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1、第二章晶体材料的结构 引言晶体学基础知识纯金属常见的晶体结构立方晶系晶向与晶面材料实际的晶体结构 1 材料的结构 Architecture 材料的结构有两个层次 一种是原子尺度的结构 atomic scalearchitecture 在材料学中常称为晶体结构或相结构 Crystalline latticestructure 对应有晶体 crystal 和非晶体 non crystal 微观尺度的结构 microscopic scalearchitecture 在材料学科中常称为显微组织 microstructure 对应于金相 morphology 一 引言 2 材料的结构对性能的影响 晶体结
2、构对性能的影响 二 晶体学基础知识 非晶体 原子排列 粒子 原子 离子或分子 无规则的堆积 特点 各向同性 黏度为其力学性能的基本参数 能保持自己形状的为固体 不能保持自己形状的为液体 随温度的升高黏度减小 在液体和固体之间没有明显的温度界限 半晶常出现在高分子材料或复合材料中结晶度其中晶体所占的比例 晶体 原子排列 粒子 原子 离子或分子 在三维空间呈周期性的规则重复排列 一般情况下金属材料都是晶体 特点 各向异性 不同方向原子的排列方式不相同 因而其表现的性能也有差异固定的熔点 排列规律能保持时呈现固体 温度升高到某一特定值 排列方式的解体 原子成无规则堆积 这时大多呈现不能保持自己形状的
3、液体 晶体 晶体 结构测定 Thetransmissionelectronmicroscopecanbeusedtoimagetheregulararrangementofatomsinacrystallinestructure Thisatomic resolutionviewisalongindividualcolumnsofgalliumandnitrogenatomsingalliumnitride Thedistancemarkeris113picometersor0 113nm 0 113nm 晶体 结构测定 基本概念晶体 原子 或离子 分子 在三维空间呈周期性则规排列的物质称为晶
4、体 晶格 为表示晶体中原子排列的规律 用假想的直线连接各原子的平衡位置而形成的一个三维的几何格架称晶格 晶格中各直线的交点 原子的平衡位置 称结点 晶胞 组成晶格最小的几何单元称晶胞 常以晶格常数a b c和轴间夹角 表示晶胞的形状和大小 晶胞选取原则 晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵 通常为小的平行六面体 晶胞的选取要满足 能充分反映整个空间点阵的对称性 具有尽可能多的直角 体积要最小 平行六面体的三个棱长a b c和及其夹角 可决定平行六面体尺寸和形状 这六个量亦称为点阵常数 按点阵常数分类 晶系 三 纯金属的晶体结构 体心立方晶格 body centredcube 简称bcc 立
5、方体的8个顶点及中心都有1个原子 体对角线上的三个原子紧邻相切 属于体心立方晶格的金属有 钠 Na 钾 K 铬 Cr 钼 Mo 钨 W 钒 V 钽 Ta 铌 Nb 等 铁 Fe 面心立方晶格face centredcube 简称fcc 立方体的8个顶点及每个面的中心都有1个原子 面对角线上的三个原子紧邻相切 属于面心立方晶格的金属有 金 Au 银 Ag 铜 Cu 铝 Al 镍 Ni 铂 Pt 铅 Pb 等 铁 Fe 密排六方晶格 hexagonalclose packedlattice 简称hcp 晶胞内每一原子与周围6个原子相切 与上 下层各3个原子也相切 是最紧密的原子排列方式 底面上相邻
6、原子都紧邻相切 属于密排六方晶格的金属有 镁 Mg 锌 Zn 镉 Cd 钛 Ti 铍 Be 等 比较fcc hcp的结构 两者的配位数与致密度都相等 所以 fcc与hcp都是最紧密的原子排列形式 fcchcp 四 立方晶系中的晶向与晶面 晶向 晶体中各方向的原子列晶面 晶体中各方位的原子面为了研究晶向与晶面在晶体中的作用 须用数学方式描述其位向 晶向指数表示各原子列方向的数学符号标定步骤 从零引射线 取点求坐标 如1 1 0 变简加方括 110 数字间不加标点 0表示平行于某一坐标平面 有负号则置于数字上方 说明 一个晶向指数表示一系列平行同向的晶向 uvw 与 uvw 平行反向 所有原子排列
7、规律相同 方向不同的晶向属同一晶向族 一晶向族中的各晶向的指数的数字相同 但符号 次序不同 以 uvw 记之 如 100 晶向族包括 100 010 001 三个晶向及反向 100 010 001 共计6个晶向 思考 123 晶向族包括多少晶向 晶面指数表示各原子面方位的数学符号标定步骤 三轴求截距 如1 1 2 截距化倒数 则1 2 0 变简加园括 120 数字间不加标点 0表示平行于某一坐标轴 有负号则置于数字上方 说明 一个晶面指数表示一系列平行晶面 所有原子排列规律相同 方位不同的晶面属同一晶面族 一晶面族中的各晶面的指数的数字相同 但符号 次序不同 以 hkl 记之 如 111 晶面
8、族包括 111 111 111 111 共计4个晶面 思考 123 晶面族包括多少晶面 晶向及晶面的原子密度晶向的原子密度 某晶向单位长度上的原子数晶面的原子密度 某晶面单位面积上的原子数体心立方晶格中的原子密度 面心立方晶格中的原子密度 在体心立方晶格中原子密度最大的晶向为 111 原子密度最大的晶面为 110 在面心立方晶格中原子密度最大的晶向为 110 原子密度最大的晶面为 111 因晶向及晶面原子密度不同 导致了单晶体在不同方向上表现出不同的性能 这种现象称为单晶体的各向异性 而多晶体各晶粒的随机取向使材料呈各向同性 实际金属的晶体结构多晶体结构实际金属材料一般为多晶体结构 由许多外形
9、不规则颗粒状小晶体构成 这些小晶体称为晶粒 各晶粒的边界称为晶界 为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡 在晶界处的原子排列总是不规则的 五 金属实际的晶体结构 伪各向同性 多晶体材料中 尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性 每个晶粒在空间取向是随机分布 大量晶粒的综合作用 整个材料宏观上不出现各向异性 这个现象称为多晶体的伪各向同性 多晶体的组织与性能 存在晶体缺陷 点缺陷 空位 晶体中个别原子离开平衡位置转移它处 形成没有原子的空结点 产生空位 间隙原子 处于晶格间隙中的原子 置换原子 占据晶格结点的异类原子 点缺陷附近产生晶格畸变 点缺陷对材料性能的影响 原因 无论那种点缺陷的存在 都会
10、使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡 即造成小区域的晶格畸变 效果 提高材料的电阻定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力 陷阱 增加了阻力 加速运动提高局部温度 发热 加快原子的扩散迁移空位可作为原子运动的周转站 形成其他晶体缺陷过饱和的空位可集中形成内部的空洞 集中一片的塌陷形成位错 改变材料的力学性能空位移动到位错处可造成刃位错的攀移 间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力 会使强度提高 塑性下降 线缺陷 位错 位错是晶体中若干列原子发生有规律错排的现象 常见的一种为刃位错 出现半原子面而形成的位错 刃边附近的原子都偏离平衡位置 形成一个晶格畸变的管道 这就是位错线 如图中EF线
11、金属材料内部的位错受力时会运动 附近产生应力场 位错之间会发生复杂的交互作用 对金属的力学性能会有重大的影响 位错矢量 柏氏矢量Burgersvector 位错矢量的确定方法 在完整晶体中作一封闭回路 在包含位错的区域作一相应的作一回路 由于位错的存在 曲线无法闭合 终点到起点连线 含方向 即为柏氏矢量 刃位错的柏氏矢量与位错线垂直 螺型位错 混合型位错 位错的密度 位错密度 是描述晶体中位错的数量 用单位体积位错线的总长度表示 在金属材料中 退火状态下 按一般平衡状态所得到的材料 位错的密度常在106的数量级 经过较大的冷塑性变形 位错的密度可达1010 12的数量级 但和整个晶体相比还是非常少 所以位错的存在不会影响材料为晶体的基本特性 位错对材料性能的影响 位错线附近的晶格有相应的畸变 有高于理想晶体的能量 位错线附近异类原子浓度高于平均水平 位错在晶体中可以发生移动 即可动 性是材料塑性变形基本方式之一 位错与异类原子的作用 位错之间的相互作用 对材料的力学性能有明显的影响 详细内容到塑性变形一章再论述 面缺陷 晶界 晶界处的原子皆偏离平衡位置 形成晶格畸变 亚晶界 晶粒内存在着位向差很小的微小区域 称为亚晶粒 亚晶界附近也产生晶格畸变 晶格畸变会使晶体的力学 物理化学性能发生重要变化
