金属、无机非金属和高分子材料的晶体结构及其强化机制

1、金属、无机非金属和高分子材料的 晶体结构及其强化机制,1,目 录,材料的晶体结构及其晶体学规律 材料的强化机制,定义 晶体结构即晶体的微观结构，是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况。自然界存在的固态物质可分为晶体和非晶体两大类。晶体结构是决定固态金属的物理、化学和力学性能的基本因素之一。,晶体结构,性质 （1）对称性（2）周期性（3）自范性（4）解理性 （5）各向异性（6）晶面角守恒定律,高分子材料 晶态高分子链整齐地排列成为具有周期性结构的有序状态。,无机非金属材料 离子晶体等径或不等径负离子球体作最紧密堆积后，正离子进入其四面体空隙或八面体空隙。,金属材料 金属晶体都是金属

2、单质，构成金属晶体的微粒是金属阳离子和自由电子（价电子）。金属的性质与金属阳离子和晶体中自由电子密切相关。,金属晶体,晶体结构 单晶体其内部的晶格位向完全一致时。 多晶体实际由多晶粒组成的晶体结构叫做多晶体。,亚晶 在每个晶粒的内部的不同区域上晶格位向还有微小的差别，这些晶内的小区域叫亚晶，它们间的界面称为亚晶界。,形核过程 降温过程中出现时聚时散的类似晶体结构的小集团，当小集团达到临界值时，逐渐稳定，这种最初形成的小晶体被称为晶核。,晶核长大 晶核一般沿过冷度大的方向生长，这种生长方式类似树枝的生长，被称为树枝状长大，直到液相消耗完毕。,形核过程 自发形核由液体金属内部原子聚集，超过临界晶核

3、尺寸后形成的结晶核心 非自发形核依附于外来杂质上生成的晶核,长大过程平面生长与树状生长,典型无机化合物晶体结构,负离子作立方最紧密堆积的结构 氯化钠（NaCl） 反萤石（Na2O） 闪锌矿（-ZnS）,负离子作六方最紧密堆积的结构 纤锌矿（-ZnS） 碘化镉（CdI2） 金红石（TiO2 ） 刚玉（-Al2O3）,负离子作简单立方堆积的结构 氯化铯（CsCl） 萤石（CaF2）,几种重要多元化合物结构 钙钛矿（CaTiO3） 尖晶石（MgAl2O4）,硅酸盐结构,Si4+离子间不存在直接键合，通过O2-或其他离子键合； 硅氧四面体SiO4是硅酸盐的基本结构单位； SiO4中每个O2-最多为两个

4、SiO4共用； 两个相邻SiO4只共顶，不共棱，不共面。,高分子聚合物的结晶形态,球晶,单晶,树枝状晶,纤维状晶,结晶聚合物的结构模型,两相结构模型,折叠链模型,插线板模型,对材料的强化,对材料进行强化可以增加其在使用过程中的可靠性并延长服役寿命，降低成本，节约资源，而掌握材料的强化机制是合理运用和发展材料强化方法从而挖掘材料性能潜力的基础。,陶瓷材料 （1）微晶,高密度与高纯度（2）预加应力（热韧化） （3）化学强化（4）陶瓷材料的增韧,金属材料 （1）固溶强化（2）细晶强化 （3）形变强化（4）分散强化（沉淀强化） （5）相变强化,强化机制,高分子材料 （1）引入取代基（2）链段交联 （3

5、）结晶度和取向（4）定向聚合 （5）填料,金属材料强化机制,固溶强化 由于各向异性，在点阵中任何一个溶质原子的周围都存在弹性应力场，位错在通过点阵时需要克服更大的阻力。,细晶强化 晶界附近为两晶粒晶格位向的过渡之处，增大晶格畸变使位错在晶界附近的滑移阻力大。,分散强化 合金组织中如果含有一定数量的分散的异相粒子，晶体中的位错在运动的前方会遇到第二相质点的阻碍。,形变强化 在冷变形过程中，金属内位错密度增加，位错之间的交互作用加剧，位错运动阻力增大。,Fe-C合金相变强化,马氏体相变的切变特征造成在晶体内产生大量微观缺陷（位错、孪晶及层错等），使得马氏体强化，称之为相变强化。,实验证明，无碳马氏

6、体的屈服强度为284MPa，这个值与形变强化铁素体的屈服强度相近，而退火铁素体的屈服强度仅为98137MPa，说明相变强化使强度提高了147186MPa。,陶瓷材料强化机制,微晶和高密度 用热压工艺制造，使陶瓷密度接近理论值,几乎没有气孔，例如纤维材料和晶须，大大提高晶体完整性。,预加应力 通过一定加热、冷却制度在表面引入残余压应力，在材料表面造成一层残余压应力层,可提高材料的抗张强度。,化学强化 通过改变表面的化学组成,使表面的摩尔体积增大，但由于受到内部材料的限制,就产生一种两向状态的压应力。,增韧 提高陶瓷材料强度及改善陶瓷的脆性，例如应力诱导相变增韧,相变诱发微裂纹增韧和弥散增韧。,化

7、学强化玻璃,玻璃经过特殊的表面处理后，硬度可以较大幅度提高，在不影响触摸屏手感的同时，提高玻璃的防划伤，抗冲击等能力。,通常是用一种大的离子置换小的，化学钢化玻璃的压应力层深度一般是5um25um不等。 表面压应力与内部张应力之比可达数百倍。如果内部张应力很小，则化学强化的玻璃可以切割和钻孔。,高分子聚合物强化机制,引入取代基 引入极性基团和能形成氢键的基团可增加链间作用力，提高聚合物的强度。,链段交联 适度的交联可以有效的增加分子链间的联系，使分子链不易发生相对滑移，增大强度并提高弹性模量。,结晶度和取向 一般情况下，随着结晶度的增加，聚合物的屈服应力、强度、模量等均有提高，而断裂伸长率降低。,定向聚合 提高高分子材料结构上均一性，使高聚物的密度、拉伸弹性模量和物理性能、机械性能均有提高。,不同点： 金属晶体是较为规整的晶粒排列，以微观为主，因此增加位错，细化亚结构。 陶瓷材料