材料科学基础——4.ppt

1、第4章 材料与水,水在无机非金属材料中发挥着非常重要的作用。,本章内容,4.1 材料与水的一般性质 4.2 水与非金属材料化学作用 4.3 水对金属材料的腐蚀 4.4 水对非金属材料的腐蚀 4.5 水对高分子材料的腐蚀,4.1 材料与水的一般性质,亲水性与憎水性 吸水性与吸湿性 耐水性 抗渗性 抗冻性,亲水性与憎水性,材料产生亲水性的原因是因其与水接触时，材料与水之间的分子亲合力大于水本身分子间的内聚力所致。当材料与水接触，材料与水之间的分子亲合力小于水本身分子间的内聚力时，则材料表现为憎水性。,吸水性与吸湿性,(1)吸水性: 材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。 吸水率 (2)吸湿性: 材

2、料在潮湿空气中吸收空气中水分称为吸湿性。潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分，此称还湿性。 含水率,材料吸水性影响因素,1. 孔隙种类、孔径大小与孔隙率 开口孔隙率越大，则材料吸水量越多。材料吸水达饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。 孔隙种类、孔径大小 2. 材料的亲水性与憎水性,材料吸水后性质变化,密度 导热系数 强度 抗冻性 变形,材料吸湿性影响因素,材料的亲水性与憎水性 环境温湿度 表面结构及孔隙结构,吸湿性对材料性能的影响,密度 强度 导热系数 变形,耐水性,材料长期受饱和水作用，能维持原有强度的能力，称为耐水性。 材料被水浸湿后强度降低： （1）表面能降低 （2）水的“尖劈力”

3、,耐水性常用软化系数表示 k值处于10之间。不同材料的k值相差颇大，如黏土k0，而金属k1。受水浸泡或处于潮湿环境中的重要建筑物所选用的材料其软化系数不得低于0.85。因此，软化系数大于0.85的材料常被认为是耐水的。对于受潮较轻或次要结构物的材料，其k不应小于0.75。干燥环境中使用的材料不考虑耐水性。,抗渗性,材料抵抗压力水或油等液体渗透的性质称为抗渗性（或不透水性）。 材料的抗渗性通常用渗透系数表示。 材料的抗渗性也可用抗渗等级表示。,渗透系数,一定厚度的材料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。,Pn=10H-1 式中：Pn抗渗等级； H试件开始渗水时的水压力，MPa

4、。 n一般取偶数,抗渗等级,抗渗性影响因素,材料孔隙 憎水性和亲水性,抗渗性对工程的意义,材料防水防潮 材料的保温隔热 工程耐久性,抗冻性 化学侵蚀 碱-骨料反应,抗冻性,抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经多次冻融循环（冻结和融化）而不破坏，同时也不严重降低强度的性质。 冰冻状态下材料破坏的机理： （1）水结冰时体积约增大9，从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂。 （2）蒸汽压差,抗冻性表征,材料的抗冻性用抗冻等级表示。 抗冻等级是以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度不超过规定值，并无明显损坏和剥落时能经受的冻融循环次数来确定，用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F25、F50

5、等。,抗冻性测试,材料在-15的冻结后，再于20的水中融化，称为一次冻融循环。冻结温度不应高于-15 ，因为水在微小的细孔中在低于 -15的温度下才能冻结（一般在大体积混凝土中-3时水可结冰）。 在经过规定的循环的冻融次数后，材料重量损失不超过5，且强度损失不超过25时，则称为抗冻性能良好的材料。,抗冻性对材料的影响,强度 变形 外观,抗冻性影响因素,材料抗渗性 材料强度 水的冰点 水饱和程度,4.2 水与非金属材料化学作用,建筑石膏的水化 (-CaSO4H2O) 生石灰的水化 (CaO) 水玻璃的硬化 (R2OnSiO2) 镁质水泥 （MgO) 硅酸盐水泥的水化 (Portland ceme

6、nt),建筑石膏的水化,建筑石膏与适量的水相混后，最初为可塑的桨体，但很快就失去塑性而产生凝结硬化，续而发展成为固体。发生这种现象的实质，是由于桨体内部经历了一系列的物理化学变化。首先，半水石膏溶解于水，很快成为不稳定的饱和溶液。溶液中半水石膏溶与水化合又形成二水石膏，水化反应按下式进行：,由于水化产物二水石膏在水中的溶解度比半水石膏小得多（仅为半水石膏溶解度的1/5），半水石膏的饱和溶液对于二水石膏就成了过饱和溶液，逐渐形成晶核，在晶核大到某一临界值时，二水石膏就结晶析出。这时溶液浓度降低，使新的一批半水石膏又继续溶解和水化。如此循环进行，直到半水石膏全部耗尽。随着水化的进行，二水石膏生成量

7、不断增加、粘结力增加，并开始产生结构强度，表现为终凝。其间晶体颗粒亦逐渐长大、连生和相互交错，使桨体强度不断增长，直到剩余水分完全蒸发后，强度才停止发展。,半水石膏水化理论,1. 结晶理论 2. 胶凝理论,在这两种理论中，结晶理论的研究历史长久，研究的论著数量多。它于1887年吕查德里（La Chaeelier）提出的研究论文。后来马里格马克（Marigmac）的经验又证明了吕查德里的结论。这个理论认为：半水石膏加水后发生溶解，并生成不稳定的过饱和溶液，溶液中的半水石膏经水化而生成的二水石膏，由于二水石膏比半水石膏的溶解度小（反应物的溶解度生成物的溶解度），所以溶液对二水石膏是高度过饱和的，能

8、很快析出晶体。,结晶理论,因二水石膏的析出，便破坏了原有半水石膏溶解的平衡状态，这时半水石膏会进一步溶解，以补偿二水石膏析晶而在液相中减少的硫酸钙，照以上过程循环下去，二水石膏不断析出结晶体，半水石膏不断溶解，直至半水石膏溶完，水化才终止。这种结晶理论又称之溶解沉淀理论。,吕查德里把该过程分为以下3个阶段： 1水化作用的化学现象。 2结晶作用的物理现象。 3硬化的力学现象。,有学者认为，石膏的初疑是一个胶凝过程。而熟石膏浆体在快速升温之前就已稠化，因此，石膏初凝不是由熟石膏水化成二水石膏的结晶作用的结果。Traube、Carazzi也认为可以把熟石膏的凝结看成一个胶凝过程。1926年，内维尔（

9、A.M.Neville）证实了熟石膏浆体的稠化不是由于二水石膏的预先结晶所造成的。直到1953年费希尔（H.C.Fischer）用以下四个阶段为熟石膏的凝结机理得出一个比较完整的定义：,胶凝理论,（1）半水石膏晶体结构中内在的残余力将水吸附在颗粒的表面； （2）水进入半水石膏的细孔内，并保持物理吸附状态，形成胶凝结构，这就是初凝； （3）水进入分子间或离子间间隙内，胶凝体发生膨胀； （4）水由物理吸附状态过渡到化学吸附状态，产生水化作用，温度升高，形成二水石膏晶体，晶体逐渐长大，互相交错形成密实结构，这就是终凝。,生石灰的水化,生石灰的水化又成为熟化或消化，它是指生石灰与水发生水化反应，生成C

10、a(OH)2的过程，其反应方程式如下：,CaO+H2O Ca(OH)2+6.49104 J,生石灰的水化反应特点：,1）反应可逆 在常温下反应向右进行。在547下，反应向左进行，即Ca(OH)2分解为H2O和CaO。其水蒸气分解压力可达0.1MPa，为使消化过程顺利进行，必须提高周围介质中的蒸汽压力，并且不要使温度升的太高。,2）水化热大，水化速度快。 这主要时由于生石灰结构多孔、CaO的晶粒细小、内比表面积大之故。过烧石灰的结构致密、晶粒大，水化速度慢。当生石灰块太大时，表面生成的水化产物层厚，易阻碍水分进入，故此时消解需强烈搅拌。,3）水化过程中体积增大 块状生石灰消化过程中其外观体积可增

11、大1.52倍，块状生石灰消化过程中其外观体积可增大1.52倍，这一性质易在工程中造成事故，应予以重视。但也可以加以利用，即由于水化时体积增大，造成膨胀压力，致使石灰块自动分散成粉末，故可用此法将块状生石灰加工成消石灰粉。,水玻璃的硬化,水玻璃溶液在空气中吸收CO2形成无定形硅胶，并逐渐干燥硬化，其反应式为： 上述反应过程进行很慢。为加快硬化，常在水玻璃中加入促硬剂氟硅酸钠，促使硅酸盐凝胶加速析出。,Na2nSiO2+CO2+mH2O=Na2CO3+nSiO2 mH2O,氟硅酸钠的掺量不能太多，也不能太少，其适宜用量为水玻璃总量的1215。用量太少，硬化速度慢，强度降低，且未反应的水玻璃易溶于水

12、，导致耐水性差；用量过多会引起凝结过快，造成施工困难，而且渗透性大，强度低。 但Na2SiF6有毒，使用要注意安全。,镁质水泥的水化,镁质水泥（菱苦土、氯镁水泥）是以MgO为主要成分的胶凝材料。其水化反应式为： 在纯水中，这个反应很慢，且硬化后的强度很低，因此，一般不用水来调配菱苦土浆体，而是用某些盐水。最常用的就是MgCl2，其次还有MgSO4、FeSO4等。,MgO+H2O=Mg(OH)2,硅酸盐水泥的水化,凡以适当的生料，烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料，加入适量的石膏磨细制得的水硬性胶凝材料，称之为硅酸盐水泥。,矿物名称 化学成分 缩写符号 含量 硅酸三钙 3CaOSiO

13、2 C3S 4462 硅酸二钙 2CaOSiO2 C2S 1830 铝酸三钙 3CaOAl2O3 C3A 512 铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O3 C4AF 1018 其中，硅酸三钙和硅酸二钙为强度组分，铝酸三钙和铁铝酸四钙为熔剂组分。 其他还有少部分f-CaO、f-MgO及玻璃体等,硅酸盐水泥熟料矿物组分,1C3S和C2S的水化：C-S-H以及CH,硅酸三钙和硅酸二钙（-C2S)由于其晶体结构特点，因此遇水后与水发生水化反应:,C3S(或C2S)+H2OC-S-H+CH,生成的水化硅酸钙（C-S-H）中各化学成分不是恒定值，有两种形态： C-S-H（）和C-S-H（），其中， C-S

14、-H（）的C/S比=0.81.5， C-S-H（）的C/S比为1.52.0，它们统称为C-S-H凝胶，结晶度较差。 C-S-H（）又可表示为C-S-H（B）。,美国Taylor（泰勒）认为C-S-H凝胶是表示无定形和半结晶的水化硅酸钙，两字间的破折号并不是表示一个CaO、一个SiO2、一个H2O，而是一个不反映任何确定组成的C-S-H凝胶。在60年代由于研究条件所限，认为常温下生成的C-S-H （）及C-S-H （）与层状结构的天然矿物托勃莫来石（即雪硅钙石C5S6H5）相似，所以将C-S-H凝胶称为托勃莫来石凝胶。在70年代，由于有了新的测试手段，证实了托勃莫来石C5S6H5有固定组成，Ca

15、OSiO2比为0.83，结晶度很好，结晶形状为板状，而C-S-H凝胶的组成不定，CaOSiO2比不定，结晶度差，所以70年代里认为以前的看法是错误的，有必要更正，重新认为C-S-H凝胶，不能称之托勃莫来石凝胶。,C-S-H凝胶有四种形态,第一种为纤维状粒子，称为型C-S-H凝胶，它是水泥水化早期，从水泥粒子表面向外辐射的细长物质，呈针、柱状、棒状晶体。 第二种为网络状粒子，称为型C-S-H凝胶,它是由许多小的粒子互相接触而形成的互相联锁的网状构造。 第三种为小而不规则的等大粒子或扁平粒子称为型C-S-H凝胶，粒子一般不大于0.3m，这种粒子要到水泥水化进行到相当程度才出现。 第四种为“内部产物

16、”，称为型C-S-H凝胶，它存在于水泥粒子原来边界的内部，并与其他水化产物紧密接触。其外观呈皱状，具有密集合的等大粒子。,C-S-H凝胶具有以下特点： （1）具有高度的不溶性，溶解度极小； （2）比表面积大，高度分散性； （3）具有刚度特征，胶体微粒间以化学键和范德华力结合，有一定的强度； （4）内部多孔隙（凝胶孔）。,C3A的水化反应能力最强，早期水化快，放热量大。对水泥的早期凝结硬化有重大的影响。 水化产物：水化铝酸钙,2. C3A的水化,3. C4AF的水化,水化速度快于C2S，但慢于C3S和C3A 水化产物：水化铝酸钙和水化铁酸钙,（二）石膏对水泥水化作用的影响,经研究表明：石膏对硅酸

17、钙的水化影响较小，略起加速水化的作用，但可明显减缓C3A的水化。,石膏对C3A水化的影响：,当水泥中石膏量充分时： 当水泥中石膏量不足时，剩余的C3A与AFt反应生成低硫型的硫铝酸盐（AFm），也可能与C3AHn作用。,C3ACaSO42H2OH2OC6A3H30-32 （或Aft, Aft：针状）,C3A十C6A3H30-32H2OC4AH18 （或AFm, Afm： 六方板状）,C-S-H凝胶 占6870左右 纤维状、卷箱状 CH 占2325左右 层状结构，由Ca(OH)2 Aft/Afm 占57左右 针状/片状 其他 1 3左右,硅酸盐水泥石中水化产物的组成及形态：,综上所述，如果忽略一

18、些次要的和少量的成分，则硅酸盐水泥与水作用后，生成的主要水化产物：水化硅酸钙和水化铁铝酸钙，氢氧化钙，水化硫铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。在完全水化的水泥石中，水化硅酸钙约占6870，氢氧化钙约占2325，钙钒石和单硫型水化硫铝酸钙及其它约占57。,硅酸盐水泥水化反应为放热反应，其放出的热量称为水化热。硅酸盐水泥的水化热大，其放热周期较长，但大部分（50以上）是在三天以内、特别是在水泥桨发生凝结、硬化的初期放出。水化热的大小以及放热速率主要决定于水泥矿物的组成，C3A的水化热与水化放热速率最大，C3S与C4AF次之，C2S的水化热量最小，水化放热也最慢。,水化放热情况还与水泥细度、水灰比、养护温度

19、、水泥存储时间，以及水泥中掺混合材及外加剂品种、数量等因素有关。水泥颗粒越细，早期放热速率将显著增加。,4.3 水对金属材料的腐蚀,金属材料是应用广泛的工程材料，但在使用过程中，常常将受到不同形式的直接或间接的损坏，其中比较常见的破坏形式是断裂（fracture）、磨损（wear and fear）和腐蚀（corrosion）。,断裂是指材料超过其强度极限而破坏，比如轴承的断裂、钢丝绳的断裂等都属此类，断裂的结果是工件失效，但材料本身还可以重新熔炼再生； 磨损是金属工件和其他部件直接相互接触，由于机械摩擦而引起的逐渐损坏，比如活塞环的磨损、机车车轮与钢轨之间的磨损，有时磨损了的工件可以修复，例

20、如，用电刷镀可以修复轻微磨损的轴； 腐蚀是指金属材料与周围的环境介质发生化学作用页遭受破坏，材料发生腐蚀一般不能再修复，有时腐蚀与磨损会同时存在，甚至难以区分。这三种破坏形式一般独立存在，有时又同时存在。这里主要讨论金属材料的腐蚀问题。,金属腐蚀的观象十分普遍，涉及国民经济和科学技术的备个领域。太空中原子氧对飞行器的侵蚀，钢铁材料在大气中的生锈，轮船在海水中的锈蚀，炼油厂减压塔转油线的蚀坑，地下输油管线的穿孔等，都是由金属腐蚀引起的。金属材料的腐蚀给国民经济带来了巨大的损失，同时也威胁着人民的生命财产安全。因此，金属材料的腐蚀与防护早已成为材料科学研究的重要内容。,金属腐蚀是一个十分复杂的过程

21、。首先，环境介质的组成、浓度、温度、压力、PH等千差万别；其次，金属材料的化学成分、组织结构、表面状态、受力情况等也不同。因此，金属腐蚀种类从不同的角度有不同的分类方法。,腐蚀类型,按腐蚀环境：干腐蚀、湿腐蚀、无机/有机液体或气体腐蚀热腐蚀 按腐蚀机理：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀,（1）干腐蚀,常温氧化 高温氧化,（2）湿腐蚀,湿腐蚀是指金属在潮湿或含水介质中的腐蚀，绝大部分材料的常温腐蚀都属于这一种，为电化学腐蚀机理。 （1）自然环境下的腐蚀 （2）工业环境介质的腐蚀,a大气腐蚀。金属材料暴露在空气中，由于空气中的水和氧等的化学和电化学作用而引起的腐蚀称为大气腐蚀。 大气腐蚀是金属腐蚀中

22、最普通的一种。从材料库存，零都件加工和袋配到产品的运输和储存都会遭到不同程度的大气腐蚀。例如：铁在空气中会生锈；光亮的铜零件会产生铜绿；长期暴露在大气环境下的桥梁、铁道、交通工具及武器装备等都会遭到大气腐蚀。因大气腐蚀而引起金属损失，约占总腐蚀损失量的一半以上。随着大气环境的不同，其腐蚀严重性有着明显的差别，在含有硫化物、氯化物、煤烟、生埃等杂质的环境中会大大加重金属腐蚀。例如，钢在海岸的腐蚀要比在沙漠中的严重400500倍。,自然环境下的腐蚀,大气腐蚀基本上属于电化学性腐蚀范围，它是一种液膜下的电化学腐蚀，与浸在电解质浴液内的腐蚀有所不同。由子金属表面上存在着一层饱和的氧电解液簿膜，使大气腐

23、蚀以优先的吸氧反应（阴极反应）进行腐蚀。另一方面在薄膜层电解质下很容易形成阳极钝化的适当条件，固体腐蚀产物也常以层状沉积在金属表面，因而带来一定的保护。,b土壤腐蚀。主要是指铺设在地下的由金属材料制成的油管、水管和煤气管道等的腐浊。 土壤腐蚀是一种电化学腐蚀，土壤中含有水分、盐类和氧。大多数土壤是中性的，但也存在碱性砂质黏土、盐碱土和酸性腐植土、沼泽土。土壤是无机和有机胶质混合颗粒的集合。由土粒、水、空气所组成，是复杂的多相结构。土壤颗粒间形成大量毛细管微孔或孔隙、室隙中充满空气和水，常形成胶体体系，是一种离子导体。溶解有盐类和其他物质的土壤则是电解质溶液，土壤的导电性与土壤的干湿程度及含盐量

24、有关。因此说，土壤通常具有一定的导电性，电化学腐蚀的基本理论适用于土壤腐蚀。,c海水腐蚀。海洋面积约占地球总面积的70，海水是自然界中量最大，而且腐蚀性很强的一种天然电解质。常用的金属和合金在海水中大多数会遇到腐蚀，比如船舶的外壳、螺旋桨、码头的各种金属构筑物、海洋采油平台和水下输送及储存设备等，都会遭到海水腐烛。 因为海水是典型的电解质溶液，因此海水腐蚀遵循电化学规律。海水中的氧和氯离子含量是影响海水腐蚀的主要因素，多数金属在海水中的腐蚀都受到氧的去极化阴极过程控制，而氯离子会破坏金属表面的钝化膜，产生孔蚀。,d微生物腐蚀。参与腐蚀的微生物主要是细菌类，如硫氧化菌、硫酸盐还原菌等。 微生物可

25、以通过以下方式参与腐蚀过程：新陈代谢产物的腐蚀作用，腐蚀性代表产物包括无机酸、有机酸、硫化物等，它们能增加环境的腐蚀性，促进腐蚀的电极反应动力学过程，改变了全周周围环境的氧浓度、含盐度、酸度等，从而促进局都腐蚀电池的形成，破坏保护性覆盖层的稳定性。,a在工业性酸性、碱性、盐类溶液中的腐蚀。 在石油、化工、化纤、湿法冶金以及其他许多工业都门的生产过程中，都离不开酸、碱、盐。由于它们对金属材料腐蚀性极强，如果在设计、选材、操作中稍不合理，就会导致金属设备的严重破坏。,工业环境介质中的腐蚀,b在工业水中的腐蚀。工业水按其用途可分为冷却水、锅炉用水以及其他工业用水。工业水的水源不一，有地下水、地表水（

26、河水、湖水、海水）等，因此，工业水的组成不仅因水源不同而异，而且也随水处埋的方法不同而变化，其合盐量可从低于g/L直至高达数十g/L以上。 在全世界的用水量中，工业用水约占6080。工业水对金属设备的腐蚀是普遍现象，不仅会造成资源、能源、材料的浪费，而且常常威胁着大型企业的正常安全生产，影响产品质量，甚至危及人身安全，所以工业水的腐蚀与防护问题已经引起普通的重视。,（3）无机有机液体和气体中的腐蚀,卤代烃中的腐烛，如Al在CCl4和CHCl4中的腐蚀。 醇中的腐蚀，如Al在乙醇中，Mg和Ti在甲醇中的腐蚀。,热腐蚀是金属材料在高温含硫的燃气工作条件下与沉积在其表面的盐发生反应而引起的高温腐蚀形

27、态。依据沉积盐所处的状态，热腐蚀可分为高温热腐蚀和低温热腐蚀。高温热腐蚀是指温度超过了沉积盐的熔点，沉积盐处于融熔状态；低温热腐蚀是指温度低于沉积盐的熔点，沉积盐处于固态，但在腐蚀过程中形成低熔点共晶，导致材料加速腐蚀。在工业上，典型的热腐蚀环境主要有燃烧动力系统和燃料电池等。这两种环境下的沉积盐分别为硫酸盐和碳酸盐。下面以硫酸盐热腐蚀为例进行说明。,（4）热腐蚀,硫酸盐热腐蚀不仅发生在航室发动机上，在沿海发电厂的燃气涡轮发动机中的高温部件同样发生硫酸钠或硫酸钠与氯化钠混合盐的热腐蚀。在原油蒸熔物及催化精炼油中难以完全将硫除去，而专脱硫成本又高，故燃料油中含有硫，地面发电用油中硫含量更高。油燃

28、烧产生SO2，与高温下由海水蒸发的海洋大气中含有的NCl反应生成Na2SO4，并沉积于叶片上。,按腐蚀机理,化学腐蚀 电化学腐蚀 物理腐蚀 应力腐蚀,化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学反应而引起的破坏，腐蚀过程中没有电流的产生。纯化学腐蚀主要包括金属在无水的有机液体和气体中腐蚀以及在干燥气体中的腐蚀最常见的就是金属的高温氧化,化学腐蚀,电化学腐蚀,金属材料表面形成原电池而产生的腐蚀。 金属材料内部由于成分等不同，表面吸附液体后的电极电位不同，形成微电池。而金属的导电性使得阴极与阳极产生化学反应。,物理腐蚀是指金属由单纯的物理溶解作用而引起的破坏。熔融金属中的腐蚀就是固态金属与熔融液态

29、金属（如铅、锌、钠、汞等）相接触引起的金属溶解或开裂。这种腐蚀不是由于化学反应而是由于物理溶解作用，形成合金，或液态金属渗入晶界造成的。,物理腐蚀,应力腐蚀（stress corrosion）,概念：应力腐蚀是指零件在拉应力和特定的化学介质联合作用下所产生的低应力脆性断裂现象。 破坏特征 它的发生一般有以下四个特征：（1）一般存在拉应力，但实验发现压应力有时也会产生应力腐蚀；（2）对于裂纹扩展速率，应力腐蚀存在临界K1C ，即临界应力强度因子。（3）一般应力腐蚀都属于脆性断裂。（4）应力腐蚀的裂纹扩展速率一般为10-610-3 mm/min，而且存在孕育期，扩展区和瞬断区三部分,应力腐蚀机理,

30、零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。,4.4 水与无机非金属材料的腐蚀,以硅酸盐为代表的无机非金属一般都具有较好的化学稳定性，与电解质溶液接触时并不形成腐蚀电池。可以免受电化学腐蚀，其失效破坏是由于化学或物理的原因引起的。比如，由于硅酸盐材料是脆性材料，当外力作用超过其强度极限时，

31、不发生显著的变形即破坏；硅酸盐材料的热稳定性较低，在周围的介质温度急剧变化时会使材料产生内应力，当超过其抗拉强度时就破坏。硅酸盐材料还会与周围的环境介质发生化学反应而产生腐蚀 无机非金属材料的腐蚀主要包括：玻璃的腐蚀、陶瓷的腐蚀和水泥混凝土的腐蚀。,表面腐蚀 内部腐蚀,无机非金属材料的腐蚀形式：,表面腐蚀,腐蚀介质与材料组分直接发生化学反应而引起的破坏，由于腐蚀是从材料表面开始，因此称为表面腐蚀。 例如，玻璃受到碱、氢氟酸等的腐蚀： 以及陶瓷、水泥混凝土等都有表面腐蚀现象。,内部腐蚀,硅酸盐材料除熔融制品（如玻璃、铸石等）外，通常都存在一些的孔隙。腐蚀介质很容易通过这些孔隙向材料内部渗透，使得

32、腐蚀不仅发生在表面上，而且也发生在材料的内部。当腐蚀反应生成的产物出现结晶时，还会造成物理性破坏。,例如制碱车间的水泥地面，当间歇地受到氧氧化钠溶液接触时，渗透到孔隙中的氢氧化钠吸收空气中的二氧化碳后变成含水碳酸钠结晶，在材料内部引起体积膨胀而产生内应力，导致材倒的玻坏。 内部腐蚀中典型的还有水泥混凝土的内部腐蚀，包括软水腐蚀、化学腐蚀等。,水泥混凝土软水侵蚀,水泥石中的水化产物须在一定浓度的氢氧化钙溶液中才能稳定存在，如果溶液中的氢氧化钙浓度小于水化产物所要求的极限浓度时，则水化产物将被溶解或分解。从而造成水泥石结构的破坏。这就是硬化水泥石软水腐蚀的作用。 当环境水中含有重碳酸盐时，则重碳酸

33、盐与水泥石中的氢氧化钙起作用，生成几乎不溶于水的碳酸钙，其反应式为： 环境水中还存在侵蚀性CO2气体:,水泥混凝土化学腐蚀,酸腐蚀 碱腐蚀 膨胀性腐蚀 （1）硫酸盐腐蚀 （2）镁盐腐蚀,4.5 高分子材料腐蚀,高分子材料的腐蚀是指高分子材料在加工、储存和使用过程中，由于内外因素的综合作用，其物理化学性能和机械性能逐渐变坏，以至最后丧失使用价值的现象，亦称为老化。,与金属等材料易受酸、碱、盐腐蚀不同，高分子材料易受有机介质的腐蚀。 高分子材料的腐蚀与金属材料的腐蚀有着本质的区别，金属材料腐蚀大多数可以用电化学过程来解释，而高分子材料一般不导电，因此也不会发生电化学腐蚀，其腐蚀过程难以用电化学规律说明。此外，金屑的腐蚀过程往往在金属表面发生，但高分干材料发生腐蚀时，其周围介质（气体、溶液等）的渗透与扩散起着重要作用，既有腐蚀介质向材料内部进行的扩散渗透，也有材料中的某些可溶性成分从材料内部向外扩散迁移，引起材料的化学腐蚀（化学反应）和物理腐蚀（溶胀、溶解、龟裂等），两种种情况都会导致材料的变质、破坏。,问题？,怎样防止材料的腐蚀？ （1）金属材料 （2）无机非金属材料 （3）高分子材料,材料组成与结构 环境介质,本章要点,概念 亲水性与憎水性、吸水性与吸湿性、耐水