材料学基础课件

1、1,材料科学基础,陈玉伟 2012-09-13,2,目 录,1.1、晶体学基础 1.2、晶向和晶面指数 1.3、典型晶体结构 1.4、晶体结构缺陷 1.5、晶体缺陷 1.6、固体结合方式,3,晶体,4,晶体,石英晶簇 (SiO2),石膏晶体 (CaSO4.2H2O),5,晶体,石盐晶体（NaCl),黄铁矿晶体(FeS2),6,晶体,把任意形态的NaCl颗粒，置于它的过饱和溶液中一段时间后，都可以恢复立方体的几何外形。 立方体外形的和任意形态的石盐，具有完全相同的物质组成和物理、化学性质。,7,晶体,规则几何多面体外形只是晶体的一种表象，晶体的本质是什么呢？,8,晶体,研究结果表明： 所有的晶体

2、，无论是否具有几何多面体形态，其内部质点都是在三维空间周期性重复排列，形成格子构造。 只是不同的晶体，质点的种类、排列方式及重复规律不同而已。,9,晶体,晶体的正确定义是： 晶体是内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。不具备这种特征的物体就不是晶体。,10,1.1、晶体学基础,（1）空间点阵概念,表示晶体结构中质点重复规律的立体几何图形。,11,1.1、晶体学基础,（2）空间点阵选取方法,以NaC1为例：棱方向：重复周期0.564nm，面对角线方向：重复周期0.399nm。,12,1.1、晶体学基础,（2）空间点阵选取方法,首先，在结构中任选一几何点（氯离子或钠

3、离子的中心，或其它任意一点）；以此点为标准，把结构中这样的点全找出来等同点或相当点。,13,1.1、晶体学基础,（2）空间点阵选取方法,NaC1结构一个平面内Cl- 和Na+以及相当点的分布,14,1.1、晶体学基础,（2）空间点阵选取方法,相当点的条件： 如果原始点选在质点中心，则所有质点的种类要相同。 相当点周围的环境要相同。即相当点 周围相同方向上要有相同的质点。,15,1.1、晶体学基础,（2）空间点阵选取方法,相当点的分布，能够反映晶体结构中所有质点的重复规律。 相当点在平面内分布，构成平面点阵（平面格子）；相当点在三维空间分布，构成空间点阵（空间格子）。,16,1.1、晶体学基础,

4、（3）空间点阵要素,（a）结点： 空间格子中的点，代表从晶体结构中选取的相当点。 在实际晶体结构中，结点的位置可以同种质点所占据，但结点本身只有几何意义，为几何点。,17,1.1、晶体学基础,（3）空间点阵要素,（b） 行列： 分布在同一直线上的结点构成行列。显然，由任意两结点就决定一个行列。,空间格子中的行列,18,1.1、晶体学基础,（3）空间点阵要素,结点间距： 一个行列中相邻两结点间的距离为该行列的结点间距。 同一行列的结点间距相同； 相互平行的行列，结点间距相同； 不同方向的行列，结点间距一般不同。,19,1.1、晶体学基础,（3）空间点阵要素,（c） 网面： 结点在平面上的分布即构

5、成面网。显然，任意两相交的行列即可构成一个面网,20,1.1、晶体学基础,（3）空间点阵要素,面网密度 面网上单位面积的结点数。 相互平行的面网，面网密度相同； 互不平行的面网，面网密度一般不同。,21,（d）单位平行六面体 在三维空间中，空间格子划 分出一个最小的重复单位， 其大小和形状由三条交棱的 长短和交角大小决定。,单位平行六面体,22,1.1、晶体学基础,（3）晶胞,在点阵中取出一个具有代表性的基本单元（通常是取一个最小的平行六面体）作为点阵的组成单元，成为晶胞。,23,1.1、晶体学基础,（3）晶胞,选取晶胞时应满足下列条件： ：要能充分反映整个空间点阵的对称性； ：在满足的基础上

6、，晶胞要具有尽可能多的直角； ：在满足和的基础上，所选取的晶胞体积要最小。,24,1.1、晶体学基础,（3）晶胞,根据选取晶胞原则，晶胞可分为简单晶胞和复合晶胞： 简单晶胞：只在平行六面体的八个角顶上有阵点，而每个角顶上的阵点又分属于八个简单晶胞，故每个简单晶胞中含有一个阵点 ； 复合晶胞：除在平行六面体的八个角顶上有阵点外，在其体心、面心或低心等位置上也有阵点，因此每个复合晶胞中含有一个以上的阵点；,25,1.1、晶体学基础,（3）晶胞,以晶胞角上的某一阵点为原点，以该晶胞上过原点的三个棱边为坐标轴x，y，z（称为晶轴），则晶胞的形状和大小即可由这三个棱边的长度a，b，c（称为点阵常数）及其

7、夹角，这六个参数完全表达出来,26,1.1、晶体学基础,（4）晶系,在晶体学中，常按“晶系”对晶体进行分类，这是根据其晶胞外形即棱边长度之间的关系和晶轴夹角情况而加以归类的，故只考虑a，b，c是否相等，是否相等和它们是否呈直角等因素，而不涉及晶胞中原子的具体排列情况。在这种情况下，晶系只有7种类型。,27,1.1、晶体学基础,（5）晶系,28,1.1、晶体学基础,（6）布拉菲点阵,按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，布拉菲（A. Bravais）首先用数学方法确定，只能有14种空间点阵。这14种空间点阵以后就被称为布拉菲点阵。 根据晶体中是否存在高次轴及其数目将晶体划分成3个晶族：高级晶族、

8、中级晶族和低级晶族。,29,1.1、晶体学基础,（6）布拉菲点阵,30,三斜晶系,单斜晶系,31,正交晶系,32,正方晶系,33,立方晶系,34,三斜菱面晶系,六角晶系,35,晶体材料：长程有序； 非晶体材料：短程有序。,（7）晶体与非晶体区别,36,1.2、晶向指数和晶面指数,（1）晶向指数,晶向指数是表示晶体中点阵方向的指数，由晶向上阵点的坐标值决定。其确定步骤有： （a）建立坐标系； （b）确定坐标值； （c）化整并加方括号。,37,1.2、晶向指数和晶面指数,（1）晶向指数,（a）建立坐标系；,38,1.2、晶向指数和晶面指数,（1）晶向指数,（b）确定坐标值；,在待定晶向OP上确定距

9、原点最近的一个阵点P的三个坐标值,39,1.2、晶向指数和晶面指数,（1）晶向指数,（c）化整并加方括号；,将三个坐标值化为最小整数u，v，w，并加方括号，即得待定晶向OP的晶向指数uvw。如果u，v，w中某一数为负值，则将负号标注在该数的上方。,40,1.2、晶向指数和晶面指数,（1）晶向指数,晶向指数确立主要事项： 一个晶向指数代表着相互平行、方向一致的所有晶向; 若晶体中两晶向相互平行但方向相反，则晶向指数中的数字相同，而符合相反; 晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向称为晶向族，用表示。,41,1.2、晶向指数和晶面指数,（2）晶面指数,晶面指数是表示晶体中点阵平面的指数，由

10、晶面与三个坐标轴的截距值所决定。其确定步骤有： （a）建立坐标系； （b）求截距； （c）取倒数； （d）化整并加圆括号。,42,1.2、晶向指数和晶面指数,（2）晶面指数,（a）建立坐标系；,43,1.2、晶向指数和晶面指数,（2）晶面指数,（b）求截距；,如果该晶面与某坐标轴平行，则其截距为。,44,1.2、晶向指数和晶面指数,（2）晶面指数,（c）取倒数；,取三个截距值的倒数。,45,1.2、晶向指数和晶面指数,（2）晶面指数,（d）化整并加圆括号；,将上述三个截距的倒数化为最小整数h，k，l，并加圆括号，即得待定晶面的晶面指数（hkl）。如果晶面在坐标轴上的截距为负值，则将负号标注在相

11、应指数的上方。,46,1.2、晶向指数和晶面指数,（2）晶面指数,晶面指数确定注意事项： 晶面指数（hkl）不是指一个晶面，而是代表着一组相互平行的晶面； 平行晶面的晶面指数相同，或数字相同而正负号相反； 晶体中具有等同条件而只是空间位向不向的各组晶面称为晶面族，用hkl表示； 在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直。,47,（3）晶面间距,1.2、晶向指数和晶面指数,48,1.2、晶向指数和晶面指数,（3）晶面间距,晶面间距是指相邻两个平行晶面之间的距离。晶面间距越大，晶面上原子的排列就越密集，晶面间距最大的晶面通常是原子最密排的晶面。 在立方晶系中晶面间距hkl与晶面指数（hk

12、l）和点阵常数a之间有如下关系：,49,1.2、晶向指数和晶面指数,作业,1、分别画出面心立方结构中100、111、211、211晶向指数和（100）、（111）、（211）、（211）晶面指数。 2、分别计算面心立方晶系中（100）和（111）晶面间距，并比较大小。,50,1.3、典型晶体结构,作业,1、试画出金刚石晶体结构，并说明其晶体结构特点；写出其最密排面指数和最精密晶向指数？,51,1.3、典型晶体结构,体心立方晶胞,52,1.3、典型晶体结构,面心立方晶胞,53,1.3、典型晶体结构,金刚石结构,54,1.3、典型晶体结构,金刚石结构,55,1. 4、晶体结构缺陷,在实际晶体中，由

13、于原子(或离子、分子)的热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过程和其它辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。,晶体缺陷的产生,56,1. 4、晶体结构缺陷,晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影响。另外晶体缺陷还与扩散偶、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切关系。因此，研究晶体缺陷具有重要的理论与实际意义。,晶体缺陷的作用,57,1. 4、晶体结构缺陷,分类,点缺陷： 是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；,线缺陷： 是一维缺陷，即位错；,面缺陷

14、： 是二维缺陷，包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等；,58,1. 4、晶体结构缺陷,晶体中的空位和间隙原子 1.点缺陷的热力学分析 2.空位的形成 3.间隙原子的平衡浓度 4.点缺陷的运动 5.材料中空位的实际意义 6.点缺陷对材料性能的影响 7.产生过饱和点缺陷的方法,59,1. 4、晶体结构缺陷,晶体中的空位和间隙原子,间隙原子和空位均会引起晶格畸变，导致体系能量升高。,60,1. 4、晶体结构缺陷,1.点缺陷的热力学分析,点缺陷可以导致： 点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性。 增大了原于排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值增

15、大，增加了晶体的热力学稳定性。 这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的平衡浓度。它可根据热力学理论求得。,61,1. 4、晶体结构缺陷,62,63,64,65,1. 4、晶体结构缺陷,结论：空位是一种热力学平衡的缺陷，即在一定的温度下，晶体中总是会存在着一定数量的空位，这时体系的能量处于最低的状态，也就是说，具有平衡空位浓度的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。,空位-体系能量曲线,66,1. 4、晶体结构缺陷,“金无足赤” 每“k”含金量为4.166%， 18k=184.166%=74.998%, 24k=244.166%=99.984%,67,1. 4、晶体结构缺陷,2

16、、空位的形成,在晶体中位于点阵结点上的原于并非静止的，而是以其平衡位置为中心作热振动，原子振动能按几率分布，有起伏涨落期。当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原于对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。,68,1. 4、晶体结构缺陷,离开平衡位置的原子有三个去处： 迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖脱基(Schottky)空位； 挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，则称为弗兰克尔(Frankel)缺陷； 跑到其它空位中，使空位消失或使空位移位。另外，在一定条件下，晶体表面上的原

17、子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子。,69,1. 4、晶体结构缺陷,(a)Schottky空位形成示意图,(b)Frankel空位形成示意图,70,1. 4、晶体结构缺陷,由于热起伏促使原于脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷。 晶体中的点缺陷还列以通过高温淬火、冷变形加工和高能粒子(如中子、质子、粒子等)的辐照效应等形成。这时，往往晶体中的点缺陷数量超过了其平衡浓度，通常称为过饱和的点缺陷。,71,1. 4、晶体结构缺陷,3.间隙原子的平衡浓度,C平C0exp(Qfi/kT) 式中的Qfi为间隙原子形成能，由于一般间隙原子形成能比空位形成能Qfv要大出约3倍，因此间隙原于的浓度比

18、空位要小很多数量级。,72,1. 4、晶体结构缺陷,4.点缺陷运动,在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和间隙原子数目是一定的。 晶体中的点缺陷并不是固定不动的，可以借助热激活而不断做无规则运动过程中。 在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入该空位，而使两者都消失，这一过程称为复合。,73,1. 4、晶体结构缺陷,例如，空位周围的原子，由于热激活，某个原子有可能获得足够的能量而跳人空位中，并占据这个平衡位量；这时，在该原子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作空位向邻近阵点位置的迁移。同理，出于热运动，晶体中的间隙原子也可由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置。与此同时，由于

19、能量起伏，在其它地方可能又会出现新的空位和间隙原子，以保持在该温度下的平衡浓度不变。,74,1. 4、晶体结构缺陷,5.材料中空位的实际意义,空位迁移是许多材料加工工艺的基础。 晶体中原子的扩散就是依靠空位迁移而实现的。 在常温下空位迁移所引起的原子热振动动能显著提高，再加上高温下空位浓度的增多，因此高温下原子的扩散速度十分迅速。 材料加工工艺中有不少过程都是以扩散作为基础的 化学热处理 均匀化处理 退火与正火 时效 这些过程均与原子的扩散相联系。如果晶体中没有空位，这些工艺根本无法进行。提高这些工艺处理温度可大幅度提高的过程的速率，也正是基于空位浓度及空位迁移速度随温度的上升呈指数上升的规律

20、。,75,1. 4、晶体结构缺陷,7.产生过饱和点缺陷的方法,高温激冷 晶体中点缺陷的热平衡浓度随温度下降而指数式地减小。如果极缓慢地冷却晶体则高温下平衡而低温下过量的点缺陷将可能通过合并湮灭(如空位与填隙原子的复合或消失于晶内其他缺陷(如位错、晶界等)和晶体表面处等过程而减少，始终保持相应温度下的热平衡浓度。如果使晶体迅速冷却，即进行淬火处理，那么高温下形成的高浓度点缺陷将被“冻结”在晶内，形成过饱和点缺陷。,76,1. 4、晶体结构缺陷,大量的冷变形 塑性形变的物理本质是晶体中位错的大量滑移。位错滑移运动中的交截过程和其它位错的非保守运动，都可能产生大量空位和填隙原子。如果温度巳够低，不能

21、发生明显的固态扩散过程的话，这些点缺陷则处于非热平衡态 高能粒子辐照 离子注入 这是用高能离子轰击材料将其嵌入近表面区域的一种工艺。离子注入晶体中可以产生大量点缺陷：注入组分离子，产生空位和填隙离子；注入杂质原子则产生代位或填隙杂质。在半导体器件工艺中，离于注入是引入掺杂层的有效途径。在制备某些合金材料时，不溶的合金元素只有借助离子注入技术才能实现合金化。此外，高能离子注入还能产生位错环和各种类型的面缺陷，甚至非晶层。,77,1. 4、晶体结构缺陷,关于空位的总结,空位是热力学上稳定的点缺陷，一定的温度对应一定的平衡浓度，偏高或偏低都不稳定。 空位浓度、空位形成能和加热温度之间的关系密切。在相同的条件下，空位形成能越大，则空位浓度越低；加热温度越高，则空位浓度越大。 空位对晶体的物理性能和力学性能有明显的影响。 空位对金属材料的高温蠕变、沉淀析出、回复、表面氧化、烧结等都产生了重要的影响。,78,1. 5、扩散,就固体中原子（或离子）的运动而论，有两种不同的方式。 一种为大量原子集体的协同运动，或称机械运动； 另一种为无规则的热运动，其中包括热振动和