材料科學(xué)基礎(chǔ)李見課件第1章晶體結(jié)構(gòu)

1、 材料科學(xué)基礎(chǔ) -考研輔導(dǎo) 張俊善第第1 1章章 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)第第2 2章章 晶體缺陷晶體缺陷第第3 3章章 固體中的擴(kuò)散固體中的擴(kuò)散第第4 4章章 材料的變形和再結(jié)晶材料的變形和再結(jié)晶第第5 5章章 金屬凝固金屬凝固第第6 6章章 二元相圖二元相圖第第7 7章章 三元相圖三元相圖固態(tài)相變原理固態(tài)相變原理 注重基本概念和基本理論, 突出重點(diǎn), 適當(dāng)練習(xí) (只將講金屬部分,不講陶瓷和高分子材料部分)要求: 課前預(yù)習(xí),帶著問題來聽課主要內(nèi)容1.2晶體結(jié)構(gòu)1 晶體學(xué)的幾個概念空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣指幾何點(diǎn)在三維空間作周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列，是人為的對晶體結(jié)構(gòu)的抽象。Chapter 1 The

2、 structure of crystalline solids晶胞晶胞構(gòu)成晶格的最基本單元 陣點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)構(gòu)成空間點(diǎn)陣的每一個點(diǎn)晶格晶格將陣點(diǎn)用一系列相互平行的直線連接起來所形成的空間格架，常用于表示空間點(diǎn)陣的幾何規(guī)律。2.晶胞Chapter 1 The structure of crystalline solids晶胞結(jié)構(gòu)描述：點(diǎn)陣常數(shù) (晶格常數(shù)）:三個棱邊的長度 a，b，c夾角：，Chapter 1 The structure of crystalline solids選取晶胞原則：選取晶胞原則： 1 能充分反映整個空間點(diǎn)陣的對稱性；2 盡可能多的直角；3 所選取的晶胞體積最小可根據(jù)晶胞的

3、類型對晶體進(jìn)行分類3 3 晶系晶系和布拉菲點(diǎn)陣布拉菲點(diǎn)陣?yán)膺呴L度：a,b,c軸之間夾角: 根據(jù)晶胞棱邊長度之間的關(guān)系和晶軸之間夾角對空間點(diǎn)陣分類, 所有晶體可歸為7個晶系,14種點(diǎn)陣7個晶系，14種點(diǎn)陣4 4 晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶向指數(shù)和晶面指數(shù)用于表示不同晶面和晶向的一種符號 1) 晶向 空間點(diǎn)陣中一個方向,代表晶格中原子列的方向晶向指數(shù)標(biāo)定Chapter 1 The structure of crystalline solidsoA111PCB 建立坐標(biāo)系； 待定晶向上選取一點(diǎn)(最方便的點(diǎn)),確定其坐標(biāo)值； 化整最小整數(shù)并加方括號 uvwuvw 舉例OB=PA=110OA=111 一個晶向

4、指數(shù)代表相互平行、方向 一致的所有晶向； 若晶體中兩晶向相互平行但方向相反， 則晶向指數(shù)中的數(shù)字相同，符號相反； 晶體中原子排列情況相同但空間位向 不同的一組晶向稱為晶向族晶向族 如立方晶系中：Chapter 1 The structure of crystalline solids1000010100100011001002) 晶面 通過空間點(diǎn)陣中的任意一組陣點(diǎn)的原子平面確定晶面指數(shù)Chapter 1 The structure of crystalline solids 建立坐標(biāo)系； 求待定晶面在三個軸的截距； 取三個截距值的倒數(shù)； 化整并加園括號 （hkl）晶面指數(shù)：晶面法線的晶向指數(shù)練

5、習(xí) 平行晶面的晶面指數(shù)相同-一個晶面指數(shù)代表一組相互平行的晶面； 數(shù)字相同，正負(fù)號相反的是同一晶面； 晶體中原子排列情況相同而只是空間位向不 同的各組晶面稱為晶面族晶面族, hkl, 如立方晶系中：111(111)(111)(111)(111)111()111( 晶面指數(shù)：晶面法線的晶向指數(shù) 晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的關(guān)系晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的關(guān)系 * 在立方晶系中，具有相同指數(shù)的晶向和晶面必定相互垂直 (h k l)h k l uvw晶向與(hkl)晶面平行時, hu+kv+lw=0 3）六方晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù)三軸系 a1 a2 c四軸系 a1 a2 a3 cChapter 1 The str

6、ucture of crystalline solids四軸晶面指數(shù)(hkil)特點(diǎn) ： 同一平面上的h、k、i三個坐標(biāo)數(shù)中有一個是不獨(dú)立的i= (h+k)確定六方晶系晶面指數(shù)步驟：晶面指數(shù)與三軸坐標(biāo)系相同，取晶面在四個坐標(biāo)軸上的截距即可 （hkil）六方晶系晶向指數(shù)特點(diǎn)：六方晶系晶向指數(shù)特點(diǎn)： 用用 uvtwuvtw 表示晶向，表示晶向， t = (u+v)t = (u+v)確定六方晶系晶向指數(shù)步驟：確定六方晶系晶向指數(shù)步驟：1)1)晶格常數(shù)三等分法晶格常數(shù)三等分法2)2)先確定三軸坐標(biāo)系的晶向指數(shù)先確定三軸坐標(biāo)系的晶向指數(shù) UVWUVW， 然后換算成四軸坐標(biāo)系的晶向指數(shù)然后換算成四軸坐標(biāo)系

7、的晶向指數(shù) uvtwuvtw u = u = （2U V2U V）/3/3， v = v = （2V U2V U）/3/3， t = ( t = (u+vu+v) ) w = W w = W4）晶面間距（inter-planer spacing）： 相鄰兩個平行晶面之間的距離222)/()/()/(1clbkahdhkl222lkhadhkl在立方晶系中在簡單正交晶系中晶面間距越大，晶面上原子排列越密集1coscoscoscoscoscos2222222clbkahdlckbhadhklhkl上述上述方法針對簡單晶胞，對于復(fù)雜晶胞方法針對簡單晶胞，對于復(fù)雜晶胞要做修正要做修正上述上述方法方法針

8、對簡單針對簡單晶胞，晶胞，對對于于復(fù)雜復(fù)雜晶胞要做修正晶胞要做修正(111)3 /3da(100)/2da5）晶帶 相交于某一晶向直線的所有晶面的組合稱為晶帶, 該直線稱為晶帶軸 晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示 uvw 晶帶軸uvw與該晶帶中任一晶面（hkl）之間有： hu + kv + lw = 0 晶帶定律：凡滿足上式的晶面都屬于以 uvw 為晶帶軸的晶帶1.3純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、典型的晶體結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu) face-centered cubic ， fcc，Chapter 1 The structure of crystalline solids點(diǎn)陣常數(shù) : 晶胞中的原子數(shù)：4 配位數(shù)：12

9、 晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍 最近鄰且等距離的原子數(shù)致密度%74)22()3/4(433rrVnvK面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）Chapter 1 The structure of crystalline solids頂角原子 1/8 x 8 = 1面心位置原子 1/2 x 6 = 3原子半徑：原子間最短距離之半ar42a體心立方結(jié)構(gòu)（the body-centered cubic crystal structure， BCC， A2）Chapter 1 The structure of crystalline solids點(diǎn)陣常數(shù)ar34 ra334晶胞中的原子數(shù)： 2頂角原子 1/8 x 8 = 1

10、體心位置原子 1配位數(shù)：8致密度%68)3/4() 3/4(233rrVnvK體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）Chapter 1 The structure of crystalline solids密排六方結(jié)構(gòu)（the hexagonal close-packed crystal structure， HCP， A3）Chapter 1 The structure of crystalline solids點(diǎn)陣常數(shù)： a=bc r=a/2, c=1.633a（理想狀況） 晶胞中的原子數(shù)： 6 頂角原子 1/6 x 12 = 2 底心位置原子 1/2 x 2 = 1 中間層原子 3配位數(shù)：12致密度 K

11、=74%密排六方結(jié)構(gòu)（ HCP ）原子堆垛方式(atom packed structure)：三組晶體結(jié)構(gòu)中各有一組原子密排面和原子密排方向， 晶體結(jié)構(gòu)可以視為原子密排面在空間一層層平行堆垛的結(jié)果 Chapter 1 The structure of crystalline solidsFCC： 111 BCC： 110 HCP：0001 FCCFCC與與HCPHCP的密排堆垛結(jié)構(gòu)的密排堆垛結(jié)構(gòu)Chapter 1 The structure of crystalline solidsFCC: ABCABCHCP: ABABAB.八面體間隙(octahedral interstices)：位于六

12、個原子組成的八面體中間的間隙面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）的間隙晶體結(jié)構(gòu)中的間隙(interstices in crystal structure)Chapter 1 The structure of crystalline solids1+12 = 4個22/0.414244BAarraa位置：棱邊中心8 x 1 = 8個rB/rA=0.225四面體間隙：位于四個原子組成的四面體中間的間隙體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）的間隙Chapter 1 The structure of crystalline solids6 x 1/2 +12 x 1/4 =6個24 x 1/2 = 12個r rB B/r/rA A

13、=0.291扁八面體扁八面體 r rB B/r/rA A=0.154=0.15412 x 1/3 + 8 = 12個6 x 1 = 6個密排六方結(jié)構(gòu)（ HCP ）的間隙多晶型性和同素異構(gòu)（多晶型性和同素異構(gòu)（polymorphism and allotropypolymorphism and allotropy）多晶型性：同種金屬在不同溫度和壓力下具有不同的晶體結(jié)構(gòu)； 這種轉(zhuǎn)變稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為同素異構(gòu)體。Example：Fe，Mn，Ti，Sn Chapter 1 The structure of crystalline solidsFe1.4合金相結(jié)構(gòu)合金相固溶體中間相合金（合金

14、（alloyalloy）：兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬 經(jīng)熔煉或其它方法制成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元（組元（componentcomponent）：組成合金的基本的獨(dú)立的物質(zhì)， 組元可以是純金屬、非金屬元素、或化合物相（相（phasephase）：合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu) 和性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成部分。單相合金：由一種相組成的合金多相合金：由幾種不同的相組成的合金 1.4.1 固溶體固溶體以某一組元為溶劑,在其晶體點(diǎn)陣中溶入其它組元原子(溶質(zhì)原子）所形成的與溶劑有相同的晶體結(jié)構(gòu)的均勻混合的固相置換固溶體置換固溶體在固溶體中，溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn)，所形成的固溶體

15、就稱為置換固溶體 間隙固溶體間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑（基體）金屬相同劑（基體）金屬相同影響置換固溶體溶解度的因素影響置換固溶體溶解度的因素：晶體結(jié)構(gòu) 相同可形成無限固溶體，不同則只能形成有限固溶體原子尺寸因素 原子半徑差小于15%，可形成溶解度較大的固溶體； 原子半徑差大于15%時，半徑差越大，溶解度越低； 原因：點(diǎn)陣畸變隨原子半徑差增大而增加化學(xué)親和力, 電負(fù)性因素, 溶劑和溶質(zhì)之間的化學(xué)親和力越大，越容易形成化合物； 電負(fù)性相近的元素間可能有較大的固溶度原子價因素, 或電子濃度因素）： 電子濃度電子濃度(electron

16、concentration) 合金中各組成元素的價電子數(shù)總和與原子總數(shù)的比值 e/a = VA（1 x）+ VB x ； x為溶質(zhì)B的原子分?jǐn)?shù) * 過渡族金屬的價電子數(shù)規(guī)定為零試驗規(guī)律表明，溶質(zhì)的原子價越高，溶解度越低。溶解度對應(yīng)電子濃度1.4超過極限電子濃度（1.4),固溶體不穩(wěn)定，可能形成新相 即電子濃度因素決定溶解度利用e/a=1.4 計算的溶解度Cu-Zn: 40%， Cu-Ga：20%， Cu-Ge: 13%, Cu-As: 10% 利用e/a=1.4 計算的溶解度 e/a = VA（1 x）+ VB x Cu-Zn: 10%， Cu-Ga：13%， Cu-Ge: 20%, Cu-A

17、s: 40%間隙固溶體（間隙固溶體（interstitial solid solutioninterstitial solid solution） 溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體； 原子半徑小，且與溶劑原子半徑差大于41% ； 一般為原子半徑小于0.1nm的一些非金屬元素， H、B、C、N、O（0.046、0.097、0.077、0.071、0.061nm）Chapter 1 The structure of crystalline solids 間隙固溶體為有限固溶體，產(chǎn)生較大的晶格畸變，有較大的強(qiáng)化效果 間隙固溶體的溶解度不僅與溶質(zhì)大小有關(guān)， 也與溶劑晶體結(jié)構(gòu)中間隙的形狀和大小有

18、關(guān) C在-Fe的溶解度為 0.0218%C在-Fe的溶解度為 2.11%rB/rA = 0.154, 0.633rB/rA = 0.4141.4.2 中間相中間相（intermediate phaseintermediate phase）：）：兩種組元組成合金時，形成的晶體結(jié)構(gòu)與兩組元均不相同的新相。-金屬間化合物（intermetallic compound） 中間相大都具有有金屬的性質(zhì)，不一定符合化學(xué)價規(guī)律：CuZn、Fe3C等1 1正常價化合物正常價化合物( (normal-normal-valencyvalency compounds compounds) )：金屬與電負(fù)性較強(qiáng)的A、A

19、、A族的一些元素按原子價規(guī)律所形成的化合物。如：Mg2Pb、AlN、Mg2Si 正常價化合物的晶體結(jié)構(gòu)通常對應(yīng)于同類分子式的離子化合物， 如NaCl型、ZnS型、CaF2型等 組元間電負(fù)性大，趨于離子鍵或共價鍵結(jié)合，如Mg2Si，熔點(diǎn)高、穩(wěn)定； 組元間電負(fù)性小，趨于金屬鍵結(jié)合，如Mg2Pb，熔點(diǎn)低、有金屬特性2 2電子化合物（電子化合物（electron compound, electron compound, Hume-Hume-RotheryRothery phase phase）：）：特征：形成的化合物不符合正?；瘜W(xué)價規(guī)律， 電子濃度是決定晶體結(jié)構(gòu)的主要因素。Chapter 1 The structure of crystalline solids電子化合物電子化合物三種化合物分別為體心立方,復(fù)雜立方和密排六方結(jié)構(gòu) 一定的電子濃度對應(yīng)于一定的晶體結(jié)構(gòu) 電子化合物主要以金屬鍵結(jié)合，具有明顯的金屬特性 電子化合物的成分可在一定范圍內(nèi)變化，可視為以化合物為基的固溶體 電子濃度化合物中價電子數(shù) 與原子數(shù)之比3尺寸因素化合物尺寸因素化合物( (size factor compoundsize factor compound) )： 這類化合物的形成受組元的相對尺寸控制 間隙相與間隙化合物間隙相與間隙化合物：原子半徑較小的非金屬