建筑材料之晶体材料的结构

第二章晶体材料的结构引言晶体学基础知识纯金属常见的晶体结构立方晶系晶向与晶面材料实际的晶体结构1.材料的结构（Architecture）材料的结构有两个层次，一种是原子尺度的结构(atomic-scalearchitecture),在材料学中常称为晶体结构或相结构(Crystalline/latticestructure)，对应有晶体(crystal)和非晶体(non-crystal)；

微观尺度的结构(microscopic-scalearchitecture)，在材料学科中常称为显微组织(microstructure)，对应于金相（morphology）。一、引言2.材料的结构对性能的影响晶体结构对性能的影响二、晶体学基础知识非晶体原子排列：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。半晶

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。一般情况下金属材料都是晶体。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。晶体晶体－结构测定Thetransmissionelectronmicroscopecanbeusedtoimagetheregulararrangementofatomsinacrystallinestructure.Thisatomic-resolutionviewisalongindividualcolumnsofgalliumandnitrogenatomsingalliumnitride.Thedistancemarkeris113picometersor0.113nm.0.113nm晶体－结构测定

基本概念

晶体：原子（或离子、分子)在三维空间呈周期性则规排列的物质称为晶体。

晶格：为表示晶体中原子排列的规律，用假想的直线连接各原子的平衡位置而形成的一个三维的几何格架称晶格。晶格中各直线的交点（原子的平衡位置）称结点。晶胞：组组成晶格格最小的几几何单元元称晶胞。。常常以晶格常数数a、b、、c和轴轴间夹角角α、、β、γγ表示晶晶胞的形形状和大大小。晶胞选取取原则:晶胞在三三维空间间重复堆堆砌可构构成整个个空间点点阵，通通常为小小的平行六面面体。晶胞的的选取要要满足：：①能充分分反映整整个空间点阵阵的对称称性；②具有尽尽可能多多的直角；③体积要最小；；平行六面面体的三个棱长长a、b、c和及其夹角α、β、γ，可决定定平行六六面体尺尺寸和形形状，这这六个量量亦称为为点阵常常数。按点阵常常数分类类晶系三、纯金金属的晶晶体结构构体心立方方晶格（body-centredcube,简简称bcc），立立方体的的8个顶顶点及中中心都有有1个原原子。体对角线线上的三三个原子子紧邻相相切属于体心心立方晶晶格的金金属有:钠(Na);钾(K);铬铬(Cr);钼(Mo);钨(W);钒钒(V);钽(Ta);铌(Nb)等。α-铁(αα-Fe);面心立方方晶格face-centredcube,简称fcc）立立方体体的8个个顶点及及每个面面的中心心都有1个原子子面对角线线上的三三个原子子紧邻相相切属于面心心立方晶晶格的金金属有:金(Au);银(Ag);铜铜(Cu);铝(Al);镍(Ni);铂铂(Pt);铅(Pb)等等。γ-铁(γγ-Fe)；；密排六方方晶格（hexagonalclose-packedlattice，简称称hcp）晶晶胞内内每一原原子与周周围6个个原子相相切，与与上、下层各3个原子子也相切切，是最最紧密的的原子排排列方式式。底面上相相邻原子子都紧邻邻相切属于密排排六方晶晶格的金金属有:镁(Mg);锌(Zn);镉镉(Cd);α–钛钛(α––Ti);铍铍(Be)等等。。比较fcc、、hcp的结构构，两者者的配位位数与致致密度都都相等，，所所以,fcc与hcp都是是最紧密密的原子子排列形形式。fcchcp四、立方方晶系中中的晶向向与晶面面晶向：晶体中中各方向向的原子子列晶面：晶体中中各方位位的原子子面为了研究究晶向与与晶面在在晶体中中的作用用，须用用数学方方式描述述其位向向晶向指数数表示各原原子列方方向的数数学符号号标定步骤骤⑴从零零引射线线；⑵取点点求坐标标；如1，1，，0⑶变简简加方括括：[110]（数字间不不加标点点，0表示示平行于于某一坐坐标平面面，有负负号则置置于数字上方方）说明⑴一个晶晶向指数数表示一一系列平平行同向向的晶向向，[uvw]与[uvw]平行行反向。。⑵所有原子子排列规律律相同，方向不同同的晶向属属同一晶向族。一一晶晶向族中中的各晶晶向的指指数的数数字相同同，但符符号、次次序不同同，以〈〈uvw〉记之之。如〈100〉〉晶向族族包括[100]、、[010]、[001]三三个晶向向及反向向[100]、[010]、[001]，共共计6个晶晶向。思考：〈〈123〉晶向向族包括括多少晶晶向？晶面指数数表示各原原子面方方位的数数学符号号标定步骤骤⑴三轴轴求截距距；如1，1/2，∞∞

⑵截截距化化倒数；；则1，，2，，0⑶⑶变变简加园园括：（（120）（数字间间不加标点，0表示平平行于某某一坐标标轴，有负号号则置于于数字上上方）说明明:⑴一一个个晶晶面面指指数数表表示示一一系系列列平行行晶晶面面。⑵所所有有原原子子排排列列规规律律相相同同，，方方位位不不同同的的晶晶面面属属同同一一晶面面族族。一晶晶面面族族中中的的各各晶晶面面的的指指数数的的数数字字相相同同，，但但符符号号、、次次序序不不同，，以以{hkl}记记之之。。如{111}晶晶面面族族包包括括(111)、、(111)、、(111)、、(111)共共计计4个个晶面面。。思考考：：{123}晶面面族族包包括括多多少少晶晶面面？？晶向向及及晶晶面面的的原原子子密密度度晶向向的的原原子子密密度度：：某某晶晶向向单单位位长长度度上上的的原原子子数数晶面面的的原原子子密密度度：：某某晶晶面面单单位位面面积积上上的的原原子子数数体心心立立方方晶晶格格中中的的原原子子密密度度面心心立立方方晶晶格格中中的的原原子子密密度度●在在体体心心立立方方晶晶格格中中原原子子密密度度最最大大的的晶晶向向为为〈〈111〉〉，，原原子子密密度度最最大大的的晶晶面面为为{110}；；在面面心心立立方方晶晶格格中中原原子子密密度度最最大大的的晶晶向向为为〈〈110〉〉，，原原子子密密度度最最大大的的晶晶面面为为{111}。。●因因晶晶向向及及晶晶面面原原子子密密度度不不同同，，导导致致了了单单晶晶体体在在不不同同方方向向上上表表现现出出不不同同的的性性能能，，这这种种现现象象称称为为单单晶晶体体的的各向向异异性性。而多多晶晶体体各各晶晶粒粒的的随随机机取取向向使使材材料料呈呈各向向同同性性。。实际际金金属属的的晶晶体体结结构构多晶晶体体结结构构实际际金金属属材材料料一一般般为为多多晶晶体体结结构构，，由由许许多多外外形形不不规规则则颗颗粒粒状状小小晶晶体体构构成成，，这这些些小小晶晶体体称称为为晶粒，各晶晶粒的的边界界称为为晶界。为了适适应两两晶粒粒间不不同晶格位位向的的过渡渡，在晶晶界处处的原原子排排列总总是不不规则则的。。五、金金属实实际的的晶体体结构构伪各向向同性性：多晶体体材料料中，，尽管管每个个晶粒粒内部部象单单晶体体那样样呈现现各向向异性性，每每个晶晶粒在在空间间取向向是随随机分分布，，大量量晶粒粒的综综合作作用，，整个个材料料宏观观上不不出现现各向向异性性，这这个现现象称称为多多晶体体的伪伪各向向同性性。多晶体体的组组织与与性能能：存在晶晶体缺缺陷点缺陷陷⑴空位位：晶晶体中中个别别原子子离开开平衡衡位置置转移移它处处，形形成没没有原原子的的空结结点，，产生生空位。⑵间隙隙原子子：处处于晶格间间隙中的原原子。。⑶置换换原子子：占占据晶晶格结结点的的异类原原子。点缺陷陷附近近产生生晶格格畸变变。点缺陷陷对材材料性性能的的影响响原因：：无论那那种点点缺陷陷的存存在，，都会会使其其附近近的原原子稍稍微偏偏离原原结点点位置置才能能平衡衡，即即造成成小区区域的的晶格畸畸变。效果提高材材料的的电阻阻定定向向流动动的电电子在在点缺缺陷处处受到到非平平衡力力(陷陷阱)，增增加了了阻力力，加加速运运动提提高局局部温温度(发热热)。。加快原原子的的扩散散迁移移空空位位可作作为原原子运运动的的周转转站。。形成其其他晶晶体缺缺陷过过饱和和的空空位可可集中中形成成内部部的空空洞，，集中中一片片的塌塌陷形形成位位错。。改变材材料的的力学学性能能空空位位移动动到位位错处处可造造成刃刃位错错的攀攀移，，间隙隙原子子和异异类原原子的的存在在会增增加位位错的的运动动阻力力。会会使强强度提提高，，塑性性下降降、线缺陷陷——位位错●位错错是晶晶体中中若干干列原原子发发生有有规律律错排的现象，，常见的的一种为为刃位错错——出出现半原原子面而形成的的位错。。●刃边附附近的原原子都偏偏离平衡衡位置，，形成一一个晶格畸变变的管道道，这就是是位错线线，如图图中EF线。●金属材材料内部部的位错错受力时时会运动动，附近近产生应应力场，，位错之之间会发发生复杂杂的交互互作用，，对金属属的力学学性能会会有重大大的影响响。位错矢量量(柏氏氏矢量Burgersvector)：：位错矢量量的确定定方法：：在完整晶晶体中作作一封闭闭回路；；在包含位位错的区区域作一一相应的的作一回回路，由由于位错错的存在在，曲线线无法闭闭合；终点到起起点连线线（含方方向）即即为柏氏氏矢量。。刃位错的的柏氏矢矢量与位位错线垂垂直。螺型位错错：混合型位位错：位错的密密度：位错密度度ρ是描述晶晶体中位位错的数数量，用单位体体积位错错线的总总长度表表示。在在金属材材料中，，退火状状态下，，按一般般平衡状状态所得得到的材材料，位位错的密密度常在在106的数量级级；经过过较大的的冷塑性性变形，，位错的