工程材料學(xué)第02章晶體結(jié)構(gòu)

1、工程材料學(xué)第02章晶體結(jié)構(gòu)晶格：晶格： 晶體材料中原子的排列是具有晶體材料中原子的排列是具有（即：平移對(duì)稱性）的。（即：平移對(duì)稱性）的。 將晶體中在三維空間有序排列將晶體中在三維空間有序排列的原子視為等徑的剛球質(zhì)點(diǎn)，并在的原子視為等徑的剛球質(zhì)點(diǎn)，并在三維空間中緊密堆積，然后用一些三維空間中緊密堆積，然后用一些假想的平行直線，將所有質(zhì)點(diǎn)的中假想的平行直線，將所有質(zhì)點(diǎn)的中心連接起來，便構(gòu)成了一個(gè)三維的心連接起來，便構(gòu)成了一個(gè)三維的幾何格架。這個(gè)抽象出來的用于描幾何格架。這個(gè)抽象出來的用于描述原子在晶體中的位置和排列方式述原子在晶體中的位置和排列方式的的幾何格架幾何格架，稱為晶格。晶格中各，稱為晶格

2、。晶格中各線的線的交點(diǎn)交點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)（或陣點(diǎn)）。稱為結(jié)點(diǎn)（或陣點(diǎn)）。第一節(jié)第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶體基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶胞晶胞 從晶格中取一個(gè)從晶格中取一個(gè)最小最小的立體單的立體單元（最小的平行六面體）稱為晶胞。元（最小的平行六面體）稱為晶胞。晶格是晶胞在空間的疊加。晶格是晶胞在空間的疊加。晶胞的選擇原則：晶胞的選擇原則： 能充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的能充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對(duì)稱對(duì)稱性性。晶胞內(nèi)的棱、角相等的數(shù)目最多，晶胞內(nèi)的棱、角相等的數(shù)目最多，且具有盡可能多的直角。且具有盡可能多的直角。體積要最小。體積要最小。 第一節(jié)第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶體基礎(chǔ)知識(shí)一、晶格常數(shù)一、晶格

3、常數(shù)在晶胞中取某一點(diǎn)為原點(diǎn)（通常取在左下角后面在晶胞中取某一點(diǎn)為原點(diǎn)（通常取在左下角后面一結(jié)點(diǎn)），建立坐標(biāo)系，以晶胞的三個(gè)棱邊作為一結(jié)點(diǎn)），建立坐標(biāo)系，以晶胞的三個(gè)棱邊作為坐標(biāo)軸坐標(biāo)軸x x，y y，z z（可以是垂直的，也可以不垂直）。（可以是垂直的，也可以不垂直）。以三邊的長度以三邊的長度a a，b b，c c及相互間夾角及相互間夾角，六六個(gè)參數(shù)來表示晶胞的大小和形狀，其中三棱邊的個(gè)參數(shù)來表示晶胞的大小和形狀，其中三棱邊的長度長度a a，b b，c c 稱為晶格常數(shù)，它們反映了晶胞的稱為晶格常數(shù)，它們反映了晶胞的大小。大小。 按按a a、b b、c c是否相等，是否相等，、是否為直角是否為

4、直角將全部晶體分為將全部晶體分為7 7個(gè)晶系個(gè)晶系： 二二 晶格常數(shù)與晶系晶格常數(shù)與晶系第一節(jié)第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶體基礎(chǔ)知識(shí)1、7個(gè)簡單晶胞（晶胞中只含有一個(gè)原子）個(gè)簡單晶胞（晶胞中只含有一個(gè)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 角頂原子：角頂原子：8個(gè)單胞共有；個(gè)單胞共有； 面上原子：面上原子：2個(gè)單胞共有；個(gè)單胞共有； 胞內(nèi)原子：單胞獨(dú)有胞內(nèi)原子：單胞獨(dú)有a=b=c, = = =90 a=b c, = = =90 a b

5、 c, = = =90 a b c, = =90 a b c, = = =90 一、晶向與晶面的概念一、晶向與晶面的概念 晶向：晶向：在晶胞中，通過若干原子中在晶胞中，通過若干原子中心（結(jié)點(diǎn)）連接一起的具有不同心（結(jié)點(diǎn)）連接一起的具有不同空間方位的直線空間方位的直線晶向晶向任何兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的連線即構(gòu)成任何兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的連線即構(gòu)成一個(gè)晶向。一個(gè)晶向。晶面：晶面：在晶胞中，通過若干在晶胞中，通過若干原子中心構(gòu)成的二維平原子中心構(gòu)成的二維平面面晶面晶面以晶胞中某一原子為原點(diǎn)，建立以晶胞中某一原子為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，以三棱邊為坐標(biāo)軸；以坐標(biāo)系，以三棱邊為坐標(biāo)軸；以 a a，b b，c c為單位矢量為單位矢

6、量；2. 2. 在晶向上任取兩點(diǎn)，坐標(biāo)為：在晶向上任取兩點(diǎn)，坐標(biāo)為：A(xA(x1 1,y,y1 1,z,z1 1) B(x) B(x2 2,y,y2 2,z,z2 2) )；3. AB3. AB晶向：計(jì)算晶向：計(jì)算x x2 2-x-x1 1 ： y y2 2-y-y1 1 ： z z2 2-z-z1 1 ；化成最小整數(shù)比化成最小整數(shù)比u u：v v：w w ；放在方括號(hào)放在方括號(hào)uvwuvw中，不加逗號(hào)，中，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方負(fù)號(hào)記在上方 。A（x1y1z1）B（x2y2z2）說明：（說明：（a）一個(gè)晶向指數(shù)表示的是一組互相平行，方向一致）一個(gè)晶向指數(shù)表示的是一組互相平行，方向一致的所有

7、晶向。因?yàn)榫w中的原子排列具有對(duì)稱性，相互平行的所有晶向。因?yàn)榫w中的原子排列具有對(duì)稱性，相互平行的直線上的原子排列完全一樣的直線上的原子排列完全一樣。如：AB=DE坐標(biāo)坐標(biāo) ： A（1，1，0） B（0，1，1） C（1，1，1） O（0，0，0）01_1)1 ,0 , 1()0 , 1 , 1 ()1 , 1 ,0(ABAB111) 1 , 1 , 1 ()0 , 0 , 0() 1 , 1 , 1 (OCOCB(0,1,1)A(1,1,0)C(1,1,1)O(0,0,0)DEB(0,1,1)B(0,1,1)A(1,1,0)C(1,1,1)O(0,0,0)DEB(0,1,1)_1_10 ,

8、_10_1 0,_1_1 _101 ,_110 0,_11 1_10 01,_1 10,_1 011,101,110,110共共12個(gè)個(gè) 可見任意交換指數(shù)可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號(hào)的位置和改變符號(hào)后的所有結(jié)果都是后的所有結(jié)果都是該族的范圍。該族的范圍。 建立坐標(biāo)系：以一個(gè)原子中心為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系：以一個(gè)原子中心為原點(diǎn)，以三棱邊為坐標(biāo)軸，以以三棱邊為坐標(biāo)軸，以a a，b b，c c為單為單位矢量；位矢量； 求出待標(biāo)定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截求出待標(biāo)定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距，如距，如 m m、n n、p p； 計(jì)算其倒數(shù)計(jì)算其倒數(shù) b1 b2 b3 b1 b2 b3 ；化成化成最小最小、整

9、數(shù)整數(shù)比比 h h：k k：l l ；放在圓方括號(hào)放在圓方括號(hào)(hkl)(hkl)，不加逗號(hào)，負(fù)，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方號(hào)記在上方 。標(biāo)定右圖中陰影晶面的指數(shù)標(biāo)定右圖中陰影晶面的指數(shù) 求截距求截距 OXOX1 1，OYOY1 1，OZOZ求倒數(shù)求倒數(shù) 1/11/1，1/1, 1/ 11/1, 1/ 1，1 1，0 0寫出晶面指數(shù)寫出晶面指數(shù) （110110） 求截距求截距 OXOX-1-1，OYOY，OZOZ 1 1求倒數(shù)求倒數(shù) -1/1,1/,1/1 -1-1/1,1/,1/1 -1，0 0，1 1寫出晶面指數(shù)寫出晶面指數(shù): : )011 (_注意：注意：（hklhkl）表示一組相互平行的晶

10、面。如）表示一組相互平行的晶面。如A A面，面，B B面具有相同的晶面指數(shù)（面具有相同的晶面指數(shù)（001001），），指數(shù)指數(shù)符號(hào)正好相反的晶面亦相互平行符號(hào)正好相反的晶面亦相互平行； 若待標(biāo)定晶面通過原點(diǎn)，可將坐標(biāo)系適當(dāng)平若待標(biāo)定晶面通過原點(diǎn)，可將坐標(biāo)系適當(dāng)平移，再求截距，如移，再求截距，如B B面面平移至平移至A A面位置；面位置； AB 原子排列情況相同，但空間位向原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶面的集合，不同的一組晶面的集合， 稱為稱為晶面族。晶面族。 原子排列相同的晶面性質(zhì)相同。原子排列相同的晶面性質(zhì)相同。表示方法：用大括號(hào)表示方法：用大括號(hào)hklhkl表示。表示。 舉例：舉

11、例：可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號(hào)后的所有結(jié)果可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號(hào)后的所有結(jié)果都是該族的范圍。都是該族的范圍。 同學(xué)們自己排列同學(xué)們自己排列 123晶面族晶面族6個(gè)個(gè)體心立方體心立方 BCC BCC Body-centered cubic面心立方面心立方 FCC FCC Face-centered cubic密堆六方密堆六方 CPH CPH Close-packed hexagonal1 1、體心立方（體心立方（BCCBCC） 結(jié)構(gòu)特征：結(jié)構(gòu)特征：每每個(gè)角頂上各有一個(gè)原個(gè)角頂上各有一個(gè)原 子子, ,體心中有一個(gè)原子體心中有一個(gè)原子 a=b=ca=b=c，= = =9090常見金屬

12、：常見金屬： -Fe-Fe，V V，TaTa，NbNb， CrCr， MoMo，W W等等 特征：特征：每每個(gè)角頂上各有一個(gè)原子個(gè)角頂上各有一個(gè)原子, , 各個(gè)面中心各個(gè)面中心有一個(gè)原子有一個(gè)原子 a=b=ca=b=c，= = =9090常見金屬：常見金屬：Ag，Au，Ni，Cu Pd，Pt，-Fe等等 特征：特征： 1212個(gè)頂角各一個(gè)原子、上個(gè)頂角各一個(gè)原子、上下面中心各一個(gè)原子，體內(nèi)下面中心各一個(gè)原子，體內(nèi)3 3個(gè)原個(gè)原子（位于對(duì)稱中心處）子（位于對(duì)稱中心處） a=b c, = =90 ， =120 通常：通常： 常見金屬：常見金屬：Mg， Zn，TiTi，ZrZr，等，等 晶胞總體積原

13、子體積晶胞中原子數(shù)Kaa221212223 . 223213613aa 原子位置原子位置: :立方體的八個(gè)頂角和晶胞中心各立方體的八個(gè)頂角和晶胞中心各一個(gè)原子。一個(gè)原子。 第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)不同晶向，不同晶向， 不同晶面上的原子密度不同不同晶面上的原子密度不同原子位置原子位置: :立方體的八個(gè)頂角和每個(gè)側(cè)面中立方體的八個(gè)頂角和每個(gè)側(cè)面中心各一個(gè)原子心各一個(gè)原子 第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)原子位置原子位置 1212個(gè)頂角、上下底心各一個(gè)原個(gè)頂角、上下底心各一個(gè)原子，體內(nèi)子，體內(nèi)3 3各原子。各原子。 一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)單晶

14、體單晶體: :一塊晶體材料一塊晶體材料由一個(gè)由一個(gè)晶粒晶粒組成。即整個(gè)材料是一個(gè)晶體，組成。即整個(gè)材料是一個(gè)晶體，這塊晶體就稱之為這塊晶體就稱之為“單晶體單晶體”。如單晶硅，水晶石，金剛石如單晶硅，水晶石，金剛石。 水晶石水晶石金剛石金剛石冰晶體冰晶體第四節(jié)第四節(jié) 材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)多晶體多晶體: : 由眾多外觀不規(guī)則，由眾多外觀不規(guī)則，位向位向不同不同的單晶體組成的幾何體。的單晶體組成的幾何體。一般實(shí)際材料均為多晶體。一般實(shí)際材料均為多晶體。 多晶體中的各單晶體稱為多晶體中的各單晶體稱為晶粒，兩晶粒之間的界面稱為晶粒，兩晶粒之間的界面稱為晶界晶界 。 晶界不一定是平整的晶界

15、不一定是平整的晶粒與晶界晶粒與晶界: :組織：組織：右圖所示為純右圖所示為純Fe的顯的顯微結(jié)構(gòu)，它是經(jīng)拋光、腐蝕微結(jié)構(gòu)，它是經(jīng)拋光、腐蝕后的顯微鏡放大照片。后的顯微鏡放大照片。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 各不規(guī)則，明暗不同的幾各不規(guī)則，明暗不同的幾何圖形何圖形晶粒晶粒 晶粒之間的界面晶粒之間的界面晶界晶界（晶界上缺陷多，易腐蝕）（晶界上缺陷多，易腐蝕） 明暗不同明暗不同由于取向不同，由于取向不同，方位不同，耐腐蝕能力亦不方位不同，耐腐蝕能力亦不同，引起明暗襯度不同。同，引起明暗襯度不同。組織組織是通過人眼或顯微鏡是通過人眼或顯微鏡觀察到的形貌。觀察到的形貌。性能：性能：單晶體是各向異性：單晶體是各向異性：

16、通常原子排列的密排面。密排方向的強(qiáng)度最大。如通常原子排列的密排面。密排方向的強(qiáng)度最大。如 FeFe（BCCBCC）在）在方向上的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于在方向上的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于在方向上方向上的強(qiáng)度的強(qiáng)度多晶體是各向同性：多晶體是各向同性： 多晶體材料中，盡管每個(gè)晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)多晶體材料中，盡管每個(gè)晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個(gè)晶粒在空間取向是隨機(jī)分布，大量晶粒各向異性，每個(gè)晶粒在空間取向是隨機(jī)分布，大量晶粒的綜合作用，整個(gè)材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性。的綜合作用，整個(gè)材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性。 晶體缺陷：晶體缺陷： 正常晶體中原子排列受到破壞正常晶體中原子排列受到破壞缺陷。正常晶體中缺陷。正常晶體

17、中原子完全呈現(xiàn)周期性的重復(fù)的排列（原子完全呈現(xiàn)周期性的重復(fù)的排列（平移對(duì)稱性平移對(duì)稱性）。）。 實(shí)際晶體中的原子排列不是理想的，不具有完全的平移實(shí)際晶體中的原子排列不是理想的，不具有完全的平移對(duì)稱性，而是存在一些偏離了理想原子排列的區(qū)域，這些區(qū)對(duì)稱性，而是存在一些偏離了理想原子排列的區(qū)域，這些區(qū)域即構(gòu)成缺陷。域即構(gòu)成缺陷。 缺陷會(huì)引起材料性能的巨大變化，如：理想完整晶體的缺陷會(huì)引起材料性能的巨大變化，如：理想完整晶體的強(qiáng)度通常是實(shí)際晶體的數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍。強(qiáng)度通常是實(shí)際晶體的數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍。晶體缺陷的類型：晶體缺陷的類型：點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷：在三維空間各方

18、向上尺寸都很小，是原子尺寸大小在三維空間各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小的晶體缺陷。的晶體缺陷。 點(diǎn)缺陷的類型點(diǎn)缺陷的類型 ：空位空位 在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子的在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子的地方空缺，這種缺陷稱為地方空缺，這種缺陷稱為“空位空位”。 間隙原子間隙原子 在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，往在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。間隙原子通常是小原子，子。間隙原子通常是小原子， C C， H H，B B等。等。 異類原子異類原子 在一種類型的原子組成在一種類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子占據(jù)原的晶格中，不同種類的原子占據(jù)原有的原子位置。有的原子位置。 線缺陷線缺陷：在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大( (晶粒量級(jí)晶粒量級(jí)) )，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小另外兩個(gè)方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶體缺陷。其的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位