第二章 晶体结构与结晶.doc

第二章 晶体结构 2-1晶体结构基本知识 一、晶体概念1. 晶体与非晶体 固态物质的性能与原子在空间的排列情况有着密切的关系。固态物质按原子排列特点可分为晶体与非晶体两大类。 晶 体凡原子按一定规律排列的固态物质，称为晶体。如金刚石、石墨和一切固态金属及其合金等。 晶体的特点是： 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。 具有一定的熔点，如铁的熔点为1538，铜的熔点为1083。 晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。 非晶体 材料中的质点无规则堆积，和液体相似，亦称为 “过冷液体”或 “无定形体” 。非晶体的特点是： 原子在三维空间呈不规则的排列。 没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青 等。 各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。2晶格和晶胞 空间质点 刚球模型 晶格 （刚球抽象为晶格结点，构成空间格架） 晶胞（晶格中最基本的组成单元） 晶格 为了清楚的表明原子在空间的排列规律，人为地将原子看作一个点，再用一些假想线条，将晶体中各原子的中心连接起来，便形成了一个空间格子，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。晶格中的每个的点称为结点。晶格中各种不同方位的原子面，称为晶面。 晶胞 晶体中原子的排列具有周期性变化的特点，因此只要在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元进行分析，便能确定原子排列的规律。组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。 晶格常数 为了研究晶体结构的需要，在结晶学中规定用晶格常数来表示晶胞的几何形状和大小。晶胞的各棱边长为a、b、c，称为晶格常数。当晶格常数a=b=c，棱边夹角=90时，这种晶胞称为简单立方晶胞。 3. 晶面和晶向 晶面和晶向 晶体结构的抽象描述。晶面 晶体中各种方位的原子面。 晶向 晶体中各种方向上的原子列。4晶胞的描述 晶体学参数：a , b , c ； , , 晶格常数： a , b , c 5. 晶面 指数和 晶向 指数晶面 指数: 如何确定晶面指数（五步）：设坐标、求截距、取倒数、化整数、列括号晶向 指数:如何确定晶向指数（四步）： 设坐标 求坐标值 化整数 列括号二、常见的金属晶体晶胞（晶格） 1. 体心立方晶胞 BCC （Body-Centered Cube） 晶胞原子数： 是指在一个晶胞中所含的原子数目。81/8 + 1 = 2 致密度：0.68 是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数。属于体心立方晶格类型的金属有等铁（a-Fe）,钨(W) ,铬（Cr）,钼（Mo）,钒（V）等。2.面心立方晶胞 FCC （Face-Centered Cube）晶胞原子数 ：4 个（ 一个晶胞中所含的原子数目）。致密度：0.74 是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数。属于面心立方晶格类型的金属有等铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、铅(Pb)铁（gFe）等。3. 密排六方晶胞 HCP（Hexagonal Close-Packed ） 晶胞原子数 ：6个 一个晶胞中所含的原子数目。致密度：0.74 是晶胞中原子本身所占有的体积百分数。l 属于这种晶格类型的金属有l钛（Ti）、锆（Zr）、镁（Mg）、锌（Zn）等。BCC、FCC、HCP 晶胞的重要参数晶胞晶体学参数晶胞原子数致密度BCCa=b=c, a=b=g =90o268FCCa=b=c, aaa=b=g =90o 474HCPa=bc, c/a=1.633, a=b=90o, g=120o 674晶体结构与材料性能： （一般规律） 面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属塑性较差。三、晶体的各向异性： 晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，所以性能便有所差异，这就是晶体的各向异性。它的区别于非晶体的重要标志之一。工业的金属材料中常见不到这种各向异性，因为上述的是理想的晶体结构，但实际晶体结构相差甚远。2-2 实际金属结构 理想晶体 + 晶体缺陷一多晶体结构 单晶体：内部晶格位向完全一致，各向异性。 多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成 ,成为各向同性。（见右图）晶 粒：构成多晶体中的各单晶体块。 显微组织：显微镜下看到的晶粒的形态、大小和分布情况。（见下图）二晶体缺陷： 实际晶体中部分原子偏离正常位置，造成晶格畸变。（晶格畸变的存在使晶体性能发生改变，强、硬度、电阻增高。）1. 点缺陷 空位 晶格结点处无原子 。 置换原子 晶格结点处为其它原子占据。 间隙原子 原子占据晶格间隙。 2. 线缺陷（位错） 刃型位错 (见右图 ) 和 螺型位错 。3. 面缺陷 晶界、亚晶界。晶界与晶粒内部不同的特性： 晶界在常