1、第二章 晶体材料的结构,晶体学基础知识 立方晶系晶向与晶面 纯金属常见的晶体结构 材料的实际晶体结构,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：,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。,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。
2、 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。 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
3、体。晶胞要顺序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。,三、晶系,第一节 晶体基础知识,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。,按点阵常数对对晶体的分类。,三、晶系,第一节 晶体基础知识,按点阵常数对对晶体的分类。,布拉菲点阵,第二节 立方晶系晶向与晶面指数,一、晶向与晶向指数,晶向：空间点阵中个节点列的方向。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：,建立坐标系 结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位 ； 在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1
4、) (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)； 计算x2-x1 ： y2-y1 ： z2-z1 ； 化成最小、整数比u：v：w ； 放在方括号uvw中，不加逗号，负号记在上方 。,一、晶向与晶向指数,第二节 立方晶系晶向与晶面指数,晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向的集合。,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、晶面与晶面指数,第二节 立方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
5、的方向。 晶面指数：表示晶面方位的符号。,标定方法：,建立坐标系 结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位 （原点在标定面以外，可以采用平移法）； 晶面在三个坐标上的截距a1 a2 a3 ； 计算其倒数 b1 b2 b3 ； 化成最小、整数比h：k：l ； 放在圆方括号(hkl)，不加逗号，负号记在上方 。,二、晶面与晶面指数,第二节 立方晶系晶向与晶面指数,晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶面的集合。,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、原子密度,第二
6、节 立方晶系晶向与晶面指数,晶面的原子密度：该晶面单位面积上的节点(原子)数。,晶向的原子密度：该晶向单位长度上的节点(原子)数。,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。,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-pa
7、cked 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,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,三、密堆六方,第三节 纯金属常见的晶体结构,原子位置 12个顶角、上下底心和体内3处,第四节 材料的实际晶体结构,一、多晶体结构,单晶体:,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
8、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。,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
9、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。,组织：,性能：,组织敏感的性能 组织不敏感的性能,二、晶体中的缺陷,第四节 材料的实际晶体结构,晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。,晶体缺陷的类型：,点缺陷 线缺陷 面缺
10、陷,1、点缺陷,第四节 材料的实际晶体结构,点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。,点缺陷的类型 ：,空位 在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。 间隙原子 在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。 异类原子 在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置。,1、点缺陷,第四节 材料的实际晶体结构,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
11、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、,2、线缺陷,第四节 材料的实际晶体结构,线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错Dislocation,位错的形式 ：,刃型位错 螺型位错 混合型位错,2、线缺陷,第四节 材料的实际晶体结构
12、,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。,3、面缺陷,第四节 材料的实际晶体结构,面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。,面缺陷的形式 ：,晶界面 亚晶界面 相界面(两个不同类型晶体的分界面),
