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1、材料科学基础-考研辅导第1章 晶体结构 第2章 晶体缺陷 第3章 固体中的扩散 第4章 材料的变形和再结晶 第5章 金属凝固 第6章 二元相图 第7章 三元相图 固态相变原理注重基本概念和基本理论, 突出重点, 适当练习 (只将讲金属部分,不讲陶瓷和高分子材料部分) 要求: 课前预习,带着问题来听课主要内容1.2晶体结构1 晶体学的几个概念空间点阵指几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列是人为的对晶体结构的抽象。Chapter 1 The structure of crystalline solids晶胞构成晶格的最基本单元阵点或结点构成空间点阵的每一个点晶格将阵点用一系列相互平行
2、的直线连接起来所形成的空间格架常用于表示空间点阵的几何规律。2.晶胞Chapter 1 The structure of crystalline solids晶胞结构描述点阵常数 (晶格常数:三个棱边的长度 abc夹角Chapter 1 The structure of crystalline solids选取晶胞原则1 能充分反映整个空间点阵的对称性2 尽可能多的直角3 所选取的晶胞体积最小可根据晶胞的类型对晶体进行分类3 晶系和布拉菲点阵棱边长度a,b,c轴之间夹角: 根据晶胞棱边长度之间的关系和晶轴之间夹角对空间点阵分类, 所有晶体可归为7个晶系,14种点阵7个晶系14种点阵4 晶向指数
3、和晶面指数用于表示不同晶面和晶向的一种符号1) 晶向空间点阵中一个方向,代表晶格中原子列的方向晶向指数标定Chapter 1 The structure of crystalline solidsoA111PCB建立坐标系待定晶向上选取一点(最方便的点),确定其坐标值化整最小整数并加方括号 uvw举例OB=PA=110OA=111 一个晶向指数代表相互平行、方向 一致的所有晶向 若晶体中两晶向相互平行但方向相反则晶向指数中的数字相同符号相反 晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向称为晶向族 如立方晶系中Chapter 1 The structure of crystalline sol
4、ids1000010100100011001002) 晶面通过空间点阵中的任意一组阵点的原子平面确定晶面指数Chapter 1 The structure of crystalline solids建立坐标系 求待定晶面在三个轴的截距 取三个截距值的倒数 化整并加园括号 hkl晶面指数晶面法线的晶向指数练习 平行晶面的晶面指数相同-一个晶面指数代表一组相互平行 的晶面数字相同正负号相反的是同一晶面 晶体中原子排列情况相同而只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族, hkl, 如立方晶系中111(111)(111)(111)(111)111()111(晶面指数晶面法线的晶向指数 晶向指数与晶面指数的
5、关系* 在立方晶系中具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直 (h k l)h k l uvw晶向与(hkl)晶面平行时, hu+kv+lw=0 3六方晶系的晶向指数和晶面指数三轴系a1a2c四轴系a1a2a3cChapter 1 The structure of crystalline solids四轴晶面指数(hkil)特点 同一平面上的h、k、i三个坐标数中有一个是不独立的i= (h+k)确定六方晶系晶面指数步骤晶面指数与三轴坐标系相同取晶面在四个坐标轴上的截距即可hkil六方晶系晶向指数特点用 uvtw 表示晶向t = (u+v) 确定六方晶系晶向指数步骤1)晶格常数三等分法2)先确定三轴
6、坐标系的晶向指数 UVW然后换算成四轴坐标系的晶向指数 uvtwu = 2U V/3v = 2V U/3t = (u+v)w = W4晶面间距inter-planer spacing相邻两个平行晶面之间的距离222)/()/()/(1clbkahdhkl222lkhadhkl在立方晶系中在简单正交晶系中晶面间距越大晶面上原子排列越密集1coscoscoscoscoscos2222222 clbkahdlckbhadhklhkl上述方法针对简单晶胞对于复杂晶胞 要做修正上述方法针对简单晶胞对于复杂晶胞要做修正(111)3 /3da(100)/2da5晶带相交于某一晶向直线的所有晶面的组合称为晶带
7、,该直线称为晶带轴晶带用晶带轴的晶向指数表示uvw晶带轴uvw与该晶带中任一晶面hkl之间有hu + kv + lw = 0 晶带定律凡满足上式的晶面都属于以 uvw 为晶带轴的晶带1.3纯金属的晶体结构1、典型的晶体结构面心立方结构face-centered cubic fccChapter 1 The structure of crystalline solids点阵常数 : 晶胞中的原子数4配位数12晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数致密度%74 )22()3/4(433 rrVnvK面心立方结构FCCChapter 1 The structure of crystalline
8、 solids顶角原子1/8 x 8 = 1面心位置原子1/2 x 6 = 3原子半径原子间最短距离之半ar42a体心立方结构the body-centered cubic crystal structure BCC A2Chapter 1 The structure of crystalline solids点阵常数ar34ra334晶胞中的原子数 2顶角原子1/8 x 8 = 1体心位置原子1配位数8致密度%68 )3/4()3/4(233 rrVnvK体心立方结构BCCChapter 1 The structure of crystalline solids密排六方结构the hexag
9、onal close-packed crystal structure HCP A3Chapter 1 The structure of crystalline solids点阵常数 a=bcr=a/2, c=1.633a理想状况晶胞中的原子数 6顶角原子1/6 x 12 = 2底心位置原子1/2 x 2 = 1中间层原子3配位数12致密度K=74%密排六方结构 HCP 原子堆垛方式(atom packed structure) 三组晶体结构中各有一组原子密排面和原子密排方向 晶体结构可以视为原子密排面在空间一层层平行堆垛的结果Chapter 1 The structure of crysta
10、lline solidsFCC 111 BCC 110 HCP0001 FCC与HCP的密排堆垛结构Chapter 1 The structure of crystalline solidsFCC: ABCABCHCP: ABABAB.八面体间隙(octahedral interstices)位于六个原子组成的八面体中间的间隙面心立方结构FCC的间隙晶体结构中的间隙(interstices in crystal structure)Chapter 1 The structure of crystalline solids1+12 = 4 个22/0.414244BAarraa位置棱边中心8 x
11、 1 = 8个rB/rA=0.225四面体间隙位于四个原子组成的四面体中间的间隙体心立方结构BCC的间隙Chapter 1 The structure of crystalline solids6 x 1/2 +12 x 1/4 =6 个24 x 1/2 = 12个rB/rA=0.291扁八面体rB/rA=0.15412 x 1/3 + 8= 12个6 x 1 = 6个密排六方结构 HCP 的间隙多晶型性和同素异构polymorphism and allotropy多晶型性同种金属在不同温度和压力下具有不同的晶体结构这种转变称为同素异构转变转变的产物为同素异构体。ExampleFeMnTiSn
12、 Chapter 1 The structure of crystalline solidsFe1.4合金相结构合金相固溶体中间相合金alloy两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼或其它方法制成的具有金属特性的物质。组元component组成合金的基本的独立的物质组元可以是纯金属、非金属元素、或化合物相phase合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。单相合金由一种相组成的合金多相合金由几种不同的相组成的合金1.4.1 固溶体以某一组元为溶剂,在其晶体点阵中溶入其它组元原子(溶质原子所形成的与溶剂有相同的晶体结构的均匀混合的固相置换固溶体在固溶体中溶质原子
13、占据溶剂点阵的阵点所形成的固溶体就称为置换固溶体间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格 间隙而形成的固溶体固溶体的晶体结构与溶 剂基体金属相同影响置换固溶体溶解度的因素 晶体结构 相同可形成无限固溶体不同则只能形成有限固溶体原子尺寸因素 原子半径差小于15%可形成溶解度较大的固溶体 原子半径差大于15%时半径差越大溶解度越低 原因点阵畸变随原子半径差增大而增加化学亲和力, 电负性因素, 溶剂和溶质之间的化学亲和力越大越容易形成化合物 电负性相近的元素间可能有较大的固溶度原子价因素, 或电子浓度因素 电子浓度(electron concentration) 合金中各组成元素的价电子数总和与原子总数的
14、比值 e/a = VA1 x+ VBx x为溶质B的原子分数* 过渡族金属的价电子数规定为零试验规律表明溶质的原子价越高溶解度越低。 溶解度对应电子浓度1.4 超过极限电子浓度1.4),固溶体不稳定可能形成新相即电子浓度因素决定溶解度 利用e/a=1.4 计算的溶解度 Cu-Zn: 10% Cu-Ga13% Cu-Ge: 20%, Cu-As: 40%利用e/a=1.4 计算的溶解度 e/a = VA1 x+ VBx Cu-Zn: 10% Cu-Ga13% Cu-Ge: 20%, Cu-As: 40%间隙固溶体interstitial solid solution 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而
15、形成的固溶体原子半径小且与溶剂原子半径差大于41% 一般为原子半径小于0.1nm的一些非金属元素 H、B、C、N、O0.046、0.097、0.077、0.071、0.061nmChapter 1 The structure of crystalline solids间隙固溶体为有限固溶体产生较大的晶格畸变有较大的强化效果间隙固溶体的溶解度不仅与溶质大小有关也与溶剂晶体结构中间隙的形状和大小有关C在-Fe的溶解度为 0.0218%C在-Fe的溶解度为 2.11%rB/rA= 0.154, 0.633rB/rA= 0.4141.4.2 中间相intermediate phase两种组元组成合金时形成的晶体结构与两组元均不相同的新相。-金属间化合物intermetallic compound中间相大都具有有金属的性质不一定符合化学价规律Cu
