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1、第二章 晶體材料的結(jié)構(gòu),晶體學(xué)根底知識,立方晶系晶向與晶面,純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),材料的實際晶體結(jié)構(gòu),第一節(jié) 晶體結(jié)構(gòu)根底知識,晶體結(jié)構(gòu)概念,,,材料的性能不僅與其組成原子的本性及原子間結(jié)合鍵類型有關(guān)，還與晶體中原子在三維空間長程有序排列方式有關(guān)。原子在三維空間的有序排列特征稱為晶體結(jié)構(gòu)。,不同材料其原子可能具有不同的空間排列——不同的晶體結(jié)構(gòu)。,甚至同一種材料，在不同的環(huán)境下也有不同的原子排列——同素異構(gòu)。如： C， Fe,一、,,晶格及晶胞,,晶格：,,晶體材料中原子的排列是具有長程有序（即：平移對稱性）的。,將晶體中在三維空間有序排列的原子視為等徑的剛球質(zhì)點，并在三維空間中緊密堆積，

2、然后用一些假想的平行直線，將所有質(zhì)點的中心連接起來，便構(gòu)成了一個三維的幾何格架。這個抽象出來的用于描述原子在晶體中的位置和排列方式的,幾何格架,，稱為晶格。晶格中各線的,交點,稱為結(jié)點（或陣點）。,第一節(jié) 晶體根底知識,第一節(jié) 晶體根底知識,晶胞,從晶格中取一個,最小,的立體單元（最小的平行六面體）稱為晶胞。晶格是晶胞在空間的疊加。,,晶胞的選擇原則：,,①能充分反映整個空間點陣的,對稱性,。,②晶胞內(nèi)的棱、角相等的數(shù)目最多，且具有盡可能多的直角。,③體積要最小。,,二、晶系,第一節(jié) 晶體根底知識,一、晶格常數(shù),在晶胞中取某一點為原點（通常取在左下角后面一結(jié)點），建立坐標系，以晶胞的三個

3、棱邊作為坐標軸x，y，z（可以是垂直的，也可以不垂直）。以三邊的長度a，b，c及相互間夾角α，β，γ六個參數(shù)來表示晶胞的大小和形狀，其中三棱邊的長度a，b，c 稱為晶格常數(shù)，它們反映了晶胞的大小。,按a、b、c是否相等，α、β、γ是否為直角將全部晶體分為7個晶系,：,二,,晶格常數(shù)與晶系,三、14,種晶胞（點陣）或,Bravais,點陣,第一節(jié) 晶體根底知識,1、7,個簡單晶胞（晶胞中只含有一個原子）,,a=b=c,,?=?=?=90?,a,?,b,?,c,,?,,=?=90? ? ?,a=b,?,c,,?,,=?=90? ? =120 ?,a,?,b,?,c,,?,,? ? ? ? ? 9

4、0?,a=b=c,,?,,=?=? ? 90?,a=b,?,c,,?,,=?=?=90?,a,?,b,?,c,,?,,=?=?=90?,角頂原子：8個單胞共有；,面上原子：2個單胞共有；,胞內(nèi)原子：單胞獨有,2、7,個復(fù)雜晶胞（晶胞中所含原子數(shù)大于,1,）,,a=b=c,,?=?=?=90?,a=b,?,c,,?,,=?=?=90?,a,?,b,?,c,,?,,=?=?=90?,a,?,b,?,c,,?,,=?=90? ? ?,a,?,b,?,c,,?,,=?=?=90?,第二節(jié) 立方晶系晶向與晶面指數(shù),一、晶向與晶面的概念,,晶向：,在晶胞中，通過假設(shè)干原子中心（結(jié)點）連接一起的具有不同空

5、間方位的直線——晶向,,任何兩個結(jié)點間的連線即構(gòu)成,一個晶向。,晶面：,在晶胞中，通過假設(shè)干原子中心構(gòu)成的二維平面——晶面,二、晶向指數(shù)的標定,1、 為什么要標定,：區(qū)別不同方位的晶向, 因為材料在不同晶向上會,表現(xiàn)出不同的性能。,標定形式： 采用miller指數(shù)（英國晶體學(xué)家，1939）,2、 標定方法：,,以晶胞中某一原子為原點，建立坐標系，以三棱邊為坐標軸；以,a，b，c為單位矢量,；,2. 在晶向上任取兩點，坐標為：(x,1,,y,1,,z,1,) (x,2,,y,2,,z,2,)；,3. 計算x,2,-x,1,： y,2,-y,1,： z,2,-z,1,；,化

6、成最小整數(shù)比u：v：w,；,放在方括號[uvw]中，不加逗號，負號記在上方,。,A（x,1,,y,1,,z,1,）,B（x,2,,y,2,,z,2,）,說明：（a）一個晶向指數(shù)表示的是一組互相平行，方向一致的所有晶向。因為晶體中的原子排列具有對稱性，相互平行的直線上的原子排列完全一樣,。如：AB=DE,坐標 ： A（1，1，0）,B（0，1，1）,C（1，1，1）,O,（,0,，,0,，,0,）,舉例:,,求,,AB, OC晶向指數(shù),,B(0,1,1),A(1,1,0),C(1,1,1),O(0,0,0),D,E,B(0,1,1),（b) 晶向族,,B(0,1,1),A(1,1,0),

7、C(1,1,1),O(0,0,0),D,E,B(0,1,1),如,：AO(OA), DE(ED), OB(BO),,DC(CD) 等均為同等的， 可用,OA表示， 即： ,由于晶體中原子排列的對稱性，存在許多,原子排列相同,，但,方向不同,的晶向，在晶體學(xué)上，這些晶向是同等的,統(tǒng)稱為晶向族，用〈,uvw,〉表示,.,共,12,個,,可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號后的所有結(jié)果都是該族的范圍。,,原子排列相同的晶,向具有相同的性質(zhì),三、,,晶面指數(shù)的標定,為什么標定：區(qū)別不同方位，不同原子排列的晶面，同樣以,M,iller,指數(shù)標定,,標定方法：,建立坐標系：以一個原子中心為原點，以三棱邊為坐標

8、軸，以a，b，c為單位矢量；,求出待標定晶面在三個坐標軸上的截距，如 m、n、p；,,計算其倒數(shù) b1 b2 b3,,；,化成,最小,、,整數(shù),比 h：k：l,,；,放在圓方括號(hkl)，不加逗號，負號記在上方,,。,3,舉例,,標定右圖中陰影晶面的指數(shù),求截距 OX＝1，OY＝1，OZ＝∞,求倒數(shù) 1/1，1/1, 1/∞ → 1，1，0,寫出晶面指數(shù) （110）,求截距 OX＝-1，OY＝∞，OZ＝ 1,求倒數(shù) -1/1,1/∞,1/1 → -1，0，1,寫出晶面指數(shù):,注意：,（hkl）表示一組相互平行的晶面。如A面，B面具有相同的晶面指數(shù)（001），,指數(shù)符號正好相反的晶面亦相

9、互平行,；,,假設(shè)待標定晶面通過原點，可將坐標系適當(dāng)平移，再求截距，如,B,面→平移至,A,面位置；,,,A,B,晶面族,,原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶,面的集合， 稱為晶面族,。,原子排列相同,的晶面性質(zhì)相同。,表示方法：,用,大,括號{hkl}表示,。,,舉例：,可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號后的所有結(jié)果都是該族的范圍。,,同學(xué)們自己排列 {123}晶面族,6個,三、三類典型的晶體結(jié)構(gòu),體心立方 BCC,Body-centered cubic,面心立方 FCC,Face-centered cubic,密堆六方 CPH,Close-packed hexagonal,1、,體心立

10、方（,BCC）,,,,結(jié)構(gòu)特征：,每,個角頂上各有一個原,子,,,體心中有一個原子,a=b=c,，α,=,β,=,γ＝,90,°,,常見金屬：,,α,-Fe,，,V,，,Ta,，,Nb,，,,Cr,，,Mo,，,W,等,,2、面心立方 （FCC）,,特征：,每,個角頂上各有一個原子,,,各個面中心,有一個原子,a=b=c,，α,=,β,=,γ＝,90,°,,常見金屬：Ag,，,Au,，,Ni，Cu,Pd,，,Pt,，γ,-Fe等,,三、密堆六方,,特征：,12個頂角,各一個原子,、上下,面中心各一個原子，,體內(nèi)3,個原子（位于對稱中心處）,a=b,?,c,,?,,=?=90?， ? =120

11、?,通常： c/a=1.633,,常見金屬：Mg， Zn,，Ti，Zr，等,,原子半徑：,,將晶體中原子視為等徑剛球，并認為是緊密堆積的，原子半徑視為晶胞中,最近鄰,兩原子中的距離一半。,致密度：,晶胞中原子自身所占的體積之和與晶胞總體積之比。,配位數(shù)：,配位數(shù)是指晶體中與任一原子,最近鄰,且,等距離,的原子數(shù)目。配位數(shù)越高,→,晶體越緊密。,晶向及晶面的原子密度,晶向原子密度：該晶向上,單位長度,上的原子,數(shù)，如,FCC,在,[110],晶向上,的原子密度為：,晶面的原子密度：晶面上,單位面積,上的原子數(shù),如FCC晶胞中（111）面的密,度為：,一、體心立方,原子位置:立方體的八個頂角,和,

12、晶胞,中心,各一個原子。,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),體心立方中原子排列,不同晶向， 不同晶面上的原子密度不同,二、面心立方,原子位置:立方體的八個頂角,和每個側(cè)面中心,各一個原子,面心立方中原子排列,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),三、密堆六方,原子位置,12個頂角、上下底心,各一個原子，,體內(nèi)3,各原子。,第四節(jié) 材料的實際晶體結(jié)構(gòu),一、多晶體結(jié)構(gòu),單晶體:,一塊晶體材料,由一個,晶粒,組成。即整個材料是一個晶體，這塊晶體就稱之為“單晶體”。,如單晶硅，水晶石， 石,。,,,水晶石,石,冰晶體,第四節(jié) 材料的實際晶體結(jié)構(gòu),多晶體:,由眾多外觀不規(guī)則，,位向不同,的單晶體組成的幾

13、何體。一般實際材料均為多晶體。,多晶體中的各單晶體稱為晶粒，兩晶粒之間的界面稱為晶界,。,,晶界不一定是平整的,晶粒與晶界:,多晶體的組織與性能：,組織：,右圖所示為純Fe的顯微結(jié)構(gòu)，它是經(jīng)拋光、腐蝕后的顯微鏡放大照片。,特點：,各不規(guī)則，明暗不同的幾何圖形——晶粒,晶粒之間的界面——晶界（晶界上缺陷多，易腐蝕）,明暗不同——由于取向不同，方位不同，耐腐蝕能力亦不同，引起明暗襯度不同。,組織,是通過人眼或顯微鏡,觀察到的形貌、結(jié)構(gòu)。,性能：,單晶體是各向異性：,通常原子排列的密排面。密排方向的強度最大。如,?－Fe（BCC）在方向上的強度遠大于在方向上的強度,,多晶體是各向同性：,多晶體材料中

14、，盡管每個晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個晶粒在空間取向是隨機分布，大量晶粒的綜合作用，整個材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性。,,二、晶體中的缺陷,晶體缺陷：,,正常晶體中原子排列受到破壞——缺陷。正常晶體中原子完全呈現(xiàn)周期性的重復(fù)的排列（,平移對稱性,）。,實際晶體中的原子排列不是理想的，不具有完全的平移對稱性，而是存在一些偏離了理想原子排列的區(qū)域，這些區(qū)域即構(gòu)成缺陷。,缺陷會引起材料性能的巨大變化，如：理想完整晶體的強度通常是實際晶體的數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍。,晶體缺陷的類型：,點缺陷,線缺陷,面缺陷,1、點缺陷,點缺陷：,在三維空間各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小的晶體缺陷。,點缺陷的類型,

15、：,空位,,在晶格結(jié)點位置應(yīng)有原子的地方空缺，這種缺陷稱為“空位”。,,間隙原子,,在晶格非結(jié)點位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。它們可能是同類原子，也可能是異類原子。,,異類原子,,在一種類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子占據(jù)原有的原子位置。,,2、線缺陷,線缺陷：,在三維空間的一個方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級)，另外兩個方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯（,Dislocation,）,位錯的形式,：,刃型位錯 螺型位錯 混合型位錯,刃型位錯,螺型位錯,,,位錯的產(chǎn)生：在正常原子排列的晶體中，某一局部多了一層或少了一層原子面,實際晶體材

16、料中都存在位錯，而且位錯對材料性能影響很大，如：,理想晶體Fe σ,b,≈5600Mpa,實際晶體Fe σ,b,≈1300Mpa,位錯線附近的晶格有相應(yīng)的畸變，有高于理想晶體的能量；,位錯線附近異類原子濃度高于平均水平；,位錯在晶體中可以發(fā)生移動，是材料塑性變形根本原因之一；,位錯與異類原子的作用，位錯之間的相互作用，對材料的力學(xué)性能有明顯的影響。,,位錯,特點,3、面缺陷,面缺陷：,在三維空間的兩個方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級)，另外一個方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。,面缺陷的形式,：,晶界面 亞晶界面 相界面,晶格像的實例,,Si中(111)面的晶格像,Stacking Fault,Small angle grain boundary,Nano stacking fault,謝謝觀看,/,歡送下載,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH,