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1、第一章 晶体材料的结构 晶体学基础知识 晶向与晶面指数 纯金属常见的三种晶体结构 材料的实际晶体结构 点缺陷 线缺陷位错 面缺陷晶体中的界面引言 材料的结构与性能一、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-scale architecture),在材料学中常称 为晶体结构或相结构(Crystalline/lattice structure),对应有晶体(crystal)和非晶体(non -crystal);另一种是微观尺度的结构 (microscopic-scale architecture),在材料学 科中常称为显微组织(mic
2、rostructure),对应于 金相(morphology)。引言 材料的结构与性能二、材料的结构对性能的影响1. 晶体结构对性能的影响Contrast in mechanical behavior of (a) aluminum (relatively ductile) and (b) magnesium (relatively brittle) resulting from the atomic-scale structureComparison of crystal structures for (a) aluminum and (b) magnesium.引言 材料的结构与性能二、材
3、料的结构对性能的影响2. 显微组织对性能的影响第一节 晶体基础知识 一、原子的排列方式 分子的构成 有的分子是单原子,如金属材料;有的 是几个相同或不同的原子,如陶瓷材料;有的分子 中包含的数千或更多的原子,如高分子材料。 1. 非晶体原子排列:粒子(原子、离子或分子)无规则的堆积。特点:1. 各向同性; 2. 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; 3. 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。一、原子的排列方式2. 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。特点:1. 各向异性:不同方向原子的排列
4、方式不 相同,因而其表现的性能也有差异 2. 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液体。3. 部分晶体 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 二、晶格与晶胞第一节 晶体基础知识晶格为了表达空间原子排列的几何规律,把粒子(原 子或分子)在空间的平衡位置作为节点,人为地 将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的 空间格架称为晶格。 二、晶格与晶胞第一节 晶体基础知识晶胞:构成晶格的最基本单元。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 。晶胞要顺序满足能充分反映
5、整个空间点阵的对称性,具有 尽可能多的直角,体积要最小 。 点阵常数: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。三、晶系第一节 晶体基础知识按点阵常数的特征对晶体的分类。第二节 晶向与晶面指数 一、晶向与立方晶系晶向指数 晶向:空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的 连线的方向,代表了晶体中原子列的方向。 晶向指数:表示晶向方位符号。 标定方法 :1.建立坐标系 结点为原点,三棱为方向, 点阵常数为单位 ;2.在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1) (x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标,让在第 一点在原点则下一步更简单); 3
6、.计算x2-x1 : y2-y1 : z2-z1 ; 4.化成最小、整数比u:v:w ;5.放在方括号uvw中,不加逗号,负号记在 上方 。一、晶向与立方晶系晶向指数第二节 晶系晶向与晶面指数晶向族:原子排列情况相同,但空间间位向不同的一组组 晶向的集合。 表示方法:用尖括号表示 。举例 :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。 晶向指数特征:与原点位置无关;每一指数对应一组 平行的晶向。 二、晶面与立方晶系晶面指数第二节 晶系晶向与晶面指数晶面:空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面, 代表了晶体中原子列的方向。 晶面指数:表示晶面方位的符号。 标定方法:1.建立坐标
7、标系 结结点为为原点,三棱为为方向, 点阵阵常数为单为单 位 (原点在标定面以外, 可以采用平移法); 2.晶面在三个坐标标上的截距a1 a2 a3 ; 3.计计算其倒数 b1 b2 b3 ; 4.化成最小、整数比h:k:l ; 5.放在圆圆方括号(hkl),不加逗号,负负号记记 在上方 。二、晶面与立方晶系晶面指数第二节 晶系晶向与晶面指数晶面族:原子排列情况相同,但空间间位向不同的一组组 晶面的集合。 表示方法:用花括号hkl表示。 举例 :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。 晶面指数特征:与原点位置无关;每一指数对应一组 平行的晶面。 三、六方晶系晶面与晶向指
8、数第二节 晶系晶向与晶面指数1、晶面指数:1) 建立坐标标系:在六方晶系中,为了 明确的表示晶体底面的(六次)对称 性,底面用互成120度的三个坐标 轴x1、x2、x3,其单位为晶格常数 a,加上垂直于底面的方向Z,其单 位为高度方向的晶格常数c。注意 x1、x2、x3三个坐标值不是独立的 变量。 2) 方法同立方晶系, (hkil)为在四个 坐标轴的截距倒数的化简,自然可 保证关系式hkI0。底面指数 为(0001),侧面的指数为(1010)。三、六方晶系晶面与晶向指数第二节 晶系晶向与晶面指数2、晶向指数标定方法:1. 平移晶向(或坐标),让原 点为晶向上一点,取另一 点的坐标,有:2.
9、并满足pqr0 ;3. 化成最小、整数比 u:v:t:w 4. 放在方方括号uvtw,不加逗号,负负号记记在上方 。三、六方晶系晶面与晶向指数第二节 晶系晶向与晶面指数3、晶向族与晶面族1) 同一族的晶向或晶面 也具有等同的效果;2) 三个水平方向具有等 同的效果,指数的交 换只能在他们之间进 行,Z轴只能改变符 号 ;3) 改变符号时,前三项要满足pqr0的相关性 要求。三、其他晶体学概念 第二节 晶向与晶面指数2.晶面的原子密度:该晶面单位面积上的节点(原子)数。 1.晶向的原子密度:该晶向单位长度上的节点(原子)数。3.晶带带和晶带轴带轴 :相交和平行于某一晶向的所有晶面 的组组合称为为
10、晶带带,此直线线叫做它们们的晶带轴带轴 。晶 带带用晶带轴带轴 的晶向指数表示。在立方晶系中有 : 晶面(hkl)和其晶带轴带轴 uvw 的指数之间满间满 足关系:三、其他晶体学概念 第二节 晶向与晶面指数4.晶面间距:指相邻两个平行晶面之间的距离。 晶面间的距离越大,晶面上的原子排列越密集。 同一晶面族的原子排列方式相同,它们的晶面间 的间距也相同。 不同晶面族的晶面间距也不相同。 在简单立方晶胞中 复杂杂立方晶胞 其中fcc和bcc晶体中m一般为2,但要具体分析。 三、其他晶体学概念 第二节 晶向与晶面指数5.两晶向之间的夹角:在立方晶系中按矢量关系,晶向u1v1w1与u2v2w2 之间的
11、夹角满满足关系:在立方晶系,晶面之间的夹角也就是为其法线的夹角 , 用对应的晶向同样可以求出。非立方晶系,晶面或晶向之间的夹角可以计算,但要 复杂许多。第三节 纯金属常见的晶体结构结构特点:以金属键结合,失去外层电子的金属离子与 自由电子的吸引力。无方向性,对称性较高的密堆 结构。 常见结构:体心立方 bcc Body-centered cubic面心立方 fcc Face-centered cubic 密堆六方 cph Close-packed hexagonal一、体心立方第三节 纯金属常见的晶体结构原子位置 立方体的八个顶角和体心 体心立方中原子排列第三节 纯金属常见的晶体结构在体心立方
12、晶格中密排面为110,密排方向为体心立方中的 间隙第三节 纯金属常见的晶体结构八面体间隙 :位置 面心和棱中点 单单胞数量 12/4 + 6/2 = 6大小 四面体间隙 :侧侧面中心线线1/4和3/4处处 12 个 二、面心立方第三节 纯金属常见的晶体结构原子位置 立方体的八个顶角和每个侧侧面中心 面心立方中原子排列第三节 纯金属常见的晶体结构在面心立方晶格中密排面为111,密排方向为面心立方中的间隙第三节 纯金属常见的晶体结构将原子假定为 刚性球,他们在堆 垛排列时必然存在 间隙。在面心立方 晶格中存在的间隙 主要有两种形式: 八面体间隙 :位置 体心和棱中点单单胞数量 12/4 + 1 =
13、 4 大小 四面体间隙 :位置 四个最近邻邻原子的中心 单单胞数量 8 大小 三、密堆六方第三节 纯金属常见的晶体结构原子位置 12个顶顶角、上下底心和体内3 处处 在密堆六方晶格中密排面为0001,密排方向为密堆六方中的 间隙第三节 纯金属常见的晶体结构八面体间隙 :位置 体内 单单胞数量 6大小 四面体间隙 :位置 棱和中心线线的1/4和3/4处处 单胞数量 12大小四、面心立方和 密堆六方的原子 堆垛第三节 纯金属常见的晶体结构原子的密排面的形式 :在平面上每个原子 与六个原子相切。 hcp中为为(0001)面,按 ABABABABAB-方式堆垛垛 Fcc中为为111面, 按 ABCAB
14、CABCABC-方式堆垛垛 五、其他晶体结构第三节 纯金属常见的晶体结构将两个原子为一组,满足面心立方关系。五、其他晶体结构第三节 纯金属常见的晶体结构侧面原子不在中心面心正方三斜六、其他概念第三节 纯金属常见的晶体结构同素异晶转变 大部分金属只有一种晶体结构,但也 有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体 结构,即具有多晶型。当外部条件(如温度和压力)改 变时,金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的 转变称为多晶型转变或同素异晶转变。铁的同素异晶 转变在热处理中有非常重大的意义 六、其他概念第三节 纯金属常见的晶体结构原子半径 当大量原子通过键合组成紧密排列的晶体 时,利用原
15、子等径刚球密堆模型,以相切两刚球的中 心距(原子间距)之半作为原子半径。原子半径的测量 方法是利用X射线来先确定其晶体结构的类型和一些 晶面的间距,然后根据晶体结构中原子排列的关系计 算出。 原子的半径并不是固定不变的,它随着结合键的类型和外 界环境不同而不同。一般表现规律为:温度升高,原子半径 增大;压力增大,原子半径减小;原子间结合键愈强,如离 子键或金属键,原子间距相应较小,即原子的半径也较小; 晶体中,原子的配位数的降低,原子的半径也随之减小,在同 素异晶转变中,这种改变可减小转变中的体积变化,铁的面心 立方与体心立方晶格之间的变化就是一例。 第四节 材料的实际晶体结构一、多晶体结构单
16、晶体:一块晶体材料,其内部 的晶体位向完全一致时,即 整个材料是一个晶体,这块 晶体就称之为“单晶体”,实 用材料中如半导体集成电路 用的单晶硅、专门制造的金 须和其他一些供研究用的材 料。 一、多晶体结构第四节 材料的实际晶体结构多晶体:实际应用的工程材料 中,那怕是一块尺寸很小 材料,绝大多数包含着许 许多多的小晶体,每个小 晶体的内部,晶格位向是 均匀一致的,而各个小晶 体之间,彼此的位向却不 相同。称这种由多个小晶 体组成的晶体结构称之为 “多晶体”。 一、多晶体结构第四节 材料的实际晶体结构晶粒:多晶体材料中每个 小晶体的外形多为不规则 的颗粒状,通常把它们叫 做“晶粒”。 晶界:晶粒与晶粒之间的 分界面叫“晶粒间界”,或 简称“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。 二、多晶体的组织 与性能:第四节 材料的实际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