晶体学基础与典型金属的晶体结构(ppt 69页).ppt

主讲教师,董艳春,材料科学基础,第一章材料的晶体结构,同学们好！,材料科学基础,结构线,纯金属的晶体结构,固态合金的相结构,晶体缺陷、固态扩散,金属塑性变形与再结晶,第13页,材料科学基础,第一章,晶体结构,返回,第一节,晶体学基础,第二节,典型金属的晶体结构,第1页,材料科学基础教程,第一节晶体学基础,1.金属原子结合和金属键2.晶体与非晶体3.空间点阵、晶格与晶胞4.晶体结构与空间点阵5.布拉非点阵及晶系6.晶向指数与晶面指数,第2页,第一节,工程材料中的原子排列,硅表面原子排列碳表面原子排列,第一节晶体学基础,第一节晶体学基础,一.金属原子结合和金属键,（一）双原子作用模型（二）结合键,第3页,第一节,返回幻灯片4首页,平衡位置-dd0的位置（即作用力为零，结合能最低）,第4页,（一）.双原子作用模型,结论：1.金属原子呈规则排列。2.大多数金属原子趋于紧密排列或次紧密排列。,长程力原子间的吸引力。短程力原子间的排斥力。,第一节晶体学基础,（二）结合键,金属键：正离子之间、自由电子之间、正离子与自由电子之间的相互作用使金属原子牢固的结合在一起，此种键结合成为金属键。,第5页,第一节晶体学基础,金属键既无饱和性又无方向性，形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。,离子键：离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子,两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。,共价键:,（五）范德华力属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。,二.晶体与非晶体,晶体单晶体与多晶体,第6页,第一节晶体学基础,单晶体,第7页,第一节晶体学基础,晶体结构,三.空间点阵、晶格与晶胞,空间点阵-由具有相同的周围环境阵点构成的阵列，且无限大。,2.晶格-空间几何格架。,3.晶胞-晶格中最小的几何单元。,规律性、对称性和周期性,晶胞参数-晶格常数:a、b、c棱间夹角:、,第一节晶体学基础,空间点阵和晶体结构的区别与联系,联系不同的晶体结构可以归属于同一空间点阵。,区别,第一节晶体学基础,如NaCl结构、金刚石结构，结构虽然不同，但都属于同一点阵即面心立方点阵（简称fcc点阵）。,空间点阵和晶体结构的区别与联系,第一节晶体学基础,四.布拉非点阵(14种)及晶系(7个晶系),1.三斜晶系,2.单斜晶系,第一节晶体学基础,3.正交晶系,第一节晶体学基础,4.六方晶系,5.菱方晶系,第一节晶体学基础,6.四方晶系,7.立方晶系,第一节晶体学基础,布拉非点阵及晶系,布拉非点阵又是空间点阵14种，归属于七个晶系：,立方晶系a=b=c,=90o四方晶系a=bc,=90o六方晶系a1=a2=a3,=90o,=120o三斜晶系abc，90o单斜晶系abc，=90o棱方晶系a=b=c,=90o正交晶系abc，=90o，,第14页,第一节晶体学基础,五.晶向指数与晶面指数,(一）立方晶系的晶向指数与晶面指数,(二）六方晶系的晶向指数与晶面指数,第15页,第一节晶体学基础,立方晶系晶向指数与晶面指数,2.晶面指数的表示方法,3.晶向指数与晶面指数的位向关系,4.晶面间距,5.晶带（晶带轴与晶带面）,1.晶向指数的表示方法,第16页,第一节晶体学基础,晶向指数的表示方法：（1）在晶向中任选一点为原点作OX、OY、OZ三坐标轴，建立直角坐标系。（2）以一个晶格常数a为度量单位，求出晶向任意一点的坐标值（x,y,z）。（3）化简成最小的整数放入uvw内。,1.晶向指数表示某晶向的空间几何方位。用uvw表示。,第一节,第一节晶体学基础,晶向指数小结,一个晶向指数代表空间相互平行且方向相同的一组晶向。2.将各指数乘以-1如001与00代表空间另一组晶向。3.晶向上原子排列规律相同但空间方位不同的晶向属于同一晶向族，用表示。,第一节,第一节晶体学基础,晶向族所包括的晶向指数计算方法,1.若u、v、w三数都不等且都不等于0时，此晶向族包括23!4组晶向。2.若u、v、w三数中有两个数相等则保括2；有三个数相等则保括：23.若u、v、w三数中有一位数为0，则晶向指数除于2，有两位数为0，则晶向指数再除于2。其晶向指数分别为：2和2。,第一节晶体学基础,晶面指数表示某晶面的空间几何方位。用（hkl）表示。,晶面指数的表示方法：（1）以O为原点建立直角坐标系OX、OY、OZ（晶面与坐标原点O不能有交点）（2）以一个晶格常数a为度量单位求出该晶面与坐标轴的截距。（3）取截距的倒数化简成最小整数放入（hkl）内。,第一节晶体学基础,晶面指数小结,（1）一个晶面指数代表空间相互平行的一组晶面，将各指数乘以1表示同一组晶面。（2）晶面空间方位不同，但原子排列规律相同属于同一晶面族用hkl表示。（3）晶面族所包括的晶面指数数的计算方法在晶向指数确定方法的基础上除于2。,第21页,第一节晶体学基础,晶向指数与晶面指数的位向关系,第22页,结论,第一节晶体学基础,4.晶面间距用dhkl的大小表示,晶面间距：相邻两平行晶面间的距离。面密度大的晶面面间距大，面密度小的晶面面间距较小。,立方晶系dhkl,六方晶系dhkl,第23页,第一节晶体学基础,各种不同晶面的面间距示意图,第24页,第一节晶体学基础,判断有无隐藏面的条件,有隐藏面的面间距公式为（0为偶数）,（立方晶系的面间距）,dhkl=,第一节,第25页,fcc中（111）无；（110）、（100）有；bcc中（110）、无；（111）（100）有；,结论,5.晶带相交于同一晶向的一组晶面。,（1）晶带轴与晶带面存在如下关系：uhvkwl0（晶带面晶带轴）,（2）已知晶带面（h1k1l1）和（h2k2l2）求晶带轴uvw：u=k1l2-k2l1，v=l1h2h1l2，wh1k2h2k1,（3）已知晶带轴u1v1w1和u2v2w2求晶带面（hkl）h=v1w2-v2w1，k=u2w1u2w1，lu1v2u2v1,第26页,第一节晶体学基础,第27页,第一节晶体学基础,（011）、（112）和（123）晶面属于同一晶带,第28页,第一节晶体学基础,六方晶系的晶向指数与晶面指数,四坐标值表示法：,晶向指数uvtw、,a1、a2、a3互呈1200角度，Ca,必须满足uvt0“依次平移归位法”,晶面指数（hkil）或hkil,必须满足hki0,第29页,第一节晶体学基础,三坐标值与四坐标的关系,三坐系用（a1、a2、C）表示；1.晶向指数用uvw表示：,四座标换算成三座标(晶向）：U=u-t,V=v-t,Ww,第30页,三座标换算成四座标（晶向）：U=(2uv),V=(2v-u),T=-(u+v),W=w,2.晶面指数用（hkl）表示，直接求出指数即可。,第一节晶体学基础,（10）,（20）,（001）,（101）,第31页,=011,=010,100=,第二节,2-1典型金属的晶体结构2-2晶体结构中原子的堆垛2-3原子半径2-4晶体结构中的间隙2-5晶体的各向异性2-6晶体的多晶型性2-7亚金属及镧系金属的晶体结构,第32页,第二节典型金属的晶体结构,第二节,一.面心立方结构（fcc或A1）二.体心立方结构（bcc或A2）三.密排六方结构（hcp或A3）,返回首页,第33页,2-1典型金属的晶体结构,第一章,返回首页,第34页,1.面心立方结构（fcc或A1）（1）结构特点,（2）晶格参数:a=b=c;=900,一.典型金属的晶体结构,（3）原子半径：R=,（4）单胞中的原子个数:N=864（个）,-Fe、Cu、Ni、Au、Ag.20种元素,第二节,返回首页,第35页,致密度和配位数是用来衡量原子排列疏密程度的重要物理量，致密度和配位数数字越大，原子排列的越紧密。,K=74,（5）致密度和配位数:致密度-单胞原子体积与单胞体积之比。,配位数-距任一原子最近邻且等距离的原子个数。配位数是12。,第36页,2.体心立方结构（bcc或A2）,返回,（1）结构特点：,（5）配为数和致密度：,（3）原子半径：,-Fe、W、Mo、Cr、V.30种元素,（4）单胞中的原子个数：,配位数=8,致密度,第二节,返回首页,第37页,3.密排六方结构（hcp或A3）,返回,（1）结构特点：,（2）晶格参数：a1a2a3a；Ca且Ca;,（3）原子半径：（4）单胞中的原子个数：（5）致密度=74%;配为数=12或66,Mg、Zn、Cd、Be20种元素,轴比,；a1、a2、a3互成1200角,第二节,第38页,第二节,返回首页,第39页,晶体结构小结,第二节,原子线密度(最大的方向)密排方向原子面密度(最大的面)密排面,第40页,第二节,返回首页,第41页,由以上数据可知,返回,fcc、hcp为最紧密排列，bcc为次紧密排列。fcc结构中的密排晶面为111、密排晶向为。bcc结构中的密排晶面为110、密排晶向为。hcp结构中的密排晶面为0001、密排晶向为。,第二节,第二节,返回首页,第42页,二.晶体结构中原子的堆垛,fcc、hcp结构的致密度和配位数相同，为什么却具有两种晶体结构？主要是因为原子的“密排晶面”及“堆垛次序”不同。,第二节,返回首页,第43页,fcc结构中原子密排面的堆垛,2.hcp结构中原子密排面的堆垛：,1.fcc结构中原子密排面的堆垛：111晶面族沿着方向呈ABCABCABC堆垛,如（0001）晶面一定沿着0001方向呈ABAB堆垛,如晶面一定沿着方向呈ABCABC堆垛,0001晶面族沿着方向呈ABAB堆垛,(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning,(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning,返回首页,第44页,三.原子半径,表21配位数与原子半径的关系,由上表可以看出:配位数的减少,致密度和原子半径的收缩同时产生，因此这种变化减少了因晶体结构、配位数变化而引起的体积变化率。,如：-Fe-Fe，配位数由128，原子半径由10.97，体积膨胀不是9%,而实际只有0.8%.,结论,返回首页,同种元素结构不同（或配位数不同）R不同。如:912时，R-Fe=0.1425nm；R-Fe=0.1430nm同一种元素，配位数下降，R下降。配位数相同时，a不同则R不同。当配位数下降时，晶体的体积升高，而R下降，从而减少了体积的变化量。如:-Fe-Fe时，配位数由128，当R不变时体积膨胀9，实际只膨胀0.8%.,第45页,第二节,（一）面心立方结构中的间隙（二）体心立方结构中的间隙（三）密排六方结构中的间隙,返回首页,四.晶体结构中的间隙,香港国际机场思考：铁如何变成钢？,前一页,下一页,返回首页,（一）面心立方结构中的间隙1.八面体间隙构成：（正八面体）间隙位置及坐标：各条棱的中点处，其中一个间隙的坐标是：单胞内间隙个数：八面体间隙半径：r八面体=,前一页,下一页,返回首页,2.四面体间隙构成:正四面体间隙位置及坐标:空间对角线方向或处。其中一个坐标是单胞内间隙个数:8个四面体间隙半径：r四面体,1.八面体间隙构成：（扁八面体）间隙位置及坐标：,八面体间隙半径：r八面体,单胞内间隙个数,各条棱的中点处及各面的面心,其中一个坐标是（1/2，1/2，1）,（二）体心立方结构中的间隙,2.四面体间隙构成:（非正四面体）间隙位置及坐标：各棱中点连线的或处。其中一个坐标是（，0）单胞内间隙个数：N=64=12个四面体间隙半径：r四面体=a-=0.126a,前一页,下一页,返回首页,返回,（三）密排六方结构中的间隙,八面体间隙半径为0.225a，6个四面体间隙半径为0.207a，12个（略）密排六方结构八面体间隙密排六方结构四面体间隙,晶体结构中的间隙小结,不同晶体结构中的间隙半径,结论,1.fcc结构中八面体间隙半径大于四面体间隙半径。2.bcc结构中四面体间隙径大于八面体间隙半径3.非金属元素均溶入fcc、bcc、hcp八面体间隙。,四面体,八面体,五.晶体的各向异性,单晶体的各向异性：-单晶体在各个不同方向上的物性、机性、化学等性能不同的特性。,多晶体的各向同性（伪无向性）,单晶体,单晶体与多晶体,六多晶型性,多晶型性当外界条件改变时（温度和压力），元素具有两种或两种类型以上晶体结构的特性。,1.亚金属是指Si、Ge、Sn、As、Sb、Bi等为共价键结合。,2.Si、Ge、Sn为面心立方点阵，为金刚石结构，称为A4结构。3.配位数：844,4.单胞内原子个数为8（个）,5.原子半径：Ra,6.致密度为34,七.亚金属系镧系金属的晶体结构,第一章金属的晶体结构习题课习题(