工程材料学 第02章 晶体结构.ppt

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1、第二章第二章 晶体材料的结构晶体材料的结构晶体学基础知识晶体学基础知识立方晶系晶向与晶面立方晶系晶向与晶面纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构第一节第一节 晶体结构基础知识晶体结构基础知识晶体结构概念晶体结构概念 材材料料的的性性能能不不仅仅与与其其组组成成原原子子的的本本性性及及原原子子间间结结合合键键类类型型有有关关，还还与与晶晶体体中中原原子子在在三三维维空空间间长长程程有有序序排排列列方方式式有有关关。原原子子在在三三维维空空间间的的有有序序排排列列特特征称为征称为晶体结构。晶体结构。不不同同材材料料其其原原子子可可能能具具有有不不同同的的空空间

2、间排排列列不不同的晶体结构。同的晶体结构。甚甚至至同同一一种种材材料料，在在不不同同的的环环境境下下也也有有不不同同的的原原子排列子排列同素异构。如：同素异构。如：C，Fe一、一、晶格及晶胞晶格及晶胞 晶格：晶格：晶晶体体材材料料中中原原子子的的排排列列是是具具有有长程有序长程有序（即：（即：平移对称性平移对称性）的。）的。将将晶晶体体中中在在三三维维空空间间有有序序排排列列的的原原子子视视为为等等径径的的刚刚球球质质点点，并并在在三三维维空空间间中中紧紧密密堆堆积积，然然后后用用一一些些假假想想的的平平行行直直线线，将将所所有有质质点点的的中中心心连连接接起起来来，便便构构成成了了一一个个三

3、三维维的的几几何何格格架架。这这个个抽抽象象出出来来的的用用于于描描述述原原子子在在晶晶体体中中的的位位置置和和排排列列方方式式的的几几何何格格架架，称称为为晶晶格格。晶晶格格中中各各线的线的交点交点称为结点（或称为结点（或阵点阵点）。）。第一节第一节晶体基础知识晶体基础知识第一节第一节晶体基础知识晶体基础知识晶胞晶胞 从晶格中取一个从晶格中取一个最小最小的立体单的立体单元（最小的元（最小的平行六面体平行六面体）称为）称为晶胞晶胞。晶格是晶胞在空间的叠加。晶格是晶胞在空间的叠加。晶胞的选择原则：晶胞的选择原则：能充分反映整个空间点阵的能充分反映整个空间点阵的对称对称性性。晶胞内的棱、角相等的数

4、目最多，晶胞内的棱、角相等的数目最多，且具有尽可能多的直角。且具有尽可能多的直角。体积要最小。体积要最小。二、晶系二、晶系二、晶系二、晶系第一节第一节晶体基础知识晶体基础知识一、晶格常数一、晶格常数在在晶晶胞胞中中取取某某一一点点为为原原点点（通通常常取取在在左左下下角角后后面面一一结结点点），建建立立坐坐标标系系，以以晶晶胞胞的的三三个个棱棱边边作作为为坐坐标标轴轴x x，y y，z z（可可以以是是垂垂直直的的，也也可可以以不不垂垂直直）。以以三三边边的的长长度度a a，b b，c c及及相相互互间间夹夹角角，六六个个参参数数来来表表示示晶晶胞胞的的大大小小和和形形状状，其其中中三三棱棱边

5、边的的长长度度a a，b b，c c 称为晶格常数称为晶格常数，它们反映了晶胞的大小。，它们反映了晶胞的大小。按按a a、b b、c c是否相等，是否相等，、是否为直角是否为直角将全部晶体分为将全部晶体分为7 7个晶系个晶系：二二晶格常数与晶系晶格常数与晶系三、三、三、三、14141414种晶胞（点阵）或种晶胞（点阵）或种晶胞（点阵）或种晶胞（点阵）或 BravaisBravaisBravaisBravais点阵点阵点阵点阵第一节第一节晶体基础知识晶体基础知识1、7个简单晶胞（晶胞中只含有一个原子）个简单晶胞（晶胞中只含有一个原子）a=b=c,=90 a b c,=90 a=b c,=90 =

6、120 a b c,90 a=b=c,=90 a=b c,=90 a b c,=90 角顶原子：角顶原子：8个单胞共有；个单胞共有；面上原子：面上原子：2个单胞共有；个单胞共有；胞内原子：单胞独有胞内原子：单胞独有2 2、7 7个复杂晶胞（晶胞中所含原子数大于个复杂晶胞（晶胞中所含原子数大于个复杂晶胞（晶胞中所含原子数大于个复杂晶胞（晶胞中所含原子数大于1 1）a=b=c,=90 a=b c,=90 a b c,=90 a b c,=90 a b c,=90 第二节第二节 立方晶系晶向与晶面指数立方晶系晶向与晶面指数一、晶向与晶面的概念一、晶向与晶面的概念晶晶向向：在在晶晶胞胞中中，通通过过若

7、若干干原原子子中中心心（结结点点）连连接接一一起起的的具具有有不不同同空间方位的直线空间方位的直线晶向晶向任何两个结点间的连线即构成任何两个结点间的连线即构成一个晶向。一个晶向。晶晶面面：在在晶晶胞胞中中，通通过过若若干干原原子子中中心心构构成成的的二二维维平平面面晶面晶面二、晶向指数的标定二、晶向指数的标定1 1、为什么要标定为什么要标定为什么要标定为什么要标定：区别不同方位的晶向区别不同方位的晶向区别不同方位的晶向区别不同方位的晶向,因为材料在不同晶向上会因为材料在不同晶向上会因为材料在不同晶向上会因为材料在不同晶向上会表现出不同的性能。表现出不同的性能。表现出不同的性能。表现出不同的性能

8、。标定形式：标定形式：标定形式：标定形式：采用采用采用采用millermiller指数（英国晶体学家，指数（英国晶体学家，指数（英国晶体学家，指数（英国晶体学家，19391939）2 2 2 2、标定方法：标定方法：标定方法：标定方法：1.1.以晶胞中某一原子为原点，以晶胞中某一原子为原点，建立建立坐标系坐标系，以三棱边为坐标轴；以，以三棱边为坐标轴；以 a a，b b，c c为单位矢量为单位矢量；2.2.在晶向上任取两点，坐标为：在晶向上任取两点，坐标为：A(xA(x1 1,y,y1 1,z,z1 1)B(x)B(x2 2,y,y2 2,z,z2 2)；3.AB3.AB晶向：计算晶向：计算x

9、 x2 2-x-x1 1 ：y y2 2-y-y1 1 ：z z2 2-z-z1 1；4.4.化成最小整数比化成最小整数比u u：v v：w w；5.5.放在方括号放在方括号uvwuvw中，中，不加逗号不加逗号，负号记在上方负号记在上方。A（x1y1z1）B（x2y2z2）说明：说明：（a）一个晶向指数表示的是一组）一个晶向指数表示的是一组互相平行互相平行，方向一致方向一致的所有晶向。因为晶体中的原子排列具有对称性，相互平行的所有晶向。因为晶体中的原子排列具有对称性，相互平行的直线上的原子排列完全一样的直线上的原子排列完全一样。如：AB=DE坐标坐标：A（1，1，0）B（0，1，1）C（1，1

10、，1）O（0，0，0）举例举例举例举例:求求求求 AB,OCAB,OC晶向指数晶向指数晶向指数晶向指数 B(0,1,1)A(1,1,0)C(1,1,1)O(0,0,0)DEB(0,1,1)（b)b)b)b)晶向族晶向族晶向族晶向族 B(0,1,1)A(1,1,0)C(1,1,1)O(0,0,0)DEB(0,1,1)如如如如：AO(OA),DE(ED),OB(BO),AO(OA),DE(ED),OB(BO),DC(CD)DC(CD)等均为同等的，等均为同等的，可用可用 OAOA表示，表示，即：即：由于晶体中原子排列的由于晶体中原子排列的由于晶体中原子排列的由于晶体中原子排列的对称性对称性对称性对

11、称性，存，存，存，存在许多在许多在许多在许多原子排列相同原子排列相同原子排列相同原子排列相同，但，但，但，但方向不同方向不同方向不同方向不同的晶向，在晶体学上，这些晶向是的晶向，在晶体学上，这些晶向是的晶向，在晶体学上，这些晶向是的晶向，在晶体学上，这些晶向是同等的同等的同等的同等的,统称为统称为统称为统称为晶向族晶向族晶向族晶向族，用，用，用，用uvwuvw表示表示表示表示 .共共12个个 可见任意交换指数可见任意交换指数的位置和改变符号的位置和改变符号后的所有结果都是后的所有结果都是该族的范围。该族的范围。原子排列相同的晶原子排列相同的晶原子排列相同的晶原子排列相同的晶向具有相同的性质向具

12、有相同的性质向具有相同的性质向具有相同的性质三、三、晶面指数的标定晶面指数的标定为什么标定：为什么标定：为什么标定：为什么标定：区别不同方位，不同原子排列的晶面，同样以区别不同方位，不同原子排列的晶面，同样以区别不同方位，不同原子排列的晶面，同样以区别不同方位，不同原子排列的晶面，同样以 M M M Milleriller指数标定指数标定指数标定指数标定 标定方法：标定方法：标定方法：标定方法：1.1.建立坐标系：以一个原子中心为原点，建立坐标系：以一个原子中心为原点，以三棱边为坐标轴，以以三棱边为坐标轴，以a a，b b，c c为单为单位矢量；位矢量；2.2.求出待标定晶面在三个坐标轴上的截

13、求出待标定晶面在三个坐标轴上的截距，如距，如 m m、n n、p p；3.3.计计算其倒数算其倒数 b1 b2 b3b1 b2 b3 ；4.4.化成化成最小最小、整数整数比比 h h：k k：l l ；5.5.放在放在圆圆方括号方括号(hkl)(hkl)，不加逗号，不加逗号，负负号号记记在上方在上方 。3 举例 标定右图中阴影晶面的指数标定右图中阴影晶面的指数 求截距求截距 OXOX1 1，OYOY1 1，OZOZ求倒数求倒数 1/11/1，1/1,1/11/1,1/1，1 1，0 0写出晶面指数写出晶面指数 （110110）求截距求截距 OXOX-1-1，OYOY，OZOZ 1 1求倒数求倒

14、数 -1/1,1/,1/1 -1-1/1,1/,1/1 -1，0 0，1 1写出晶面指数写出晶面指数:注意：注意：（hklhkl）表示一组相互平行的晶面。如）表示一组相互平行的晶面。如A A面，面，B B面具有相同的晶面指数（面具有相同的晶面指数（001001），），指数指数符号正好相反的晶面亦相互平行符号正好相反的晶面亦相互平行；若待标定晶面通过原点，可将坐标系适当平若待标定晶面通过原点，可将坐标系适当平移，再求截距，如移，再求截距，如B B面面平移至平移至A A面位置；面位置；AB晶面族晶面族晶面族晶面族 原子排列情况相同，但空原子排列情况相同，但空间间位向位向不同的一不同的一组组晶晶面的

15、集合，面的集合，称为称为晶面族晶面族。原子排列相同原子排列相同的晶面性质相同。的晶面性质相同。表示方法：表示方法：用用大大括号括号hklhkl表示表示。举例：举例：可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。都是该族的范围。同学们自己排列同学们自己排列123晶面族晶面族6个个三、三类典型的晶体结构三、三类典型的晶体结构体心立方体心立方 BCC BCC Body-centered cubic面心立方面心立方 FCC FCC Face-centered cubic密堆六方密堆六方 CPH CPH Close-packed hexagona

16、l1 1、体心立方（体心立方（BCCBCC）结构特征结构特征：每每个角顶上各有一个原个角顶上各有一个原子子,体心中有一个原子体心中有一个原子 a=b=ca=b=c，=9090常见金属常见金属：-Fe-Fe，V V，TaTa，NbNb，CrCr，MoMo，W W等等 2、面心立方、面心立方（FCC）特征特征：每每个角顶上各有一个原子个角顶上各有一个原子,各个面中心各个面中心有一个原子有一个原子 a=b=ca=b=c，=9090常见金属常见金属：Ag，Au，Ni，CuPd，Pt，-Fe等等 三、密堆六方三、密堆六方 特征：特征：1212个个顶顶角角各一个原子各一个原子、上、上下下面中心各一个原子，

17、面中心各一个原子，体内体内3 3个原个原子子（位于对称中心处）（位于对称中心处）a=b c,=90，=120 通常：通常：c/a=1.633常见金属常见金属：Mg，Zn，TiTi，ZrZr，等，等 原子半径：原子半径：原子半径：原子半径：将晶体中原子视为等径刚球，并认将晶体中原子视为等径刚球，并认将晶体中原子视为等径刚球，并认将晶体中原子视为等径刚球，并认为是紧密堆积的，原子半径视为晶为是紧密堆积的，原子半径视为晶为是紧密堆积的，原子半径视为晶为是紧密堆积的，原子半径视为晶胞中胞中胞中胞中最近邻最近邻最近邻最近邻两原子中的距离一半。两原子中的距离一半。两原子中的距离一半。两原子中的距离一半。致

18、密度：致密度：致密度：致密度：晶胞中原子自身所占的体积之和与晶晶胞中原子自身所占的体积之和与晶晶胞中原子自身所占的体积之和与晶晶胞中原子自身所占的体积之和与晶胞总体积之比。胞总体积之比。胞总体积之比。胞总体积之比。配位数：配位数：配位数：配位数：配配配配位位位位数数数数是是是是指指指指晶晶晶晶体体体体中中中中与与与与任任任任一一一一原原原原子子子子最最最最近近近近邻邻邻邻且且且且等等等等距距距距离离离离的的的的原原原原子子子子数数数数目目目目。配配配配位位位位数数数数越越越越高高高高晶晶晶晶体体体体越紧密。越紧密。越紧密。越紧密。晶向及晶面的原子密度晶向及晶面的原子密度晶向原子密度：晶向原子密

19、度：晶向原子密度：晶向原子密度：该晶向上该晶向上该晶向上该晶向上单位长度单位长度单位长度单位长度上的原子上的原子上的原子上的原子 数，如数，如数，如数，如FCCFCC在在在在 110110晶向上晶向上晶向上晶向上 的原子密度为：的原子密度为：的原子密度为：的原子密度为：晶面的原子密度：晶面的原子密度：晶面的原子密度：晶面的原子密度：晶面上晶面上晶面上晶面上单位面积单位面积单位面积单位面积上的原子数上的原子数上的原子数上的原子数 如如如如FCCFCCFCCFCC晶胞中（晶胞中（晶胞中（晶胞中（111111111111）面的密）面的密）面的密）面的密 度为：度为：度为：度为：一、体心立方一、体心立

20、方一、体心立方一、体心立方原子位置原子位置:立方体的八个顶角立方体的八个顶角和和晶胞晶胞中心中心各各一个原子。一个原子。第三节第三节纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构体心立方中原子排列体心立方中原子排列不同晶向，不同晶向，不同晶面上的原子密度不同不同晶面上的原子密度不同二、面心立方二、面心立方原子位置原子位置:立方体的八个顶角立方体的八个顶角和每个和每个侧侧面中面中心心各一个原子各一个原子 面心立方中原子排列面心立方中原子排列第三节第三节纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构三、密堆六方三、密堆六方三、密堆六方三、密堆六方原子位置原子位置 1212个个顶顶角、上下底心角、上下底心各一个

21、原各一个原子，子，体内体内3 3各原子。各原子。第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构一、多晶体结构一、多晶体结构单晶体单晶体:一块晶体材料一块晶体材料由一个由一个晶粒晶粒组成。组成。即整个材料是一个晶体，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为这块晶体就称之为“单晶体单晶体”。如单晶硅，水晶石，金刚石如单晶硅，水晶石，金刚石。水晶石水晶石金刚石金刚石冰晶体冰晶体第四节第四节材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构多晶体多晶体:由众多外观不规则，由众多外观不规则，位向位向不同不同的单晶体组成的几何体。的单晶体组成的几何体。一般实际材料均为多晶体。一般实际材料均为多晶体。多晶体中的各单晶体

22、称为多晶体中的各单晶体称为晶粒晶粒，两晶粒之间的界面称为，两晶粒之间的界面称为晶界晶界。晶界不一定是平整的晶界不一定是平整的晶粒与晶界晶粒与晶界:多晶体的组织与性能的方向性多晶体的组织与性能的方向性多晶体的组织与性能的方向性多晶体的组织与性能的方向性：组织：组织：右图所示为纯右图所示为纯Fe的显的显微结构，它是经抛光、腐蚀微结构，它是经抛光、腐蚀后的显微镜放大照片。后的显微镜放大照片。特点：特点：各不规则，明暗不同的几各不规则，明暗不同的几何图形何图形晶粒晶粒晶粒之间的界面晶粒之间的界面晶界晶界（晶界上缺陷多，易腐蚀）（晶界上缺陷多，易腐蚀）明暗不同明暗不同由于取向不同，由于取向不同，方位不同

23、方位不同，耐腐蚀能力亦不，耐腐蚀能力亦不同，引起明暗衬度不同。同，引起明暗衬度不同。组织组织是通过人眼或显微镜是通过人眼或显微镜观察到的形貌。观察到的形貌。性能：性能：单晶体是各向异性：单晶体是各向异性：通常原子排列的密排面。密排方向的强度最大。如通常原子排列的密排面。密排方向的强度最大。如 FeFe（BCCBCC）在在方向上的强度远大于在方向上的强度远大于在方向上方向上的强度的强度多晶体是各向同性：多晶体是各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布

24、，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性。的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性。二、多晶体中的缺陷二、多晶体中的缺陷二、多晶体中的缺陷二、多晶体中的缺陷晶体缺陷：晶体缺陷：正常晶体中原子排列受到破坏正常晶体中原子排列受到破坏缺陷。缺陷。正常晶体中正常晶体中原子完全呈现周期性的重复的排列（原子完全呈现周期性的重复的排列（平移对称性平移对称性）。）。实际晶体中的原子排列不是理想的，不具有完全的平移实际晶体中的原子排列不是理想的，不具有完全的平移对称性，而是存在一些偏离了理想原子排列的区域，对称性，而是存在一些偏离了理想原子排列的区域，这些区这些区域即构成缺陷。域即构成缺陷。缺陷会引起

25、材料性能的巨大变化，如：理想完整晶体的缺陷会引起材料性能的巨大变化，如：理想完整晶体的强度通常是实际晶体的数十倍，甚至数百倍。强度通常是实际晶体的数十倍，甚至数百倍。晶体缺陷的类型：晶体缺陷的类型：点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷1 1 1 1、点缺陷、点缺陷、点缺陷、点缺陷点缺陷：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小在三维空间各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小的晶体缺陷。的晶体缺陷。点缺陷的类型点缺陷的类型：1)1)空位空位在晶格结点位置应有原子的在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为地方空缺，这种缺陷称为“空位空位”。2)2)间隙原子间隙原子在晶格非结点位置，往

26、在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原往是晶格的间隙，出现了多余的原子。间隙原子通常是子。间隙原子通常是小原子小原子，C C，H H，B B等。等。3)3)异类原子异类原子在一种类型的原子组成在一种类型的原子组成的晶格中，的晶格中，不同种类不同种类的原子占据原的原子占据原有的原子位置。有的原子位置。2 2、线缺陷、线缺陷线缺陷线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒量级晶粒量级)，另外两个方向上的尺寸很小另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。其的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的具体形式就是晶体中的位错位错（Disloc

27、ation）位错的形式位错的形式：刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 混合型位错混合型位错刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错位位错错的的产产生生：在在正正常常原原子子排排列列的的晶晶体体中中，某某一一部部分分多多了了一一层层或或少少了了一一层原子面层原子面实实际际晶晶体体材材料料中中都都存存在在位位错错，而而且且位位错错对对材材料料性性能能影影响响很很大大，含含位位错的晶体的强度仅理想晶体的错的晶体的强度仅理想晶体的1/5-1/101)位错线附近的晶格有畸变位错线附近的晶格有畸变，有高于理想晶体的能量；，有高于理想晶体的能量；2)位错线附近位错线附近异类原子浓度高于平均水平异类原子浓度高于平均水

28、平；3)位错在晶体中可以发生移动位错在晶体中可以发生移动，是材料塑性变形基本原因之一；，是材料塑性变形基本原因之一；4)位错与异类原子的作用位错与异类原子的作用，位错之间的相互作用位错之间的相互作用，对材料的力学性能，对材料的力学性能有明显的影响。有明显的影响。位错位错特点特点3 3 3 3、面缺陷、面缺陷、面缺陷、面缺陷面缺陷：面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒量级晶粒量级)，另，另外一个方向上的尺寸很小外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。面缺陷的形式面缺陷的形式：晶界、晶界、亚晶界、亚晶界、相界、相界、层错层错晶体缺陷实例晶体缺陷实例晶体缺陷实例晶体缺陷实例 SiSi中中中中(111)(111)面的晶格像面的晶格像面的晶格像面的晶格像StackingFaultStackingFaultSmallanglegrainboundaryNanostackingfault