《第1章金属的晶体结构剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章金属的晶体结构剖析（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,绪 论,2,1. 材料的分类 2. 材料的性能(物理化学力学) 3. 材料的成分-组织-性能之间的关系 4. 加工工艺对性能的影响(如热处理:高速钢钻头加工与被加工) 5. 造成性能差异的原因,3,第一章 金属与合金的晶体结构,4,1 金属原子间的结合 一、金属原子的结构特点,1正电性元素 2负电性元素 3过渡族金属,5,二、金属键,1离子键 2共价键 3金属键,6,4、金属的通性 1) 良好的导电、导热性 2) 正的电阻温度系数 3) 不透明、金属光泽 4) 良好的延展性,7,三、结合力与结合能,双原子模型 排斥力/吸引力（短程力/长程力） 排斥能/吸引能,8,2 金属的晶体结构 一、晶
2、体与非晶体,1含义：晶体是由许多质点（包括原子、离子或分子）在三维空间作有规则的周期性重复排列而构成的固体，非晶体则不呈这种周期性的规则排列。,9,2晶体与非晶体的区别： a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列。 b.晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只存在一个软化温度范围。 c. 晶体具有各向异性,非晶体呈各向同性。,10,3单晶体与多晶体 单晶体 质点按同一取向排列。由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体 多晶体 通常由许多不同位向的小晶体(晶粒）所组成。 晶粒与晶粒之间的界面称为晶界 多晶体材料一般显示出各向同性假等向性。,11,二、晶体结构和空间点阵,晶体结
3、构 指晶体中质点（原子、分子 等）排列的具体方式,12,属于同一种空间点阵的几种晶体结构形式,13,阵点 将构成晶体的实际质点（原子、离子、分子）抽象成纯粹的几何点称为阵点 3空间点阵（简称为点阵） 阵点在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周围环境的模型。,14,15,4晶格（空间格子） 作许多平行的直线把阵点连接起来，构成一个三维的几何格架称为晶格。,16,晶胞 在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的小平行六面体。 整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。,17,晶格常数/点阵常数：晶胞三条棱边的长度a、b、c b. 轴间夹角：晶轴之间的夹角、 c. 晶胞参数： a、b、c及、 d. 基
4、矢：a、b、c 任一阵点的位置，ruvw=Ua+Vb+Wc U、V、W：阵点坐标,18,三、七大晶系和十四种空间点阵,1晶 系 根据晶胞的外形，即棱边长度之间的关系和晶轴夹角的情况,将晶体分为七大晶系。,19,晶系 晶轴长度和夹角 例 三斜 abc 90 K2CrO7 单斜 abc =90 -S 正交 abc =90 -S 六方 a1=a2=a3c =90 =120 Zn， 菱方 a=b=c =90 As， 四方 a=bc =90 -Sn， 立方 a=b=c =90 Fe,20,21,2布拉菲点阵 除了在晶胞的每个角上放置一个阵点之外，还可以在晶胞的其它位置安放阵点，同样满足等同环境的要求。1
5、848年，法国晶体学家布拉菲（A. Bravais）用数学方法证明只能有14种空间点阵，包括： a. 简单晶胞 7个 只有在每个角上含有阵点 b. 复合晶胞 7个 除了每个角外，晶胞内部或面上还含有阵点 并不是每个晶系都包含体心，面心和底心点阵,22,23,3晶体的对称性概念 1）回转对称轴 2）对称面 3）对称中心 4）回转-反演轴,24,25,三、三种典型的金属晶体结构,26,27,1 点阵常数与原子半径R 的关系 晶胞棱边的长度称为点阵常数或晶格常数。对立方晶系a=b=c,点阵常数用a表示即可； 对六方晶系，a1=a2=a3c,需要用a和c两个点阵常数来表示晶胞的大小。 1）面心立方：
6、最密排方向即面对角线方向 原子半径为,28,29,2）体心立方：最密排方向为体对角线方向即 原子半径为R=,30,3）密排六方 a. c/a=1.633（理想情况） 底面上原子间距和上下层间距相等 b. c/a1.633 底面上原子间距和上下层间距不相等,31,32,2 晶胞中的原子数 1）fcc 2）bcc 3）hcp,33,34,3配位数和致密度 1）配位数：在晶体中，与某一原子最邻近且等距离的原子数称为配位数 CN(coordination number) fcc CN=12 hcp c/a=1.633 CN=12 c/a1.633 CN=6+6,35,a. fcc CN=12,36,b
7、. bcc CN=8,37,c. hcp c/a=1.633 CN=12 c/a1.633 CN=6+6,38,39,40,2)致密度：晶胞内原子球所占体积与晶胞体积之比值 a. fcc b. bcc c. hcp,41,4. 晶体结构中的原子堆垛方式 1）密排六方： 密排面为（0001） ABABAB 2) 面心立方： 密排面为111 ABCABCABC,42,43,44,3) 体心六方： 密排面为（100） ABABAB,45,5 . 晶体结构中的间隙,46,1)面心立方 a.八面体间隙：位置是立方体的正中心和每一个棱边中心，其数目 棱边长度 设原子半径为rA，间隙中能容纳的最大圆球子半径
8、rB，则rB / rA = 0.414 b.四面体间隙：位于由一个顶角原子和三个面中心原连接成的正四面体中心，数目为8 rB / rA =0.225,47,2) 密排六方：与面心立方结构相比，这两种结构的八面体和四面体的形状完全相似，但位置不同 a. 八面体间隙 rB / rA = 0.414 b. 四面体间隙 rB /rA = 0.225,48,49,3) 体心立方： a. 八面体间隙：位于立方体每个面中心和每根棱中间，数目为6。 rB / rA = 0.15 rB / rA = 0.633 b. 四面体间隙：位于两个体心原子和两个顶角原子所组成的四面体中心，数目为12。 rB / rA =
9、 0.29,50,51,四、晶面指数与晶向指数,晶向：晶体中的某些方向，涉及到晶体中原子的位置，原子列方向，表示的是一组相互平行、方向一致的直线的指向。 晶面：晶体中原子所构成的平面。 国际上通用的是用密勒指数表示晶面及晶向。,52,（一）晶向指数,1.晶向指数的确定步骤 a.建立坐标系,以某一阵点为原 点O,以三个基矢为坐标轴,以 晶胞边长作为坐标轴的长度单位。 b.作直线OP平行与待标志的晶向 或待标定晶向的直线通过坐标原 点。 c.确定通过原点直线上任一 点的坐标值。 d,将坐标值化为.最小整数并加 上方括号UVW,53,54,2.晶向族 晶体结构中那些原子密度相同的等同晶向称为晶向轴，
10、用表示。 立方晶系中： ：100 010 001 ：111 ： ,55,（二）晶面指数,1步骤： 建立坐标系 确定晶面在各坐标轴上的截距 取截距的倒数，并通分，化为最小的简单 整数（hkl）,56,2晶面族： 晶体中具有等同条件（这些晶面的原子排列情况和面间距完全相同），而只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族，用 hkl 表示。,57,58,（三）晶带,所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。 设晶带轴的指数为UVW，则晶带中任何一个晶面的指数（hkl）都必须满足：hu+kv+lw=0，满足此关系的晶面都属于以UVW为晶带轴的晶带，已知两个非平等的晶面指数为（
11、h1k1l1）和（h2k2l2）则其交线即为晶带轴的指数,59,60,（四）六方晶系的晶面指数与晶向指数 1晶面指数： 若按照以前的方法确定晶面指数，可取a1、a2、C为晶轴，a1、a2之间夹角为120，Ca1，a2 b晶面，晶面指数为（100） C晶面 ( ) 从晶面指数上不能明确表示等同晶面，为了克服这一缺点，采用a1、a2、a3及C四个晶轴，a1、a2、a3之间的夹角均为120，晶面指数以（hkil）表示。上述六个柱面的指数可确定为： 截距 指数 1， -1， （ ） ，1， -1 ， （ ） -1 ， 1 ， （ ） -1 ， 1， （ ） -1 1 （ ） 1 -1 ( ) 这六个晶
12、面可归并为晶面族。 根据立体几何，在三维空间中独立的坐标轴不会超过三个，可证明 i=-(h+k) 或 h+k+i=0,61,2晶向指数,设晶向指数在三轴坐标系 UVW，四轴坐标系中为uvtw 在平面上表示一个点只用两个 坐标，则u+v+t=0，所以 t=-(u+v) (1) 且 a1+a2+a3=0 （2） 任一晶向中为 OR=ua1+va2+ta3+wC （3） 将（2）式代入： OR=ua1+va2-t(a1+a2)+wC =(u-t)a1+(v-t)a2+wC （4） 若用三轴坐标，则 OR=Ua1+Va2+WC （5） 比较（4）（5） （6） 将（1）式代入（6）式，得： （7),6
13、2,（五）晶面间距： 定义：两近邻平行晶面间的垂直距离，用dhkl表示 正交晶系 立方晶系 六方晶系 注：以上公式是针对简单晶胞而言的，如为复杂晶胞，例如体心、面心，在计算时应考虑晶面层数增加的影响，如体心立方、面心立方、上下底（001）之间还有一层同类型晶面，实际 。,63,一般是晶面指数数值越小，其面间距较大，并且其阵点密度较大，而晶面指数数值较大的则相反。,64,五、晶体的各向异性,65,六、同素异晶性（多型性）,当外界条件（温度、压 力）改变时，元素的晶 体结构可以发生转变， 这种性能称作同素异晶 性，或称多型性，这种 转变则称为同素异晶转 变或多型性转变，转变 的产物叫同素异晶体。,
14、66,七、原子大小,表征原子大小通常采用两种量度方法：原子半径和结构原子体积。 1原子半径： 定义 最近邻的两个原子中心之间的距离的一半。 bcc fcc hcp c/a=1.633 c/a1.633 影响因素 A 外界条件 B 配位数：配位数降低时，原子半径收缩。 配位数 12 8 6 4 2 1 原子半径 1.00 0.97 0.96 0.88 0.81 0.72 C 结合键 D 合金化,67,2结构原子体积：晶胞中每个原子占有的体积。即晶胞体积除以晶胞中的原子数。 当元素的晶体结构改变时，其结构原子体积变化很小或基本不变。,假设a1和a2分别为A1和A2结构的点阵常数，当发生A1A2转变时，如果结构原子体积基本不变，则 （1） （2） 由（1）（2）得： ，结果与上述经验规律符合,68,九、金属的其它类型结构 复杂密排结构：四层密排 ABAC ABAC 九层密排 ABCBCACAB
