材料性能檢測全冊配套完整課件

材料性能檢測全冊配套完整課件材料性能與檢測中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料與化學(xué)學(xué)院課程安排總學(xué)時：40學(xué)時考查方式：筆試50%+平時作業(yè)、考勤50%參考教材：

材料物理性能邱成軍等哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社

材料性能檢測實習(xí)講義校內(nèi)教材材料性能檢測在材料研究中的作用研究目標(biāo)設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)合成評價檢測設(shè)計依據(jù)性能驗證組織表征供測試樣性能測試微組織調(diào)節(jié)控制課程結(jié)構(gòu)第一章緒論第二章材料的化學(xué)性能與檢測第三章材料的力學(xué)性能與檢測第四章材料的熱學(xué)性能與檢測第五章材料的光學(xué)性能與檢測第六章材料的電學(xué)性能與檢測第七章材料的磁學(xué)性能與檢測基本概念材料、分類、性能、檢測、實驗規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)材料性能與檢測研究內(nèi)容、目的材料性能研究方法本課程在材料科學(xué)研究中的地位及特點

第一章緒論1、材料

一、基本概念

材料是人類社會所能接受的、經(jīng)濟地制造有用器件的物質(zhì)。（l）“人類社會所能接受的”包含資源、能源和環(huán)境保護三個判據(jù)。（2）“經(jīng)濟地”包含經(jīng)濟性判據(jù)，即生產(chǎn)和加工成器件的花費至少能被器件所帶來的效益所補償。（3）“制造有用器件的”包含質(zhì)量判據(jù)，包括材料的工藝性能（制造）和使用性能（有用）?；瘜W(xué)成分化學(xué)性能晶體結(jié)構(gòu)材料功能成分、顯微結(jié)構(gòu)、性質(zhì)性能

2、材料分類

（1）按化學(xué)成分分類（2）按晶體結(jié)構(gòu)分類（2）按晶體結(jié)構(gòu)分類（3）按功能分類（4）成分、顯微結(jié)構(gòu)、性質(zhì)（5）依據(jù)性能的分類：

a.結(jié)構(gòu)材料：材料的結(jié)構(gòu)性以原子尺度內(nèi)部不發(fā)生變化為特征，即堅固并有一定的耐用性，鍵能大的材料堅固。如：玻璃、水泥、陶瓷。

b.功能材料：電子或離子在內(nèi)部運動而引起其特性的稱為它的第一特征，一般由于摻雜和晶格缺陷而造成的敏感性也作為功能材料的特征之一。具有特定物理（光學(xué)玻璃）、化學(xué)（催化劑）或生物特性（生物陶瓷）的材料。可以作為一種將輸入能量傳遞或轉(zhuǎn)換成其它能量的功能元件。如：電子能帶結(jié)構(gòu)的不同決定了材料的導(dǎo)電性差異；材料在“非平衡”情況下能夠發(fā)光。

材料所具有的屬性和功能，同時是一種參量，用于表征材料在給定的外界條件下的行為。

3、材料性能

（l）行為——有多少行為，就對應(yīng)有多少性能。例如，用表征材料在外力作用下拉伸行為的載荷-位移曲線或應(yīng)力-應(yīng)變曲線，采用屈服、伸縮、斷裂等行為判據(jù)，便分別有屈服強度、抗拉強度、斷裂強度等力學(xué)性能。（2）參量——性能是對材料行為的量化表示，具有量綱和數(shù)值。通過量綱，可以理解某項性能的屬性，通過性能的數(shù)值，可以有助于器件設(shè)計時的選材與用材，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也為材料的研究和評價提供了目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。

（3）外界條件——在不同的外界條件下，同一種材料會有不同的性能。故當(dāng)表征材料的某一性能時，必須同時指明所對應(yīng)的的外界條件。如未專門指明，則會認(rèn)為它是處于地球表面（海平面高度）和標(biāo)準(zhǔn)氣候下（空氣溫度（20士2）℃，相對濕度（75土2）％，大氣壓

93～106kPa）。

材料性能包括兩方面：

使用性能：材料在使用條件下表現(xiàn)出來的性能。如力學(xué)性能、光學(xué)性能、化學(xué)性能等。

工藝性能：材料在加工過程中反映出的性能。如切削加工性能、熱處理性能等。材料性能研究需注意問題現(xiàn)象與本質(zhì)統(tǒng)一性能的復(fù)合與轉(zhuǎn)換性能的發(fā)展與改造

材料不同性能是材料在不同的外界條件下所表現(xiàn)出的不同行為。在研究材料性能時，既要總結(jié)個別性能的特殊規(guī)律，也應(yīng)該要從材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)去理解材料為什么會有這些性能。a)現(xiàn)象與本質(zhì)統(tǒng)一b)性能的復(fù)合與轉(zhuǎn)換

物理現(xiàn)象之間的轉(zhuǎn)換是相當(dāng)普遍的，人們利用這些現(xiàn)象，制備了很多功能元件與控制元件。例如，熱電偶、光電管、電阻應(yīng)變片、壓電晶體等。

相乘效應(yīng)：若對材料A施加X作用，可得到Y(jié)效果，則這個材料具有X/Y性能，如：壓電性能中X為壓力，Y為電位差。若材料B具有Y/Z性能，則A與B復(fù)合之后具有X/Z新性能：

(X/Y)?(Y/Z)=(X/Z)

功能復(fù)合材料的相乘性表

A組元性能(X/Y）B組元性能(Y/Z)AB復(fù)合材料性能(X/Z)壓電性磁阻性壓阻效應(yīng)壓磁性法拉弟效應(yīng)(電磁轉(zhuǎn)變)壓致電極性變化壓電性場致發(fā)光壓力發(fā)光壓電性凱爾光電效應(yīng)力致發(fā)光磁致伸縮壓阻性磁阻效應(yīng)磁致伸縮壓電性磁電效應(yīng)光導(dǎo)性電致伸縮光致伸縮光導(dǎo)性場致發(fā)光光波轉(zhuǎn)變(紅外/可見光)閃爍現(xiàn)象光導(dǎo)性輻照誘致導(dǎo)電閃爍現(xiàn)象熒光輻射熒光熱脹變形性敏電阻熱阻控制效應(yīng)c)

注意性能的發(fā)展與改造一般都用“工藝→結(jié)構(gòu)→性能”去控制或改造性能，改變結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮可變性以及這種改變對于性能改變的敏感性。有些結(jié)構(gòu)是難于改變的，如原子結(jié)構(gòu)；有些組織雖然可以通過工藝來改變，但性能對于結(jié)構(gòu)卻有不同的敏感性。某些性能主要取決于成分，當(dāng)成分固定了，性能也就隨之而固定，這稱為非結(jié)構(gòu)敏感性性能。如：彈性模量、磁飽和等。由于晶體的缺陷、畸變、第二相的數(shù)量、大小和分布等的改變而可能有很大的變化，這則稱為結(jié)構(gòu)敏感性的性能，例如：電導(dǎo)率、屈服強度、矯頑力等。i)成分固定時，企圖用工藝去改變非結(jié)構(gòu)敏感性性能，是徒勞無功的。ii)對于結(jié)構(gòu)敏感性性能，當(dāng)組織不變時，有可能列出狀態(tài)方程，表示各種變量之間的關(guān)系。

在材料性能研究中，研究材料的另一重要領(lǐng)域是材料性能檢測方法，即通過各種狀態(tài)下所測得的材料參數(shù)，取得固體微觀結(jié)構(gòu)組態(tài)的信息，以闡明材料的純度、狀態(tài)、相組成、精確判斷相變過程的性質(zhì)、數(shù)量和限度。檢測與測量：檢測是意義更為廣泛的測量。

4、檢測測量是以確定被測對象的屬性和量值為目的的全部操作。檢測過程：信息提取、信號轉(zhuǎn)換存儲與傳輸、顯示記錄、分析處理。檢測技術(shù)：檢測方法、檢測結(jié)構(gòu)、檢測信號處理。（綜合性技術(shù)）規(guī)范：測量材料（原材料或半成品）性能參數(shù)時所應(yīng)遵守的技術(shù)文件。是對要求、量綱、材料等的詳細說明。

通常規(guī)定實驗條件（如溫度、濕度等），實驗方法（包括樣品準(zhǔn)備、操作程序和結(jié)果處理）和實驗用儀器、試劑等。根據(jù)規(guī)范所規(guī)定的條件進行實驗，所得結(jié)果可與原定標(biāo)準(zhǔn)相互比較，以評定材料（試件）的質(zhì)量和性能。

5、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)檢測標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)（化）：對材料或工業(yè)產(chǎn)品類型、性能、尺寸、技術(shù)文件的符號與代碼等的統(tǒng)一規(guī)定，并予以實施的一項技術(shù)措施。或者說，標(biāo)準(zhǔn)是在測量或鑒定容量、數(shù)量、含量、程度、數(shù)值、質(zhì)量等方面，作為一種法則或比較基礎(chǔ)而建立。標(biāo)準(zhǔn)的最終目的是建立一種共同的語言，這樣使在開發(fā)者、設(shè)計者、制造者和最終使用者和其它有關(guān)方面之間不致造成混亂或發(fā)生語言不通。建立標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點：（1）標(biāo)準(zhǔn)化給工業(yè)（自動化）帶來的好處是能夠提高效率，提高質(zhì)量，保證均一的高質(zhì)量商品和提出新的問題。（2）標(biāo)準(zhǔn)化為國際貿(mào)易、技術(shù)交流、共同市場的建立打開門戶。人們可以想象，如果工業(yè)上沒有距離、質(zhì)量和時間等基本單位的定義，如果沒有國家規(guī)定的度量衡標(biāo)準(zhǔn)，將會造成怎樣的混亂局面。

國標(biāo)(GB)：國家技術(shù)監(jiān)督局地方標(biāo)準(zhǔn)(DG)：地方技術(shù)監(jiān)督局

（建材）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JC)：國家建筑材料工業(yè)局

企標(biāo)(QB)：標(biāo)準(zhǔn)的種類：

研究內(nèi)容：研究材料的性能及性能檢測方法。所研究的性能是各個領(lǐng)域在研制和應(yīng)用這些材料中，對它們提出來的一系列要求，即材料的特（本）征參數(shù)。（1）掌握這些參數(shù)的物理意義、單位和檢測方法及在實際問題中所處的地位；（2）研究性能參數(shù)的來源，（既性能與材料組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的關(guān)系）、物質(zhì)規(guī)律，從而判斷材料的優(yōu)劣，正確發(fā)揮和使用材料，改變材料性能，探索新材料、新性能、新工藝。

二、材料性能與檢測研究內(nèi)容與目的材料性能研究目的：1材料性能的研究，既是材料開發(fā)的出發(fā)點，也是其重要歸屬；2材料性能的研究，有助于研究材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。材料檢測目的

材料性能檢測是對各種原材料、成品和半成品，用工具儀器或其它分析方法（物理的和化學(xué)的）以檢查它是否合乎標(biāo)準(zhǔn)的過程。

檢測的目的：

1.

選材要求2.

研究新材料要求

3.

產(chǎn)品質(zhì)量要求4.

加工工藝要求

5.

生產(chǎn)控制要求6.

安全運行要求

7.失效預(yù)防要求8.標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求

9.

評價競爭者的產(chǎn)品三、材料性能研究的方法研究方法大體上可分為兩大類：1、經(jīng)驗方法：在大量占有實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)的分析處理，整理為經(jīng)驗方程，用以表示它們的函數(shù)關(guān)系。2、

理論方法：從機理著手，即從反映本質(zhì)的基本關(guān)系(如原子間的相互作用、點陣的波形方程等)出發(fā)，按照性能的有關(guān)規(guī)律，建立物理模型，用數(shù)學(xué)方法求解，得到有關(guān)理論方程式。

黑箱法相關(guān)法過程法黑箱法對材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不作探究，認(rèn)為材料是一個看不見內(nèi)容的“黑箱”（blackbox）或“閉箱”（closedbox），只從它的輸入和輸出的實驗關(guān)系，來定義或理解其性能。（1）黑箱法材料輸入輸出環(huán)境影響黑箱法只能提供輸入與輸出之間的定量關(guān)系，表象地回答“是什么”，不能解釋“為什么”，即不能提出改變性能的措施。用自然暴露法研究復(fù)合材料在大氣環(huán)境的老化性能，就是采用“黑箱法”的例子。若輸入為X，輸出為Y，從實驗確定：

Y＝

K·XK—傳遞函數(shù)，定義與表達彈性模量E、電阻R和熱膨脹系數(shù)a等性能。

現(xiàn)象輸入（X）輸出（Y）關(guān)系式K性能彈性變量σεε=（1/Ε）σ1/EE導(dǎo)電VII=（1/R）V1/RR熱膨脹TΔLΔL=（αL0

）ΔTαL0α

對所研究的性能P，在已有理論的指導(dǎo)或大量實驗數(shù)據(jù)的啟示下，尋求與P有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Si，然后建立P與Si之間的經(jīng)驗關(guān)系式：

P=f（SI）

i—l，2，…，n

可以用Si計算P，并可通過工藝與選材改變Si，從而控制P，即按工藝、

結(jié)構(gòu)、性能的思路。

相關(guān)法的目的是找出性能與結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性關(guān)系。相關(guān)法屬于歸納法，主要解決性能的現(xiàn)象問題，回答“是什么”，對于現(xiàn)象的本質(zhì)性無法解釋，相關(guān)法常用于材料工程領(lǐng)域。（2）相關(guān)法

過程法用于深入了解現(xiàn)象的本質(zhì)，回答“為什么”和“怎么辦”的問題。

材料的“性能”是對于它的“行為”的表述，行為當(dāng)然是一種“變化”，過程法從“內(nèi)因”和“外因”的辯證關(guān)系去理解變化、行為和性能，找尋作為變化根據(jù)的“內(nèi)因”，探究外因如何通過內(nèi)因而起作用。也就是說，要找出P=f（Si）中影響或決定結(jié)構(gòu)參數(shù)Si的化學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)與能量關(guān)系，以及它們對行為過程的影響，從而發(fā)現(xiàn)通過控制這些因素來改變結(jié)構(gòu)參數(shù)以調(diào)節(jié)性能P的途徑。

（3）過程法三種方法分別代表了材料研究的不同層次，區(qū)別主要在對材料結(jié)構(gòu)（即材質(zhì)、性能的內(nèi)因）的態(tài)度和揭示程度。黑箱法不考慮結(jié)構(gòu)；相關(guān)法是建立性能與結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性方程；過程法是從性能所涉及的過程去探究結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從而尋找控制與調(diào)節(jié)性能的途徑。

1.地位人們通過檢測（測試）可以對事物進行客觀的分析和評價?；仡櫩茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程，無論是新元素的發(fā)現(xiàn)，還是一種新效應(yīng)的證實；無論是對材料性能的認(rèn)識，還是利用和開發(fā)，都離不開檢測（測試）。因此檢測滲入到材料各個研究部門。對一個新課題的研究，往往需要進行大量復(fù)雜多樣的測試工作。因此性能檢測在材料科學(xué)研究中的地位越來越重要。

一個研究部門的研究成果如何？第一是設(shè)計思路，第二就是如何對設(shè)計思路進行檢測分析。一個企業(yè)，其產(chǎn)品是否有市場，重要的是質(zhì)量如何，而質(zhì)量必須通過檢測而確定。因此，材料性能及檢測貫穿于材料的各個環(huán)節(jié)中，它是各個環(huán)節(jié)研究的基礎(chǔ)。同時，重大的技術(shù)進步幾乎總是與材料的性能改良或新材料的發(fā)展和使用緊密相連。四、在材料科學(xué)研究中的地位及特點2、特點

（1）復(fù)雜性：從前面的分類可以看出，材料的種類繁多，不同材料性能不同，其測試的手段也不同，即使同種材料用于不同的行業(yè)，其所需性能測試方法手段也不同。因而檢測所涉及面很廣，也很復(fù)雜；（2）多樣性：對同一種性能的檢測有不同的檢測方法、手段和標(biāo)準(zhǔn)。如粒度，有顯微鏡法、重力沉降法、激光粒度測定法、庫爾特計數(shù)粒度測定法、吸附法等。（3）整體效應(yīng)：結(jié)果反映材料的整體效應(yīng)，避免局部微觀區(qū)域觀察或測量可能造成的錯覺；（4）動態(tài)過程：進行材料試驗的動態(tài)過程研究，較精確地判斷材料中發(fā)生相變的溫度、時間、數(shù)量和限度；（5）靈敏性：靈敏地地確定一些微量元素對材料結(jié)構(gòu)與性能的影響。第二章材料化學(xué)性能與檢測

化學(xué)性能

材料在受到外界條件（溫度、壓力、氣氛等）變化的影響，或與某些侵蝕性介質(zhì)接觸時產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而引起的材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)和性能改變的現(xiàn)象，以及材料的化學(xué)特征形成的有用功能。

包括三方面的內(nèi)容：（1）材料在外界溫度、壓力等條件變化時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能隨之變化，即化學(xué)穩(wěn)定性能（包括體積穩(wěn)定）；（2）材料在與侵蝕性介質(zhì)（固、液、氣相）接觸時，引起內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)、使用性能變化的反應(yīng)性能，即抗腐蝕性和活性；（3）利用與外界的物質(zhì)交換或能量交換形成的有用功能，如化學(xué)傳感器等。本章內(nèi)容2.1材料的化學(xué)穩(wěn)定性一、化學(xué)穩(wěn)定性概念二、引起化學(xué)穩(wěn)定性變化的原因三、材料化學(xué)穩(wěn)定性的檢測2.2材料的耐化學(xué)腐蝕一、耐化學(xué)腐蝕性是材料宏觀穩(wěn)定性二、產(chǎn)生侵蝕的原因三、無機非金屬材料耐蝕性表征指標(biāo)及檢測2.3材料化學(xué)性能檢測一.吸附性能及檢測二.離子交換性能及測定基本原理三.分散性能及檢測2.1材料的化學(xué)穩(wěn)定性一．化學(xué)穩(wěn)定性材料在外界溫度、壓力等條件改變時，性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化的現(xiàn)象。這種穩(wěn)定性與自身的成分、結(jié)構(gòu)及特性關(guān)系密切。如：空氣中硅化鉬（MoSi）＜1650oC,氮化硅（SiN）＜1200oC，其化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的，但超過這個界限時就要產(chǎn)生化學(xué)變化。

硼化物熔點：2000-3000oC，有較高的強度、良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，抗氧化性較好，在高溫下形成含BO的玻璃態(tài)物質(zhì)。但1350oC時，薄膜變成多孔或以B2O3形態(tài)揮發(fā)掉而失去抗氧化能力。

某些材料即使在封閉條件下，也會隨環(huán)境溫度、壓力等條件的變化產(chǎn)生一些相變或內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，影響材料的使用性能。這些材料多數(shù)是由于合成時，含有較活潑的元素（Fe、S），會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，或結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定（如缺陷），導(dǎo)致化學(xué)性能不穩(wěn)定，如含F(xiàn)e，陶瓷發(fā)黃。

材料使用過程中，在一定的力學(xué)條件下非均質(zhì)材料內(nèi)部物質(zhì)間主要是固態(tài)物質(zhì)的反應(yīng)（如：固—固；固—氣；固—液），反應(yīng)共同點是從界面開始進行的。物質(zhì)首先擴散到界面，在界面進行化學(xué)反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物層，產(chǎn)物層逐漸擴大，然后部分產(chǎn)物由界面轉(zhuǎn)移。

反應(yīng)過程一般包括：

a.擴散；分解反應(yīng)

b.生成新化合物；化合反應(yīng)

c.化合物晶體長大；新物相

d.缺陷消除等過程是連續(xù)的，而且同時伴隨有物理化學(xué)性質(zhì)的變化。常見的有：分解反應(yīng)、化合反應(yīng)、物相對化學(xué)穩(wěn)定性的影響.二．引起化學(xué)穩(wěn)定性變化的原因

1.分解反應(yīng)——對化學(xué)穩(wěn)定性的影響

（1）

碳酸鈣（石灰?guī)r）在常溫下升溫至530oC將分解為CaO和CO2，降溫后在潮濕空氣中又吸水生成Ca(OH)2，所以大理石石材不能用于高溫環(huán)境：

CaCO3→CaO+CO2↑CaO+H2O→Ca(OH)2

（2）

H2O

→

H2↑

+O2↑2.化合反應(yīng)對化學(xué)穩(wěn)定性的影響

水泥在高溫煅燒過程

CaO+H2O

→Ca（OH）2

MgO+H2O

→Mg（OH）2

H2SO4+CaO+H2O→CaSO4·2H2O

其水化速度較慢。當(dāng)水泥硬化后，水化過程仍將繼續(xù)，引起體積膨脹、開裂甚至潰散。

在水泥中若含有過多的硫酸鹽，還將在硬化過程中生成含水的硫鋁酸鈣，使體積劇烈膨脹。(3)

物相對化學(xué)穩(wěn)定性的影響熔融體是材料在溫度較高及能量較高狀態(tài)時的表現(xiàn)，當(dāng)溫度下降時，熔融體釋放能量，或結(jié)晶或成玻璃體。

熔融體結(jié)晶玻璃體釋放能量

如果熔融體在發(fā)生結(jié)晶作用時，放出所有多余的能量，則將全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)物質(zhì)，物相處于最穩(wěn)定的狀態(tài)。但對硅酸鹽熔體而言，在很多情況下，當(dāng)它們冷卻時，往往不能全部析出結(jié)晶物質(zhì)，有不少硅酸鹽物質(zhì)將變?yōu)椴Ａw。有相當(dāng)部分的潛能還蘊藏在里面沒有放出，隨著過冷程度的高低不同，玻璃體的能量亦不同。因此，玻璃體便處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)（介穩(wěn)狀態(tài)）。玻璃體結(jié)晶熔融體

材料微區(qū)分析：應(yīng)用電子光學(xué)、離子光學(xué)和激光等新技術(shù)對微粒、微區(qū)的成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)及某些性質(zhì)進行研究。使用的儀器有：透射電鏡、掃描電鏡、電子探針、離子探針、激光探針、光電子能譜儀、中子衍射儀等；材料的譜學(xué)研究分析：材料共振譜學(xué)（穆斯堡爾譜、電子順磁共振譜、核磁共振譜、核四極矩共振譜等）材料吸收譜學(xué)（X射線譜、紫外光譜、可見光譜、紅外光譜、拉曼光譜）材料發(fā)射光譜（X射線光電子能譜、紫外光電子能譜）三、材料化學(xué)穩(wěn)定性的檢測化學(xué)穩(wěn)定性的檢測：一般要采用現(xiàn)代測試技術(shù)：透射電鏡：微區(qū)分析X-粉晶衍射：相結(jié)構(gòu)分析紅外光譜：官能團分析電子探針：成分分析一、材料腐蝕的基本概念

“腐蝕”是物質(zhì)的表面受外界環(huán)境或介質(zhì)影響發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而受到破壞的現(xiàn)象?！案g”是指物質(zhì)本身的“質(zhì)”的變化——化學(xué)變化，材料受侵蝕的方式有三種：物理作用、化學(xué)作用和生物作用。前二者較常見，在侵蝕過程中很少有單一一種侵蝕作用，往往幾種作用同時存在，互相影響。1.2 材料的耐化學(xué)腐蝕性

材料的腐蝕是一種自發(fā)進行的過程，是物質(zhì)由高能態(tài)向低能態(tài)的轉(zhuǎn)變形式。

例如，鐵在自然界中多以赤鐵礦的形式存在，屬于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，只有賦予礦石一定的能量，才能使之還原為金屬鐵，鐵比它的化合物具有更高的自由能，因此金屬鐵具有釋放能量而回到熱力學(xué)更穩(wěn)定的自然存在狀態(tài)——氧化物、硫化物及其他化合物的傾向，腐蝕就是這種變化的表現(xiàn)。

材料的腐蝕具有雙重性質(zhì)：金屬構(gòu)件的腐蝕是相當(dāng)有害的，它會造成設(shè)備的毀壞。而用腐蝕現(xiàn)象對金屬材料進行電化學(xué)加工，制備信息硬件的印刷線路板，制取奧氏體不銹鋼粉末，利用金屬的陽極氧化膜對金屬進行保護等都是利用腐蝕機理而派生的技術(shù)。故不能片面地只把腐蝕視作一種破壞、失效，而應(yīng)當(dāng)利用腐蝕的有利效應(yīng)為人類服務(wù)。二、腐蝕的分類1、根據(jù)金屬腐蝕的機理不同分類（1）化學(xué)腐蝕材料表面與非電解質(zhì)（干燥氣、高溫氣體、非電解質(zhì)溶液）直接發(fā)生化學(xué)作用而引起的破壞稱為化學(xué)腐蝕。在化學(xué)腐蝕過程中，電子的傳遞是在金屬與氧化劑之間直接進行的，因而沒有電流產(chǎn)生。例如：鋁在四氯化碳或乙醇中的腐蝕

鎂和鈦在甲醇中的腐蝕等都屬于化學(xué)腐蝕（2）電化學(xué)腐蝕材料表面與電解質(zhì)溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的破壞。任何一種按電化學(xué)機理進行的腐蝕反應(yīng)至少包括一個陽極反應(yīng)和一個陰極反應(yīng)，并有電流產(chǎn)生。電化學(xué)腐蝕是最普遍、最常見的腐蝕形式，例如金屬在大氣、海水、土壤、介質(zhì)中的腐蝕。

化學(xué)腐蝕

電化腐蝕條件金屬跟Cl2、O2等直接接觸不純金屬或合金跟電解質(zhì)溶液接觸現(xiàn)象無電流產(chǎn)生有微弱的電流本質(zhì)金屬被氧化過程較活潑金屬被氧化過程備注兩者同時發(fā)生，以電化腐蝕為主將鋅塊放入稀硫酸中

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2ZnH2SO4ZnPtHClelectrons析氫腐蝕(鋼鐵表面吸附水膜酸性較強時)陽極(Fe)：Fe=Fe2+＋2e-

Fe2+＋2H2O=Fe(OH)2＋2H+陰極(雜質(zhì))：2H+＋2e-=H2電池反應(yīng)：Fe＋2H2O=Fe(OH)2＋H2↑由于有氫氣放出，所以稱之為析氫腐蝕。吸氧腐蝕(鋼鐵表面吸附水膜酸性較弱時)

陽極(Fe)：Fe=Fe2+＋2e-陰極：O2＋2H2O＋4e-=4OH-總反應(yīng)：2Fe＋O2＋2H2O=2Fe(OH)2

由于吸收氧氣，所以也叫吸氧腐蝕。析氫腐蝕與吸氧腐蝕生成的Fe(OH)2被氧所氧化，生成Fe(OH)3，脫水生成Fe2O3

鐵銹。鋼鐵制品在大氣中的腐蝕主要是吸氧腐蝕。

2、根據(jù)腐蝕的環(huán)境分類（1）大氣腐蝕材料在大氣環(huán)境下發(fā)生的腐蝕稱為大氣腐蝕，如材料在生產(chǎn)儲存或使用過程中受大氣作用發(fā)生的腐蝕。（2）海水腐蝕材料構(gòu)件在海洋環(huán)境中發(fā)生的腐蝕稱為海水腐蝕，如船舶、碼頭、海底管線都會受到海洋環(huán)境的腐蝕。（3）淡水腐蝕材料在硬水或軟水中的腐蝕稱為淡水腐蝕，如河水、湖水、地下水等含鹽量少的天然水中的腐蝕（4）土壤腐蝕埋設(shè)在地下的材料構(gòu)筑物（地下管道、電纜等）在土壤的作用下發(fā)生的腐蝕稱為土壤腐蝕，如油、氣、水管長期理在土壤中造成的腐蝕穿孔等3、根據(jù)腐蝕破壞的外部特征分類

（1）全面腐蝕腐蝕分布在整個表面上并連成一片的腐蝕破壞，又可分為均勻腐蝕和不均勻腐蝕。

均勻腐蝕：腐蝕均勻地發(fā)生在整個表面上，材料表面上各部分的腐蝕速度基本相同。

不均勻腐蝕：腐蝕作用雖然發(fā)生在整個材料表面上，但各部分的腐蝕速度相差較大。（2）局部腐蝕腐蝕主要發(fā)生在材料表面的某一區(qū)域，而表面的其他部分未被破壞，局部腐蝕比全面腐蝕有更大的危害性，而且更難以預(yù)測。（3）應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)共同作用下的腐蝕

①應(yīng)力腐蝕斷裂：危害性極大。應(yīng)力腐蝕是金屬在拉應(yīng)力的作用下并在某些活性介質(zhì)中發(fā)生的電化學(xué)腐蝕破裂。②腐蝕疲勞：金屬在交變應(yīng)力（循環(huán)應(yīng)力或脈動應(yīng)力）和腐蝕環(huán)境介質(zhì)的共同作用下產(chǎn)生的脆性斷裂稱為腐蝕疲勞。例如船用螺旋槳推進器、蝸輪及蝸輪葉片、內(nèi)燃機連桿等常出現(xiàn)此類破壞。

③氫損傷：是指氫進入金屬中，導(dǎo)致金屬材料塑性、韌性明顯下降，產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷的損傷現(xiàn)象。根據(jù)產(chǎn)生條件、作用機理和損壞形態(tài)，通常把氫損傷分為:

氫脆:氫擴散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成金屬氫化物而導(dǎo)致材料脆性斷裂的現(xiàn)象；氫鼓泡:擴散到金屬中的氫聚集在金屬的孔洞處，形成氫分子產(chǎn)生很大壓力，形成內(nèi)部裂紋使金屬開裂的現(xiàn)象；氫腐蝕:是指在高溫高壓下，氫進入金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)如鋼中，氫與碳作用生成甲烷氣體，導(dǎo)致金屬材料脫碳或沿晶開裂。1.材料中存在易溶（熔）的反應(yīng)活性物質(zhì)組份玻璃以SiO2為主要成分，同時含有一定量堿金屬氧化物（Na2O，Li2O等）的單相均勻材料，堿金屬氧化物未完全進入SiO2網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生一些易于遷移的金屬離子（網(wǎng)絡(luò)游離子）。與酸性或中性水介質(zhì)中的H+

發(fā)生離子交換反應(yīng)：Si-O網(wǎng)絡(luò)-Si-O-Na++H+

→

Si-O網(wǎng)絡(luò)-Si-OH+Na+

對玻璃的化學(xué)腐蝕主要來自于OH－離子：Si-O網(wǎng)絡(luò)-Si-O-Si+OH－

→

Si-O網(wǎng)絡(luò)-Si-OH+Na+-Si-O－

二、產(chǎn)生侵蝕的原因石英顆粒表面有斷鍵，并與空氣中水汽作用生成Si－OH鍵，與Na2O相遇時發(fā)生離子交換：SiONaOO122Si－OHSi－O－Na1處的化學(xué)鍵加強！2處的化學(xué)鍵減弱！Na2O“進攻”弱點——石英骨架“分化”——形成聚合物。Na+的攻擊－誘導(dǎo)效應(yīng)結(jié)果

其他硅酸鹽材料有與玻璃類似的化學(xué)腐蝕特性。當(dāng)二氧化硅（尤其是無定性的SiO2）與堿液接觸時發(fā)生如下反應(yīng)受到侵蝕：

SiO2+2NaOH→Na2SiO3(水玻璃)+H2O

所生成的硅酸鈉易溶于水及堿液中。一般來說，材料中SiO2的含量越高，耐酸性越強，SiO255%的天然及人造硅酸鹽是不耐酸的。2.材料孔隙和結(jié)構(gòu)的影響（材料內(nèi)部不充實）

硅酸鹽材料除熔制品（玻璃、鑄石）外，或多或少存在一定的孔隙，孔隙的存在會降低材料的耐腐蝕性?？紫兜拇嬖?，形成了侵蝕通道，使材料受侵蝕介質(zhì)作用的面積增大，侵蝕作用增強，使得侵蝕作用不僅發(fā)生在表面，而且也發(fā)生在材料內(nèi)部。當(dāng)侵蝕作用發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成結(jié)晶物時，造成物理機械性破壞，加快了侵蝕作用的速度。3．侵蝕介質(zhì)的影響

侵蝕介質(zhì)有：酸類、堿類、水、金屬等類型。酸介質(zhì)中：通常對材料侵蝕作用的速度與酸的類型無關(guān)而與酸的電離度、環(huán)境條件有關(guān)：

a.

酸的電離度越大，對材料侵蝕作用越強；

b.

環(huán)境溫度高，酸的電離度增大，侵蝕作用增強；

c.

濃度不同，侵蝕作用速度不同。

4．防止侵蝕的方法

（1）表面覆蓋法;

（2）改變材料的化學(xué)、礦物組成或摻入活性混合材料，減少材料的內(nèi)應(yīng)力，提高材料穩(wěn)定性；（3）緩蝕劑保護法；（4）調(diào)整配料、成型等工藝條件，使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，也可大大減少侵蝕作用。

材料抗腐蝕性的指標(biāo)（技術(shù)參數(shù)），常用的有：抗氧化性、耐酸性、耐堿性、抗?jié)B性、抗水性、耐真空性等。

三、材料耐蝕性表征指標(biāo)及檢測1．

抗氧化性

指材料在（高溫）氧化氣氛條件下抵抗氧化的能力，一般用重量變化評定。

2．

抗水性

材料抵抗水或潮濕侵蝕的能力。以玻璃抗水性測定為例:稱取若干克粒徑為0.56-0.8mm的玻璃（其值為比重的4倍），在蒸餾水中煮沸5小時后過濾、烘干，測定水中殘渣重量。根據(jù)殘渣重量，確定抗水化學(xué)性等級。如：一級為0-10毫克，二級為10-15毫克，三級為15-25毫克四級為25-50毫克，五級為50毫克以上。700531-197398℃下玻璃耐水性的測定粉末法700530-1973121℃下玻璃耐水性的測定700529-1973121℃下玻璃耐水性的測定表面試驗法GB/T6582-1997

玻璃在98℃耐水性的顆粒試驗方法和分級3．

耐酸（堿）度

指試樣在一定濃度的酸（堿）中重量損失或剩余量的百分比。有時用材料晶體結(jié)構(gòu)完全破壞時所需酸（堿）的濃度表示（如沸石）。一般測試方法為：

試樣粉碎

烘干至恒重稱樣1.00克

80-200目105℃100℃，2h

浸泡冷卻清洗過濾蒸餾水2-3次烘干至恒重稱重

酸和堿105℃

計算：耐酸（堿）度K=(A1-A2)/A1ⅹ100%

式中

A1為腐蝕前稱重，A2為腐蝕后稱重通常作平行樣2-3份，取其平均值。（測試結(jié)果應(yīng)注明酸堿濃度、溫度及侵蝕時間）。

舉例：石材耐酸度檢測

石材耐酸度是指試樣在一定濃度的酸介質(zhì)中煮沸一定的時間后，試樣質(zhì)量與實驗前質(zhì)量相比以百分?jǐn)?shù)表示。檢測步驟如下：

〈1〉

試樣準(zhǔn)備：

從原材料上均勻取若干碎塊，制備成粒徑為0.5-1.0mm的粉末，在105-1100C烘干至恒重，冷卻稱重1.000g（M）。

〈2〉

實驗：

a.實驗準(zhǔn)備：將稱好的試樣置于250ml的錐形瓶內(nèi)，加入硫酸（比密度為1.84）25ml，并在燒瓶上連接冷凝管；（NaOH：25ml、濃度20%）。

b.

加熱處理:

將燒瓶加熱至沸騰，保持1h，冷卻到硫酸蒸氣完全消失，拆取冷凝管。提動錐形燒瓶并注入蒸餾水50ml同時用少量蒸餾水沖洗冷凝管和塞子，并將沖洗后的水收集在同一燒瓶中。

c.過濾：先將定量紙漿放在帶中速濾紙的漏斗底上，用熱蒸餾水沖洗燒瓶并將此水注入漏斗，然后用熱蒸餾水洗滌濾紙上的殘渣，至洗滌水（用0.1%甲基橙溶液實驗）無反應(yīng)為止。

d.稱量:將帶有試樣殘渣的濾紙放在瓷坩堝內(nèi)灼燒至恒重（灼燒溫度700-800℃），冷卻稱量（M1)。

〈3〉結(jié)果計算：耐酸度=（M1/M）ⅹ100%取兩次平行實驗的平均值，作為實驗結(jié)果，平行實驗的誤差應(yīng)在0.5%±。

由于材料在使用時受侵蝕介質(zhì)作用的僅僅是工作表面，因而又有：a.侵蝕安全性測定

取規(guī)格為5ⅹ5ⅹ5cm無裂紋的材料，放入盛有硫酸（比密度1.80，溫度200C±）的帶蓋容器中。浸泡期內(nèi)，經(jīng)常檢查試塊的外觀變化，并保持酸的濃度。浸泡45天后取出試塊并用水沖洗，然后用紗布擦干，檢查試塊有無裂紋、剝落、膨脹等現(xiàn)象。若試塊完整，試塊表面和浸泡酸液亦無顯著變色，則為合格。b.浸泡后的抗屈強度

用測定浸泡酸安定后的試樣進行抗屈強度測試，測試結(jié)果不低于原樣抗屈強度的85%為合格。

H2SO4

5.抗?jié)B透性

抗?jié)B透性是材料抵抗氣體或液體滲透的能力。大多數(shù)材料在腐蝕介質(zhì)中雖不被侵蝕，但能被滲透時，這種材料也不能使用?？?jié)B透性測定：

將試件密封地固定在金屬槽中，槽上用法蘭封蓋，然后將水或腐蝕性溶液注滿，再施以一定的壓力，保持一定的時間。如果試件下部表面上沒有明顯的漏泄或液滴，則認(rèn)為材料在該壓力下是不滲透的。

1-水2-襯墊3-襯墊4-試件小結(jié)化學(xué)穩(wěn)定性是微觀效應(yīng)，在設(shè)計材料配方、加工工藝過程中可以控制；耐化學(xué)侵蝕是宏觀效應(yīng)，受外界環(huán)境影響。

化學(xué)功能是材料與外界的物質(zhì)交換或能量交換而形成的有用效應(yīng)。其有如下表現(xiàn)形式：

a.

特種陶瓷多具有特異功能：對各種化學(xué)物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測的儀器）；

b.

相當(dāng)于以化學(xué)反應(yīng)結(jié)果向外部輸電的化學(xué)電池和雙層電容器；

c.

從外部供給電或光等能量，利用化學(xué)變化使物質(zhì)遷移的化學(xué)泵；

d.

使材料著色的電致變色效應(yīng)；

e.

使化學(xué)反應(yīng)順利進行的催化劑和催化劑載體；

f.

固定化酶：通過吸附、鍵合、交聯(lián)或包埋等方式將游離酶固定于某介質(zhì)上或其中，以提高酶分子的利用率、穩(wěn)定性和機械性。。

g.

使物質(zhì)實現(xiàn)分離的過濾器等。如利用吸附性和離子交換性可將沸石、硅藻土、膨潤土、膨脹珍珠巖、硅酸鈣、二氧化硅、氧化鋁等制成助濾劑、凈化劑、脫色劑等；

h.

傳感器：用TiO2-V2O5、磷灰石、MgCr2O4、MgFe2O4制成濕度傳感器、氣體傳感器等。2.3材料化學(xué)功能及檢測

材料的化學(xué)功能具體有：

吸附性能離子交換性能催化性能反應(yīng)性能

一、吸附性能

（一）

基本概念：

1．

吸附性能

物質(zhì)在材料表面或微孔容積內(nèi)積聚的現(xiàn)象。吸附與固體內(nèi)、外表面分子（原子）處于受力不平衡狀態(tài)有關(guān)，從而有吸引它種微粒（離子或分子）達到平衡的天然性質(zhì)。吸附過程：固體物質(zhì)吸附劑，氣相和液相內(nèi)的被吸附物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。吸附性能已廣泛用于從氣體或液體介質(zhì)中脫除雜質(zhì)。吸附過濾材料：能對氣體、液體、固體等通過物理、化學(xué)或物理化學(xué)方法進行有效吸附和過濾，從而達到介質(zhì)間分離、提純、凈化目的材料。

根據(jù)吸附劑所含孔隙的大小，可把吸附劑分為三種極限結(jié)構(gòu)類型：大孔吸附劑（＞200nm）過渡孔吸附劑（1.5～200nm）微孔吸附劑（0.5～1.5nm）很多天然粘土都屬于過渡孔吸附劑，沸石屬微孔吸附劑。但是，許多工業(yè)吸附劑的孔隙大小差異很大，多屬于混合類型吸附劑。2.吸附機理類型機理特點物理吸附分子相互作用力引起的凝聚現(xiàn)象1、吸附?jīng)]有選擇性，且可達幾個分子的厚度而形成多的分子層；2、分子間力較弱，吸附勢較小，通常為幾千卡/克分子。也較易脫附；3、吸附速度一般較大，易于達到平衡；4、物理吸附表現(xiàn)為吉布斯自由能的減少，是一種自發(fā)放熱過程?；瘜W(xué)吸附由剩余價力引起的吸附，吸附分子接近吸附劑表面時，相互作用的成分間發(fā)生電子重新分配而形成化學(xué)鍵1、被吸附分子不能沿吸附劑表面移動，屬“定點吸附”(定點吸附是指吸附劑表面每個活性中心只吸附一個分子)?；瘜W(xué)吸附是選擇性吸附，在吸附劑與吸附質(zhì)間可以形成單分子層吸附；2、化學(xué)吸附的吸附勢往往很大，一般為10-100千克/克分子。

3.影響材料吸附性能的因素:

(1)

結(jié)構(gòu)單元層邊緣斷鍵的影響；

(2)

比表面積大小的影響：如：蒙脫石的比表面積為50-840m2/g

高嶺土的比表面積為10-20m2/g

伊利石的比表面積為65-180m2/g

粘土礦物的層狀構(gòu)造和粘土的微粒特征都決定了粘土有發(fā)育的過渡孔和微孔結(jié)構(gòu)，具較大的表面。離子交換作用和人工酸處理可以增大粘土比表面，增強吸附性能。（3）孔隙結(jié)構(gòu)材料的吸附性能的好壞，主要取決于材料所具有不同大小孔隙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其空隙大小分為:

微孔（0.5-1.5nm）:指與吸附分子相近的孔隙。工業(yè)吸附劑微孔總?cè)莘e一般不超過0.5cm3/g。微孔的吸附空間被吸附分子所充填。因此，孔容與孔徑是重要參數(shù)。

過渡孔（1.5-200nm）：孔壁包含了吸附劑物質(zhì)的大量原子或分子。過渡孔吸附作用不是表現(xiàn)在整個孔隙容積上，實際上只發(fā)生在離孔壁很近的一段距離上，在孔隙表面發(fā)生(蒸氣的)單分子層和多分子層吸附。即按毛細凝聚機理發(fā)生過渡孔的充填,形成連續(xù)分子層。過渡孔的主要參數(shù)為比表面、孔容以及孔容孔隙大小的分布函數(shù)。過渡孔比表面積一般為10-400m2/g。過渡孔也是吸附質(zhì)進入微孔的主要通道。

大孔（>200nm）：比表面積小，在0.5-2m2/g之間，其表面吸附可忽略不計。大孔是通向吸附劑顆粒內(nèi)部的粗通道。（二）

吸附性能的工藝指標(biāo)及檢測

材料吸附性能工藝指標(biāo)有：粒度（細度）吸附量比表面積和孔結(jié)構(gòu)吸藍量膠質(zhì)價、膨潤值

1.

粒度研究與檢測

材料顆粒的粒度和形狀能顯著影響粉末及其產(chǎn)品的性質(zhì)和用途，對粒度和形狀的測量日益受到人們的重視。序號產(chǎn)品種類對性質(zhì)要求對顆粒形狀要求1涂料、墨水、化妝品固著力強、反光效果好片狀顆粒2橡膠填料增強性和耐磨性非長形顆粒3塑料填料高沖擊強度長形顆粒4炸藥引暴物穩(wěn)定性光滑球形顆粒5洗滌劑和食品工業(yè)流動性球形顆粒6磨料研磨性多角形粒度特性的表示法有：

單個顆粒的粒徑表示方法

粒群的平均直徑粒度分布

（1）顆粒的粒徑顆粒的粒徑的表示方法

顆粒的大小用其在空間中所占據(jù)的線性尺寸表示。將一顆粒放于每邊與其相切的長方體中。L、b、h稱為三軸徑。（2）粒徑分布

實際粉體大都是由粒度不等的顆粒組成的多粒度系統(tǒng)。一般用表格、圖形和函數(shù)來表示顆粒群的分布狀態(tài)。

粒度分布是指連續(xù)的、不同粒級（以μm、mm或篩孔網(wǎng)目表示）范圍內(nèi)，各粒級顆粒所占的重量百分比。頻率分布表示各個粒徑相對應(yīng)的顆粒的百分含量（微分型）。累積分布表示小于（或大于）某粒徑的顆粒占全部顆粒的百分?jǐn)?shù)與該顆粒的關(guān)系。

百分含量的基準(zhǔn)可以是顆粒個數(shù)、體積、質(zhì)量（或長度、面積）（3）粉體粒度的測定

本世紀(jì)以來，已經(jīng)發(fā)展了多種粒度測量方法，這些方法在實踐中不斷得到改進和完善。

粒度測量的分類方法

方法分類

測量裝置測量范圍（μm）

測量結(jié)果直接觀察法放大投影儀、圖象分析儀（與光學(xué)、電子顯微鏡相聯(lián)）1-1000.001-10粒度分布、形態(tài)參數(shù)篩分法電磁振動式、音波振動式38-10005-56粒度分布的直方圖沉降法重力比重計、比重天平、沉降天平、光透過式1-1000.1-150粒度分布離心力光透過式、X射線透過式0.1-1000粒度分布激光法光衍射激光粒度儀1-176粒度分布光子相干光子相干粒度儀粒度分布小孔通過法庫爾特粒度儀0.3-200粒度分布、個數(shù)計量流體透過法氣體透過粒度儀0.01-100表面積、平均粒度吸附法BET吸附儀0.003-3表面積、平均粒度各測試粒度方法異同點

由于各種粒度測定方法的物理基礎(chǔ)不同，同一樣品用不同的測定方法得到的粒度的物理意義甚至粒度大小也不相同。

篩分方法——篩分徑（以篩孔尺寸表示）

顯微鏡、計數(shù)法、激光粒度分析儀——統(tǒng)計徑

沉降法——等效徑（即等于具有相同沉降的球體的直徑）

透過法和吸附法——比表面直徑各種方法測定中所得參數(shù)不同：能測粒度分布的方法有：顯微鏡、計數(shù)器、激光粒度分析儀等

只能測定平均粒徑的有：透過法、吸附法

不僅可以測定粒度分布、平均粒徑、比表面積，還可繪制直方圖和累積粒度特性曲線，如激光粒度分析儀

各種粒度測定方法中，有的較簡單、費用較低，但測定時間較長、精度較低；而有的測定時間短、精度較高，但費用也較高，而且儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在選擇測定方法時，需要綜合考慮物粒的粒度分布范圍，物料的數(shù)量性質(zhì)、測定的目的、要求的精度以及投資費用和測定成本等。各種粒度測試方法的優(yōu)缺點

(1)激光法

優(yōu)點：測試范圍寬（最好的激光粒度儀的測量范圍是0.04-2000um，一般的也能達到0.1-300um），測試速度快（1-3分鐘/次），自動化程度高，操作簡便，重復(fù)性和真實性好，可以測試干粉樣品，可以測量混合粉、乳濁液和霧滴等。

缺點：不宜測量粒度分布很窄的樣品，分辨率相對較低。

(2)沉降法

優(yōu)點：原理直觀，分辨率較高，價格及運行成低。

缺點：測量速度慢，不能處理不同密度的混合物。結(jié)果受環(huán)境因素（比如溫度）和人為因素影響較大。

(3)篩分法

優(yōu)點：成本低，使用容易。

缺點：對小于４００目（３８u）的干粉很難測量。測量時間越長，得到的結(jié)果就越小，這是為顆粒不斷調(diào)整它們自己來通過篩孔，所以要得到一致的結(jié)果，必須使測量次數(shù)及操作方法標(biāo)準(zhǔn)化。不能測量射流或乳濁液；在測量針狀樣品時這會得到一些奇怪的結(jié)果，比如加工前和加工后的篩余量差不多。

(4)顯微鏡檢測法

優(yōu)點：可以直接觀察顆粒的形貌，可以準(zhǔn)確地得到球型度、長徑比等特殊數(shù)據(jù)。

缺點：代表性差，操作復(fù)雜，速度慢，不宜分析粒度范圍寬的樣品。2．

吸藍量的測定

吸藍量是指細分散狀無機非金屬礦物材料分散于溶液中，具有吸附次甲基藍的能力，其吸附量稱為吸藍量。以100克試樣吸附次甲基藍的摩爾數(shù)或克數(shù)表示。其吸附原理：置換反應(yīng)。膨潤土吸附次甲基藍的機制

被吸附的次甲基藍陽離子[C16H18N3S]+，絕大部分被束縛在材料的晶層間。（從溶液中測得的Cl-沒有減少，說明次甲基藍的Cl-未進入材料的晶層間。）測定吸藍量的方法：滴定法。二、分散性能及檢測粉體材料在水介質(zhì)中易于呈現(xiàn)膠體狀態(tài)，表現(xiàn)出明顯的水化特性和優(yōu)良的造漿性能，這些性能主要應(yīng)用于鉆井泥漿、涂料等領(lǐng)域。細分散狀無機非金屬礦物材料都含有多種形式的水。如：蒙脫石含有三種水，即：粘土粒或晶面的自由水、晶層間的吸附水、進入結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)水。其中，晶層間的吸附水狀況及數(shù)量對粘土的水化性能及有關(guān)理化性能有明顯影響。如蒙脫石吸水（或有機物質(zhì)）發(fā)生膨脹使晶層間距增大：

當(dāng)含2H20時，d0=1.24nm4H20時，d0=1.54nm

高水化狀態(tài)時，d0=1.84-2.14nm

吸附有機物質(zhì)時，d0=4.8nm

對水化性能的檢測指標(biāo)有：膠質(zhì)價、膨潤值和膨脹容。（1）膠質(zhì)價

粉狀無機非金屬材料與水按比例攪混后，加入一定量的氧化鎂，靜置24小時后形成凝膠質(zhì)的體積，成為膠質(zhì)價。單位為ml/15克。膠質(zhì)價顯示試樣顆粒分散和水化的程度，是粉狀無機非金屬材料分散性、親水性和膨脹性的綜合表現(xiàn)。（2）膨脹容

膨脹容是指1克試樣浸于一定水中發(fā)生膨脹后的容積。即粉狀無機非金屬材料因晶層吸水而使體積膨脹。單位為毫升/克樣。一般來說，膨脹容越大越好。（3）懸浮性能及檢測

懸浮性：粉狀無機非金屬材料微粒均勻分散，懸浮于水中而不易沉淀的性質(zhì)。工業(yè)上稱為泥漿穩(wěn)定性。機理：水分散體系中的固相顆粒非常細小，而顆粒表面常常吸附帶同號電荷的離子，固而相互排斥，不發(fā)生凝聚。

JC322-82“瓷土懸浮性能測定方法”。將試樣加水研磨成均勻糊狀，并使之分散于一定體積水中，經(jīng)一定時間（一般為20分鐘）后，觀察由于泥漿沉淀出現(xiàn)液面的體積大小，即為懸浮性能的大小。

材料的機械性能是指使用過程中受到外界各種作用力（如壓縮、拉伸力、彎曲力、剪切力、摩擦力和撞擊力）的作用而使形狀和體積發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致斷裂的行為。包括：彈性變形、塑性變形、蠕變性、硬度、脆性斷裂與耐磨性。第三章材料的機械性能與檢測

3.1材料的變形及力學(xué)性能

一．材料的變形二．材料的強化三．材料力學(xué)試驗及測試原理

3.2材料的硬度及檢測

3.3

材料的斷裂、磨損及評定方法一．材料變形

3—1材料的變形與力學(xué)性能應(yīng)力（σ）：作用于被測試樣單位面積上產(chǎn)生形變的力。應(yīng)力是作用負載與起始橫截面積之比。單位：N／cm2應(yīng)變（ε）：伸長度與試樣的計量長度之比，簡而言之就是單位原始長度試樣的長度變化。無量綱。伸長率（δ）：拉伸負載所引起試樣長度的增加。屈服點：應(yīng)力—應(yīng)變曲線上的應(yīng)力不再增加的點。屈服強度：應(yīng)力—應(yīng)變偏離比例關(guān)系時材料所承受的極限應(yīng)力。即屈服點對應(yīng)的應(yīng)力。比例極限：一種材料能夠承受所施加的負載而不使應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系發(fā)生任何偏離虎克定律時的最大應(yīng)力。單位：N／cm2彈性模量（E）：在材料的比例極限以下，應(yīng)力與相對應(yīng)的應(yīng)變之比，通常用F／A表示，單位：N／cm2。也稱楊氏模量：表征材料剛度的量。極限強度：當(dāng)材料受到壓縮、拉伸或剪切作用時所能承受的最大的單位應(yīng)力。單位：N／cm2表示。正割模量：在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上任何一點的應(yīng)力與應(yīng)變之比。單位：N／cm2表示。參考：關(guān)振鐸P3可以看出：陶瓷只有彈性變形階段且彈性變形量很小，即只有應(yīng)力－應(yīng)變間呈直線關(guān)系段；橡皮的彈性變形所需載荷很小，彈性變形量很大；低碳鋼彈性變形量小，塑性變形量較大。

（一）

彈性變形：外力除去后就能恢復(fù)原狀的變形。

胡克定律σ＝Eε，E

—彈性模量彈性模量:

可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。多數(shù)無機非金屬材料彈性變形后，沒有塑性形變（或塑性形很?。?，接著就是斷裂，總彈性應(yīng)變能非常小。彈性變形的本質(zhì)：從微觀上講，材料彈性變形是外力作用所引起的原子間距離發(fā)生可逆變化的結(jié)果。因此，材料對彈性變形的抗力取于原子間作用力的大小，即與原子間結(jié)合鍵類型、原子大小、原子間距離有關(guān)。共價鍵和離子鍵結(jié)合的晶體，結(jié)合力強，E都較大；分子鍵結(jié)合力弱，這樣結(jié)合的物體E較低。

高分子材料在玻璃化溫度以上處于高彈性態(tài)，彈性變形最高可達1000%，一般金屬材料的彈性變形不超過1%。普彈形變：變形小于5%,應(yīng)力與應(yīng)變符合胡克定律，變形由分子鏈內(nèi)部鍵長和鍵角發(fā)生變化產(chǎn)生。高分子的高彈性高彈變形：分子鏈在外力作用下，原先卷曲的鏈沿受力方向逐漸伸展產(chǎn)生的，伸展長度與應(yīng)力不成線性關(guān)系。分子鏈的質(zhì)量中心并未產(chǎn)生移動，因為無規(guī)則纏結(jié)在一起的大量分子鏈之間有許多結(jié)合點（分子間的作用和交聯(lián)點）。當(dāng)外力去除后，由于分子鏈之間力的作用，分子鏈又回復(fù)至卷曲狀態(tài)，宏觀變形消失。

此結(jié)構(gòu)調(diào)整，回復(fù)需要一定時間，故高彈變形行為與時間有顯著的關(guān)系，需用變形速率表示變形的能力。

高分子的高彈態(tài)是在玻璃化溫度Tg以上存在的：橡膠Tg＜室溫，故橡膠在室溫下具有極高的彈性。某些高分子在室溫下處于玻璃態(tài)，在外力作用下發(fā)生的很大變形。當(dāng)外力撤除后并不能回復(fù)到原來的狀態(tài)，只有加熱到玻璃化溫度附近才能回復(fù)。因此從機理上來說，發(fā)生的是高彈變形，而不是粘流變形，將這種變形稱為“強迫高彈形變”。故討論高分子的彈性變形必須考慮溫度的影響。彈性模量彈性模量是材料最穩(wěn)定的力學(xué)性能參數(shù)，對成分和組織的變化不敏感。

彈性模量表明了材料對彈性變形的抗力，代表了材料的剛度。材料彈性模量越大，材料的彈性變形越難進行，在相同應(yīng)力作用下，彈性變形量也越小。材料E（GPa）材料E（GPa）

鎢411.0金剛石～965鉻279.1碳化鎢534.4鐵211.4碳化硅～470

鎳199.5氧化鋁～415

銅129.8

鉛玻璃80.1鈦115.7水晶73.1

鈮104.9

聚苯乙烯2.7～4.2

銀82.7

有機玻璃2.4～3.4金78.0尼龍661.2～2.9鋁70.3聚乙烯0.4～1.3鎘49.9

橡膠0.02～0.8鎂44.7氣體0.01材料彈性模量材料E（GPa）材料E（GPa）密實SiC（氣孔率5%）470燒結(jié)MgO（氣孔率5%）210燒結(jié)MgSi2（氣孔率5%）407鎂質(zhì)耐火磚170燒結(jié)氧化鋁（氣孔率5%）366燒結(jié)穩(wěn)定ZrO2（氣孔率5%）150高鋁瓷（90-95%Al2O3）366熱壓BN（氣孔率5%）83燒結(jié)氧化鈹（氣孔率5%）310SiO2玻璃72燒結(jié)TiC（氣孔率5%）310莫來石瓷69熱壓B4C（氣孔率5%）290滑石瓷69燒結(jié)MgAl2O4

（氣孔率5%）238石墨（氣孔率20%）9無機材料彈性模量（二）

塑性形變：外力除去后不能恢復(fù)的變形。塑性變形中，隨材料的不同，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系相當(dāng)分散，據(jù)經(jīng)驗固體的塑性變形行為：

στ=K(ετ)nστ、ετ—真實應(yīng)力、應(yīng)變；

K—強度系數(shù)；n—形變強化系數(shù)：n=1理想彈性體；n=0材料沒有形變強化能力金屬材料n=0.1～0.5；

塑性變形中應(yīng)變受速率、溫度影響，與塑性變形的微觀機理有關(guān)，據(jù)經(jīng)驗描述速率敏感性：

στ=K’(ετ)mετ—真實應(yīng)變速率；m—應(yīng)變速率敏感指數(shù)；K’—常數(shù),單位應(yīng)變速率材料流動應(yīng)力m=1粘性固體；m值越大，拉伸時抗縮頸的能力強；m=0材料沒有應(yīng)變速率敏感性塑性變形機理：由晶體滑移和孿生晶引起的。晶體受力時，晶體的一部分（主要晶面）對另一部分發(fā)生平移滑動（滑移）?；泼妫涸幼蠲芘啪??；品较颍涸幼蠲芘欧较??；泼婧突品较蚪M成滑移系統(tǒng)，滑移系統(tǒng)多，材料塑性好。

金屬材料：金屬鍵沒有方向性，滑移系統(tǒng)很多，如體心立方金屬（Fe、Cu等）滑移系統(tǒng)有48之多。無機非金屬材料：離子鍵和共價鍵構(gòu)成，有明顯的方向性，只有個別滑移系統(tǒng)才能滿足條件。晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，滑移系統(tǒng)越少。因此只有為數(shù)不多的無機非金屬材料晶體在常溫下具有延性。如AgCl、KCl、MgO、KBr、LiF。塑性研究意義：材料承受載荷的能力是強度，但塑性指標(biāo)的評價也很重要。若是強度高、塑性低，材料在最終斷裂前無任何征兆出現(xiàn)的現(xiàn)象很危險：通常強度高的材料塑性低，塑性高的材料強度低。真正好的材料應(yīng)該是強度和塑性都高，也就是σ-ε曲線下所包圍的面積應(yīng)該大。面積反映了材料發(fā)生斷裂時外界做功的大小，這個量稱之為韌性。與韌性相對的是脆性，實際表現(xiàn)是材料在很低的應(yīng)力下（常常低于屈服應(yīng)力）發(fā)生突然的斷裂。（三）

材料的蠕變?nèi)渥儯狠d荷作用下，形變隨載荷作用時間的增加而增加的現(xiàn)象。主要為：非晶態(tài)高分子和非晶合金材料

oa—主要是發(fā)生彈性、塑性變形；ab—過渡蠕變段，蠕變速率（Δε/Δt）隨時間的增加而減小。到b點達最小值。bc—穩(wěn)態(tài)蠕變段，即（Δε/Δt）＝常數(shù)，形變硬化與高溫產(chǎn)生的軟化過程平衡。

cd—加速蠕變段，隨時間延長，蠕變速率逐漸增大，至d點產(chǎn)生蠕變斷裂。愈來愈大的塑性變形便在晶界形成微孔和裂紋，試件也開始產(chǎn)生縮頸，試件實際受力面積減小而真實應(yīng)力加大，因此在塑性變形速率加快，隨后試樣斷裂。

T-常數(shù)σ-常數(shù)二．材料的強化

材料克服脆性、改善韌性、提高強度的方法目前主要是增韌和控制材料中的微裂紋。具體有如下方法：（一）微晶、高密度與高純度

為了消除缺陷，提高晶體的完整性，細、密、勻、純是當(dāng)前陶瓷發(fā)展的一個重要方面。近年來出現(xiàn)了許多微晶、高密度、高純度陶瓷，如熱壓工藝制的Si3N4陶瓷，密度接近理論值，幾乎無氣孔。另外，塊體材料制成細纖維（強度提高一個數(shù)量級）或晶須（強度提高兩個數(shù)量級，接近理論強度）也能提高強度。

幾種無機材料的塊體纖維晶須的抗拉強度比較

材料抗拉強度（Gpa）塊體纖維晶須Al2O30.282.121BeO0.14—13.3ZrO20.142.1—Si3N40.12~0.14—14填料對尼龍66復(fù)合材料性能的影響（二）提高抗裂能力與預(yù)加應(yīng)力——熱韌化

人為地預(yù)加應(yīng)力，在材料表面造成一層壓應(yīng)力層，可以提高材料的抗拉強度。脆性斷裂通常是在拉應(yīng)力作用下，自表面開始斷裂的。如果在表面造成一層殘余壓應(yīng)力層，則在材料使用過程中，表面受到拉伸破壞之前首先要克服表面上殘余壓應(yīng)力。

熱韌化：通常加熱、冷卻，在表面層中人為地引入殘余壓應(yīng)力過程，稱為熱韌化。如制造安全玻璃（銅化玻璃：門窗、眼鏡用玻璃）。方法為：將玻璃加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上、熔點以下，然后淬冷，這樣表面立即冷卻變成剛性的，而內(nèi)部仍處于熔融狀態(tài)。因內(nèi)部的軟化狀態(tài)不會破壞，在繼續(xù)冷卻中，內(nèi)部將比表面以更大的速率收縮，使表面受壓、內(nèi)部受拉，結(jié)果在表面形成殘留應(yīng)力。

這種熱韌技術(shù)近年來也用于其他結(jié)構(gòu)陶瓷材料。如將Al2O3在17000C下于硅油中淬冷，強度提高。淬冷不僅在表面造成壓應(yīng)力，而且還可使晶粒細化。利用表面層與內(nèi)部的熱膨脹系數(shù)不同，也可達到預(yù)加應(yīng)力的效果。（三）化學(xué)強化

若要求表面殘余應(yīng)力更高，熱韌化方法難以實現(xiàn)，采用化學(xué)強化（離子交換）的辦法。這種技術(shù)是改變材料表面化學(xué)的組成，使表面的摩爾體積比內(nèi)部的大（通常用大離子置換小離子實現(xiàn)）。表面體積膨大受到內(nèi)部材料的限制，就產(chǎn)生兩相狀態(tài)的壓應(yīng)力。（四）相變增韌

利用多晶多相陶瓷中某些成分在不同溫度的相變，從而達到增韌的效果。如用ZrO2能夠增韌莫來石陶瓷、尖晶陶瓷等。

ZrO2存在三種晶型，立方、四方、單斜。

其中四方相向單斜相的相變伴隨有較大的體積變化～7％，這種相變體積變化是相變增韌的基礎(chǔ)。（五）彌散增韌

在基體中滲入具有一定顆粒尺寸的微細材料，達到增韌的效果。微細粉體既可以是金屬粉末（加入陶瓷基體之后，以其塑性變形，來吸收彈性應(yīng)變能的釋放量，從而增加斷裂的表面能，改善了韌性），也可以是非金屬顆粒（在與基體生料顆粒均勻混合之后，在燒結(jié)或熱壓時，多半存在于晶界相中,以高強度增加了整體的斷裂表面能，特別是高溫斷裂韌性）。（六）纖維增韌

在陶瓷中加入高彈性模量的纖維，纖維均布于陶瓷基體中，達到增韌的目的為纖維增韌。纖維增韌的機理在于：陶瓷受力時，由于纖維的強度及彈性模量高，大部分應(yīng)力由纖維承受，減輕了陶瓷的負擔(dān)；而且纖維還可以阻止裂紋擴展，起到增韌的作用。（七）層狀化結(jié)構(gòu)

將陶瓷材料層狀化，增加裂紋擴展時的阻力，也能達到增強、增韌的效果。從下圖可看出層狀結(jié)構(gòu)使得裂紋發(fā)生了偏