金屬、無機非金屬和高分子材料的晶體結(jié)構(gòu)及其強化機制

1、金屬、無機非金屬和高分子材料的晶體結(jié)構(gòu)及其強化機制,1,,,目 錄,材料的晶體結(jié)構(gòu)及其晶體學規(guī)律材料的強化機制,,,,,,定義晶體結(jié)構(gòu)即晶體的微觀結(jié)構(gòu)，是指晶體中實際質(zhì)點（原子、離子或分子）的具體排列情況。自然界存在的固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩大類。晶體結(jié)構(gòu)是決定固態(tài)金屬的物理、化學和力學性能的基本因素之一。,晶體結(jié)構(gòu),性質(zhì)（1）對稱性（2）周期性（3）自范性（4）解理性（5）各向異性（6）晶面角守恒定律,,高分子材

2、料晶態(tài)——高分子鏈整齊地排列成為具有周期性結(jié)構(gòu)的有序狀態(tài)。,無機非金屬材料離子晶體——等徑或不等徑負離子球體作最緊密堆積后，正離子進入其四面體空隙或八面體空隙。,,金屬材料金屬晶體都是金屬單質(zhì)，構(gòu)成金屬晶體的微粒是金屬陽離子和自由電子（價電子）。金屬的性質(zhì)與金屬陽離子和晶體中自由電子密切相關(guān)。,,,,,,金屬晶體,晶體結(jié)構(gòu)單晶體——其內(nèi)部的晶格位向完全一致時。多晶體——實際由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)叫做多晶體。,亞晶在

3、每個晶粒的內(nèi)部的不同區(qū)域上晶格位向還有微小的差別，這些晶內(nèi)的小區(qū)域叫亞晶，它們間的界面稱為亞晶界。,形核過程降溫過程中出現(xiàn)時聚時散的類似晶體結(jié)構(gòu)的小集團，當小集團達到臨界值時，逐漸穩(wěn)定，這種最初形成的小晶體被稱為晶核。,晶核長大晶核一般沿過冷度大的方向生長，這種生長方式類似樹枝的生長，被稱為樹枝狀長大，直到液相消耗完畢。,,,形核過程自發(fā)形核——由液體金屬內(nèi)部原子聚集，超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心非自發(fā)形核——依附于外

4、來雜質(zhì)上生成的晶核,長大過程——平面生長與樹狀生長,,,,,,,,,,典型無機化合物晶體結(jié)構(gòu),負離子作立方最緊密堆積的結(jié)構(gòu)氯化鈉（NaCl）反螢石（Na2O）閃鋅礦（β-ZnS）,負離子作六方最緊密堆積的結(jié)構(gòu)纖鋅礦（α-ZnS） 碘化鎘（CdI2）金紅石（TiO2 ）剛玉（α-Al2O3）,負離子作簡單立方堆積的結(jié)構(gòu)氯化銫（CsCl）螢石（CaF2）,幾種重要多元化合物結(jié)構(gòu)鈣鈦礦（CaTiO3）尖晶石（Mg

5、Al2O4）,,,硅酸鹽結(jié)構(gòu),Si4+離子間不存在直接鍵合，通過O2-或其他離子鍵合；硅氧四面體[SiO4]是硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單位；[SiO4]中每個O2-最多為兩個[SiO4]共用；兩個相鄰[SiO4]只共頂，不共棱，不共面。,,,,,,高分子聚合物的結(jié)晶形態(tài),球晶,單晶,樹枝狀晶,纖維狀晶,,,結(jié)晶聚合物的結(jié)構(gòu)模型,兩相結(jié)構(gòu)模型,折疊鏈模型,插線板模型,,,對材料的強化,對材料進行強化可以增加其在使用過程中的可靠性并延長服役壽

6、命，降低成本，節(jié)約資源，而掌握材料的強化機制是合理運用和發(fā)展材料強化方法從而挖掘材料性能潛力的基礎(chǔ)。,,,,,陶瓷材料（1）微晶,高密度與高純度（2）預加應力（熱韌化）（3）化學強化（4）陶瓷材料的增韌,金屬材料（1）固溶強化（2）細晶強化（3）形變強化（4）分散強化（沉淀強化）（5）相變強化,,強化機制,高分子材料（1）引入取代基（2）鏈段交聯(lián)（3）結(jié)晶度和取向（4）定向聚合（5）填料,,,,,,金屬

7、材料強化機制,固溶強化由于各向異性，在點陣中任何一個溶質(zhì)原子的周圍都存在彈性應力場，位錯在通過點陣時需要克服更大的阻力。,細晶強化晶界附近為兩晶粒晶格位向的過渡之處，增大晶格畸變使位錯在晶界附近的滑移阻力大。,分散強化合金組織中如果含有一定數(shù)量的分散的異相粒子，晶體中的位錯在運動的前方會遇到第二相質(zhì)點的阻礙。,形變強化在冷變形過程中，金屬內(nèi)位錯密度增加，位錯之間的交互作用加劇，位錯運動阻力增大。,,,Fe-C合金相變強化

8、,馬氏體相變的切變特征造成在晶體內(nèi)產(chǎn)生大量微觀缺陷（位錯、孿晶及層錯等），使得馬氏體強化，稱之為相變強化。,實驗證明，無碳馬氏體的屈服強度為284MPa，這個值與形變強化鐵素體的屈服強度相近，而退火鐵素體的屈服強度僅為98—137MPa，說明相變強化使強度提高了147—186MPa。,,,,,,,,,,陶瓷材料強化機制,微晶和高密度用熱壓工藝制造，使陶瓷密度接近理論值,幾乎沒有氣孔，例如纖維材料和晶須，大大提高晶體完整性。,預加應力

9、通過一定加熱、冷卻制度在表面引入殘余壓應力，在材料表面造成一層殘余壓應力層,可提高材料的抗張強度。,化學強化通過改變表面的化學組成,使表面的摩爾體積增大，但由于受到內(nèi)部材料的限制,就產(chǎn)生一種兩向狀態(tài)的壓應力。,增韌提高陶瓷材料強度及改善陶瓷的脆性，例如應力誘導相變增韌,相變誘發(fā)微裂紋增韌和彌散增韌。,,,化學強化玻璃,玻璃經(jīng)過特殊的表面處理后，硬度可以較大幅度提高，在不影響觸摸屏手感的同時，提高玻璃的防劃傷，抗沖擊等能力。,

10、通常是用一種大的離子置換小的，化學鋼化玻璃的壓應力層深度一般是5um~25um不等。表面壓應力與內(nèi)部張應力之比可達數(shù)百倍。如果內(nèi)部張應力很小，則化學強化的玻璃可以切割和鉆孔。,,,,,,高分子聚合物強化機制,引入取代基引入極性基團和能形成氫鍵的基團可增加鏈間作用力，提高聚合物的強度。,鏈段交聯(lián)適度的交聯(lián)可以有效的增加分子鏈間的聯(lián)系，使分子鏈不易發(fā)生相對滑移，增大強度并提高彈性模量。,結(jié)晶度和取向一般情況下，隨著結(jié)晶度的增加

11、，聚合物的屈服應力、強度、模量等均有提高，而斷裂伸長率降低。,定向聚合提高高分子材料結(jié)構(gòu)上均一性，使高聚物的密度、拉伸彈性模量和物理性能、機械性能均有提高。,不同點：金屬晶體是較為規(guī)整的晶粒排列，以微觀為主，因此增加位錯，細化亞結(jié)構(gòu)。陶瓷材料則為晶體搭接成為一個整體，偏重于宏觀意義上裂紋的研究。高聚物以每一個高分子鏈為研究對象，增加鏈與鏈之間的混亂度。,同是材料一家親相同點：增加體系的混亂度或極力降低缺陷達到理論強度，可使