材料科学基础_晶体结构.ppt

第一章晶体材料的结构 晶体学基础知识晶向与晶面指数纯金属常见的晶体结构 第一节晶体基础知识 一 原子的排列方式 分子的构成有的分子是单原子 如金属材料 有的是几个相同或不同的原子 如陶瓷材料 有的分子中包含的数千或更多的原子 如高分子材料 1 非晶体 原子排列 粒子 原子 离子或分子 无规则的堆积 特点 各向同性 黏度为其力学性能的基本参数 能保持自己形状的为固体 不能保持自己形状的为液体 随温度的升高黏度减小 在液体和固体之间没有明显的温度界限 一 原子的排列方式 2 晶体 原子排列 粒子 原子 离子或分子 在三维空间呈周期性的规则重复排列 特点 各向异性 不同方向原子的排列方式不相同 因而其表现的性能也有差异固定的熔点 排列规律能保持时呈现固体 温度升高到某一特定值 排列方式的解体 原子成无规则堆积 这时大多呈现不能保持自己形状的液体 3 部分晶体常出现在高分子材料或复合材料中结晶度其中晶体所占的比例 二 晶格与晶胞 第一节晶体基础知识 晶格 为了表达空间原子排列的几何规律 把粒子 原子或分子 在空间的平衡位置作为节点 人为地将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格 二 晶格与晶胞 第一节晶体基础知识 晶胞 构成晶格的最基本单元 晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵 通常为小的平行六面体 晶胞要顺序满足 能充分反映整个空间点阵的对称性 具有尽可能多的直角 体积要最小 三 晶系 第一节晶体基础知识 点阵常数 平行六面体的三个棱长a b c和及其夹角 可决定平行六面体尺寸和形状 这六个量亦称为点阵常数 按点阵常数对晶体的分类 三 晶系 第一节晶体基础知识 按点阵常数的特征对晶体的分类 布拉菲点阵 第二节晶向与晶面指数 一 晶向与立方晶系晶向指数 晶向 空间点阵中节点列的方向 空间中任两节点的连线的方向 代表了晶体中原子列的方向 晶向指数 表示晶向方位符号 标定方法 建立坐标系结点为原点 三棱为方向 点阵常数为单位 在晶向上任两点的坐标 x1 y1 z1 x2 y2 z2 若平移晶向或坐标 让在第一点在原点则下一步更简单 计算x2 x1 y2 y1 z2 z1 化成最小 整数比u v w 放在方括号 uvw 中 不加逗号 负号记在上方 一 晶向与立方晶系晶向指数 第二节晶系晶向与晶面指数 晶向族 原子排列情况相同 但空间位向不同的一组晶向的集合 表示方法 用尖括号表示 举例 可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围 晶向指数特征 与原点位置无关 每一指数对应一组平行的晶向 二 晶面与立方晶系晶面指数 第二节晶系晶向与晶面指数 晶面 空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面 代表了晶体中原子列的方向 晶面指数 表示晶面方位的符号 标定方法 建立坐标系结点为原点 三棱为方向 点阵常数为单位 原点在标定面以外 可以采用平移法 晶面在三个坐标上的截距a1a2a3 计算其倒数b1b2b3 化成最小 整数比h k l 放在圆方括号 hkl 不加逗号 负号记在上方 二 晶面与立方晶系晶面指数 第二节晶系晶向与晶面指数 晶面族 原子排列情况相同 但空间位向不同的一组晶面的集合 表示方法 用花括号 hkl 表示 举例 可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围 晶面指数特征 与原点位置无关 每一指数对应一组平行的晶面 三 六方晶系晶面与晶向指数 第二节晶系晶向与晶面指数 1 晶面指数 建立坐标系 在六方晶系中 为了明确的表示晶体底面的 六次 对称性 底面用互成120度的三个坐标轴x1 x2 x3 其单位为晶格常数a 加上垂直于底面的方向Z 其单位为高度方向的晶格常数c 注意x1 x2 x3三个坐标值不是独立的变量 方法同立方晶系 hkil 为在四个坐标轴的截距倒数的化简 自然可保证关系式h k I 0 底面指数为 0001 侧面的指数为 1010 三 六方晶系晶面与晶向指数 第二节晶系晶向与晶面指数 2 晶向指数 标定方法 平移晶向 或坐标 让原点为晶向上一点 取另一点的坐标 有 并满足p q r 0 化成最小 整数比u v t w放在方方括号 uvtw 不加逗号 负号记在上方 三 六方晶系晶面与晶向指数 第二节晶系晶向与晶面指数 3 晶向族与晶面族 同一族的晶向或晶面也具有等同的效果 三个水平方向具有等同的效果 指数的交换只能在他们之间进行 Z轴只能改变符号 改变符号时 前三项要满足p q r 0的相关性要求 三 其他晶体学概念 第二节晶向与晶面指数 2 晶面的原子密度 该晶面单位面积上的节点 原子 数 1 晶向的原子密度 该晶向单位长度上的节点 原子 数 三 其他晶体学概念 第二节晶向与晶面指数 4 晶面间距 指相邻两个平行晶面之间的距离 晶面间的距离越大 晶面上的原子排列越密集 同一晶面族的原子排列方式相同 它们的晶面间的间距也相同 不同晶面族的晶面间距也不相同 在简单立方晶胞中 复杂立方晶胞 其中fcc和bcc晶体中m一般为2 但要具体分析 三 其他晶体学概念 第二节晶向与晶面指数 5 两晶向之间的夹角 在立方晶系中按矢量关系 晶向 u1v1w1 与 u2v2w2 之间的夹角满足关系 在立方晶系 晶面之间的夹角也就是为其法线的夹角 用对应的晶向同样可以求出 非立方晶系 晶面或晶向之间的夹角可以计算 但要复杂许多 第三节纯金属常见的晶体结构 结构特点 以金属键结合 失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引力 无方向性 对称性较高的密堆结构 常见结构 体心立方bccBody centeredcubic面心立方fccFace centeredcubic密堆六方cphClose packedhexagonal 一 面心立方 第三节纯金属常见的晶体结构 原子位置立方体的八个顶角和每个侧面中心 面心立方中原子排列 第三节纯金属常见的晶体结构 在面心立方晶格中密排面为 111 密排方向为 面心立方中的间隙 第三节纯金属常见的晶体结构 将原子假定为刚性球 他们在堆垛排列时必然存在间隙 在面心立方晶格中存在的间隙主要有两种形式 二 体心立方 第三节纯金属常见的晶体结构 原子位置立方体的八个顶角和体心 体心立方中原子排列 第三节纯金属常见的晶体结构 在体心立方晶格中密排面为 110 密排方向为 体心立方中的间隙 第三节纯金属常见的晶体结构 三 密堆六方 第三节纯金属常见的晶体结构 原子位置12个顶角 上下底心和体内3处 密堆六方中的间隙 第三节纯金属常见的晶体结构 八面体间隙 位置体内单胞数量6大小 四 面心立方和密堆六方的原子堆垛 第三节纯金属常见的晶体结构 原子的密排面的形式 在平面上每个原子与六个原子相切 hcp中为 0001 面 按 ABABABABAB 方式堆垛 Fcc中为 111 面 按 ABCABCABCABC 方式堆垛 五 其他晶体结构 第三节纯金属常见的晶体结构 将两个原子为一组 满足面心立方关系 五 其他晶体结构 第三节纯金属常见的晶体结构 侧面原子不在中心 面心正方 三斜 六 其他概念 第三节纯金属常见的晶体结构 同素异晶转变大部分金属只有一种晶体结构 但也有少数金属如Fe Mn Ti Co等具有两种或几种晶体结构 即具有多晶型 当外部条件 如温度和压力 改变时 金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异晶转变 铁的同素异晶转变在热处理中有非常重大的意义 六 其他概念 第三节纯金属常见的晶体结构 原子半径当大量原子通过键合组成紧密排列的晶体时 利用原子等径刚球密堆模型 以相切两刚球的中心距 原子间距 之半作为原子半径 原子半径的测量方法是利用X射线来先确定其晶体结构的类型和一些晶面的间距 然后根据晶体结构中原子排列的关系计算出 原子的半径并不是固定不变的 它随着结合键的类型和外界环境不同而不同 一般表现规律为 温度升高 原子半径增大 压力增大 原子半径减小 原子间结合键愈强 如离子键或金属键 原子间距相应较小 即原子的半径也较小 晶体中 原子的配位数的降低 原子的半径也随之减小 在同素异晶转