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第1篇：非金屬化學(xué)元素范文

關(guān)鍵詞：化學(xué)實(shí)驗(yàn)；金屬；物理性質(zhì)；化學(xué)性質(zhì)

文章編號(hào)：1005—6629(2012)9—0003—03

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

初等化學(xué)的主要任務(wù)是進(jìn)行化學(xué)學(xué)科的啟蒙教育，它之所以必不可少，在于它的研究對(duì)象、研究方法和學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的物理學(xué)、生物學(xué)、以及不很系統(tǒng)的天文學(xué)和自然地理學(xué)有所不同。化學(xué)以與人類社會(huì)物質(zhì)生活緊密相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)為主要研究對(duì)象。這里所說的化學(xué)物質(zhì)，不僅包括已經(jīng)存在于自然界的化學(xué)物質(zhì)，還包括自然界并不存在的，由化學(xué)家以現(xiàn)有物質(zhì)為原料制造出來(或未來可能制造出來)的新物質(zhì)，而且后者的數(shù)量和所能體現(xiàn)的功能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出前者。所以化學(xué)研究不僅著力于發(fā)現(xiàn)，還致力于創(chuàng)造，最能體現(xiàn)出人類的智慧和創(chuàng)造力!更為令人感到神奇的是，對(duì)于數(shù)量近于天文數(shù)字的化學(xué)物質(zhì)，其組成和結(jié)構(gòu)的研究可以歸結(jié)為對(duì)總數(shù)約百個(gè)左右化學(xué)元素性質(zhì)的認(rèn)識(shí)和反應(yīng)性能的調(diào)控。化學(xué)元素之間的結(jié)合規(guī)律——化學(xué)鍵理論并不復(fù)雜，當(dāng)化學(xué)物質(zhì)的組成比較復(fù)雜時(shí)，組成元素原子之問的空間排布對(duì)原子之間相互作用的影響——化學(xué)結(jié)構(gòu)理論，也不很復(fù)雜。化學(xué)鍵理論和化學(xué)結(jié)構(gòu)理論可以幫助我們認(rèn)識(shí)或預(yù)見化學(xué)物質(zhì)間存在差異性的物理因素，但是至今尚無法對(duì)這種差異導(dǎo)致的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的差別作出比較完備并可靠的判斷或推測。所以化學(xué)的學(xué)科研究工作中除去理論方法的研究外，無不依賴實(shí)驗(yàn)工作來完成，這是化學(xué)至今仍然是一門實(shí)驗(yàn)性科學(xué)的原因。

基于以上的原因，由于化學(xué)物質(zhì)數(shù)量龐大，反應(yīng)類型雖然屈指可數(shù)，但是反應(yīng)過程及產(chǎn)物對(duì)外界條件甚至反應(yīng)物本身的狀態(tài)(例如固體的分散程度、溶液的濃度等)卻十分敏感，甚至接近幾乎無規(guī)律可循的情況。這從另一個(gè)角度表明了化學(xué)是一門正在發(fā)展中的科學(xué)，是一門基于百十個(gè)化學(xué)元素，而作為研究對(duì)象的化合物卻可能達(dá)到1014量級(jí)(目前已知的化合物數(shù)仍在107的量級(jí))的科學(xué)。因此從組成結(jié)構(gòu)和性質(zhì)問都存在差異的近乎天文數(shù)字的研究對(duì)象中，探索具有普適性的客觀規(guī)律是一項(xiàng)正在進(jìn)行且遠(yuǎn)未完成的艱巨任務(wù)。眾多的機(jī)會(huì)和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，意味著化學(xué)是一門正在蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，也正是化學(xué)引人入勝之處。但是對(duì)于初學(xué)者而言，雖然所涉及的化學(xué)知識(shí)和化學(xué)物質(zhì)并不很多，卻很難做到像初等物理學(xué)那樣依據(jù)為數(shù)不多的基本定律，就可以認(rèn)識(shí)并探究大量相關(guān)的物理現(xiàn)象，初學(xué)者因此感到困惑的反映，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是合理的。這是初等化學(xué)教學(xué)中必須著重研究和力求解決的問題。也許是為了減輕學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)出現(xiàn)的困惑，很多沒有經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)證實(shí)的、以偏概全或概念模糊的所謂“規(guī)律”，在正式教材中雖然罕見，但在坊間出版的教輔一類學(xué)習(xí)材料之中卻屢見不鮮(有的甚至自詡為“應(yīng)試寶典”)。這種做法，不僅不能真正解決初等化學(xué)教學(xué)中的困惑，而且由于模糊了對(duì)化學(xué)學(xué)科任務(wù)和方法的認(rèn)識(shí)，對(duì)于化學(xué)教學(xué)特別是后繼課程的學(xué)習(xí)，將會(huì)導(dǎo)致不必要的困擾。把“例外”作為某些“規(guī)律”失效時(shí)的借口和師生們由此感到尷尬的心態(tài)，只會(huì)留下事與愿違的遺憾。我認(rèn)為在解決這個(gè)問題的過程中，厘清學(xué)科概念和某些規(guī)律的理論或?qū)嶒?yàn)依據(jù)是關(guān)鍵的一步，應(yīng)當(dāng)引起我們的重視。只要我們肯于面對(duì)問題，有關(guān)的實(shí)例并不難找到。把金屬活潑性和反應(yīng)激烈程度想當(dāng)然地直接相關(guān)聯(lián)，就是問題之一。

1　金屬化學(xué)活動(dòng)性和反應(yīng)激烈程度沒有必然的相關(guān)性

金屬活動(dòng)次序在初等化學(xué)中是一個(gè)有趣，而且運(yùn)用時(shí)比較得心應(yīng)手的重要知識(shí)點(diǎn)。首先因?yàn)樵刂芷诒碇薪饘僭氐臄?shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過非金屬元素，除去汞外，它們的單質(zhì)在通常條件下均呈固態(tài)，可以直接觀察和測量的方面比較多；其次因?yàn)樗鼈兊柠}溶于水中后大都會(huì)發(fā)生電離，這時(shí)將以離子形式存在。用簡單的試管實(shí)驗(yàn)，就可以通過A金屬元素的單質(zhì)是否能夠與B金屬元素的離子發(fā)生置換反應(yīng)來比較A和B金屬的氧化還原性(或日金屬活動(dòng)性)的強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)要求的技能水平很低，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象卻十分明顯。置換反應(yīng)發(fā)生時(shí)，產(chǎn)物首先沉積在金屬性較強(qiáng)的金屬表面上，底物表面和沉積在反應(yīng)區(qū)的置換產(chǎn)物的形貌、顏色，甚至于變化過程都可以清晰地觀察到，足以引起實(shí)驗(yàn)者極大的興趣。由此擴(kuò)展得出的包括十幾個(gè)常見金屬元素的金屬活動(dòng)次序，不僅應(yīng)用起來得心應(yīng)手，讀來更是朗朗上口，便于記憶，因而成為初中化學(xué)中最為師生喜愛的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

第2篇：非金屬化學(xué)元素范文

關(guān)鍵詞：自沖鉚接；微裂紋；裂紋擴(kuò)展；疲勞強(qiáng)度

0引言

為了提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和車輛變速的快捷性，就要降低車輛重量。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的關(guān)鍵是在車身的制造中大量使用輕型材料，如鋁合金、復(fù)合材料、高分子材料、具有表面鍍層不導(dǎo)電有機(jī)保護(hù)層的板料等，而難于用電焊對(duì)這些材料進(jìn)行良好聯(lián)接[1]，且車輛及工程機(jī)械等機(jī)械產(chǎn)品所處的工況是惡劣的振動(dòng)狀態(tài)，疲勞失效是連接破壞的基本普遍現(xiàn)象，所以它的聯(lián)接設(shè)計(jì)和工藝就要求更高以滿足疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度提高的迫切需求，雖然自沖鉚接疲勞強(qiáng)度較點(diǎn)焊高，但繼續(xù)提高其疲勞強(qiáng)度有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

自沖鉚接技術(shù)是采用一個(gè)鉚釘連接兩個(gè)或更多部件的方法（見圖1），它實(shí)行沖鉚一次完成。半空心鉚釘自沖鉚接工藝的鉚接過程如下：鉚釘在沖頭的作用下，穿透上層板料，在凹模和鉚釘外形共同作用下空心鉚釘尾部在下層金屬中張開形成喇叭口形狀[2]。自沖鉚接除了可連接上述點(diǎn)焊所難于連接的材料外，自沖鉚接和點(diǎn)焊相比還具有許多點(diǎn)焊所不具備的優(yōu)點(diǎn)：能連接不同材料，能和粘接復(fù)合連接，無發(fā)光，發(fā)熱少，疲勞強(qiáng)度較高，快捷等。

圖1空心鉚釘自沖鉚接接頭剖面圖

1自沖鉚接疲勞破壞方式

自沖鉚接的疲勞擴(kuò)展最易在鉚接孔處擴(kuò)展，且在宏觀上裂紋擴(kuò)展方向垂直于載荷方向，且裂紋宏觀方向通過鉚接孔中心，在裂紋擴(kuò)展末期的瞬斷時(shí)形成剪切唇，剪切唇與載荷成大約45o，如圖2（a）所示，這其實(shí)是由于強(qiáng)度不足所致。

（a）

（b）（c）

圖2自沖鉚接板料的疲勞破壞

有的時(shí)候自沖鉚接疲勞裂紋不在鉚接孔發(fā)生，而有可能在鉚接孔附近靠近鉚釘頭部的地方萌生和擴(kuò)展，這主要由于鉚釘在受載時(shí)會(huì)對(duì)板料有一個(gè)彎曲作用，如圖2（b）所示。在有的時(shí)候，比如自沖鉚接和粘接復(fù)合連接時(shí)，或材料缺陷情況下，疲勞萌生和擴(kuò)展還可能發(fā)生在板料的其他部位，如圖2（c）所示。

2自沖鉚接微裂紋的產(chǎn)生

鉚釘可用鋼材或硬鋁等制作，一般經(jīng)熱處理來適當(dāng)提高其韌、硬度，這主要取決于被鉚接材料特性如強(qiáng)度、硬度、厚度等。被鉚接的材料常有鋼板、鋁板或鋁合金、塑料、銅或銅合金、高分子材料及復(fù)合材料等，一般其硬度不能太高，否則鉚釘將難刺穿上板料，若采用更高硬度的鉚釘，但這樣鉚釘在刺入板料和張開時(shí)易開裂，且增大了刺入力。

由于鉚釘刺進(jìn)板料時(shí)，板料內(nèi)部強(qiáng)度、硬度、結(jié)構(gòu)、相分布、原子結(jié)合力不均，晶粒、晶界性狀不一等原因?qū)е掳辶系你T釘孔孔壁有毛刺、微裂紋，這些將是導(dǎo)致自沖鉚接失效的重要擴(kuò)展源。

下面闡述裂紋不在鉚接孔中產(chǎn)生的情況。金屬中常見的有面心立方晶格、體心立方晶格、密排六方晶格等多種結(jié)構(gòu)，它們具有多種滑移系和滑移方向，晶體是各向異性的[3]。在其受力時(shí)可沿著受載最大或最弱的、抗力最小的晶面和晶向滑移，在每一次滑移時(shí)晶面和晶向都有可能不同，這樣就有可能導(dǎo)致產(chǎn)生侵入溝、擠出脊、晶格畸變或位錯(cuò)堆積等缺陷（見圖3），導(dǎo)致出現(xiàn)微裂紋。

（a） (b)

圖3金屬表面“擠出脊”和“侵入溝”[4]

由于材料在成形時(shí)溫度高低不是很均勻、化學(xué)成分也不可能非常均勻（如鋼中的碳元素）、表面和內(nèi)部散熱不均、化學(xué)成分偏析或偏聚也不均勻等原因，可能導(dǎo)致多種晶體結(jié)構(gòu)同時(shí)存在，不過可能有一種或幾種結(jié)構(gòu)為主，況且材料一般都是含有多種元素，則原子間作用力或鍵的作用力將不同，其對(duì)內(nèi)、外界環(huán)境和作用載荷改變而應(yīng)力的變化也不同，這也將導(dǎo)致最薄弱處出現(xiàn)微裂紋；每種結(jié)構(gòu)、成分的機(jī)械性能（如硬脆度、強(qiáng)度等）和形狀、結(jié)構(gòu)就不同，受載時(shí)材料內(nèi)部的微觀部分的受力肯定不一樣（如應(yīng)力集中等）；那么由以上各原因，經(jīng)過反復(fù)不斷的受載則位錯(cuò)或微裂紋將在最薄弱處發(fā)生。

一般金屬材料都是多晶體構(gòu)成的，如果結(jié)晶時(shí)溫度不太均勻、散熱不均勻、冷卻不均勻或其他添加元素、雜質(zhì)干擾等情況，金屬內(nèi)可能出現(xiàn)兩種或多種晶格，微觀受載不均就位錯(cuò)增加而出現(xiàn)微裂紋。每種晶格分別存在一個(gè)個(gè)小晶體內(nèi)，這樣一些小晶體常排列方向各異，各小晶體間以不規(guī)則的、畸變的結(jié)構(gòu)連接，形成晶界或亞晶界，晶界或亞晶界強(qiáng)度和硬度較高[17]，但其方向、排列、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等各異，且存在位錯(cuò)，在受到交變載荷、沖擊載荷、循環(huán)載荷、受力不均勻、應(yīng)力集中等情況時(shí)，由于變形不協(xié)調(diào)、不均勻或附加載荷等，相對(duì)較弱的晶界和亞晶界可能發(fā)生更大的位錯(cuò)，或小孔洞，甚至破裂成微裂紋；也可能因小晶體內(nèi)的微觀或顯微局部強(qiáng)度不夠，當(dāng)載荷長時(shí)間作用時(shí)，某些小缺陷就不斷擴(kuò)展成微裂紋，然后微裂紋經(jīng)很多次擴(kuò)展就穿晶破裂。

金屬材料內(nèi)部常有其他金屬或非金屬元素。如鋼材中添加的碳、硅、硫、磷、鉻、鎳等等元素，這些元素往往固溶于基體中（如在鋼材中這些元素會(huì)固溶于鐵晶格中形成固溶體）或形成金屬化合物等，且鋁合金中可能有α、θ、s等相，銅合金中可能有α、δ、β'等相，還可形成金屬化合物如滲碳體等[17]，載荷在微觀不均，位錯(cuò)增加，微裂紋將在薄弱處產(chǎn)生；由于化學(xué)成分不完全均勻，各種成分在進(jìn)行物理化學(xué)變化時(shí)所處的條件也不完全毫無差別，這些相可能同時(shí)存在，且可能方向、位置及形狀等較為雜亂，微觀受載不均，位錯(cuò)堆積，微裂紋將在薄弱處產(chǎn)生；而且比如常用的退火、正火的鋼材由于化學(xué)元素是否均勻、是否偏聚偏析、熱處理加熱快慢、加熱是否均勻、降溫速度、降溫是否均勻等影響可能導(dǎo)致材料中同時(shí)存在鐵素體、珠光體、滲碳體等各種相、結(jié)構(gòu)，而各種相的強(qiáng)度、硬度、韌性、伸長率等不一，這樣當(dāng)材料受到外載時(shí)，在微觀中的每個(gè)相的各個(gè)部分的微觀變形及受力就不一樣，這使得最薄弱處出現(xiàn)微裂紋；且由于加溫、降溫等在材料內(nèi)部和外部差別不一等情況，可導(dǎo)致材料內(nèi)部應(yīng)力大小不一，甚至出現(xiàn)有的地方是拉應(yīng)力而有的地方是壓應(yīng)力，且可能應(yīng)力大小差別較大，薄弱處也將出現(xiàn)微裂紋；在應(yīng)力集中或局部受力超過相的強(qiáng)度極限等情況下，相特別是其尖端可能破裂或者和相鄰的相之間產(chǎn)生更長更寬的位錯(cuò)以及壓破相鄰的相，而后出現(xiàn)微裂紋；如滲碳體等硬脆相在應(yīng)力集中和局部過載時(shí)易脆斷，或者珠光體等較強(qiáng)韌相壓破相鄰的弱相，而出現(xiàn)微裂紋；以及在晶界原子結(jié)構(gòu)畸變處累積位錯(cuò)，這樣晶界處可能產(chǎn)生微裂紋，特別是那些局部的尖銳的板條狀滲碳體；且由于金屬材料成形時(shí)的相變和溫度改變不均等可能造成應(yīng)力集中或初始位錯(cuò)等。所有以上情況經(jīng)反復(fù)加載就成了微裂紋。

金屬中還有夾雜物如氧化物、硫化物、硅酸鹽、耐火材料微末等[3]，可以是球形、片狀、有尖角的不規(guī)則形狀或有圓角的多面體形，雜質(zhì)間還可以互相連通，雜質(zhì)和基體的連接強(qiáng)度較弱，這樣就把材料基體割裂了，受到一定時(shí)間載荷就形成了裂紋。

金屬中還可能有氣孔、縮孔、有雜質(zhì)等缺陷，它們中有的即使在軋制時(shí)也可能不能壓合成一體。它們的形狀各異，在這些缺陷邊緣處材料受到一個(gè)較大彎矩作用，故容易出現(xiàn)微裂紋。且在這些缺陷的邊緣，特別是垂直于載荷的片狀裂紋尖角應(yīng)力集中，則尖端容易堆積位錯(cuò)而塑性下降，然后撕裂成微裂紋。

對(duì)于高分子材料比如塑料，其材料成分可以含有碳、氫、氧等元素成分，可以有共價(jià)鍵、分子鍵等。分子鏈有長有短，有主鏈，有支鏈，分子結(jié)構(gòu)各異，分子構(gòu)型、構(gòu)象不同[3]，這樣材料受到疲勞載荷時(shí)載荷在鍵間、分子間、鏈間的分布可能不均，況且由于疲勞載荷做功，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，而且由于材料內(nèi)外產(chǎn)熱微小差別、散熱不均、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均等可導(dǎo)致熱分布不均，且熱對(duì)不同鍵及連接的軟化、消弱等影響不均，可導(dǎo)致在危險(xiǎn)處斷鍵、分子錯(cuò)動(dòng)、斷鏈等情況發(fā)生，這樣不斷發(fā)展下去就有了微裂紋。對(duì)于有機(jī)材料中含有的雜質(zhì)、氣孔、縮孔等在受載時(shí)由于應(yīng)力集中、氣體膨脹等也易出現(xiàn)微裂紋。當(dāng)疲勞載荷能量大，散熱又差時(shí)，材料可能軟化失效。

對(duì)于復(fù)合材料，它是由不同化學(xué)成分或不同組織結(jié)構(gòu)材料的合成多相材料，它一般在低強(qiáng)度、低模量、高韌性基體材料中加高模量、高強(qiáng)度的增強(qiáng)纖維、顆粒、夾層[17]。基體和增強(qiáng)物間可能有空隙、氣體、雜質(zhì)等缺陷；纖維沒有整個(gè)材料那么長那么寬，這樣并排的纖維間由其他材料填充，纖維排列錯(cuò)亂，纖維還有斷頭，這將成微裂紋來源。以下情況也將產(chǎn)生受載不均、疲勞強(qiáng)度減小、變形不協(xié)調(diào)等，使局部應(yīng)力大于平均應(yīng)力而出現(xiàn)微裂紋：顆粒間為強(qiáng)度、硬度等不同的基體，顆粒排列、形狀等各異，增強(qiáng)物排列密度不均；增強(qiáng)物與基體強(qiáng)度、模量不一致，導(dǎo)致加載時(shí)變形不一致，有大有小；載荷對(duì)增強(qiáng)物的角度不一，可能有的易出現(xiàn)微小破壞；增強(qiáng)物雜亂；加載生產(chǎn)熱、散熱不均；各種成分因熱消弱強(qiáng)度、硬度的敏感性不一；基體和增強(qiáng)物本身缺陷，如有微孔、氣泡等。以上情況出現(xiàn)后，均會(huì)在長期疲勞載荷下形成微裂紋。

3自沖鉚接裂紋的擴(kuò)展

在自沖鉚接過程中，由于材料由不同相、不同組織組成，這些微觀組織、相的強(qiáng)度、塑性、韌性不一樣，這樣就容易導(dǎo)致鉚接時(shí)在鉚接孔上出現(xiàn)毛刺、微裂紋，況且自沖鉚接的模具結(jié)構(gòu)、制造誤差也導(dǎo)致自沖鉚接的鉚接孔會(huì)有裂紋，再說材料內(nèi)部還有夾雜物、孔洞等微觀缺陷，這些都將導(dǎo)致鉚接時(shí)有裂紋。

如圖2（a），在板料上下兩端分別受到大小相等，方向相反的兩個(gè)疲勞載荷時(shí)，由于在鉚釘孔作用的分布力將對(duì)通過鉚接孔中心且垂直于載荷的孔邊緣產(chǎn)生一個(gè)彎矩，而此彎矩主要由孔邊緣裂尖附近的微小區(qū)域產(chǎn)生承受，相對(duì)于這個(gè)微小的區(qū)域而言，彎矩較大，故疲勞裂紋容易在鉚接孔中擴(kuò)展。

如果微裂紋擴(kuò)展不在鉚釘孔中發(fā)生，而在板料的其他部位發(fā)生，如圖2（b）情況，這主要是由于在板料受載時(shí)板料受到鉚釘?shù)膹澢饔茫鐖D2（c）情況，裂紋的擴(kuò)展主要是由于微裂紋產(chǎn)生以后，作用在微裂紋上的力將對(duì)裂尖附近的微小區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)彎矩作用，而這個(gè)區(qū)域很小，故相對(duì)而言彎矩較大，故裂紋在循環(huán)載荷作用下，由于損傷的累積，疲勞裂紋就會(huì)擴(kuò)展。

4結(jié)語

自沖鉚接的微裂紋往往在鉚接孔中產(chǎn)生，這主要是由于材料內(nèi)部微觀組織性能不一致，及材料不均勻和模具的形狀決定鉚接孔中有毛刺和微裂紋。對(duì)于本文所述，微裂紋在鉚接孔外產(chǎn)生的情形，往往由于材料內(nèi)部的組織、相的物理和力學(xué)性能的不一致，如微觀組織的微觀強(qiáng)度、韌性和塑性等不一致造成的。

微裂紋的擴(kuò)展主要是由于裂紋受到一個(gè)撕裂彎矩，且附加有拉伸力作用，而這些載荷綜合作用在裂尖附近的微小區(qū)域內(nèi)，故裂尖附近綜合應(yīng)力很大，當(dāng)綜合應(yīng)力超過材料微觀強(qiáng)度極限時(shí)（不同于普通意義上的強(qiáng)度極限，因?yàn)槟莻€(gè)描述的是材料的平均強(qiáng)度極限），裂紋就擴(kuò)展。在鉚釘孔中分布力產(chǎn)生的對(duì)垂直于載荷的直徑與孔邊緣交點(diǎn)的彎矩很大，故在鉚釘孔中很容易發(fā)生疲勞裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象。由于彎矩的力臂越來越大，彎矩就越來越大，故疲勞裂紋擴(kuò)展越來越快，故疲勞壽命主要由疲勞裂紋萌生壽命和小裂紋的擴(kuò)展壽命組成。

參考文獻(xiàn)：

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