第2章材料的晶体结构剖析

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1、,第2章 材料的晶体结构,2.1晶体结构及其表达,2.2金属晶体结构的特点,1,2.1晶体结构及其表达,2.1.1晶格结构与晶胞 2.1.2晶格常数与晶系 2.1.3金属的晶体结构 2.1.4立方晶系中的晶向与晶面,2,2.1.1晶格结构与晶胞,自然界中的固态物质千奇百怪，由原子（离子、分子）堆积 晶体结构是指晶体中原子在三维空间有规律的周期性的具体排列方式 把原子(离子、分子)看成是固定的等径刚球质点 晶体就是由这些刚球堆垛而成，即为原子堆垛模型。,原子堆垛模型,3,阵点：为了清楚的表明原子在空间排列的规律性，常将构成晶体的原子忽略，而将其抽象为几何点，所有阵点的外部环境都相同。 空间点阵：

2、由这些阵点有规则地周期性重复排列所形成的三维空间阵列。 晶格：为了方便起见，人们人为地将阵点用直线连接起来形成空间格子。,2.1.1晶格结构与晶胞,4,由于晶体原子排列呈周期性，因此，可以从晶格中选取一个能够完全反应晶格中原子排列特征的最小的几何单元，来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞 。,2.1.1晶格结构与晶胞,晶格,晶胞,5,2.1.2晶格常数与晶系,晶胞的大小和形状表征 晶格常数：晶胞的棱边长度a、b、c 棱边夹角： 表示 方向确定：前、右、上,6,2.1.2晶格常数与晶系,按晶胞中三个棱边的长度及夹角是否相等，还有夹角是否为直角等原则，分为7种类型,7,2.1.

3、2晶格常数与晶系,14种晶胞,（a）简单立方； （b）面心立方； （c）体心立方 （d）简单正方； （e）体心正方； （f）六方； （g）简单正交；,（h）体心正交； （i）底心正交； （j）面心正交； （k）菱方； （l）简单单斜； （m）底心单斜； （n）简单三斜,8,2.1.3金属的晶体结构,最典型、最常见的金属晶体结构有3种类型：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。 前两种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。,9,2.1.3金属的晶体结构,1 体心立方结构（BBC）,（1）晶格常数：晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90 o（即a=b=c，=90o），其晶格常数只用1个a即可

4、表示。,10,2.1.3金属的晶体结构,1 体心立方结构（BBC）,（2）晶胞原子数： 体心立方晶胞每个角上原子为相邻的8个晶胞所共有。晶胞中心原子完全属于这个晶胞。所以体心立方晶胞中的原子数为1/88 + 1=2个,11,2.1.3金属的晶体结构,1 体心立方结构（BBC）,（3）原子半径： 体对角线长度等于4个原子半径， 所以体心立方晶胞的原子半径r=,a,12,2.1.3金属的晶体结构,1 体心立方结构（BBC）,（4）配位数： 指晶体结构中与任一个原子最邻近、等距离的原子数目。 8 配位数越大，晶体中的原子排列便越紧密。,13,2.1.3金属的晶体结构,1 体心立方结构（BBC）,（4

5、） 致密度或密集系数： 若把原子看做刚性圆球，那么原子之间必然有空隙存在，原子排列的紧密程度可用原子所占体积与晶胞体积之比表示,14,K：晶体的致密度,体心立方晶胞中的原子半径r=,a,晶胞的棱边长度（晶格常数）为a，则其致密度：,K=,=,=,0.68,2.1.3金属的晶体结构,1 体心立方结构（BBC）,15,2.1.3金属的晶体结构,1 体心立方结构（BBC）,具有体心立方结构的金属有Na、K、-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等约30种,16,2.1.3金属的晶体结构,2面心立方结构（FCC）,在晶胞的八个角上各有一个原子，构成立方体，在立方体六个面的中心各有一个原子。 原子半径 ？ a

6、,17,2.1.3金属的晶体结构,2面心立方结构（FCC）,晶格常数: a 原子数为？ 1/88+1/26=4个 配位数？ 12个,18,2.1.3金属的晶体结构,2面心立方结构（FCC）,致密度： = = =0.74,=,=,19,2.1.3金属的晶体结构,3密排六方晶格（HCP）,在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体，上下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有三个原子。 原子数？ 121/6+21/2+3=6个,20,2.1.3金属的晶体结构,3密排六方晶格（HCP）,密排六方结构的晶格常数有两个：一是正六边形的边长a，另一个是上下底面之间的距离c，c与a之比为轴比。,21,2.1.3

7、金属的晶体结构,3密排六方晶格（HCP）,对于典型的密排六方金属，其原子半径为a/2，致密度： K= = = = 0.74,22,2.1.4立方晶系中的晶向与晶面,1. 晶面指数和晶向指数,在晶体结构中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子连线所指的方向称为晶向。,通常以uvw表示晶向指数的普遍形式，若晶向指向坐标为负方向时，则坐标值中出现负值，这时在晶向指数的这一数字之上冠以负号。,23,2.1.4立方晶系中的晶向与晶面,1. 晶向指数,（1）以晶格中某原子为原点，并以晶胞三个棱边为三维坐标的坐标轴X、Y、Z，以棱边长度（即晶格常数）作为坐标轴的长度单位。 （2）从坐标轴原点引一有

8、向直线平行于所求待定直线。 （3）在所引直线上任取一点（为了分析方便，可取距原点最近的那个原子）求出该点在X、Y、Z轴上的坐标值。 （4）将三个坐标值按比例化为最小简单整数，依次写入方括号 中，即得所求的所求晶向指数。一般表达为uvw形式，括号内的三个数不用标点分开。,24,2.1.4立方晶系中的晶向与晶面,1. 晶向指数,在晶体中，尤其在立方晶系中，由于原子排列具有高度的对称性，存在许多原子排列完全相同但彼此不平行的晶向，在晶体学上，这些晶向是等同的，统称为晶向族，用尖括号表示uvw 晶向族100包括100、010，001、1(-)00、01(-)0、001(-)等六个晶向。,25,2.1.

9、4立方晶系中的晶向与晶面,2. 晶面指数,(1)以晶胞的三条相互垂直的棱边为参考坐标轴X、Y、Z，坐标原点O应位于待定晶面之外，以免出现零截距。 (2)以棱边长度(即晶格常数)为度量单位，求出待定晶面在各轴上的截距。 (3)取各截距的倒数，并化为最小简单整数，放在圆括号内，即为所求的晶面指数。,该晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别为1、1/2、1/2，取其倒数为1、2、2，故其晶面指数为(122)。,26,2.1.4立方晶系中的晶向与晶面,2. 晶面指数,说出下面晶面指数？,27,2.1.4立方晶系中的晶向与晶面,2. 晶面指数,晶面族，用大括号hkl表示 100包括(100)、(010)、(

10、001),28,2.1.4立方晶系中的晶向与晶面,2. 晶面指数,图2-12立方晶系的110晶面族,110包括(110)、(101)、(011)、(1(-)10)、(1(-)01)、(01(-)1),29,2.1.4立方晶系中的晶向与晶面,2. 晶面指数,图2-13立方晶系的111晶面族,(111),(1(-)11),(11 (-) 1),(111 (-),30,31,2.1.4立方晶系中的晶向与晶面,1、实际晶体结构是什么样的？,2、晶体缺陷对晶体有什么样的影响？（性能）为什么要研究它？,3、有哪些晶体缺陷？,32,2.2金属晶体结构的特点,2.2.1单晶体与多晶体的概念 2.2.2晶体中的

11、缺陷,33,2.2.1单晶体与多晶体的概念,把晶体看成有原子按一定几何规律作周期性排列而成，即晶体内部的晶格位向是完全一致的，这种晶体称为单晶体 半导体、磁性材料、高温合金材料 各向异性,34,2.2.1单晶体与多晶体的概念,晶粒、晶界 晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。显然晶界处的原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，总是不规则的。这种实际上由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体 各向同性,35,2.2.2晶体中的缺陷,晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体。 实际金属的晶体结构总不可避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整区域,这就是晶体缺陷 晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类,36,2.

12、2.2晶体中的缺陷,1点缺陷 热振动,(a) 空位,37,2.2.2晶体中的缺陷,1点缺陷 异类原子 钢中的氢、氮、碳、硼 比空位畸形严重,(b) 间隙原子,38,2.2.2晶体中的缺陷,1点缺陷 换原子的半径与金属原子的半径相接近或较大,(c) 置换式异类原子,39,影响 造成晶格畸变，这将对金属的性能产生影响，如使屈服强度升高、硬度升高、电阻增大、体积膨胀等。 将加速金属中的扩散过程，因而凡与扩散有关的相变、化学热处理、高温下的塑性变形和断裂等都与点缺陷的存在和运动有着密切的关系。,40,2.2.2晶体中的缺陷,2线缺陷,（a）刃型位错立体图 （b）正刃型位错和负刃型位错,41,2.2.2

13、晶体中的缺陷,2线缺陷,位错密度以单位体积内所包含的位错线的总长度来表示，符号为， =L/V 式中：L位错线总长度；V体积，单位是cm/cm3(或cm-2)。,42,2.2.2晶体中的缺陷,2线缺陷 位错对金属材料的性能影响？,图2-18 位错密度与屈服强度的关系 图2-19 透射电子显微镜观察到的晶体中位错,43,位错影响 位错的存在使晶体强度降低，但当大量位错产生后，强度反而提高，生产中可通过增加位错的办法对金属进行强化，但金属的塑性有所降低。 提高位错密度是金属强化的重要途径之一。,44,2.2.2晶体中的缺陷,3面缺陷,图2-20 多晶体的晶粒性形貌 图2-21 晶界处原子排列示意图,

14、（1）晶界,实际金属为多晶体，有大量外形不规则的多边形小晶粒组成。每个晶粒基本上可视为单晶体。 一般来说，金属纯度越高则晶界宽度越小，反之则越大。,45,2.2.2晶体中的缺陷,3面缺陷,（2）亚晶界,图2-22 Au-Ni合金中的亚晶粒 图2-23 亚晶界结构示意图,多晶体里的每个晶粒内部也不是完全理想的规则排列，而是存在着很多尺寸很小(边长为10-8m10-6m)位向差也很小(小于1o2o)的小晶块，这些小晶块称为亚晶粒 晶界和亚晶界均可以同时提高金属的强度和塑性。晶界越多，位错越多，强度越高；晶界越多，晶粒越细小，金属的塑性变形能力越大，塑性越好。,46,总结 晶体缺陷并不是静止不变的，而是随着温度及加工过程等各种条件的改变而不断变动。它们可以产生运动和交互作用，而且能合并和消失。 结构的不完整性会对晶体的性能产生重大的影响，特别是对金属的塑性变形、固态相变以及扩散等过程都起着重要的作用。,47,作业： p33，2-1、2-2、2-9、,48,谢 谢！,49,50,51,