04 第四章 工程材料的物理、化学性能.pptx

第1页：机械工程材料第四章封面

机械工程材料：第四章“工程材料的物理、化学性能及常用功能材料”课件，重点分腐蚀机理与防护途径。

第2页：课程主要内容与章节目录

主要内容：本课程按下列章节展开。

• 绪论
• 第一章 材料的内部结构
• 第二章 结晶与显微组织
• 第三章 工程材料的力学性能
• 第四章 工程材料的物理、化学性能
• 第五章 工程材料的强化理论
• 第六章 钢的热处理与马氏体相变强化
• 第七章 钢铁材料
• 第八章 有色金属及其合金

第3页：物理性能与化学性能的含义

物理性能

材料表现出的电、磁、光和热特征。

化学性能

材料耐环境腐蚀性和抗氧化性。

学习目的：

1. 了解材料常用的物理、化学性能特点
2. 了解材料组织结构以及加工工艺对物理、化学性能的影响规律

第4页：第四章小节目录

第四章 工程材料的物理、化学性能及常用功能材料小节目录：

1. 4.1 电性能
2. 4.2 磁性能
3. 4.3 热性能
4. 4.4 光学性能
5. 4.5 腐蚀与氧化

第5页：化学腐蚀与电化学腐蚀

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

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。

电化学腐蚀

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。

第6页：钢材电化学腐蚀的阴极反应

钢材中电化学腐蚀锈蚀过程的阴极反应：

• 2H⁺ + 2e⁻ → H₂
• O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
• O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

第7页：电化学腐蚀两极的形成方式

工程中常见电化学腐蚀两极的形成方式：（1）两种连接在一起的不同材料——电位较低的一方成为阳极而被腐蚀。

第8页：两极形成的四种方式

工程中常见电化学腐蚀两极的形成方式：

1. 两种连接在一起的不同材料
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；晶粒不均匀时，细晶粒区域呈阳极、粗晶粒区域呈阴极
4. 电解质溶液中存在浓度差异：通常与高浓度溶液接触的金属呈阴极，与低浓度溶液接触的金属呈阳极

第9页：提高耐腐蚀性途径：合金化与结构设计

提高耐腐蚀性途径：

• 合金化：①形成单相合金；②减小多相合金中组成相间的电极电位差；③使材料表面钝化，例如形成致密的氧化膜
• 结构设计：①防止形成闭合回路，例如钢管与铜紧固件连接时用塑料保持电绝缘；②在连接的材料之间避免出现裂缝

第10页：提高耐腐蚀性途径：涂层、阴极保护与选材

提高耐腐蚀性途径（续）：

• 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
• 阴极保护
• 材料的选择与热处理：选择适当的材料与适合的热处理制度可防止或减缓腐蚀，例如铸件中的偏析会形成细小的电化学微电池，可通过均匀化处理（扩散退火）改善耐腐蚀性能

第11页：耐热性：热强性与热稳定性

热强性

材料在高温下抵抗变形和断裂的能力，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。

热稳定性

材料在高温下的抗氧化性；金属在高温下与氧反应生成氧化物薄膜：nM + mO₂ → M_nO_2m。

生成表面氧化物和参与反应的基体材料体积比决定了氧化物的防护性，即体积比（P-B比率）= M_氧化物ρ_金属/(nM_金属ρ_氧化物)。

第12页：金属表面氧化物的三类形态

金属表面生成的氧化物分为三类：

1. 多孔型：氧化物与金属的体积比率小于1，氧化膜呈多孔状，例如镁的氧化膜
2. 致密型：体积比率接近1，可形成附着力强、无孔、具有保护性的钝化膜，例如铝或铬的氧化膜
3. 剥落型：体积比率大于1，初期有钝化作用，但增厚后界面内应力很大，导致氧化膜呈片状剥落，裸露的新鲜金属继续氧化，例如铁的氧化膜