Lecture1材料的结构-2011秋季.ppt

第一讲 材料的结构 LECTURE ONE Structures of Materials,材料的分类 晶体结构 晶体的缺陷 晶体中的无序性 晶体材料的微结构,按材料尺寸分：块体材料、纳米材料,按原子或离子的排列：,按形态分：等离子体、气体、液体和固体,I、材料的分类,按晶粒尺寸分：微晶、纳米晶,按形态分：薄膜、纤维、颗粒,固体：晶体、非晶体和准晶 液体：液晶,II、晶体结构,砖块垒墙有多种方式,砖块上的等同点反映了墙的结构,=,一、 布喇菲点阵,晶体: 原子(或离子、分子等) 在空间的有规则地重复排列。,基元: 晶体中作重复排列的最小原子团。 布喇菲点阵:基元中的等同点在空间的集合。或 晶体中空间等同点的集合。,结点：布拉菲点阵中的几何点。,深刻理解：实际晶体=基元+布拉菲点阵,晶体结构不同，但布拉菲格点阵相同,晶体结构和布拉菲格子的区别,晶体结构相似，布拉菲格点阵不同,金刚石结构：属于面心立方,原胞：布拉菲点阵可看作是无限多个等同的平行六面体（重复单元）的集合。如果平行六面体体积为最小（只包含一个格点，格点位于 六面体顶点上），这个重复单元就称为原胞（物理学原胞）。 晶胞：能够反映布拉菲点阵对称性的前提下，体积最小的平行交面体称为晶胞。晶胞包含一个或一个以上的格点。,晶胞和原胞的基矢:a,b,c; a1,a2,a3 晶格常数：原胞或晶胞的边长。,二、晶胞和原胞,原胞只包含一个格点，格点位于 六面体顶点上。晶胞包含一个或一个以上的格点。,原胞的选取是任意的：,三、布喇菲点阵的分类,根据晶胞边、角关系决定的对称性，共有7个晶系，14种布喇菲晶格原胞。,七大晶系： 三斜，单斜，正交，六方，三方，四方，立方。,举例: 为什么没有底心四方?,四、 晶列指数和晶面指数,晶列：通过任意两个结点的连线。 晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的组合。,晶面：在一个晶格结构中通过任意不在同一晶轴上的 三个结点构成的平面 晶面族：平行于某一晶面的所有晶面的组合,图 晶列和晶列族,1）晶列的标示方法,（1）用原胞基矢表示：以某一结点为原点(o)，另一结点(A)的位矢可表示为,晶列OA的位矢,把l1, l2, l3简约为互质整数,则晶列OA取向的晶列指数可表示为:,（2）用晶胞基矢表示：从原点O到结点A的位矢为,式中： a ，b ，c 为结晶学原胞三个坐标轴基矢；m，n和p为有理数，可化为三个互质整数m，n，p，并使,这样，表示晶列OA取向的晶列指数可标示为,不同晶列族的晶列指数参见前图。,正交晶系一些重要晶向的晶向指数,2）晶面的标示方法,（1）用原胞基矢为坐标轴：,最靠近原点的晶面（过A点）在基矢a1上的截矩为：,其中n1必定为大于等于1的整数，因为晶面M与晶面N之间的晶面数一定大于等于零。,同理：,（设a1、a2和a3截的夹角小于等于90度）,晶面族中最靠近原点的晶面的截距OA，OB和OC的倒数之比为：,所以，晶面的取向可一组互质整数比(h1h2h3)表示，称为晶面指数。,晶面指数：,以原胞基矢长度为单位, 某一晶面在基矢轴上的截距倒数的互质整数比。,U,V,（2）用结晶学原胞基矢为坐标轴表示：,某一晶面的坐标轴的截距的倒数可以化为互质整数h k l(密勒指数)来表示晶面的指向，用符号(h k l)来表示晶面。,立方晶格的几种主要晶面标记,正格矢（任一格点的矢量）：,定义倒格子基矢：,定义倒格子矢量:,(h1,h2,h3为任意整数),由Kh决定的格子称为倒格子。,五、倒格子和布里渊区,倒格基矢的另一种等价定义：,正、倒格子矢量的关系：,( 为整数),（自已证明）,正、倒格子原胞体积互为倒数：,倒格子体积: 用: 可证:,考虑一维格子, 其周期为 , 这等价于 ； ， 故有： ； 考虑二维正格子, 周期分别为 ，这等价于 ，则有 。,在14种布拉菲点阵中，只有四种点阵的正点阵与倒易点阵不同： 体心立方面心立方 面心立方体心立方 体心正交面心正交 面心正交体心正交,布里渊区：,在倒格子中，以某一倒格点为原点，从原点出发作所有倒格点的位置矢量 (倒格矢)的垂直平分面，这些平面把倒格子空间分割为许多部分，第一布里渊区是从原点出发不穿过任何垂直平分面的点的集合。穿过一个垂直平分面的为第二布里渊区，以此类推。,g-Fe, fcc,Cu3Au, simple cubic,CuAu, tetragonal,六、晶体结构例子,a-Fe, bcc,CsCl, simple cubic,Cs,Cl,闪锌矿结构,族化合物半导体闪锌矿型晶体结构: 与金刚石结构相似, 但由两类原子构成.,纤锌矿结构,II-VI族化合物、电负性差异较大的III-V化合物通常属于纤锌矿结构,属六方晶系，AB型共价键晶体， 氧化锌、硒化镉、氮化镓和氮化铝等属纤锌矿型结构。,（Wurtzite structure）,思考: 氧化锌结构的一个晶胞包含几个格点?几个原子?几个第II族原子?,思考题： 金刚石的布拉菲点阵是什么结构？其一个原胞和一个晶胞分别包含几个格点？几个原子？ 面心立方晶胞的边长为a，计算（100）面和（111）面上的格点面密度。,1. 热缺陷：当温度T不等于0K时，晶体中格点上原子发生热振动有几率离开格点位置而成为间隙原子和空位，即缺陷。热缺陷为点缺陷，包括：,III、 晶体的缺陷,（1）弗仑克尔缺陷原子脱离格点后，同时形成空格点和间隙原子，空格点等于间隙原子数。,（2）肖脱基缺陷晶体内部格点上的原子跑到晶体表面，形成空格点。,（3）间隙原子晶体表面原子跑到晶体内部晶格间隙位置，形成间隙原子。,空位和间隙原子同时出 现时的弗仑克尔缺陷,只有空位时的肖脱基缺陷,2. 位错,晶体在某方向受到一定的应力后在某晶面处产生相对滑移，这种已滑移区域和未滑移区域的交界线就是位错。,值得注意的是：这种滑移不是滑移面上所有原子同时滑移，而是部分原子先滑移后推动同一晶面上其它原子滑移，最后上下晶面发生相对滑移。当滑移中突然停上时，停上位置上形成位错线。如图。,图 晶体滑移过程,位错的两种基本形式：,（1）刃型位错,特征：1）滑移矢b和位错线EF垂直。 2）有一多余的半个晶面。,特征：1）滑移矢b和位错线AD垂直。 2）没有多余的半个晶面，而是垂直于位 错线的晶面以螺旋前进的形式构成一 个晶面。,（2）螺型位错,螺型位错的形成,垂直于位错线的晶面投影,伯格斯矢量：如位错形成过程中，相对位移矢量是点阵矢量，则除位错线附近之外原子仍按完整的点阵排列，这一相对位移矢量称为伯格斯矢量.,对于刃型位错，伯格斯矢量与位错线垂直；对于螺形位错，伯格斯矢量与位错线平行。,IV、材料的无序性,V、晶体材料的微结构,单晶体在不同的晶体学方向上，其力学、电磁、光学、耐腐蚀、磁学甚至核物理等方面的性能会表现出显著差异，这种现象称为各向异性。多晶体是许多单晶体的集合，如果晶粒数目大且各晶粒的排列是完全无规则的统计均匀分布，即在不同方向上取向几率相同，则这多晶集合体在不同方向上就会宏观地表现出各种性能相同的现象，这叫各向同性。,微结构的含义: 晶粒尺寸,形状,取向,分布等形态信息,各向异性和各向同性:,多晶体在其形成过程中，由于受到外界的力、热、电、磁等各种不同条件的影响，或在形成后受到不同的加工工艺的影响，多晶集合体中的各晶粒就会沿着某些方向排列，呈现出或多或少的统计不均匀分布，即出现在某些方向上聚集排列，因而在这些方向上取向几率增大的现象，这种现象叫做择优取向。这种组织结构及规则聚集排列状态类似于天然纤维或织物的结构和纹理，故称之为织构。织构测定在材料研究中有重要作用。,织构:,树枝状晶生长实拍情景,Morphological change of Bi-Sb10wt% alloy at different melting condition,(a) sample A-700C (b) sample D-1100-700C,快淬Ni-Mn-Ga合金片的组织,合金A,合金B,无织构的Ni-Mn-Ga合金：300ppm,具有织构的Fe-Pd快淬带： 2000ppm,相: 成份和结构均匀的区域,具有相同的物理和化学性质. 单相和多相:,（1）机械混合物组成合金的各元素在液态下互溶后，再固态下彼此不发生任何作用(晶粒共混)。,（3）金属间化合物组成合金的金属之间构成的化合物，其组分有确定值。,（2）固溶物以一种元素的晶格为基础，合金元素溶入此晶格中并占领格点位置或间隙位置的固态溶体。,合金: 指熔合两种以上的元素(以金属元素为主)而得到的具有金属性质的物质。,Definition:,Grain boundary (GB) is the surface where two dissimilarly oriented crystals (grains) meet.,Crystallographic discontinuity; Thickness: several atomic diameters;,晶界 (Grain boundary),Significance of GBs:,Phenomena associated with movement of GB s e.g. Recrystallisation, Grain Growth Transport phenomena, e.g. Solute segregation Chemical reactions, e.g. Precipitation Mechanical properties, e.g. Strength, toughness, porosity and elastic strain Electric properties Magnetic properties,GBs are active structural elements,小角晶界：两晶粒间的位向差小于10； 大角晶界：位向差超过10。,对称倾转晶界和扭转晶界,Grain Boundary Structure,对称倾转晶界的位错模型,无应变的共格晶界 (a)