金屬、無機(jī)非金屬和高分子材料的晶體結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)化機(jī)制

1、金屬、無機(jī)非金屬和高分子材料的晶體結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)化機(jī)制,1,,,目 錄,材料的晶體結(jié)構(gòu)及其晶體學(xué)規(guī)律材料的強(qiáng)化機(jī)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(shí)際質(zhì)點(diǎn)（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(xué)和力學(xué)性能的基本因素之一。,晶體結(jié)構(gòu),性質(zhì)（1）對(duì)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(jī)非金屬材料離子晶體——等徑或不等徑負(fù)離子球體作最緊密堆積后，正離子進(jìn)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(jià)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(shí)。多晶體——實(shí)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(gè)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(shí)聚時(shí)散的類似晶體結(jié)構(gòu)的小集團(tuán)，當(dāng)小集團(tuán)達(dá)到臨界值時(shí)，逐漸穩(wěn)定，這種最初形成的小晶體被稱為晶核。,晶核長(zhǎng)大晶核一般沿過冷度大的方向生長(zhǎng)，這種生長(zhǎng)方式類似樹枝的生長(zhǎng)，被稱為樹枝狀長(zhǎng)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(zhǎng)大過程——平面生長(zhǎng)與樹狀生長(zhǎng),,,,,,,,,,典型無機(jī)化合物晶體結(jié)構(gòu),負(fù)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(fù)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(fù)離子作簡(jiǎn)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(gè)O2-最多為兩個(gè)[SiO4]共用；兩個(gè)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(duì)材料的強(qiáng)化,對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化可以增加其在使用過程中的可靠性并延長(zhǎng)服役壽

6、命，降低成本，節(jié)約資源，而掌握材料的強(qiáng)化機(jī)制是合理運(yùn)用和發(fā)展材料強(qiáng)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(yù)加應(yīng)力（熱韌化）（3）化學(xué)強(qiáng)化（4）陶瓷材料的增韌,金屬材料（1）固溶強(qiáng)化（2）細(xì)晶強(qiáng)化（3）形變強(qiáng)化（4）分散強(qiáng)化（沉淀強(qiáng)化）（5）相變強(qiáng)化,,強(qiáng)化機(jī)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(qiáng)化機(jī)制,固溶強(qiáng)化由于各向異性，在點(diǎn)陣中任何一個(gè)溶質(zhì)原子的周圍都存在彈性應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)在通過點(diǎn)陣時(shí)需要克服更大的阻力。,細(xì)晶強(qiáng)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(cuò)在晶界附近的滑移阻力大。,分散強(qiáng)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(cuò)在運(yùn)動(dòng)的前方會(huì)遇到第二相質(zhì)點(diǎn)的阻礙。,形變強(qiáng)化在冷變形過程中，金屬內(nèi)位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)之間的交互作用加劇，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大。,,,Fe-C合金相變強(qiáng)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(cuò)、孿晶及層錯(cuò)等），使得馬氏體強(qiáng)化，稱之為相變強(qiáng)化。,實(shí)驗(yàn)證明，無碳馬氏體的屈服強(qiáng)度為284MPa，這個(gè)值與形變強(qiáng)化鐵素體的屈服強(qiáng)度相近，而退火鐵素體的屈服強(qiáng)度僅為98—137MPa，說明相變強(qiáng)化使強(qiáng)度提高了147—186MPa。,,,,,,,,,,陶瓷材料強(qiáng)化機(jī)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(yù)加應(yīng)力

9、通過一定加熱、冷卻制度在表面引入殘余壓應(yīng)力，在材料表面造成一層殘余壓應(yīng)力層,可提高材料的抗張強(qiáng)度。,化學(xué)強(qiáng)化通過改變表面的化學(xué)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(yīng)力。,增韌提高陶瓷材料強(qiáng)度及改善陶瓷的脆性，例如應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g,相變誘發(fā)微裂紋增韌和彌散增韌。,,,化學(xué)強(qiáng)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(shí)，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(xué)鋼化玻璃的壓應(yīng)力層深度一般是5um~25um不等。表面壓應(yīng)力與內(nèi)部張應(yīng)力之比可達(dá)數(shù)百倍。如果內(nèi)部張應(yīng)力很小，則化學(xué)強(qiáng)化的玻璃可以切割和鉆孔。,,,,,,高分子聚合物強(qiáng)化機(jī)制,引入取代基引入極性基團(tuán)和能形成氫鍵的基團(tuán)可增加鏈間作用力，提高聚合物的強(qiáng)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(duì)滑移，增大強(qiáng)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(yīng)力、強(qiáng)度、模量等均有提高，而斷裂伸長(zhǎng)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(jī)械性能均有提高。,不同點(diǎn)：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(cuò)，細(xì)化亞結(jié)構(gòu)。陶瓷材料則為晶體搭接成為一個(gè)整體，偏重于宏觀意義上裂紋的研究。高聚物以每一個(gè)高分子鏈為研究對(duì)象，增加鏈與鏈之間的混亂度。,同是材料一家親相同點(diǎn)：增加體系的混亂度或極力降低缺陷達(dá)到理論強(qiáng)度，可使