材料科學(xué)基礎(chǔ)2

1、材料觀核心組成+加工工藝微觀組織結(jié)構(gòu)性能用途結(jié)構(gòu)的含義宏觀結(jié)構(gòu)（眼睛觀察范圍-0.1mm）顯微結(jié)構(gòu)（100m-0.1 m)晶體結(jié)構(gòu)（Angstron）原子結(jié)構(gòu)（電子+質(zhì)子+中子）物質(zhì)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)固態(tài)物質(zhì)：晶體、非晶體第一章 固體結(jié)構(gòu)第一章 固體結(jié)構(gòu)1.1 晶體學(xué)基礎(chǔ)1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.3 合金相結(jié)構(gòu)1.4 離子晶體結(jié)構(gòu)1.5 共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)1.1 晶體學(xué)基礎(chǔ)空間點(diǎn)陣和晶胞點(diǎn)陣幾何元素表示法晶向指數(shù)、晶面指數(shù)14種布拉維點(diǎn)陣及晶胞晶體的32種點(diǎn)群及宏觀對(duì)稱性微觀對(duì)稱及空間群1.1 晶體學(xué)基礎(chǔ)晶體：原子或分子在三維空間呈有規(guī)則的周期性的重復(fù)排列。長(zhǎng)程有序。金屬、許多陶瓷、部分聚合物。非晶

2、體：原子或分子在空間無(wú)規(guī)則排列。不具有長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)的材料。晶體概念的發(fā)展石英晶體晶體是具有多面體外形的固體Hauy模型：NaCl晶體打碎，形成無(wú)數(shù)立方體外形的小晶體，直到最后不能再分的NaCl“分子”；認(rèn)為晶體是由多面體外形的“分子”構(gòu)成的天然水晶硫鈉長(zhǎng)石 NaAlSi3O8綠柱石 Be3Al2(SiO3)6祖母綠藍(lán)寶石放大1000倍的雪花晶體概念的發(fā)展幾種不同外形的石英晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的規(guī)則排列形成規(guī)則的多面體外形晶體的棱角：面和棱的存在以及它們之間的規(guī)則性是晶體的宏觀特性之一。晶體自發(fā)生長(zhǎng)成規(guī)則幾何外形的性質(zhì)稱為自限性。互相平行的面之間的夾角是守恒的，這些平行的面稱為對(duì)應(yīng)面，對(duì)應(yīng)面的這種關(guān)系稱

3、為面角守恒定律。晶體概念的發(fā)展Hauy提出的晶體結(jié)構(gòu)示意圖晶體概念的發(fā)展惠更斯提出（1690年）：晶體中質(zhì)點(diǎn)的有序排列導(dǎo)致晶體具有某種多面體外形。后來(lái)在布拉菲（Bravais）等人的努力下，發(fā)展成為晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論晶體概念的發(fā)展1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線1912年勞厄用晶體作光柵，用X射線作光源，發(fā)現(xiàn)X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象首先證實(shí)了晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣?yán)碚摰恼_性其次確定了X射線本質(zhì)上是電磁波1913年布拉格父子得出了X射線衍射的基本公式，奠定了晶體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)晶體概念的發(fā)展TEM of Ysialon 晶體結(jié)構(gòu)1912年勞厄（Laue）將X射線應(yīng)用于晶體的衍射，證明晶體是：由構(gòu)成晶體的結(jié)構(gòu)基元

4、（原子、離子、分子）在空間周期性重復(fù)排列而成的一切物質(zhì)，具有長(zhǎng)程有序的三維結(jié)構(gòu)。以后的TEM、AFM更證明了結(jié)論晶體概念的發(fā)展這種定義下的晶體在自然界是普遍存在的。自然界中，具有天然多面體外形的晶體是少數(shù)的。有些材料，外表看似乎不是晶體，但實(shí)際上也是晶體。礦石、沙子、水泥、鋼鐵、洗衣粉、化肥、牙齒、骨骼都是由晶體構(gòu)成。它們不是較大的有多面體外形的晶體，而是由無(wú)數(shù)微小晶體顆粒取向隨機(jī)的結(jié)合在一起的多晶體陶瓷材料SEM照片晶體概念的發(fā)展根據(jù)晶體的概念將物質(zhì)劃分為晶體和非晶體非晶體：結(jié)構(gòu)基元僅具有短程有序的排列，即在較小的范圍內(nèi)鄰近的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基元間保持著有序的排列，沒有長(zhǎng)程有序的排列晶體玻璃體晶體的

5、基本性質(zhì)各向異性：晶體的幾何度量和物理效應(yīng)常隨方向不同而表現(xiàn)出量的差異，這種性質(zhì)稱為各向異性晶體的熱傳導(dǎo)特性各向異性巖鹽霞石晶體的基本性質(zhì)均勻性：在宏觀觀察下，晶體每一點(diǎn)上的物理效應(yīng)和化學(xué)組成均相同。表面上，晶體和非晶體都是均勻的，但實(shí)質(zhì)上有所不同，晶體中每一微觀區(qū)域精確地均勻，而非晶體中只是統(tǒng)計(jì)上的近似均勻晶體玻璃體晶體的基本性質(zhì)有固定的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)晶體與非晶體的區(qū)別根本區(qū)別：質(zhì)點(diǎn)是否在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列晶體熔化時(shí)具有固定的熔點(diǎn),而非晶體無(wú)明顯熔點(diǎn),只存在一個(gè)軟化溫度范圍晶體具有各向異性，非晶體呈各向同性（多晶體也呈各向同性，稱“偽各向同性”）空間點(diǎn)陣（晶體結(jié)構(gòu)的抽象描述）空間

6、點(diǎn)陣：為了便于研究晶體中原子(分子或離子)的排列情況，將晶體看成是無(wú)錯(cuò)排的理想晶體，將其中的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)抽象為規(guī)則排列于空間的幾何點(diǎn)。這些點(diǎn)代表原子(分子或離子)的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各點(diǎn)的周圍環(huán)境相同。這種點(diǎn)稱為陣點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）。陣點(diǎn)在三維空間的周期性重復(fù)排列形成的陣列稱為空間點(diǎn)陣?？赡茉诿總€(gè)結(jié)點(diǎn)處恰好有一個(gè)原子，也可能圍繞每個(gè)結(jié)點(diǎn)有一群原子（原子集團(tuán)）點(diǎn)陣與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)石墨晶體的一個(gè)平面層周期重復(fù)的是一對(duì)C原子重復(fù)排列：粗看是一個(gè)碳原子、實(shí)際是一對(duì)碳原子點(diǎn)陣與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的描述可歸結(jié)為兩點(diǎn)：存在周期重復(fù)的最小單位，稱為結(jié)構(gòu)基元。上圖即為鄰近的兩個(gè)碳原子通過(guò)平移操作可使晶體

7、結(jié)構(gòu)復(fù)原，單位平移重復(fù)的矢量稱為周期點(diǎn)陣與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)復(fù)制這樣的結(jié)構(gòu)模型可采用：按平移矢量的大小和方向，先畫出一組點(diǎn)，再在這些點(diǎn)上按一定的取向填上結(jié)構(gòu)基元按平移矢量的距離畫成格子，構(gòu)成三維網(wǎng)格空間格子。再在格子的頂點(diǎn)按一定取向填上結(jié)構(gòu)基元。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)是無(wú)限的，這組點(diǎn)或格子也是無(wú)限的為說(shuō)明點(diǎn)陣排列的規(guī)律和特點(diǎn)，在點(diǎn)陣中取出具有代表性的基本單元（最小平行六面體）作為點(diǎn)陣的組成單元晶胞晶胞在三維空間的重復(fù)堆砌構(gòu)成空間點(diǎn)陣。同一空間點(diǎn)陣，可因選取方式的不同而得到不同的晶胞晶胞晶胞同一空間點(diǎn)陣因選取方式不同而得到不同晶胞選取晶胞的原則：反應(yīng)點(diǎn)陣的對(duì)稱性平行六面體內(nèi)棱和角相等的最多棱邊夾角為直角的最多晶胞應(yīng)具有

8、最小體積點(diǎn)陣與晶胞（總結(jié)）點(diǎn)陣：陣點(diǎn)在三維空間的周期性規(guī)則排列的陣列格子：以陣點(diǎn)為頂點(diǎn)取出的平行六面體晶胞：點(diǎn)陣中取出具有代表性的最小平行六面體（與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的平行六面體），作為點(diǎn)陣組成單元晶體結(jié)構(gòu)：基元點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，基元在三維空間周期重復(fù)形成晶體結(jié)構(gòu)。晶胞在三維空間周期重復(fù)，形成點(diǎn)陣點(diǎn)陣與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在空間點(diǎn)陣中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周圍的情況是完全一樣的而且，在任何兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元中，相應(yīng)原子周圍的情況，也是相同的晶胞的描述（六個(gè)參數(shù)）xzyabc晶胞、晶軸和點(diǎn)陣參數(shù)圖 空間點(diǎn)陣晶胞的描述點(diǎn)陣的描述點(diǎn)陣平移矢量：以任意一個(gè)陣點(diǎn)為原點(diǎn)，以矢量a, b, c為坐標(biāo)基矢，其他任意陣點(diǎn)可表示為： u av bw c

9、u,v,w為任意整數(shù)。(以a,b,c 構(gòu)成的平行六面體的體積最小，a,b,c稱為初基矢量) 初基晶胞初基平移矢量也稱為晶軸，如果非初基晶軸更簡(jiǎn)單些，也可采用非初基晶軸。初基晶軸構(gòu)成的平行六面體稱為初基晶胞。點(diǎn)陣平移矢量定義為： T u av bw c 任意兩個(gè)陣點(diǎn)都可以用這種形式的矢量連接起來(lái)。初基晶胞在空間無(wú)限重復(fù)構(gòu)成空間點(diǎn)陣。7個(gè)晶系 14種布拉菲點(diǎn)陣根據(jù)六個(gè)點(diǎn)陣參數(shù)間的關(guān)系，可將全部空間點(diǎn)陣歸屬于7種類型，即七個(gè)晶系按照每個(gè)陣點(diǎn)周圍環(huán)境相同的要求，用數(shù)學(xué)方法可以推導(dǎo)出能夠反映空間點(diǎn)陣全部特征的單位平行六面體只有14種，稱為14種布拉菲點(diǎn)陣點(diǎn)陣與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)14種布拉菲點(diǎn)陣類型十四種布拉菲點(diǎn)陣

10、 按照“每個(gè)陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同”的要求，最先是布拉菲（A. Bravais）用數(shù)學(xué)方法證明了能夠反映空間點(diǎn)陣全部特征的單位平行六面體只有14種空間點(diǎn)陣，即通常人們所說(shuō)的14種布拉菲點(diǎn)陣。布拉菲點(diǎn)陣注意： 空間點(diǎn)陣是晶體中質(zhì)點(diǎn)排列的幾何學(xué)抽象，用以描述和分析晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對(duì)稱性，由于各陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同，它只能有14種類型。 晶體結(jié)構(gòu)則是晶體中實(shí)際質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）的具體排列情況，它們能組成各種類型的排列，因此，實(shí)際存在的晶體結(jié)構(gòu)是無(wú)限的。晶體結(jié)構(gòu)不同，點(diǎn)陣類型相同（面心立方）(a) -Fe (b) NaCl (c) CaF2 (d) ZnS 晶體結(jié)構(gòu)相似、點(diǎn)陣不同（體心、簡(jiǎn)單立方）晶

11、向指數(shù)通過(guò)晶格中任意兩個(gè)格點(diǎn)連一條直線，這一直線將包含無(wú)限多個(gè)格點(diǎn)，這樣的一條直線稱為晶列點(diǎn)陣中所有的格點(diǎn)都分布在一族平行的晶列上而無(wú)一遺漏不同方向的晶列不僅方向不同，格點(diǎn)的周期也不同晶向指數(shù)在格點(diǎn)中任取一點(diǎn)O為原點(diǎn)，以基矢a、b、c為軸建立坐標(biāo)系，通過(guò)原點(diǎn)沿晶向方向任一格點(diǎn)A的位矢為將u v w化簡(jiǎn)為為有理、互質(zhì)的整數(shù)，加中括號(hào)uvw表示晶列族的晶向晶向指數(shù)晶向指數(shù)uvw代表一族晶列而不是某一特定晶列負(fù)指數(shù)的表示方法晶向指數(shù)的標(biāo)定晶向指數(shù)的說(shuō)明：a. 指數(shù)意義：代表相互平行、方向一致的所有晶向。b. 負(fù)值：標(biāo)于數(shù)字上方，表示同一晶向的相反方向。c. 晶向族：晶體中原子排列情況相同但空間位向不

12、同的一組晶向，用表示。立方晶系：=111+111+111+111+111+111 +111+111晶面指數(shù)晶格中同一平面上的格點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)晶面整個(gè)晶格可以看成是由無(wú)數(shù)互相平行且等距離分布的全同的晶面構(gòu)成晶格的所有格點(diǎn)都處在這族晶面上而無(wú)遺漏晶格中存在無(wú)數(shù)取向不同的晶面族晶面指數(shù)為描述晶面族的全部特征，只需確定其中一個(gè)晶面相對(duì)于基矢的取向以及該晶面族的面間距，而不必確定其空間位置任選一格點(diǎn)為原點(diǎn)，以三個(gè)基矢a、b、c為坐標(biāo)軸建立坐標(biāo)系，該族晶面中任一晶面與三個(gè)坐標(biāo)軸交點(diǎn)的位矢分別為 r a、s b、t c，它們的倒數(shù)比化為互質(zhì)的整數(shù)（hkl）晶面指數(shù)（233）晶面指數(shù)晶面指數(shù)晶面指數(shù)代表的不僅是某一晶面，而是某一族互相平行的晶面凡晶面間距和晶面上原子的分布完全相同，只是空間位相不同的晶面可歸并為等效同一晶面族。如