚形成的氧化膜具有钝化作用，然而，随着氧化膜的增厚，在氧化膜与金属间的界面处产生很大的内应力，导致氧化膜呈片状剥落，裸露出来的新鲜金属则继续氧化。例如，铁的氧化膜属于此种类型,16,5,腐蚀与氧化,耐热性,热强性：,是指材料在高温下抵抗变形和断裂的能力。它是通过蠕变试验测试的性能指标（蠕变极限和持久强度）来衡量,17,