晶体缺陷理论-晶体学及固体结构基础

1、 2.1晶体学基础v原子的排列方式：无序排列、短程（近程）有序非晶体；长程有序晶体v晶体有一定的熔点（晶态非晶态转变温度），非晶体没有 v固体非晶体是过冷的液体，又称为玻璃体 v晶体各向异性，非晶体各向同性 2.1.1空间点阵和晶胞 （1）空间点阵与晶格（2）晶胞v 晶胞选取原则v平行六面体内相等的棱和角数目最多 v当棱间成直角时，直角数目最多 v满足上面条件，晶胞体积最小7 个晶系， 14 种空间点阵（布拉菲点阵） （3）七大晶系和十四种布拉菲点阵十四种布拉菲点阵 （4）晶体结构和空间点阵的关系阵点上的放任意的结构单元无限多的晶体结构 Cu, NaCl, CaF2 具有不同的晶格结构，但都属

2、于面心立方点阵 v 2.1.2晶向指数和晶面指数（1）晶向指数的确定v某阵点为原点，以晶轴建立右旋坐标系，点阵常数为三坐标轴单位长度 v定出欲求晶向的两点坐标，末坐标减初坐标 v化成互质整数，以 uvw 表示，负号在数字上方 v一个晶向指数代表一组相互平行的晶向 v晶向指数相同符号相反，晶向相互平行 v 晶向族（2）晶面指数的确定v建立坐标系，原点位于待定晶面之外 v定出待定晶面到三轴的截距（平行于某轴时截距无穷大），取截距的倒数 v化成互质整数，以 ( hkl ) 表示，负号在数字上方 v晶面指数相同，符号相反，晶面相互平行 v对立方晶系，具有相同指数的晶向与晶面垂直，如 010(010)

3、晶面族v （3）六方晶系的晶面指数和晶向指数（4）晶带v相交于某一晶向直线或平行于该直线的晶面构成一个晶带 v晶带轴 v立方晶系，晶面 ( hkl ) 以 uvw 为晶带轴 ( 晶向 hkl 与 uvw 垂直 ) ，故 hu + kv + lw =0 v两个不平行晶面 ( h1k1l1 ) 、 ( h2k 2l2 ) 求晶带轴 uvw v （5）晶面间距v v v （6）几个基本概念v单晶体：原子排列整齐，位向相同的晶体。由一个核心（晶核）生长而成。v多晶体：许多取向不同的小颗粒组成的晶体。由多个核心（晶核）生长而成，一般表现出各向同性伪共向性。v晶粒：晶体内呈不规则外形的小颗粒，颗粒内部位向

4、相同，晶粒尺寸一般为10-110-7mm。v晶界：晶粒与晶粒之间的界面。v亚晶粒：晶粒内部有微小位向差的区域，位向的差别为12，又称为亚结构、嵌镶块。2.2金属的晶体结构2.2.1 典型金属的晶体结构 大多数金属具有比较简单的，高对称性的晶体结构 面心立方结构或A1结构 （face centred cubic lattice；简称fcc）体心立方结构A2结构 (body centred cubic lattice；简称bcc) 密排六方结构A3结构 （hexagonal close packed lattice；简称hcp） v (1) 晶胞中原子数 （2）点阵常数与原子半径v原子半径随外界条

5、件，结合键，配位数、价电子数等因素变化 v原子刚性球，最密排方向彼此相切=原子半径 v最密排方向： 体心立方(111) ，面心立方 (110) ，密排六方 (0001) （3）配位数和致密度配位数与致密度用于定量描述原子的紧密程度 配位数任一原子最近邻且等距的原子数 致密度 K 晶胞中原子所占的体积分数 K = nv / Vv v2.2.2晶体的原子堆垛方式和间隙v（1）原子的堆垛方式v面心立方与密排六方的配位数、致密度相同 ，就引发出不同结构晶体中原子排列的问题。v （2）晶体结构中的间隙 间隙的数量、位置、大小影响相结构、扩散、相变 v v 2.2.3多晶型性v v v2.3 合金相结构

6、v纯金属强度较低，实际使用合金 v合金由两种或两种以上的金属或非金属经烧结、熔炼或其他方法组合而成的，且具有金属特性的物质，如铜锌合金、铸铁等 v组元组成合金的最基本独立物质，可以是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物 v相同一聚集态，成分、性能均一，以界面互相分开 v单相合金 Cu-Zn(Zn: 30%Wc) v两相合金 Cu-Zn(Zn: 40%Wc) ，有固溶体和金属间化合物两相 v2.3.1 固溶体v固溶体溶质分子完全溶于固态溶剂中，并保持溶剂元素晶格类型的合金相 v1.固溶体的特点v固溶体的结构与溶剂相同v固溶体的成分可在一定范围变化v固溶体一般位于相图的两侧v固溶体的强度、硬度比纯

7、金属高，导电性下降v在多相合金中，固溶体一般作为基体相 2.固溶体的分类3.置换固溶体影响置换固溶体的其他因素温度、冷却速度、机械合金化等4.间隙固溶体v原子半径小于 0.1nm 的非金属元素 ( 如 H, O, N, C, B 等 ) 处于溶剂晶格结构的某些间隙位置 v间隙半径较小，非金属原子的溶入，将使晶胞胀大，造成点阵畸变，溶解度受限制 vC 的原子半径为 0.077nm ，面心立方的-Fe 在 1148 C 的八面体间隙半径为 0.0535nm ，造成严重畸变，溶解度 9%at v体心立方的 -Fe 的间隙更小， C 的溶解度为 0.095%at v影响间隙固溶体溶解度的因素v间隙有限

8、，溶解度有限有限固溶体v溶解度与溶质原子尺寸有关v溶解度与溶剂间隙尺寸、形状有关，溶质原子一般位于八面体间隙之中5.固溶体的微观不均匀性6.固溶体的性质v点阵常数a改变置换固溶体：rBrA, a增大； rBrA, a减小。间隙固溶体： a增大。v强度增高固溶强化效应：随溶质含量的增加，固溶体强度、硬度升高，塑性下降的现象。是晶格畸变，阻碍位错运动的结果。v电阻增加，磁性和耐蚀性改变。2.3.2中间相（金属间化合物）v中间相超过固溶体溶解度限度后，形成结构不同于组元的新相。v1.中间相的特点v中间相的结构不同与组元v组元大致按一定的原子比结合v中间相一般位于相图的中间v中间相有共价键、离子键和金

9、属键结合，以金属键为主v有高的熔点、硬度，有的具有超导性v在多相合金中，中间相一般作为强化相 2.正常价化合物v金属与 IVA ， VA ， VIA 族一些元素形成的化合物，随电负性差的下降由离子键、共价键到金属键，熔点 下降，如 Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb vAB 型 NaCl 型结构 ( MgSe, CaSe, MnSe, SnTe, PbTe 等 ) ，闪锌矿结构或立方 ZnS 结构 ( ZnS, CdS, MgTe, CdTe, MnSe, ZnTe, SiC 等 ) ，纤锌矿结构或六方 ZnS 结构 ( ZnS, CdS, MgTe, CdTe, MnSe, AlN等 )

10、 vAB2型 CaF2结构 ( PtSn2, AuAl2, PtIn2等 ) ， 反 CaF2结构 ( Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Pb, Cu2Se 等 ) vA2B3型 v正常价化合物高硬度和脆性，弥散分布在基体上起弥散强化作用 3.电子化合物 Cu, Ag, Au 与 Zn, Al, Sn 合金，中间相的晶体结构稳定性由电子浓度决定休姆罗塞里定律 （见下表 尺寸因素也对结构有影响 金属键，熔点高，硬度、脆性大，有色金属中作强化相 AlNi 晶体：当 Al 原子超过 50% ， Ni 处出现空位缺位固溶体；当 Ni 原子超过 50% ， AlNi 为溶剂，溶有 Ni 的置换固溶体 4

11、. 间隙相与间隙化合物 v H ， B ， C ， N 等小半径的非金属元素与过渡族金属元素形成的化合物；v r X/ r M0.59 复杂晶 体结构的间隙化合物。 （1）间隙相间隙相的成分可以在一定范围变化间隙相可以溶解组元元素，形成以化合物为基的固溶体 间隙相之间可以形成连续固溶体，如 TiC-ZrC, TiC-VC 间隙相有高硬度、高熔点，是合金工具钢及硬质合金的主要强化相 一些间隙相的成分范围（2）间隙化合物 合金钢中的间隙化合物为 Cr, Mn, Mo, Fe 的碳化物或它们的合金碳 化物，主要类型有 M3C, M7C3, M23C6等。如 Cr23C6是复杂立方结构，有 92 个铬

12、原子， 24 个碳原子；渗碳体 (Fe3C) 属正交晶系，有 12 个铁原子， 4 个碳原子 vFe3C是铁碳合金中的一个基本相，称为渗碳体。C与Fe的原子半径之比为0.3，其晶体结构为正交晶系，三个点阵常数不相等，晶胞中共有16个原子，其中12个Fe原子，4个C原子，符合Fe：C3：1的关系。vFe3C中的Fe原子可以被Mn，Cr，M。，W，V等金属原子所置换形成合金渗碳体；vFe3C中的C可被B置换，但不能被N置换。间隙化合物的晶体结构都很复杂。如Cr23C6。属于复杂立方结构，晶胞中共有116个原 子，其中92个为Cr原子，24个为C原子，而每个碳原子有8个相邻的金属Cr原子。这一大 晶胞可以看成是由8个亚胞交替排列组成的5.有