吉林大学材料科学基础考研第三章16.ppt

第三章金属与陶瓷的结构小结常见三种金属晶体及陶瓷结构计单晶与多晶的比较各向异性非晶固体 本章重点内容 一 计算题 1 金属晶体结构及相关计算 简答 1 1标定晶面指数 晶向指数 06 1 2致密度计算 三种典型金属晶体结构计算 1 3金属的密度计算 08 FCC 05 BCC 2 重要概念无定形各向异性原子堆积因素晶体结构体心立方 面心立方 和密排六方结构布拉格定律配位数晶系晶粒晶界晶格晶格参数密勒指数非晶结构晶胞 晶体 晶材料中的原子的是有规则排列的 无周期性的 通常呈现规则的几何形状 其内部原子的排列十分规整严格 比士兵的方阵还要整齐得多 如果把晶体中任意一个原子沿某一方向平移一定距离 必能找到一个同样的原子 单晶 对于晶体来说 如果晶体中的原子是按周期性重复排列并且对整个晶体来说并没有被打断过 换句话说就是由一个晶粒组成的晶体 这样的晶体称为单晶 多晶 大多数晶体都是由许多个晶粒组成的 这样的晶体称为多晶 非晶 非晶材料中的原子的是非规则排列的 无周期性 非晶态材料主要是在冷却过程中 利用先进的技术手段使得材料进入了玻璃态 这样形成的材料称为非晶材料 非晶材料是处于亚稳态的 准晶态 准晶 其内部排列既不同于晶体 也不同于非晶体 晶体学分析认为 晶体中原子呈有序排列 且具有平移对称性 晶体点阵中各个阵点周围环境必然完全相同 故晶体结构只能有 次旋转对称轴 而 次和高于 次的对称轴不能满足平移对称的条件 均不可能存在于晶体中 但近年来在科研过程中发现 在类似于晶态的固体中存在 次对称轴 这们把这一类新的原子的聚集状态称为准晶态 此固体称为准晶 纳料晶材料 纳料晶材料即通常所说的纳料材料是指由至少在一个方向上尺寸为几个纳米的结构单元所构成的晶体材料 各向异性 对于一些单晶材料来说 其各项物理性能在不同的晶向上测得的数据是不同的 这种这种现象我们称为各向异性 各向同性 如果材料的各项性能与测量的方向无关 由称为各向同性 晶胞 为了说明点阵的规律和特点 在点阵中取出一个具有代表性的单元 最小平行六面体 作为点阵的组成单元 称为晶胞 空间格子 为了便于描述空间点阵的图形 可用许多平行线将所有阵点连接起来 于是形成一个三维几何格架 称为空间格子 空间点阵 阵点在三维空间中呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境 这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵 简称点阵 晶系与布拉格定律 7大晶系 三斜 单斜 正交 六方 菱方 四方 六方 14种布拉格点阵 一般要求了解 1 常见的三种金属晶体结构及晶体学特征 面心立方fcc 体心立方bcc 密排六方hcp 2 常用来描述三种晶体结构特征的参数 简答题必会 晶胞内原子的数目 点阵常数 原子半径 配位数 致密度 原子间隙 四面体间隙 八面体间隙 3 晶胞中的原子数目 计算题 面心立方结构 n 8 1 8 6 1 2 4 体心立方结构 n 8 1 8 1 2 密排六方结构 n 12 1 6 2 1 2 3 6 4 点阵常数与原子半径 计算题 面心立方结构 点阵常数为a 原子半径R 根号2a 4 体心立方结构 点阵常数为a 原子半径R 根号3a 4 密排六立结构 点阵常数为a c c a 1 633 1 配位数与致密度 简答 定义 所谓配位数就是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数 致密度是指晶体结构中原子体积占总体积的百分数 计算 配位数N 致密度 K nv V2 晶系 晶面及晶向的定义 描述和标定 简答 陶瓷晶体结构 陶瓷晶体中大量存在的是离子晶体 由于离子键不具有方向性和饱和性 有利于空间的紧密堆积 堆积方式取决于阴阳离子的电荷和离子半径r的相对大小 配位数与配位多面体 在晶体中 离子或原子周围与它直接相邻的异号离子或原子的个数称为配位数 正离子周围负离子数不同 形成的配位多面体形状不同 导致离子晶体的空间构型不同 关于陶瓷结构中最为重要的是判断阳离子的配位数 因为在陶瓷中 阳离子的半径一般小于阴离子的半径 判断规则如下 如果阴阳离子的半径比小于0 155 则较小的阴离子会结合两个阳离子形成线性结构阴离子的配位数为 如果阴阳离子半径比在0 155至0 225之间 则阴离子的配位数为3 阴离子与阳离子形成平面正三角形结构 如果阴阳离子半径比在0 225至0 414之间 则阴离子配位数为 阴离子位于四面体的中心 如果阴阳离子半径比在0 414至0 732 则阴离子位于八面体的中心 周围由六个原子所包围 配位数为6 如果阴阳离子半径比为在0 732至1 0之间则阴离子配位数为 阴离子位于体心立方的中央 陶瓷材料最为常见的配位数为4 6 8 3 陶瓷材料变形特点及微观解释你哈特点 相对金属和高分子材料而言 脆 难以变形时陶瓷材料的一大特点 滑移系数目少 位错结构复杂 因为陶瓷材料是以离子键和共价键构成的 微观解释 对于共价键陶瓷晶体 因为共价键有方向性和饱和性 键能高 并且共价键晶体的位错宽度一般极窄 决定了其难以变形 对于离子键结合的陶瓷晶体 离子键要求正负离子相间排列 在外力的作用下 当位错运动一个原子间距时 由于存在巨大的同号离子的库伦电斥力 致使位错沿着垂直或平行于离子键方向很难运动 因此对于离子键多晶陶瓷 往往很脆 且易在晶界形成裂纹 最终导致脆性断裂 重要简答题 各向异性是晶体的重要特征之一 3 各向异性的概念 产生机理 并描述特点 概念 晶体在不同方向的物理化学特性也不同 机理 晶体的各向异性即沿晶格的不同方向 密勒指数来标志晶体的不同取向 原子排列的周期性和疏密程度不尽相同 由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同 特点 晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性膜量 硬度 热膨胀系数 导热性 电阻率 电位移矢量 电极化强度 磁化率和折射率等都是不同的 各向异性作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值 物质就其原子排列方式来说 可以划分为晶体和非晶体两类 4 非晶固体的概念 晶界 形成机理 核心及其性能 概念 物质的原子排列是混乱的 就象一堆钢球的混乱堆积 晶界 非晶中没有晶粒 也就没有晶界的概念 形成机理 任何物质冷速够快 原子来不及整齐排列就凝固 就可以形成非晶 实际中达不到这样的冷速 为了获得非晶态 一般将金属与其他物质混合 当原子尺寸和性质不同的几种物质搭配混合后 就形成了合金 这些合金具有两个重要性质 A 合金的成分一般在冶金学上的所谓 共晶 点附近 它们的熔点远低于纯金属 B 由于原子的种类多了 合金在液体时它们的原子更加难以移动 在冷却时更加难以整齐排列 也就是说更加容易被 冻结 成非晶 核心 非晶态物质内部则没有这种周期性 由于结构不同 非晶态物质具有许多晶态物质所不具备的优良性质 性能 非晶态材料是一类新型的固体材料各种新型非晶态材料由于其优异的机械特性 强度高弹性好硬度高韧性好耐磨性好等 电磁学特性 化学特性 稳 定性高耐蚀性好等 电化学特性及优异的催化活性 已成为一大类发展潜