第二章材料的晶體結(jié)構(gòu)課件

第二章晶體材料的結(jié)構(gòu)晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)立方晶系晶向與晶面純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第二章晶體材料的結(jié)構(gòu)晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)1第一節(jié)晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)晶體結(jié)構(gòu)概念

材料的性能不僅與其組成原子的本性及原子間結(jié)合鍵類型有關(guān)，還與晶體中原子在三維空間長(zhǎng)程有序排列方式有關(guān)。原子在三維空間的有序排列特征稱為晶體結(jié)構(gòu)。不同材料其原子可能具有不同的空間排列——不同的晶體結(jié)構(gòu)。甚至同一種材料，在不同的環(huán)境下也有不同的原子排列——同素異構(gòu)。如：C，F(xiàn)e第一節(jié)晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)晶體結(jié)構(gòu)概念2一、

晶格及晶胞

晶格：

晶體材料中原子的排列是具有長(zhǎng)程有序（即：平移對(duì)稱性）的。

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)的中心連接起來(lái)，便構(gòu)成了一個(gè)三維的幾何格架。這個(gè)抽象出來(lái)的用于描述原子在晶體中的位置和排列方式的幾何格架，稱為晶格。晶格中各線的交點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)（或陣點(diǎn)）。第一節(jié)晶體基礎(chǔ)知識(shí)一、晶格及晶胞晶格：第一節(jié)晶體基礎(chǔ)知識(shí)3第一節(jié)晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶胞從晶格中取一個(gè)最小的立體單元（最小的平行六面體）稱為晶胞。晶格是晶胞在空間的疊加。晶胞的選擇原則：

①能充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性。②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。③體積要最小。

第一節(jié)晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶胞4二、晶系第一節(jié)晶體基礎(chǔ)知識(shí)一、晶格常數(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x，y，z（可以是垂直的，也可以不垂直）。以三邊的長(zhǎng)度a，b，c及相互間夾角α，β，γ六個(gè)參數(shù)來(lái)表示晶胞的大小和形狀，其中三棱邊的長(zhǎng)度a，b，c稱為晶格常數(shù)，它們反映了晶胞的大小。按a、b、c是否相等，α、β、γ是否為直角將全部晶體分為7個(gè)晶系：二

晶格常數(shù)與晶系二、晶系第一節(jié)晶體基礎(chǔ)知識(shí)一、晶格常數(shù)在晶胞中取某一點(diǎn)為5三、14種晶胞（點(diǎn)陣）或Bravais點(diǎn)陣第一節(jié)晶體基礎(chǔ)知識(shí)1、7個(gè)簡(jiǎn)單晶胞（晶胞中只含有一個(gè)原子）

a=b=c,===90abc,

==90a=bc,

==90=120abc,

90a=b=c,

==90a=bc,

===90abc,

===90角頂原子：8個(gè)單胞共有；面上原子：2個(gè)單胞共有；胞內(nèi)原子：?jiǎn)伟?dú)有三、14種晶胞（點(diǎn)陣）或Bravais點(diǎn)陣第一節(jié)晶體基62、7個(gè)復(fù)雜晶胞（晶胞中所含原子數(shù)大于1）

a=b=c,===90a=bc,

===90abc,

===90abc,

==90abc,

===902、7個(gè)復(fù)雜晶胞（晶胞中所含原子數(shù)大于1）a=b=c,7第二節(jié)立方晶系晶向與晶面指數(shù)一、晶向與晶面的概念

晶向：在晶胞中，通過(guò)若干原子中心（結(jié)點(diǎn)）連接一起的具有不同空間方位的直線——晶向任何兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的連線即構(gòu)成一個(gè)晶向。晶面：在晶胞中，通過(guò)若干原子中心構(gòu)成的二維平面——晶面第二節(jié)立方晶系晶向與晶面指數(shù)一、晶向與晶面的概念晶向：8二、晶向指數(shù)的標(biāo)定1、為什么要標(biāo)定：區(qū)別不同方位的晶向,因?yàn)椴牧显诓煌蛏蠒?huì)表現(xiàn)出不同的性能。標(biāo)定形式：采用miller指數(shù)（英國(guó)晶體學(xué)家，1939）2、標(biāo)定方法：

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a，b，c為單位矢量；2.在晶向上任取兩點(diǎn)，坐標(biāo)為：A(x1,y1,z1)B(x2,y2,z2)；3.AB晶向：計(jì)算x2-x1：y2-y1：z2-z1；化成最小整數(shù)比u：v：w；放在方括號(hào)[uvw]中，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方。A（x1y1z1）B（x2y2z2）二、晶向指數(shù)的標(biāo)定1、為什么要標(biāo)定：區(qū)別不同方位的晶向,9說(shuō)明：（a）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。如：AB=DE坐標(biāo)：A（1，1，0）B（0，1，1）C（1，1，1）O（0，0，0）舉例:

求

AB,OC晶向指數(shù)

B(0,1,1)A(1,1,0)C(1,1,1)O(0,0,0)DEB(0,1,1)說(shuō)明：（a）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10（b)晶向族

B(0,1,1)A(1,1,0)C(1,1,1)O(0,0,0)DEB(0,1,1)如：AO(OA),DE(ED),OB(BO),DC(CD)等均為同等的，可用OA表示，即：<110>由于晶體中原子排列的對(duì)稱性，存在許多原子排列相同，但方向不同的晶向，在晶體學(xué)上，這些晶向是同等的,統(tǒng)稱為晶向族，用〈uvw〉表示.共12個(gè)

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。

原子排列相同的晶向具有相同的性質(zhì)（b)晶向族B(0,1,1)A(1,1,0)C(1,1,11三、

晶面指數(shù)的標(biāo)定為什么標(biāo)定：區(qū)別不同方位，不同原子排列的晶面，同樣以Miller指數(shù)標(biāo)定

標(biāo)定方法：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a，b，c為單位矢量；求出待標(biāo)定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距，如m、n、p；

計(jì)算其倒數(shù)b1b2b3

；化成最小、整數(shù)比h：k：l

；放在圓方括號(hào)(hkl)，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方

。三、晶面指數(shù)的標(biāo)定為什么標(biāo)定：區(qū)別不同方位，不同原子排列的123舉例

標(biāo)定右圖中陰影晶面的指數(shù)求截距OX＝1，OY＝1，OZ＝∞求倒數(shù)1/1，1/1,1/∞→1，1，0寫出晶面指數(shù)（110）求截距OX＝-1，OY＝∞，OZ＝1求倒數(shù)-1/1,1/∞,1/1→-1，0，1寫出晶面指數(shù):注意：（hkl）表示一組相互平行的晶面。如A面，B面具有相同的晶面指數(shù)（001），指數(shù)符號(hào)正好相反的晶面亦相互平行；

若待標(biāo)定晶面通過(guò)原點(diǎn)，可將坐標(biāo)系適當(dāng)平移，再求截距，如B面→平移至A面位置；

AB3舉例標(biāo)定右圖中陰影晶面的指數(shù)求截距OX＝1，OY＝13晶面族

原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶面的集合，稱為晶面族。

原子排列相同的晶面性質(zhì)相同。表示方法：用大括號(hào){hkl}表示。

舉例：可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號(hào)后的所有結(jié)果都是該族的范圍。

同學(xué)們自己排列{123}晶面族6個(gè)晶面族原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶面的集14三、三類典型的晶體結(jié)構(gòu)體心立方BCCBody-centeredcubic面心立方FCCFace-centeredcubic密堆六方CPHClose-packedhexagonal三、三類典型的晶體結(jié)構(gòu)體心立方BCCBody-cente151、體心立方（BCC）

結(jié)構(gòu)特征：每個(gè)角頂上各有一個(gè)原子,體心中有一個(gè)原子

a=b=c，α=β=γ＝90°常見金屬：

α-Fe，V，Ta，Nb，

Cr，Mo，W等

1、體心立方（BCC）162、面心立方（FCC）

特征：每個(gè)角頂上各有一個(gè)原子,各個(gè)面中心有一個(gè)原子

a=b=c，α=β=γ＝90°常見金屬：Ag，Au，Ni，CuPd，Pt，γ-Fe等

2、面心立方（FCC）17三、密堆六方

特征：

12個(gè)頂角各一個(gè)原子、上下面中心各一個(gè)原子，體內(nèi)3個(gè)原子（位于對(duì)稱中心處）

a=bc,

==90，=120

通常：c/a=1.633常見金屬：Mg，Zn，Ti，Zr，等

三、密堆六方特征：12個(gè)頂角各一個(gè)原子、上下面中心各一個(gè)18原子半徑：

將晶體中原子視為等徑剛球，并認(rèn)為是緊密堆積的，原子半徑視為晶胞中最近鄰兩原子中的距離一半。致密度：晶胞中原子自身所占的體積之和與晶胞總體積之比。配位數(shù)：配位數(shù)是指晶體中與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)目。配位數(shù)越高→晶體越緊密。原子半徑：將晶體中原子視為等徑剛球，并認(rèn)為是緊密堆積的，原19晶向及晶面的原子密度晶向原子密度：該晶向上單位長(zhǎng)度上的原子數(shù)，如FCC在[110]晶向上的原子密度為：晶面的原子密度：晶面上單位面積上的原子數(shù)如FCC晶胞中（111）面的密度為：

晶向及晶面的原子密度晶向原子密度：該晶向上單位長(zhǎng)度上的原子晶20一、體心立方原子位置:立方體的八個(gè)頂角和晶胞中心各一個(gè)原子。第三節(jié)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)一、體心立方原子位置:立方體的八個(gè)頂角和晶胞中心各一個(gè)原子。21體心立方中原子排列不同晶向，不同晶面上的原子密度不同體心立方中原子排列不同晶向，不同晶面上的原子密度不同22二、面心立方原子位置:立方體的八個(gè)頂角和每個(gè)側(cè)面中心各一個(gè)原子二、面心立方原子位置:立方體的八個(gè)頂角和每個(gè)側(cè)面中心各一個(gè)原23面心立方中原子排列第三節(jié)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)面心立方中原子排列第三節(jié)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)24三、密堆六方原子位置

12個(gè)頂角、上下底心各一個(gè)原子，體內(nèi)3各原子。三、密堆六方原子位置12個(gè)頂角、上下底心各一個(gè)原子，體內(nèi)25第四節(jié)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)單晶體: 一塊晶體材料由一個(gè)晶粒組成。即整個(gè)材料是一個(gè)晶體，這塊晶體就稱之為“單晶體”。如單晶硅，水晶石，金剛石。

第四節(jié)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)單晶體: 一塊晶體26水晶石水晶石27金剛石金剛石28冰晶體冰晶體29第四節(jié)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)多晶體:由眾多外觀不規(guī)則，位向不同的單晶體組成的幾何體。一般實(shí)際材料均為多晶體。多晶體中的各單晶體稱為晶粒，兩晶粒之間的界面稱為晶界。

晶界不一定是平整的晶粒與晶界:第四節(jié)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)多晶體:由眾多外30多晶體的組織與性能：組織：右圖所示為純Fe的顯微結(jié)構(gòu)，它是經(jīng)拋光、腐蝕后的顯微鏡放大照片。特點(diǎn)：各不規(guī)則，明暗不同的幾何圖形——晶粒晶粒之間的界面——晶界（晶界上缺陷多，易腐蝕）明暗不同——由于取向不同，方位不同，耐腐蝕能力亦不同，引起明暗襯度不同。組織是通過(guò)人眼或顯微鏡觀察到的形貌。多晶體的組織與性能：組織：右圖所示為純Fe的顯微結(jié)構(gòu)，它是經(jīng)31性能：?jiǎn)尉w是各向異性：

通常原子排列的密排面。密排方向的強(qiáng)度最大。如－Fe（BCC）在<111>方向上的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于在<100>方向上的強(qiáng)度多晶體是各向同性：

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)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。

性能：?jiǎn)尉w是各向異性：32二、晶體中的缺陷晶體缺陷：

正常晶體中原子排列受到破壞——缺陷。正常晶體中原子完全呈現(xiàn)周期性的重復(fù)的排列（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。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。晶體缺陷的類型：點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷二、晶體中的缺陷晶體缺陷：晶體缺陷的類型：點(diǎn)缺陷331、點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷：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。

點(diǎn)缺陷的類型：空位

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“空位”。

間隙原子

在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。間隙原子通常是小原子，C，H，B等。

異類原子

在一種類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子占據(jù)原有的原子位置。

1、點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大342、線缺陷