材料科学基础 第一章 固体结构优秀PPT.ppt
材料科学基础 第一章 固体结构你现在浏览的是第一页，共62页第一节第一节 晶体学基础晶体学基础FUNDAMENTALS OF CRYSTALLOGRAPHY空间点阵和晶胞空间点阵和晶胞晶系和布拉菲点阵晶系和布拉菲点阵晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数晶面间距晶面间距晶带及晶带定理晶带及晶带定理THE END你现在浏览的是第二页，共62页一、晶体概述物质：气态，液态，固态固态物质：晶体，非晶体晶体：长程有序，主要是周期有序。非晶体：短程有序，长程无序。晶体中原子排列的作用：研究固态物质的内部结构，即原子排列和分布规律是了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到改善和发展新材料的途径。你现在浏览的是第三页，共62页二、晶体结构与结构单元基本特征：原子（或分子、离子）在空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。你现在浏览的是第四页，共62页晶体结构的基本特征：结构单元结构单元（单胞单胞）单胞周期平移结构单元（基元）：晶体中在空间有规则的周期性重复 排列的基本单元。你现在浏览的是第五页，共62页三、空间点阵和晶胞阵点：阵点：实际晶体中的质点（原子、分子、离子或原子团）在三维空间可以有无限种排列方式，为了便于分析研究分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，不需考虑结构单元的物理性质，而将晶体结构中的所有结构单元都抽象成一个个几何点，称之为阵点。空间点空间点阵：阵：这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。晶格晶格:用许多平行的直线将阵点连接起来用以描述晶体中原子排列规律的空间点阵格架。晶胞：晶胞：在点阵中取一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，它是能完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。晶胞选取的原则：晶胞选取的原则：同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞：1.选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；2.平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；3.当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多；4.当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。你现在浏览的是第六页，共62页你现在浏览的是第七页，共62页表征晶胞形状的六个参量表征晶胞形状的六个参量你现在浏览的是第八页，共62页四、晶体结构与空间点阵空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14种类型。晶体结构则是晶体中实际质点实际质点（原子、离子或分子）的具体具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。空间点阵描述了晶体结构单元中一种原子的排列（相当于将整个结构单元抽象成一个原子），而晶体结构是各个原子相互的排列。所以点阵类型有限，而晶体结构无限。晶体结构=点阵+结构单元。你现在浏览的是第九页，共62页氯化钠晶体结构氯化钠晶体是由Na和Cl按一定的几何规律排列成的每一个Na 周围均有6个Cl，同时每一个Cl周围均有6个Na。这样，每一个Na或每一个Cl的物质环境与几何环境都是相同的，而同类离子的最小重复周期距离均为5.628埃你现在浏览的是第十页，共62页 晶体结构中的结构单元抽象为空间点阵的阵点。空间点阵的晶胞=空间点阵中的结构单元。点阵类型只要看结构单元中一种原子的排列类型（或者说把晶胞看成一个阵点，再看由这些阵点组成的排列类型）。晶体结构要看各个原子的相互排列组合类型。例：看图2.8，看单个晶胞可以确定Cr和CsCl的晶体结构类型都是体心立方结构，看单种原子的排列可以确定Cr的点阵类型仍然是体心立方结构（因为只有一种原子，所以晶体结构和点阵类型相同），而CsCl点阵类型则为简单立方结构。如果晶体是由完全相同的一种原子所组成，则原子与点阵的阵点重合。这种点阵就是晶格。若晶体结构单元不是由一种原子构成，而是由一种以上的多种原子构成时，则在每个结构基元中相同原子都可以构成相应的点阵和晶格。对任何晶体，都有且只有一种空间点阵（结构单元中的每一种原子构成的点阵是一样的）你现在浏览的是第十一页，共62页你现在浏览的是第十二页，共62页 五五、晶系和布拉菲点阵、晶系和布拉菲点阵 根据晶胞形状特征所划分的根据晶胞形状特征所划分的晶体点阵系列，特征相同的归为一个晶系，共有个晶系。晶体点阵系列，特征相同的归为一个晶系，共有个晶系。1.1.晶系晶系(Crystal system)2.2.布拉菲点阵布拉菲点阵(Bravais lattice)根据晶胞形状及根据晶胞形状及阵点的分布特征所划分的晶体点阵系列阵点的分布特征所划分的晶体点阵系列,特征相同的归为一个特征相同的归为一个晶系，晶系，共有共有 14 14 种种七个晶系：14种布拉维点阵按单位平行六面体的对称特征分为7类，即7个晶系。每个晶系都有特征对称要素（下限对称要素）。7个晶系根据特征对称要素对称性高低分为低级（不高于二次旋转轴）、中级（一个多次旋转轴）和高级晶族（四个三次旋转轴）。你现在浏览的是第十三页，共62页各晶系的特征对称要素你现在浏览的是第十四页，共62页xzyabc布拉维点阵在空间点阵中选取出来的合适的平行六面体为单位平行六面体，可以用三条互不平行的棱a、b、c和各棱间的夹角、来描述。棱a、b、c和角、称为点阵常数。单位平行六面体只有14种，称为14种布拉维点阵布拉维点阵（格子）你现在浏览的是第十五页，共62页14种布拉维点阵中，根据结点在其中分布的情况可分为4类：体心点阵体心点阵：含两个结点简单点阵简单点阵：含一个结点你现在浏览的是第十六页，共62页底心点阵底心点阵：含两个结点面心点阵面心点阵：含4个结点你现在浏览的是第十七页，共62页你现在浏览的是第十八页，共62页晶向指数：晶体点阵中阵点列的方向指数。(1)建坐标右手坐标，坐标原点位于待定晶向上某一阵点，坐标轴为晶胞棱边。(2)求投影以晶格常数为单位，求待定晶向上任一阵点的投影值。(3)化整数。将投影值化为一组最小整数(4)加括号。uvw六、晶向指数和晶面指数六、晶向指数和晶面指数 6.1.1 晶向指数及其确定方法晶向指数及其确定方法晶向：晶体中原子的位置、原子列的方向。晶面：原子构成的平面。Miller（密勒）指数统一标定晶向指数和晶面指数。晶向指数表示着所有相互平行、方向一致的晶向；所指方向相反，则晶向指数的数字相同，但符号相反；晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为一个晶向族，用表示 6.1.2 1.2 晶向指数的意义晶向指数的意义你现在浏览的是第十九页，共62页你现在浏览的是第二十页，共62页 6.2.1 晶面指数及其确定方法晶面指数及其确定方法晶面指数：晶体点阵中阵点面的方向指数晶面指数：晶体点阵中阵点面的方向指数(1)建坐标右手坐标，坐标轴为晶胞的棱边，坐标原点不能位于待定晶面内。(2)求截距以晶格常数为单位，求待定晶面在坐标轴上的截距值。(3)取倒数将截距值取倒数。(4)化整数将截距值的倒数化为一组最小整数。(5)加括号（hkl）。6.2.2 晶面指数及其确定方法晶面指数及其确定方法晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面。在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以h k l表示，它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。立方晶系中，相同指数的晶向和晶面垂直，晶面族111表示正八面体的面，晶面族110表示正十二面体的面你现在浏览的是第二十一页，共62页你现在浏览的是第二十二页，共62页立方晶系立方晶系：四方晶系四方晶系：正交晶系正交晶系：六方晶系六方晶系：晶面间距：相邻两个平行晶面之间的距离。晶面指数确定了晶面的位向和间距。通常，低指数的面间距较大，而高指数的晶面间距则较小。晶面间距愈大，该晶面上的原子排列愈密集。晶面间距愈小，该晶面上的原子排列愈稀疏。6.3.2 2 晶面间距计算晶面间距计算 6.3.1 晶面间距晶面间距你现在浏览的是第二十三页，共62页晶带：所有平行或相交于同一直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。属此晶带的晶面称为晶带面（共带面）。6.4.2 晶带定理晶带定理 6.4.1 晶带晶带晶带轴uvw与该晶带中任一晶带面(hkl)满足下列关系式：你现在浏览的是第二十四页，共62页你现在浏览的是第二十五页，共62页第二节第二节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构CRYSTAL STRUCTURE OF PURE METALS金属的典型晶体结构金属的典型晶体结构晶体的原子半径晶体的原子半径多晶型性多晶型性 THE END你现在浏览的是第二十六页，共62页 一、一、金属的典型晶体结构金属的典型晶体结构体心立方结构体心立方结构 BCC(body-centered cubic)Cr,V,-Ti,-Fe,-Fe你现在浏览的是第二十七页，共62页面心立方结构面心立方结构 FCC(face-centered cubic)Cu,Ni,Al,-Fe你现在浏览的是第二十八页，共62页密排六方结构密排六方结构 CPH(close-packed hexagonal)Zn,Mg,-Ti 你现在浏览的是第二十九页，共62页结构类型结构类型最密排面最密排面最密排方向最密排方向bccfcccph 1.1.原子最密排面和最密排方向原子最密排面和最密排方向 2.2.一个晶胞中的原子数一个晶胞中的原子数bcc fcc cph 2 4 6指一个晶胞内真正包含的原子数目指一个晶胞内真正包含的原子数目你现在浏览的是第三十页，共62页体心立方晶胞中的原子数：体心立方晶胞中的原子数：2面心立方晶胞中的原子数：面心立方晶胞中的原子数：4密排六方晶胞中的原子数：密排六方晶胞中的原子数：6你现在浏览的是第三十一页，共62页 晶胞的棱边长度晶胞的棱边长度 a a、b b、c c（用（用 原子刚球半径原子刚球半径 r r 表示）表示）4.4.点阵常数点阵常数结构类型结构类型点阵常数特征点阵常数特征点阵常数点阵常数bccfcccpha=b=ca=b=ca=bcTHE END 晶体中任一原子周围最近晶体中任一原子周围最近 邻且等距离的原子数邻且等距离的原子数 3.3.原子的配位数原子的配位数bcc fcc cph 8 12 12你现在浏览的是第三十二页，共62页 晶胞中原子体积占总体积的分数晶胞中原子体积占总体积的分数 5.5.致密度致密度bcc fcc cph 6.间隙间隙 若将晶体中的原子视为球形，则相若将晶体中的原子视为球形，则相互接触的最近邻原子间的空隙称为间隙。互接触的最近邻原子间的空隙称为间隙。间隙内能容纳的最大刚性球的半径称为间隙内能容纳的最大刚性球的半径称为间隙半径间隙半径 。间隙大小常用间隙半径与原子半径间隙大小常用间隙半径与原子半径 之之比比 表示。表示。THE END你现在浏览的是第三十三页，共62页1)1)面心立方结构晶体中的间隙面心立方结构晶体中的间隙正八面体间隙：位于晶胞各棱边中点及体心位置正八面体间隙：位于晶胞各棱边中点及体心位置.一个晶胞中共有一个晶胞中共有4 4个个.你现在浏览的是第三十四页，共62页正四面体间隙：位于晶胞体对角线的四分之一处正四面体间隙：位于晶胞体对角线的四分之一处.一个晶胞中共有一个晶胞中共有8 8个个.你现在浏览的是第三十五页，共62页2)2)体心立方结构晶体中的间隙体心立方结构晶体中的间隙扁八面体间隙：位于晶胞各棱边中点及面心处扁八面体间隙：位于晶胞各棱边中点及面心处.一个晶胞中共有一个晶胞中共有6 6个个.THE END你现在浏览的是第三十六页，共62页四面体间隙：位于晶胞各面中线的四分之一处四面体间隙：位于晶胞各面中线的四分之一处.一个晶胞中共有一个晶胞中共有1212个个.THE END你现在浏览的是第三十七页，共62页3)3)密排六方结构晶体中的间隙密排六方结构晶体中的间隙正八面体间隙：一个晶胞中共有正八面体间隙：一个晶胞中共有6 6个个.THE END你现在浏览的是第三十八页，共62页正四面体间隙：一个晶胞中共有正四面体间隙：一个晶胞中共有1212个个.THE END你现在浏览的是第三十九页，共62页你现在浏览的是第四十页，共62页 7.原子的堆垛方式原子的堆垛方式(仅介绍仅介绍 fcc 和和 cph)1)1)fcc和和cph的的 原子密排面原子密排面AABC2)2)原子密排面上可原子密排面上可 堆垛的不同位置堆垛的不同位置THE END你现在浏览的是第四十一页，共62页3)3)面心立方结构的堆垛次序面心立方结构的堆垛次序ABBBBBBBBBBBBBBBCCCCABCABCABC 或或THE ENDCCCCAAA你现在浏览的是第四十二页，共62页你现在浏览的是第四十三页，共62页4)4)密排六方结构的堆垛次序密排六方结构的堆垛次序ABBBBBBBBBBBBBBBAAAAABABAB 或或THE END你现在浏览的是第四十四页，共62页你现在浏览的是第四十五页，共62页 二二、多晶型性、多晶型性 某些晶体在不同的条件某些晶体在不同的条件(温度、温度、压力等压力等)具有不同类型晶体结构的性质。具有不同类型晶体结构的性质。同种元素的不同结构称为同素异构。同种元素的不同结构称为同素异构。同素异构体之间的相互转变称为同素异同素异构体之间的相互转变称为同素异 构转变，此时，晶体性能发生突变。构转变，此时，晶体性能发生突变。1.1.多晶型性多晶型性T/91213941538THE END一个大气压下，纯一个大气压下，纯铁具有三种不同的铁具有三种不同的晶体结构晶体结构 2.2.举例举例你现在浏览的是第四十六页，共62页纯铁加热时的膨胀曲线纯铁加热时的膨胀曲线THE END你现在浏览的是第四十七页，共62页 三三、晶体的原子半径、晶体的原子半径 1.1.原子半径原子半径 若将晶体中的原子看成刚球，若将晶体中的原子看成刚球，则晶体中最近邻的原子中心间距的一半定义则晶体中最近邻的原子中心间距的一半定义为原子半径为原子半径2.2.影响原子半径的主要因素影响原子半径的主要因素1)1)温度与压力的影响温度与压力的影响 原子半径随晶体的温度及压力改变而改变原子半径随晶体的温度及压力改变而改变 2)2)结合键的影响结合键的影响 结合键增强时，原子（或离子）半径变小结合键增强时，原子（或离子）半径变小 0.124nm 0.083nm 0.067nmFeFe 2+Fe 3+THE END你现在浏览的是第四十八页，共62页3)3)配位数的影响配位数的影响 原子半径随配位数降低而减小原子半径随配位数降低而减小 4)4)原子核外层电子结构的影响原子核外层电子结构的影响 原子半径随原子序数递增呈周期性变化原子半径随原子序数递增呈周期性变化THE END你现在浏览的是第四十九页，共62页THE END你现在浏览的是第五十页，共62页合金两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。组元 组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。相 合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。第三节第三节 合金相结构合金相结构你现在浏览的是第五十一页，共62页固溶体中间相(金属化合物)间隙固溶体置换固溶体合金相 你现在浏览的是第五十二页，共62页固溶体固溶体的分类固溶体的分类按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。为有限固溶体和无限固溶体两种。按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固溶体按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固溶体分为有序固溶体和无序固溶体两种。分为有序固溶体和无序固溶体两种。合金的组元通过溶解形成一种成分及性合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。组元为溶剂，另一组元为溶质。你现在浏览的是第五十三页，共62页置换固溶体当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子。原子。你现在浏览的是第五十四页，共62页置换固溶体的固溶度影响因素晶体结构：晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。组元间结构类型相同，溶解度越大。原子尺寸：你现在浏览的是第五十五页，共62页间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体 你现在浏览的是第五十六页，共62页你现在浏览的是第五十七页，共62页固溶体的性质固溶体的性质通过形成固溶体而产生晶格畸变，使金属强度和硬度提高的现象通过形成固溶体而产生晶格畸变，使金属强度和硬度提高的现象称为称为固溶强化固溶强化。固溶强化是金属强化的重要方式之一。固溶体的综合力学性能较好，固溶强化是金属强化的重要方式之一。固溶体的综合力学性能较好，常作为结构合金的常作为结构合金的基体相基体相。你现在浏览的是第五十八页，共62页正常价化合物：正常价化合物：符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子化合物晶体格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型。型。你现在浏览的是第五十九页，共62页电子化合物电子化合物指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物。电子化合物的指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物。电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。你现在浏览的是第六十页，共62页间隙相间隙相是当非金属原子半径与金属原子半是当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于径的比值小于0.59时，将形成具有简单晶体时，将形成具有简单晶体结构的金属间化合物。结构的金属间化合物。化学式类型化学式类型钢中可能遇到的间隙相化学式钢中可能遇到的间隙相化学式晶格类型晶格类型M4XFe4 N，Nb4 C，Mn4 C面心立方面心立方M2XFe2 N，Cr2N，W2C，Mo2C密排六方密排六方MXTaC，TiC，ZrC，VCTiN，ZrN，VNMoN，CrN，WC面心立方面心立方体心立方体心立方简单六方简单六方MX2VC2，CeC2，ZrH2，TiH2，LaC2面心立方面心立方你现在浏览的是第六十一页，共62页类型类型简单结构间隙化合物简单结构间隙化合物复杂结构间隙化合物复杂结构间隙化合物化学式化学式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23 C6Fe3 C硬度硬度HV28502840201020501550173014801650800熔点熔点/3080347220265036805039802785 5252715771227间隙化合物间隙化合物当非金属原子半径当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于与金属原子半径的比值大于0.59时，将形成具有复杂晶体结构的时，将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，间隙化合物也具金属间化合物，间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低点和硬度以及化学稳定性都要低一些。一些。你现在浏览的是第六十二页，共62页
