工程材料学之晶体材料的结构

第二章 晶体材料的结构,晶体学根底知识,立方晶系晶向与晶面,纯金属常见的晶体结构,材料的实际晶体结构,第一节 晶体结构根底知识,晶体结构概念,材料的性能不仅与其组成原子的本性及原子间结合键类型有关，还与晶体中原子在三维空间长程有序排列方式有关。原子在三维空间的有序排列特征称为晶体结构。,不同材料其原子可能具有不同的空间排列不同的晶体结构。,甚至同一种材料，在不同的环境下也有不同的原子排列同素异构。如： C， Fe,一、,晶格及晶胞,晶格：,晶体材料中原子的排列是具有长程有序（即：平移对称性）的。,将晶体中在三维空间有序排列的原子视为等径的刚球质点，并在三维空间中紧密堆积，然后用一些假想的平行直线，将所有质点的中心连接起来，便构成了一个三维的几何格架。这个抽象出来的用于描述原子在晶体中的位置和排列方式的,几何格架,，称为晶格。晶格中各线的,交点,称为结点（或阵点）。,第一节 晶体根底知识,第一节 晶体根底知识,晶胞,从晶格中取一个,最小,的立体单元（最小的平行六面体）称为晶胞。晶格是晶胞在空间的叠加。,晶胞的选择原则：,能充分反映整个空间点阵的,对称性,。,晶胞内的棱、角相等的数目最多，且具有尽可能多的直角。,体积要最小。,二、晶系,第一节 晶体根底知识,一、晶格常数,在晶胞中取某一点为原点（通常取在左下角后面一结点），建立坐标系，以晶胞的三个棱边作为坐标轴x，y，z（可以是垂直的，也可以不垂直）。以三边的长度a，b，c及相互间夹角，六个参数来表示晶胞的大小和形状，其中三棱边的长度a，b，c 称为晶格常数，它们反映了晶胞的大小。,按a、b、c是否相等，、是否为直角将全部晶体分为7个晶系,：,二,晶格常数与晶系,三、14,种晶胞（点阵）或,Bravais,点阵,第一节 晶体根底知识,1、7,个简单晶胞（晶胞中只含有一个原子）,a=b=c,=90,a,b,c,=90 ,a=b,c,=90 =120 ,a,b,c, 90,a=b=c,= 90,a=b,c,=90,a,b,c,=90,角顶原子：8个单胞共有；,面上原子：2个单胞共有；,胞内原子：单胞独有,2、7,个复杂晶胞（晶胞中所含原子数大于,1,）,a=b=c,=90,a=b,c,=90,a,b,c,=90,a,b,c,=90 ,a,b,c,=90,第二节 立方晶系晶向与晶面指数,一、晶向与晶面的概念,晶向：,在晶胞中，通过假设干原子中心（结点）连接一起的具有不同空间方位的直线晶向,任何两个结点间的连线即构成,一个晶向。,晶面：,在晶胞中，通过假设干原子中心构成的二维平面晶面,二、晶向指数的标定,1、 为什么要标定,：区别不同方位的晶向, 因为材料在不同晶向上会,表现出不同的性能。,标定形式： 采用miller指数（英国晶体学家，1939）,2、 标定方法：,以晶胞中某一原子为原点，建立坐标系，以三棱边为坐标轴；以,a，b，c为单位矢量,；,2. 在晶向上任取两点，坐标为：(x,1,y,1,z,1,) (x,2,y,2,z,2,)；,3. 计算x,2,-x,1,： y,2,-y,1,： z,2,-z,1,；,化成最小整数比u：v：w,；,放在方括号uvw中，不加逗号，负号记在上方,。,A（x,1,y,1,z,1,）,B（x,2,y,2,z,2,）,说明：（a）一个晶向指数表示的是一组互相平行，方向一致的所有晶向。因为晶体中的原子排列具有对称性，相互平行的直线上的原子排列完全一样,。如：AB=DE,坐标 ： A（1，1，0）,B（0，1，1）,C（1，1，1）,O,（,0,，,0,，,0,）,举例:,求,AB, OC晶向指数,B(0,1,1),A(1,1,0),C(1,1,1),O(0,0,0),D,E,B(0,1,1),（b) 晶向族,B(0,1,1),A(1,1,0),C(1,1,1),O(0,0,0),D,E,B(0,1,1),如,：AO(OA), DE(ED), OB(BO),DC(CD) 等均为同等的， 可用,OA表示， 即： ,由于晶体中原子排列的对称性，存在许多,原子排列相同,，但,方向不同,的晶向，在晶体学上，这些晶向是同等的,统称为晶向族，用,uvw,表示,.,共,12,个,可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。,原子排列相同的晶,向具有相同的性质,三、,晶面指数的标定,为什么标定：区别不同方位，不同原子排列的晶面，同样以,M,iller,指数标定,标定方法：,建立坐标系：以一个原子中心为原点，以三棱边为坐标轴，以a，b，c为单位矢量；,求出待标定晶面在三个坐标轴上的截距，如 m、n、p；,计算其倒数 b1 b2 b3,；,化成,最小,、,整数,比 h：k：l,；,放在圆方括号(hkl)，不加逗号，负号记在上方,。,3,举例,标定右图中阴影晶面的指数,求截距 OX1，OY1，OZ,求倒数 1/1，1/1, 1/ 1，1，0,写出晶面指数 （110）,求截距 OX-1，OY，OZ 1,求倒数 -1/1,1/,1/1 -1，0，1,写出晶面指数:,注意：,（hkl）表示一组相互平行的晶面。如A面，B面具有相同的晶面指数（001），,指数符号正好相反的晶面亦相互平行,；,假设待标定晶面通过原点，可将坐标系适当平移，再求截距，如,B,面平移至,A,面位置；,A,B,晶面族,原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶,面的集合， 称为晶面族,。,原子排列相同,的晶面性质相同。,表示方法：,用,大,括号hkl表示,。,举例：,可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。,同学们自己排列 123晶面族,6个,三、三类典型的晶体结构,体心立方 BCC,Body-centered cubic,面心立方 FCC,Face-centered cubic,密堆六方 CPH,Close-packed hexagonal,1、,体心立方（,BCC）,结构特征：,每,个角顶上各有一个原,子,体心中有一个原子,a=b=c,，,=,=,90,常见金属：,-Fe,，,V,，,Ta,，,Nb,，,Cr,，,Mo,，,W,等,2、面心立方 （FCC）,特征：,每,个角顶上各有一个原子,各个面中心,有一个原子,a=b=c,，,=,=,90,常见金属：Ag,，,Au,，,Ni，Cu,Pd,，,Pt,，,-Fe等,三、密堆六方,特征：,12个顶角,各一个原子,、上下,面中心各一个原子，,体内3,个原子（位于对称中心处）,a=b,c,=90， =120 ,通常： c/a=1.633,常见金属：Mg， Zn,，Ti，Zr，等,原子半径：,将晶体中原子视为等径刚球，并认为是紧密堆积的，原子半径视为晶胞中,最近邻,两原子中的距离一半。,致密度：,晶胞中原子自身所占的体积之和与晶胞总体积之比。,配位数：,配位数是指晶体中与任一原子,最近邻,且,等距离,的原子数目。配位数越高,晶体越紧密。,晶向及晶面的原子密度,晶向原子密度：该晶向上,单位长度,上的原子,数，如,FCC,在,110,晶向上,的原子密度为：,晶面的原子密度：晶面上,单位面积,上的原子数,如FCC晶胞中（111）面的密,度为：,一、体心立方,原子位置:立方体的八个顶角,和,晶胞,中心,各一个原子。,第三节 纯金属常见的晶体结构,体心立方中原子排列,不同晶向， 不同晶面上的原子密度不同,二、面心立方,原子位置:立方体的八个顶角,和每个侧面中心,各一个原子,面心立方中原子排列,第三节 纯金属常见的晶体结构,三、密堆六方,原子位置,12个顶角、上下底心,各一个原子，,体内3,各原子。,第四节 材料的实际晶体结构,一、多晶体结构,单晶体:,一块晶体材料,由一个,晶粒,组成。即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”。,如单晶硅，水晶石， 石,。,水晶石,石,冰晶体,第四节 材料的实际晶体结构,多晶体:,由众多外观不规则，,位向不同,的单晶体组成的几何体。一般实际材料均为多晶体。,多晶体中的各单晶体称为晶粒，两晶粒之间的界面称为晶界,。,晶界不一定是平整的,晶粒与晶界:,多晶体的组织与性能：,组织：,右图所示为纯Fe的显微结构，它是经抛光、腐蚀后的显微镜放大照片。,特点：,各不规则，明暗不同的几何图形晶粒,晶粒之间的界面晶界（晶界上缺陷多，易腐蚀）,明暗不同由于取向不同，方位不同，耐腐蚀能力亦不同，引起明暗衬度不同。,组织,是通过人眼或显微镜,观察到的形貌、结构。,性能：,单晶体是各向异性：,通常原子排列的密排面。密排方向的强度最大。如,Fe（BCC）在方向上的强度远大于在方向上的强度,多晶体是各向同性：,多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性。,二、晶体中的缺陷,晶体缺陷：,正常晶体中原子排列受到破坏缺陷。正常晶体中原子完全呈现周期性的重复的排列（,平移对称性,）。,实际晶体中的原子排列不是理想的，不具有完全的平移对称性，而是存在一些偏离了理想原子排列的区域，这些区域即构成缺陷。,缺陷会引起材料性能的巨大变化，如：理想完整晶体的强度通常是实际晶体的数十倍，甚至数百倍。,晶体缺陷的类型：,点缺陷,线缺陷,面缺陷,1、点缺陷,点缺陷：,在三维空间各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小的晶体缺陷。,点缺陷的类型,：,空位,在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。,间隙原子,在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。,异类原子,在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子占据原有的原子位置。,2、线缺陷,线缺陷：,在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错（,Dislocation,）,位错的形式,：,刃型位错 螺型位错 混合型位错,刃型位错,螺型位错,位错的产生：在正常原子排列的晶体中，某一局部多了一层或少了一层原子面,实际晶体材料中都存在位错，而且位错对材料性能影响很大，如：,理想晶体Fe ,b,5600Mpa,实际晶体Fe ,b,1300Mpa,位错线附近的晶格有相应的畸变，有高于理想晶体的能量；,位错线附近异类原子浓度高于平均水平；,位错在晶体中可以发生移动，是材料塑性变形根本原因之一；,位错与异类原子的作用，位错之间的相互作用，对材料的力学性能有明显的影响。,位错,特点,3、面缺陷,面缺陷：,在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。,面缺陷的形式,：,晶界面 亚晶界面 相界面,晶格像的实例,Si中(111)面的晶格像,Stacking Fault,Small angle grain boundary,Nano stacking fault,谢谢观看,/,欢送下载,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH,