第一章纯金属的晶体结构.ppt

1、主讲教师,李香芝,材料科学基础,第一章 金属的晶体结构,同学们好！,第1页,材料科学发展的里程碑,燧石（神奇的石头） 这种容易制成工具的 石头，开始了制陶业 的发展。,（一）石器时代：,绪 论,材料的发展与人类社会的发展紧密联系-,一、材料科学的重要地位：,第2页,铜的熔炼和锤击改变了铜的性能- 材料开始发展。,最早的模铸件- 一个铜制杖头,天然金与铜被用作工具与武器，开始了人类金属的使用。,（二）公元前3000年为青铜器时代：,金属的使用标志着社会生产力的发展，人类开始逐渐进 人文明的社会。,第3页,这张埃及古墓壁画是 人类冶金业的最早纪 录之一。,（三）公元前1000年 为铁器时代：,第4

2、页,Henry Bessemer,第5页,到18世纪钢时代的来临，引起世界范围的工业革命，因而产生了若干经济发达的强国。,（四）公元0年为水泥时代：,（五）1800年为钢铁时代 ：,（六）1950年为硅时代：,继钢时代之后，1950年开始了硅时代，这是信息技术革命的时代，对当今世界产生了深远的影响。在钢时代和硅时代中，人们强烈地认识到材料科学对社会发展与进步的作用。无论是专门从事研究材料的科技人员，还是经济学家、财政金融的银行家、企业界的巨头，直到经济决策人的国家领导阶层，都密切注意材料研究的动向和发展趋势，以便及时把握住时机，作出正确判断与决策，以使在世界经济发展的竞争中占有一席之地。,第6

3、页,新材料时代，这一时代的特征是:不像以前的各个材料时代，它是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代;新材料以人造为特征，而不是在自然界中有现成的 。,（七）1990年至今为新材料时代：,第7页,高温合金的 发展，掺镍合 金促进了喷气 发动机的发展,高温超导体，高温 超导的革命时代。,尼龙的商业发展是高 分子材料发展的关键 时期,第8页,新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解，为 了特定的需要设计和加工而成的。这些新材料使新技术 得以产生和应用，而新技术又促进了新工业的出现和发 展，从而使国家财富和就业的增加。,工程材料按属性可分为三类:金属材料、陶瓷材料和高分 子材料。也可由此三类相互

4、组合而成复合材料。按使用 性能分类，则可分为主要利用其力学性能的结构材料和 主要利用其物理性能的功能材料。金属材料用量大，仅 钢材全球每年就需求8亿多吨;后者用量虽小得多，但对 社会文明的进步起了重大作用。,二、各种材料概况,第9页,（一）金属材料 这是目前用量最大使用最广的材料。在金属材料中包括两大类型:黑色金属和有色金属。有色金属主要包括铝合金、钛合金、铜合金、镍合金等。 在机械制造业(如农业机械、电工设备、化工和纺织机械等)中，钢铁材料占90%左右，有色金属约占5%。在汽车制造业中，有色金属与塑料的比例稍多些，例如，1985年美国福特汽车公司的数据为:钢铁占72%，铝合金占53%，塑料占

5、85%，这几种材料近年来在汽车中的比例大致如图所示。,第10页,据统计，1994年我 国钢产量9261万t， 其中合金钢566 万t，占钢生产的 61%，即使这样， 我国特殊钢的消耗 量仍不能满足要,求，近几年每年要耗费89亿美元进口合金钢材，而其中不锈钢板的费用就约占50%。特别是我国明确提出要加速发展汽车工业，到2010年，将与钢铁、石油、化工和建筑工业一样形成国民经济的支柱产业。1994年我国汽车产量为138万辆，计划到2010年产量将达到600万辆 。,第11页,（二）陶瓷材料 传统的陶瓷材料是由粘土、石英、长石等成分组成，主要作为建筑材料使用。而新型的结构陶瓷材料，其化学组成和制造工

6、艺都大不相同，其成分主要是 Al2O3、SiC、Si2N4等。 1）优点: 重量轻; 压缩强度可以和金属相比甚至超过金属； 熔点高，耐高温； 耐磨性能好，硬度高； 化学稳定性高，耐蚀性能好； 是电与热的绝缘材料。 2）缺点（严重）： 脆性大; 不易加工成型。,第12页,（三） 高分子材料,（四） 复合材料,金属、陶瓷自身都各有其优点和缺点，如把两种 材料结合在一起，发挥各自的长处，又可在一定程度 上克服了它们固有的弱点，这就产生了复合材料。现 在的复合材料可分为三大类型: （1）塑料基的复合材料； （2）金属基复合材料； （3）陶瓷基复合材料。 商业上用得最多的是塑料基复合材料，而陶瓷基复合

7、材料和金属基复合材料还处在开发阶段。,高分子材料又称为聚合物，按用途可分为三类: （1）塑料；（2）合成纤维；（3）橡胶。,第13页,（五）电子材料、光电子材料和超导材料（从略）,“陶瓷基复合材料”是在金属表面喷涂一层陶瓷涂层从而形成“金属/陶瓷复合涂层”，用以改善陶瓷涂层的脆性。此种工艺就是获得“纳米复合陶瓷涂层”。此途径就是通过制备具有纳米尺度的晶粒的途径，使陶瓷材料得到韧化，以改变陶瓷涂层的脆性，提高涂层的致密性和涂层与基体的结合强度。从而使其具有金属/陶瓷复合性能。,第14页,三、材料性能与内部结构的关系,金属具有较高的强度和硬度、良好的塑性和韧性、导电性和导热性等；陶瓷材料有高的硬度

8、但是很脆，可作绝缘材料；高分子材料的弹性模量、强度、塑性都很低。,性能的不同是由于其内部结构的不同。材料的内部结构包括：原子结构、结合键、原子的排列方式以及显微组织。,第15页,材料科学基础是材料学科本科生重要 的专业基础课，本学科从材料的内部结构 探讨其性质与行为，揭示材料结构与性能的 内在联系及规律，为认识和改造材料的性能 提供必备的基础知识。 我们所讲述的材料科学基础课程主 要采用多媒体教学与板书教学、电化教学与课 堂教学，课堂讨论课教学与习题课教学、单个 试验与综合教学试验相结合的教学方法，以讲 述金属材料为主讲课程。,四.主要讲述以下内容：,第16页,材 料 科 学 基 础,结构线,

9、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17页,微观多、宏观少、抽象、难懂、定性多、定量少、概念多、涉及基础理论多（物理、化学、物理化学、理力、材力等学科）。,从生产角度讲：掌握影响材料的性能的规律； 从教学角度讲：为后续专业课大好理论基础。,六.学习的目的及意义,五.本门学科的特点,第18页,金属学与热处理哈尔滨工业大学 崔忠圻主编 金属学上海交通大学 胡赓祥、钱苗根主编 金属学基础华东冶金学院包永千主编 材料科学基础西安交通大学 石德珂主编等书,七.主要教学参考书,第18页,第13页,材料科学基础,第一章,纯金属的晶体结构,返回,第一节,晶体学基础,

10、第二节,典型金属的晶体结构,第20页,材料科学基础,第一节 晶体学基础,一.金属原子结合和金属键 二.晶体与非晶体 三.空间点阵、晶格与晶胞 四.晶体结构与空间点阵 五.布拉非点阵及晶系 六.晶向指数与晶面指数,第21页,第一节,第一章晶体学基础,一.金属原子结合和金属键,（一）双原子作用模型 （二）金属键,第22页,第一节,第23页,（一）双原子作用模型-原子间作用力,依据泡利不相容原理，当两个原子相互接近时电子云将 产生重叠，电子动能增加，总能量升高，为使系统总能 量降低从而产生电子间斥力-为短程力。,相互作用力,当两原子相距无限远时即r时， 原子间作用力f总=0，当两原子相互 靠近时吸引

11、力（长程力）首先增大 且随r减小f吸： (1) 当r r0时，f吸 f斥; (2) 当r f吸; (3) 当r= r0时， f斥= f吸,合力f=0（平衡位置）,原子间作用力及作用能结论 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,原子间作用能-当将两原子拉近r r0 都将使总能量升高，只有在r= r0时总能量最低，即为最稳定的位置。可以推广到三原子或多原子间相互作用。,相互作用能,第24页,（二）金属键,凝聚态金属中存在大量为全体原子所公有的自由电子它们在正离子之间自由运动，形成所谓电子云，而正离子则沉浸在电子气中。正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，正离子之间

12、、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。 利用金属键原理可以解释金属具有高强度、高韧性及良好塑性以及良好的导电、导热性的原因。,第25页,金属键无饱和性和无方向性,二. 晶体与非晶体,（一）晶体与非晶体的区别,（二）晶体单晶体与多晶体,第26页,单晶体,第27页,三. 空间点阵、晶格与晶胞,空间点阵-由具有相同的周围环 境的阵点构成的阵列,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、周期性 和直观性,晶胞参数- 晶格常数:a、b、c 棱间夹角:、,第28页,空间点阵和晶体结构的区别与联系,联

13、系不同的晶体结构可以归属于同一空间点阵,第29页,区别,空间点阵和晶体结构的区别与联系 (a)、(b)、(c)和它们的空间点阵(d),三种晶体结构,第30页,如-Fe、NaCl、金刚石、CaF2、ZnS晶体结构虽然不同，但都属于 同一点阵即面心立方点阵（简称fcc点阵）。,第31页,四、布拉非点阵及晶系,布拉非点阵(空间点阵)14种，归属于七个晶系：,（一）立方晶系 - a=b=c , =90o （二）四方晶系 - a=bc , =90o （三）六方晶系 - a1=a2=a3c , = 90o =120o （四）三斜晶系 - abc ， 90o （五）单斜晶系 - abc ， =90o （六）

14、棱方晶系 - a=b=c , =90o （七）正交晶系 - a bc ， =90o,第32页,（一）立方晶系简单立方、体心立方 和面心立方点阵（主讲内容）,第33页,（二）四方晶系简单四方和体心四方点阵,第34页,（三）六方晶系简单六方点阵,第35页,（四）三斜晶系简单三斜点阵,第36页,（五）单斜晶系-简单单斜和底心单斜点阵,第37页,（六）菱方晶系-简单棱方点阵,第38页,（七）正交晶系-简单正交、底心正交 体心正交和面心正交点阵,第39页,布拉非点阵及晶系,立方晶系 - a=b=c , =90o 四方晶系 - a=bc , =90o 六方晶系 - a1=a2=a3 c , = 90o ,

15、=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 - a bc ， =90o，,第40页,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41页,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42页,(一).立方晶系的晶向指数与晶面指数,（1）晶向指数的表示方法： 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。 以一个晶格常数a为度量单位，求出 晶向任意一点的

16、坐标值（x,y,z）。 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43页,（2） 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。 将各指数乘以-1如001与 代 表空间另一组晶向。 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44页,（3）晶向族所包括的晶向指数计算方法,第一节,第45页,晶向族包括：23！448 组,晶向族包括：,晶向族包括：,晶向族包括：,、 、等,第46页,2.晶面指数表示某晶面的空间 几何方位。用（hkl）表示。, 以O为原点建立直角坐标系OX、 OY、O

17、Z（晶面与原点O不能有交点） 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。 取截距的倒数化简成最小整数放 入（hkl）内 。,第一节,第47页,（1）晶面指数的表示方法：, 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。 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。 晶面族所包括的晶面指数的计 算方法在晶向指数确定方法的 基础上除于2。,第一节,第48页,（2）晶面指数小结,100=(100)+(010)+(001),111=(111)+ + +,第49页,110=(110)+(101)+(011)+ + +,112、 121、

18、123等晶面指数呢？,第50页,3晶向与晶面指数的位向关系,（1）晶向与晶面的夹角：,（3）晶面与晶面的夹角：,（2）晶向与晶向的夹角：,第一节,第51页,结论,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。,第一节,第52页,各种不同晶面的面间距示意图,第53页,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54页,bcc（110）无；（111）、（100）有,结论,fcc （111）无；（110）、（100）有,隐 藏 面,在fcc点阵中 （110）晶

19、 面的隐藏面,晶带-相交于同一晶向（或平行于同一晶向） 的所有晶面的组合称为晶带； 晶带轴-该晶向称为晶带轴； 晶带面-同一晶带轴中的晶面为晶带面； 晶带面的法线均与晶带轴垂直。,5.晶带,第55页,（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（h1 k1 l1）和（h2 k2 l2） 求晶带轴uvw： u = k1 l2 - k2 l1 ，v = l1 h2 l2 h1 ， w h1 k2 h2 k1,第一节,第56页,或,第57页,（3）已知晶带轴 u1 v1 w1 和u2 v2 w2 求晶带面 （hkl）,第58页,（011）、（112）和（12

20、3）晶面属于同一晶带,第59页,习题课习题(一),1.标出立方晶系111晶面族构 成的八面体的各晶面指数。 2.标出下列各晶面和晶向指数：,第60页,3. 写出、 、 晶向族所包括的各组 晶向指数。 4.在立方晶系中的一个晶胞中画出位于(101),(011)和 (112)晶面上的 晶向；并说明它们之间的位向关 系。,第61页,第一节, 四坐标值表示法：,晶向指数 uvtw 、,a1、a2 、a3 互呈120o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hki 0,第62页,（二） 六方晶系的晶向指数与晶面指数, 三坐标值与四坐标的关系,三坐系用

21、（a1、a2、c）表示； 1.晶向指数用uvw 表示：, 四座标UVTW换算成三座标 uvw(晶向）： u=U-t , v=V-t , wW,第一节,第63页,六方晶系晶向及晶面指数的确定（四坐标与三座标的关系）,第64页,柱面（四坐标）：,或（三坐标）：,第65页,材料科学基础作业（一）,1. 写出立方晶系的112晶面族所包含的所有晶面。 2. 在一个单胞中画图并表示出四面体所包含的 111 晶 面族的四组晶面，并准确标定出四组晶面指数。 3.画图表示110晶面族所包括的各组晶面（要求在一 个单胞中画出两组晶面）,并准确标定出各个晶面指 数。 4. 和 (112) 晶面是否属于同一晶带？为什

22、么？画图 表示出晶带轴和晶带面。 5. 分别在三个晶胞中画图表示 与（110）、,与 、 与 晶向和晶面；并说明 它们之间的位向关系？并说明理由。 6.在六方晶系中，画图表示 晶面; 晶向并用三坐标系写出其晶向指数及晶面指数。,第66页,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67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68页,2

23、-1 典型金属的晶体结构,第一章,返回首页,第69页,一、面心立方结构（fcc或A1）,（2）晶格参数 : a=b=c ;=900,2-1 典型金属的晶体结构,（3）原子半径：,-Fe、Cu、Ni、Au、Ag.20种元素,（1）结构特点,（4）fcc单胞中的原子个数 : N= 8 6 4（个）,（5）fcc致密度和配位数: 致密度-单胞原子体积与 单胞体积之比。,第70页,第一章,返回首页,第71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 。,配位数-距任一原子最近邻且等距离的原子个数。,fcc的配位数是12,第72页,二、体心立方结构（

24、bcc或A2）,返回,（1）结构特点：,Bcc配位数和致密度：,（3）原子半径：,-Fe、W、Mo、Cr、V. 30种元素,bcc单胞中的原子个数：,配位数=8,致密度,第一章,返回首页,第73页,三、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120o角,第一章,返回首页,第74页,四、晶体结构小结,一些体心立方结构金属的点阵常数和原子间距,一些面心立方结构金属的点阵常数和原子间距,一些密

25、排六方结构金属的轴比,第75页,五. 元素周期表各个元素的晶体结构,第76页,第77页,六、 立方晶系的面密度和线密度,（1） 面密度-单位面积上的原子个数,第一章,返回首页,第78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,返回首页,第79页,2-2.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： 1.原子的“密排晶面”不同； 2. 密排晶面的“堆垛

26、次序”不同。,第二节,返回首页,第80页,一、 fcc结构中原子密排面及其堆垛,111晶面族沿着方向呈ABCABCABC堆垛 或写成： 堆垛,如 晶面一定沿着 方向呈ABCABCABC堆垛,如（0001）晶面一定沿着0001方向呈ABABAB堆垛,0001晶面族沿着方向呈ABABABAB堆垛,二、 hcp结构中原子密排面及其堆垛,或写成： 堆垛,第81页,返回首页,第82页,2-3 原子半径,表 21 不同配位数原子半径相对值,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12 8，若原子

27、半径不变 体积膨胀9%, 而实际原子半径由1 0.97，实际只有 0.8%的体积膨胀.,结 论,返回首页, 同种元素结构不同（或配位数不同）R不同因R=f(a) 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； 如： RCu=0.36147nm ；RNi=0.35236nm (配位数都是12） 当配位数下降时，晶体的体积增大，而因R下降，从 而减少了体积的变化量。 如:-Fe -Fe时，配位数由12 8 ，当R不变 时体积膨胀9，实际只膨胀0.8%.,第83页,第二节,（一）面心立方结构中的间隙（26%-总

28、） （二）体心立方结构中的间隙（32%-总） （三）密排六方结构中的间隙（26%-总）,返回首页,2-4 晶体结构中的间隙,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= 或表示为： （B-间隙原子, A- 金属原子）,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 或表示为： （B-间隙原子, A- 金属原子）,正八面

29、体间隙 r=0.146a,正四面体间隙 r=0.008a,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 或表示为： （B-间隙原子, A- 金属原子）,单胞内间隙个数,各条棱的中点处和各100面的面心 位置。其中一个坐标是：,（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（ ， ，1） 单胞内间隙个数： N=64 =12个 四面体间隙半径：r四面体= 或表示为： （B-间隙原子, A- 金属原子）,前一页,下一页,返回首页,返回,（三）密排六方结构中的间隙, 正八面体间隙半径为

30、0.225a ， 6个 正四面体间隙半径为0.207a ，12个 密排六方结构八面体间隙 密排六方结构四面体间隙,fcc、bcc、hcp晶体结构的八面体及四面体间隙半径,晶体结构中间隙小结,1.fcc、hcp结构八面体间隙半径大于四面体间隙半径； 2.bcc结构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八面体间隙之中。,结论,2-5 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,2-6 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、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；如元素Si的结构（金刚石结构）：,