第二章材料的晶體結(jié)構(gòu)資料

1、晶體學(xué)基礎(chǔ)知識晶體學(xué)基礎(chǔ)知識立方晶系晶向與晶面立方晶系晶向與晶面純金屬純金屬(jnsh)常見的晶體常見的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)材料的實際晶體結(jié)構(gòu)材料的實際晶體結(jié)構(gòu)第一頁，共38頁。晶體結(jié)構(gòu)概念晶體結(jié)構(gòu)概念 材料的性能不僅與其材料的性能不僅與其(yq)(yq)組成原子的本性組成原子的本性及原子間結(jié)合鍵類型有關(guān)，還與晶體中原子在三維及原子間結(jié)合鍵類型有關(guān)，還與晶體中原子在三維空間長程有序排列方式有關(guān)。原子在三維空間的有空間長程有序排列方式有關(guān)。原子在三維空間的有序排列特征稱為晶體結(jié)構(gòu)。序排列特征稱為晶體結(jié)構(gòu)。 不同材料其原子可能具有不同的空間排列不同材料其原子可能具有不同的空間排列不同的晶體結(jié)構(gòu)。不同的晶體

2、結(jié)構(gòu)。 甚至同一種材料，在不同的環(huán)境下也有不同的原甚至同一種材料，在不同的環(huán)境下也有不同的原子排列子排列同素異構(gòu)。如：同素異構(gòu)。如： C C， FeFe第二頁，共38頁。晶格：晶格： 晶體材料中原子的排列是晶體材料中原子的排列是具有長程有序（即：平移對稱具有長程有序（即：平移對稱性）的。性）的。 將晶體中在三維空間有序?qū)⒕w中在三維空間有序排列的原子視為等徑的剛球質(zhì)排列的原子視為等徑的剛球質(zhì)點，并在三維空間中緊密堆積，點，并在三維空間中緊密堆積，然后用一些假想的平行直線，然后用一些假想的平行直線，將所有質(zhì)點的中心連接起來，將所有質(zhì)點的中心連接起來，便構(gòu)成了一個三維的幾何格架。便構(gòu)成了一個三維的

3、幾何格架。這個抽象出來的用于描述原子這個抽象出來的用于描述原子在晶體中的位置在晶體中的位置(wi zhi)和排和排列方式的幾何格架，稱為晶格。列方式的幾何格架，稱為晶格。晶格中各線的交點稱為結(jié)點晶格中各線的交點稱為結(jié)點（或陣點）。（或陣點）。第一節(jié)第一節(jié) 晶體晶體(jngt)基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識知識第三頁，共38頁。第一節(jié)第一節(jié) 晶體晶體(jngt)基礎(chǔ)知基礎(chǔ)知識識晶胞晶胞 從晶格中取一個最小的立從晶格中取一個最小的立體單元（最小的平行六面體）體單元（最小的平行六面體）稱為晶胞。晶格是晶胞在空間稱為晶胞。晶格是晶胞在空間的疊加。的疊加。晶胞的選擇晶胞的選擇(xunz)(xunz)原則：原則： 能充分反

4、映整個空間點陣的能充分反映整個空間點陣的對稱性。對稱性。晶胞內(nèi)的棱、角相等的數(shù)目晶胞內(nèi)的棱、角相等的數(shù)目最多，且具有盡可能多的直角。最多，且具有盡可能多的直角。體積要最小。體積要最小。 第四頁，共38頁。第一節(jié)第一節(jié) 晶體晶體(jngt)基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識知識一、晶格一、晶格(jn (jn )常數(shù)常數(shù)在晶胞中取某一點為原點（通常取在左下角后面一在晶胞中取某一點為原點（通常取在左下角后面一結(jié)點），建立坐標系，以晶胞的三個棱邊作為坐標結(jié)點），建立坐標系，以晶胞的三個棱邊作為坐標軸軸x x，y y，z z（可以是垂直的，也可以不垂直）。以三（可以是垂直的，也可以不垂直）。以三邊的長度邊的長度a a，b b

5、，c c及相互間夾角及相互間夾角，六個參數(shù)六個參數(shù)來表示晶胞的大小和形狀來表示晶胞的大小和形狀(xngzhun)(xngzhun)，其中三棱邊，其中三棱邊的長度的長度a a，b b，c c 稱為晶格常數(shù)，它們反映了晶胞的稱為晶格常數(shù)，它們反映了晶胞的大小。大小。 按按a a、b b、c c是否相等，是否相等，、是否為直角將全部是否為直角將全部晶體分為晶體分為7 7個晶系個晶系： 二二 晶格常數(shù)與晶系晶格常數(shù)與晶系第五頁，共38頁。第一節(jié)第一節(jié) 晶體晶體(jngt)基礎(chǔ)知基礎(chǔ)知識識1、7個簡單晶胞（晶胞中只含有個簡單晶胞（晶胞中只含有(hn yu)一個原一個原子）子） a=b=c, = = =9

6、0 a b c, = =90 a=b c, = =90 =120 a b c, 90 a=b=c, = = 90 a=b c, = = =90 a b c, = = =90 角頂原子：角頂原子：8個單胞共有；個單胞共有； 面上原子：面上原子：2個單胞共有；個單胞共有； 胞內(nèi)原子：單胞獨有胞內(nèi)原子：單胞獨有第六頁，共38頁。a=b=c, = = =90 a=b c, = = =90 a b c, = = =90 a b c, = =90 a b c, = = =90 第七頁，共38頁。一、晶向與晶面的概念一、晶向與晶面的概念(ginin) (ginin) 晶向：在晶胞中，通過晶向：在晶胞中，通過

7、(tnggu)若干原子中心（結(jié)點）連接若干原子中心（結(jié)點）連接一起的具有不同空間方位的一起的具有不同空間方位的直線直線晶向晶向任何兩個結(jié)點間的連線即構(gòu)成任何兩個結(jié)點間的連線即構(gòu)成一個晶向。一個晶向。晶面晶面：在晶胞中，通過若干原在晶胞中，通過若干原子中心構(gòu)成的二維平面子中心構(gòu)成的二維平面晶晶面面第八頁，共38頁。以晶胞中某一原子為原點，以晶胞中某一原子為原點，建立坐標建立坐標系系，以三棱邊為坐標軸；以，以三棱邊為坐標軸；以 a a，b b，c c為單位矢量為單位矢量；2. 2. 在晶向上任取兩點，坐標為：在晶向上任取兩點，坐標為：A(xA(x1 1,y,y1 1,z,z1 1) B(x) B(

8、x2 2,y,y2 2,z,z2 2) )；3. AB3. AB晶向：計算晶向：計算x x2 2-x-x1 1 ： y y2 2-y-y1 1 ： z z2 2-z-z1 1 ；化成最小整數(shù)比化成最小整數(shù)比u u：v v：w w ；放在方括號放在方括號uvwuvw中，中，不加逗號不加逗號，負號，負號記在上方記在上方 。A（x1y1z1）B（x2y2z2）第九頁，共38頁。說明：（說明：（a）一個晶向指數(shù)表示的是一組互相平行）一個晶向指數(shù)表示的是一組互相平行(pngxng)，方，方向一致的所有晶向。因為晶體中的原子排列具有對稱性，相互平向一致的所有晶向。因為晶體中的原子排列具有對稱性，相互平行行

9、(pngxng)的直線上的原子排列完全一樣。如：的直線上的原子排列完全一樣。如：AB=DE坐標坐標(zubio) ： A（1，1，0） B（0，1，1） C（1，1，1） O（0，0，0）01_1)1 ,0 , 1()0 , 1 , 1 ()1 , 1 ,0(ABAB111) 1 , 1 , 1 ()0 , 0 , 0() 1 , 1 , 1 (OCOCB(0,1,1)A(1,1,0)C(1,1,1)O(0,0,0)DEB(0,1,1)第十頁，共38頁。B(0,1,1)A(1,1,0)C(1,1,1)O(0,0,0)DEB(0,1,1)_1_10 ,_10_1 0,_1_1 _101 ,_11

10、0 0,_11 1_10 01,_1 10,_1 011,101,110,110共共12個個 可見任意交換指數(shù)可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號的位置和改變符號后的所有結(jié)果后的所有結(jié)果(ji (ji gu)gu)都是該族的范都是該族的范圍。圍。 第十一頁，共38頁。建立坐標系：以一個原子中心為原點，建立坐標系：以一個原子中心為原點，以三棱邊為坐標軸，以以三棱邊為坐標軸，以a a，b b，c c為單位為單位矢量；矢量； 求出待標定晶面在三個坐標軸上的截距，如求出待標定晶面在三個坐標軸上的截距，如 m m、n n、p p； 計算其倒數(shù)計算其倒數(shù) b1 b2 b3b1 b2 b3 ；化成化成最小最小、

11、整數(shù)整數(shù)比比 h h：k k：l l ；放在圓方括號放在圓方括號(hkl)(hkl)，不加逗號，負號記，不加逗號，負號記在上方在上方 。第十二頁，共38頁。標定右圖中陰影標定右圖中陰影(ynyng)(ynyng)晶面晶面的指數(shù)的指數(shù) 求截距求截距 OXOX1 1，OYOY1 1，OZOZ求倒數(shù)求倒數(shù)(do sh) 1/1(do sh) 1/1，1/1, 1/ 11/1, 1/ 1，1 1，0 0寫出晶面指數(shù)寫出晶面指數(shù) （110110） 求截距求截距 OXOX-1-1，OYOY，OZOZ 1 1求倒數(shù)求倒數(shù) -1/1,1/,1/1 -1-1/1,1/,1/1 -1，0 0，1 1寫出晶面指數(shù)寫

12、出晶面指數(shù): : )011 (_注意：注意：（hklhkl）表示一組相互平行的晶面。如）表示一組相互平行的晶面。如A A面，面，B B面具有相同的晶面指數(shù)（面具有相同的晶面指數(shù)（001001），），指數(shù)符號正好指數(shù)符號正好相反的晶面亦相互平行相反的晶面亦相互平行； 若待標定晶面通過原點，可將坐標系適當平移，再求若待標定晶面通過原點，可將坐標系適當平移，再求截距，如截距，如B B面面平移至平移至A A面位置；面位置； AB第十三頁，共38頁。 原子排列情況相同，但空間原子排列情況相同，但空間(kngjin)(kngjin)位向不同的一組晶面的集位向不同的一組晶面的集合，合， 稱為晶面族。稱為晶面

13、族。 原子排列相同的晶面性質(zhì)相同。原子排列相同的晶面性質(zhì)相同。表示表示(biosh)(biosh)方法：用大括號方法：用大括號hklhkl表示表示(biosh)(biosh)。 舉例舉例(j (j l)l)：可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號后的所有結(jié)果都是可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號后的所有結(jié)果都是該族的范圍。該族的范圍。 同學(xué)們自己排列同學(xué)們自己排列 123晶面族晶面族6個個第十四頁，共38頁。體心體心(t xn)(t xn)立方立方 BCC Body-centered cubicBCC Body-centered cubic面心立方面心立方 FCC Face-centered cubi

14、cFCC Face-centered cubic密堆六方密堆六方 CPH Close-packed hexagonalCPH Close-packed hexagonal第十五頁，共38頁。1 1、體心、體心(t xn)(t xn)立方（立方（BCCBCC） 結(jié)構(gòu)特征：每個角頂上各有一個原結(jié)構(gòu)特征：每個角頂上各有一個原 子子, ,體心中有一個體心中有一個原子原子(yunz)(yunz) a=b=c a=b=c，=9090常見金屬：常見金屬： -Fe-Fe，V V，TaTa，NbNb， CrCr， MoMo，W W等等 第十六頁，共38頁。 特征：每個角頂上各有一個特征：每個角頂上各有一個(y

15、)(y )原子原子, , 各個面中心有一個各個面中心有一個(y )(y )原原子子 a=b=ca=b=c，=9090常見金屬：常見金屬：AgAg，AuAu，NiNi，CuCu P d P d ， P tP t ，-Fe-Fe等等 第十七頁，共38頁。 特征：特征： 1212個頂角各一個原子、上下面中心各個頂角各一個原子、上下面中心各一個原子，體內(nèi)一個原子，體內(nèi)3 3個原子（位于個原子（位于(wiy)(wiy)對稱中對稱中心處）心處） a=b a=b c, c, = =90=90， =120 =120 通常：通常： c/a=1.633c/a=1.633常見金屬：常見金屬：MgMg， ZnZn，T

16、iTi，ZrZr，等，等 第十八頁，共38頁。晶胞總體積原子體積晶胞中原子數(shù)K第十九頁，共38頁。aa221212223 . 223213613aa 第二十頁，共38頁。原子位置原子位置: :立方體的八個頂角和晶胞中心立方體的八個頂角和晶胞中心(zhngxn)(zhngxn)各一個原子。各一個原子。 第三節(jié)第三節(jié) 純金屬純金屬(jnsh)常見的晶常見的晶體結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)第二十一頁，共38頁。不同晶向，不同晶向， 不同晶面上的原子不同晶面上的原子(yunz)密度不密度不同同第二十二頁，共38頁。原子原子(yunz)(yunz)位置位置: :立方體的八個頂角和每個側(cè)面立方體的八個頂角和每個側(cè)面中心各一

17、個原子中心各一個原子(yunz) (yunz) 第二十三頁，共38頁。第三節(jié)第三節(jié) 純金屬純金屬(jnsh)常見的晶常見的晶體結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)第二十四頁，共38頁。原子位置原子位置 1212個頂角、上下底心各一個個頂角、上下底心各一個(y (y )原子，體內(nèi)原子，體內(nèi)3 3各原子。各原子。 第二十五頁，共38頁。一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)單晶體單晶體: :一塊晶體材料由一個晶粒組成。一塊晶體材料由一個晶粒組成。即整個即整個(zhngg)材料是一個晶體，這材料是一個晶體，這塊晶體就稱之為塊晶體就稱之為“單晶體單晶體”。如單晶。如單晶硅，水晶石，金剛石。硅，水晶石，金剛石。 第二十六頁，共38頁。水晶

18、石水晶石第二十七頁，共38頁。金剛石金剛石第二十八頁，共38頁。冰晶體冰晶體(jngt)第二十九頁，共38頁。第四節(jié)第四節(jié) 材料材料(cilio)的實際晶體的實際晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)多晶體多晶體: : 由眾多外觀不規(guī)則，位向不同由眾多外觀不規(guī)則，位向不同(b tn)的單晶體組成的幾何體。的單晶體組成的幾何體。一般實際材料均為多晶體。一般實際材料均為多晶體。 多晶體中的各單晶體稱為多晶體中的各單晶體稱為(chn wi)(chn wi)晶粒，兩晶粒之間晶粒，兩晶粒之間的界面稱為的界面稱為(chn wi)(chn wi)晶界晶界 。 晶界不一定是平整的晶界不一定是平整的晶粒與晶界晶粒與晶界: :第三十頁，共

19、38頁。組織：右圖所示為純組織：右圖所示為純Fe的顯的顯微結(jié)構(gòu)，它是經(jīng)拋光、腐蝕微結(jié)構(gòu)，它是經(jīng)拋光、腐蝕后的顯微鏡放大照片后的顯微鏡放大照片(zhopin)。特點：特點： 各不規(guī)則，明暗不同的幾各不規(guī)則，明暗不同的幾何圖形何圖形晶粒晶粒 晶粒之間的界面晶粒之間的界面晶界晶界（晶界上缺陷多，易腐蝕）（晶界上缺陷多，易腐蝕） 明暗不同明暗不同由于取向不由于取向不同，方位不同，耐腐蝕能力同，方位不同，耐腐蝕能力亦不同，引起明暗襯度不同。亦不同，引起明暗襯度不同。組織組織(zzh)是通過人眼或顯微鏡是通過人眼或顯微鏡觀察到的形貌。觀察到的形貌。第三十一頁，共38頁。性能性能(xngnng)：單晶體是各

20、向異性：單晶體是各向異性： 通常原子排列的密排面。密排方向的強度最大。如通常原子排列的密排面。密排方向的強度最大。如FeFe（BCCBCC）在）在方向上的強度遠大于在方向上的強度遠大于在方向上的強度方向上的強度多晶體是各向同性：多晶體是各向同性： 多晶體材料中，盡管每個晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異多晶體材料中，盡管每個晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個晶粒在空間性，每個晶粒在空間(kngjin)(kngjin)取向是隨機分布，大量晶粒的取向是隨機分布，大量晶粒的綜合作用，整個材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性。綜合作用，整個材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性。 第三十二頁，共38頁。晶體缺陷：晶體缺陷： 正

21、常晶體中原子排列受到破壞正常晶體中原子排列受到破壞缺陷。正常晶缺陷。正常晶體中原子完全呈現(xiàn)周期性的重復(fù)的排列（平移對稱性）。體中原子完全呈現(xiàn)周期性的重復(fù)的排列（平移對稱性）。 實際晶體中的原子排列不是理想實際晶體中的原子排列不是理想(lxing)(lxing)的，不的，不具有完全的平移對稱性，而是存在一些偏離了理想具有完全的平移對稱性，而是存在一些偏離了理想(lxing)(lxing)原子排列的區(qū)域，這些區(qū)域即構(gòu)成缺陷。原子排列的區(qū)域，這些區(qū)域即構(gòu)成缺陷。 缺陷會引起材料性能的巨大變化，如：理想缺陷會引起材料性能的巨大變化，如：理想(lxing)(lxing)完整晶體的強度通常是實際晶體的數(shù)十

22、倍，完整晶體的強度通常是實際晶體的數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍。甚至數(shù)百倍。晶體缺陷的類型晶體缺陷的類型(lixng)(lixng)：點缺陷點缺陷線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷第三十三頁，共38頁。點缺陷：在三維空間各方向上尺寸點缺陷：在三維空間各方向上尺寸(ch cun)(ch cun)都很小，是都很小，是原子尺寸原子尺寸(ch cun)(ch cun)大小的晶體缺陷。大小的晶體缺陷。 點缺陷的類型點缺陷的類型(lixng) (lixng) ：空位空位 在晶格結(jié)點位置應(yīng)有原子的地在晶格結(jié)點位置應(yīng)有原子的地方空缺，這種缺陷稱為方空缺，這種缺陷稱為“空位空位”。 間隙原子間隙原子 在晶格非結(jié)點位置，往往在晶格非

23、結(jié)點位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。間隙原子通常是小原子，間隙原子通常是小原子， C C， H H，B B等。等。 異類原子異類原子 在一種在一種(y zhn)(y zhn)類型的類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子原子組成的晶格中，不同種類的原子占據(jù)原有的原子位置。占據(jù)原有的原子位置。 第三十四頁，共38頁。線缺陷：在三維空間的一個方向上的尺寸線缺陷：在三維空間的一個方向上的尺寸(ch cun)(ch cun)很大很大( (晶粒數(shù)量級晶粒數(shù)量級) )，另外兩個方向上的尺寸，另外兩個方向上的尺寸(ch cun)(ch cun)很很小小( (原子尺寸原子尺寸(ch cun)(ch cun)大小大小) )的晶體缺陷。其具體形的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯（式就是晶體中的位錯（DislocationDisloca