《材料科學(xué)基礎(chǔ)》全冊(cè)配套完整教學(xué)課件2

1、重要提示重要提示一、關(guān)于課程一、關(guān)于課程1 1、本課程是材料科學(xué)與工程類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課；、本課程是材料科學(xué)與工程類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課；2 2、本課程的先修課程是大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)、材料力學(xué)；、本課程的先修課程是大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)、材料力學(xué)；3 3、本課程總學(xué)時(shí)、本課程總學(xué)時(shí)6464，其中理論教學(xué)，其中理論教學(xué)5656學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)（學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)（8 8次）次）1616學(xué)時(shí)。學(xué)時(shí)。二、關(guān)于紀(jì)律二、關(guān)于紀(jì)律1 1、曠課、曠課3 3次及以上，取消考試資格；次及以上，取消考試資格；2 2、缺實(shí)驗(yàn)、缺實(shí)驗(yàn)1 1次及以上，課程成績(jī)以次及以上，課程成績(jī)以0 0分計(jì)。分計(jì)。三、關(guān)于成績(jī)?cè)u(píng)定三、關(guān)于成績(jī)?cè)u(píng)定1 1、課

2、程成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和考試成績(jī)組成；、課程成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和考試成績(jī)組成；2 2、平時(shí)成績(jī)、平時(shí)成績(jī)( (含出勤、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、作業(yè)等含出勤、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、作業(yè)等) )占占40%40%，考試成績(jī)占，考試成績(jī)占60%60%。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l 材料和材料科學(xué)l 材料的分類l 材料科學(xué)基礎(chǔ)的性質(zhì)和內(nèi)容一、材料和材料科學(xué)一、材料和材料科學(xué)1.1.材料的定義材料的定義2.2.材料的歷史材料的歷史3.3.材料的作用材料的作用4.4.材料科學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容材料科學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容二、材料的分類二、材料的分類三、三、材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)的性質(zhì)和內(nèi)容的性質(zhì)和內(nèi)容緒論緒論材料的定義材料的定義1.1.材料的定義材料的定義

3、l制造各種機(jī)器、器件、結(jié)構(gòu)等具有某種特性的物質(zhì)的制造各種機(jī)器、器件、結(jié)構(gòu)等具有某種特性的物質(zhì)的實(shí)體。實(shí)體。緒論材料的定義材料的定義l材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。2.2.材料的歷史材料的歷史l材料是人類社會(huì)文明程度的標(biāo)志材料是人類社會(huì)文明程度的標(biāo)志公元前10萬年緒論材料的歷史材料的歷史陶器公元前1萬年緒論材料的歷史材料的歷史公元前3000年緒論材料的歷史材料的歷史越王勾踐劍越王勾踐劍公元前1000年緒論材料的歷史材料的歷史公元1800年緒論材料的歷史材料的歷史3.3.材料的作用材料的作用l新材料是所有科技進(jìn)步的核心，又是技術(shù)大廈的磚石。新材料是所有科技

4、進(jìn)步的核心，又是技術(shù)大廈的磚石。2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代提出，年代提出，材料材料、信息信息、能源能源并稱并稱為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱。為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱。鋼鐵材料孕育了產(chǎn)業(yè)革命鋼鐵材料孕育了產(chǎn)業(yè)革命半導(dǎo)體材料促進(jìn)了現(xiàn)代信息技術(shù)的建立和發(fā)展半導(dǎo)體材料促進(jìn)了現(xiàn)代信息技術(shù)的建立和發(fā)展復(fù)合材料及新型超合金材料為空間技術(shù)發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)復(fù)合材料及新型超合金材料為空間技術(shù)發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)光纖使現(xiàn)代數(shù)字信息技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲得突破光纖使現(xiàn)代數(shù)字信息技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲得突破緒論材料的作用材料的作用 人類社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展中的每一個(gè)重大突破，人類社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展中的每一個(gè)重大突破，都是因?yàn)橛辛讼冗M(jìn)的新材料而

5、得以實(shí)現(xiàn)。都是因?yàn)橛辛讼冗M(jìn)的新材料而得以實(shí)現(xiàn)。緒論材料的作用材料的作用英國日本19521 700萬噸 700萬噸19622 082萬噸2 755萬噸19722 500萬噸9 690萬噸英國和日本歷史上鋼產(chǎn)量比較英國和日本歷史上鋼產(chǎn)量比較國家國家年份年份英國和日本的材料戰(zhàn)略對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響比較：英國和日本的材料戰(zhàn)略對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響比較：進(jìn)入鋼時(shí)代，英國在世界鋼鐵生產(chǎn)中占有一定優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展活力巨大。進(jìn)入鋼時(shí)代，英國在世界鋼鐵生產(chǎn)中占有一定優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展活力巨大。二戰(zhàn)后，日本大力發(fā)展鋼鐵工業(yè)，生產(chǎn)出低成本、高質(zhì)量的鋼。二戰(zhàn)后，日本大力發(fā)展鋼鐵工業(yè)，生產(chǎn)出低成本、高質(zhì)量的鋼。上世紀(jì)上世紀(jì)70年代開始

6、，日本汽車工業(yè)的高速發(fā)展使日本經(jīng)濟(jì)得到了很大發(fā)展。年代開始，日本汽車工業(yè)的高速發(fā)展使日本經(jīng)濟(jì)得到了很大發(fā)展。同時(shí)，日本認(rèn)識(shí)到當(dāng)今世界已處于信息時(shí)代，瞄準(zhǔn)硅材料大力發(fā)展半導(dǎo)體工同時(shí)，日本認(rèn)識(shí)到當(dāng)今世界已處于信息時(shí)代，瞄準(zhǔn)硅材料大力發(fā)展半導(dǎo)體工業(yè)，使得家用電器在世界市場(chǎng)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。業(yè)，使得家用電器在世界市場(chǎng)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。英國缺乏技術(shù)政策和戰(zhàn)略眼光，英國缺乏技術(shù)政策和戰(zhàn)略眼光，2000名研究硅材料的科學(xué)家注入美國硅谷。名研究硅材料的科學(xué)家注入美國硅谷。世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC現(xiàn)在的筆記本電腦現(xiàn)在的筆記本電腦緒論材料的作用材料的作用使用表現(xiàn)使用表現(xiàn)性能性能/ /性質(zhì)性質(zhì)

7、成分成分/ /結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)制備制備/ /加工加工緒論材料科學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容材料科學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容4.4.材料科學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容材料科學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容MSEMSE的四個(gè)組成要素：的四個(gè)組成要素： MSEMaterials Science and Engineering材料科學(xué)是研究各種材料的結(jié)構(gòu)、制備加工工藝與性能之間材料科學(xué)是研究各種材料的結(jié)構(gòu)、制備加工工藝與性能之間關(guān)系的科學(xué)。關(guān)系的科學(xué)。功能材料功能材料（Functional materials）緒論材料的分類材料的分類材料材料材料的分類材料的分類按材料的性能特征和用途分類：按材料的性能特征和用途分類：結(jié)構(gòu)材料：結(jié)構(gòu)材料：具有較高力學(xué)（機(jī)械）性

8、能并主要用來制造機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的具有較高力學(xué)（機(jī)械）性能并主要用來制造機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的材料。材料。功能材料：功能材料：具有特殊物理、化學(xué)等性能并主要用來制造具有特定功能的元、具有特殊物理、化學(xué)等性能并主要用來制造具有特定功能的元、器件和產(chǎn)品的材料。器件和產(chǎn)品的材料。結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料（Structural materials）金屬材料金屬材料（Metallic Materials）材料材料非金屬材料非金屬材料（Nonmetallic Materials）復(fù)合材料復(fù)合材料（Compound Materials ） 按材料的化學(xué)組成分類：按材料的化學(xué)組成分類：緒論材料的分類材料的分類無機(jī)非金屬材料無

9、機(jī)非金屬材料 （陶瓷材料）（陶瓷材料） 有機(jī)高分子材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料：復(fù)合材料：由兩種或兩種以上的不同性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀由兩種或兩種以上的不同性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合而成的材料。的形式組合而成的材料。 金屬材料金屬材料黑色金屬黑色金屬（Ferrous Metal）有色金屬有色金屬（Nonferrous Metal） 鋼鐵、錳、鉻及其合金鋼鐵、錳、鉻及其合金 鋁、銅、鎂、鈦等及其合金鋁、銅、鎂、鈦等及其合金緒論材料的分類材料的分類金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。金屬材料是工程領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣泛的工程材料。金屬材料是工程領(lǐng)域

10、內(nèi)應(yīng)用最廣泛的工程材料。無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料 （陶瓷材料）（陶瓷材料） 陶瓷、玻璃、水泥等陶瓷、玻璃、水泥等陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結(jié)合鍵主要是離子鍵和陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結(jié)合鍵主要是離子鍵和共價(jià)鍵。共價(jià)鍵。有機(jī)高分子材料有機(jī)高分子材料塑料、橡膠、涂料、纖維等塑料、橡膠、涂料、纖維等高分子材料的結(jié)合鍵主要是共價(jià)鍵、氫鍵和分子鍵。高分子材料的結(jié)合鍵主要是共價(jià)鍵、氫鍵和分子鍵。三大類材料：三大類材料：緒論課程的性質(zhì)和內(nèi)容課程的性質(zhì)和內(nèi)容課程的性質(zhì)：課程的性質(zhì)：材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是材料科學(xué)與工程類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程是材料科學(xué)與工程類專業(yè)的

11、專業(yè)基礎(chǔ)課。課程的特點(diǎn)：課程的特點(diǎn)： 理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，與基礎(chǔ)課相比有很大不同；理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，與基礎(chǔ)課相比有很大不同； 概念多，術(shù)語多，公式定律少，定性的描述多；概念多，術(shù)語多，公式定律少，定性的描述多； 內(nèi)容多，需要記憶和理解的知識(shí)多。內(nèi)容多，需要記憶和理解的知識(shí)多。學(xué)習(xí)方法：學(xué)習(xí)方法：認(rèn)真聽講，勤看書；認(rèn)真聽講，勤看書；掌握正確的思維方式，不死記硬背；掌握正確的思維方式，不死記硬背；理解基本概念，掌握基本知識(shí)；理解基本概念，掌握基本知識(shí)；認(rèn)真記好筆記，課后及時(shí)復(fù)習(xí)；認(rèn)真記好筆記，課后及時(shí)復(fù)習(xí)；通過例題和習(xí)題，舉一反三，加深理解。通過例題和習(xí)題，舉一反三，加深理解。緒論課程的性質(zhì)

12、和內(nèi)容課程的性質(zhì)和內(nèi)容課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容：課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容： 理解和掌握材料的理解和掌握材料的 金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu)金屬及合金的晶體結(jié)構(gòu) 金屬及合金的凝固金屬及合金的凝固 二元合金及相圖二元合金及相圖 鐵碳合金及相圖鐵碳合金及相圖 變形與再結(jié)晶變形與再結(jié)晶 擴(kuò)散理論擴(kuò)散理論教材及教學(xué)參考書：教材及教學(xué)參考書：1 崔忠圻等，金屬學(xué)與熱處理（第崔忠圻等，金屬學(xué)與熱處理（第2版），機(jī)械工業(yè)出版社，版），機(jī)械工業(yè)出版社，2010年年1 胡庚祥等，材料科學(xué)基礎(chǔ)（第胡庚祥等，材料科學(xué)基礎(chǔ)（第3版），上海交通大學(xué)出版社，版），上海交通大學(xué)出版社，2010年年2 石德珂，材料科學(xué)基礎(chǔ)，機(jī)械工業(yè)出版社，石德珂

13、，材料科學(xué)基礎(chǔ)，機(jī)械工業(yè)出版社，1999年年組織和結(jié)構(gòu)組織和結(jié)構(gòu)性能性能加工加工之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l金屬l純金屬的晶體結(jié)構(gòu)l實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷l合金的相結(jié)構(gòu)第一章 材料的結(jié)構(gòu)具有相同化學(xué)成份的具有相同化學(xué)成份的2種物質(zhì)石墨和金剛石的特點(diǎn)：種物質(zhì)石墨和金剛石的特點(diǎn)：石墨石墨（Graphite）：）：化學(xué)式：化學(xué)式：C，黑灰色，質(zhì)軟，耐高溫，可導(dǎo)電。，黑灰色，質(zhì)軟，耐高溫，可導(dǎo)電。金剛石金剛石（Diamond）：）：化學(xué)式：化學(xué)式：C，無色，質(zhì)硬，耐高溫，不導(dǎo)電。，無色，質(zhì)硬，耐高溫，不導(dǎo)電。金剛石金剛石石墨石墨第一章 材料的結(jié)構(gòu)石墨和金剛石的結(jié)構(gòu)：石墨和金剛石

14、的結(jié)構(gòu)：石墨的結(jié)構(gòu)石墨的結(jié)構(gòu)金剛石的結(jié)構(gòu)金剛石的結(jié)構(gòu)研究晶體結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容：研究晶體結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容： 晶體中原子是如何相互作用和結(jié)合起來的；晶體中原子是如何相互作用和結(jié)合起來的； 原子的聚集狀態(tài)和分布規(guī)律；原子的聚集狀態(tài)和分布規(guī)律； 各種晶體的特點(diǎn)和彼此之間的差異。各種晶體的特點(diǎn)和彼此之間的差異。第一章 材料的結(jié)構(gòu)第一節(jié)金屬第一節(jié)金屬一、金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一、金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.1.什么是金屬？什么是金屬？ 金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。 非金屬的電阻溫度系數(shù)為負(fù)值。2.2.金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 最外層電子數(shù)少。最外層電子數(shù)少。不超過不超

15、過3 3個(gè)。個(gè)。 外層電子與原子核的結(jié)合力弱。外層電子與原子核的結(jié)合力弱。容易成為自由電子。容易成為自由電子。 過渡族金屬次外層往往未填滿原子，容易失去電子。過渡族金屬次外層往往未填滿原子，容易失去電子?；蟽r(jià)可變?；蟽r(jià)可變。過渡族金屬原子相互結(jié)合時(shí)，通常最外層和次外層的電子都參與結(jié)過渡族金屬原子相互結(jié)合時(shí)，通常最外層和次外層的電子都參與結(jié)合，原子間的結(jié)合力特別強(qiáng)，因此宏觀上表現(xiàn)為熔點(diǎn)高，強(qiáng)度高。合，原子間的結(jié)合力特別強(qiáng)，因此宏觀上表現(xiàn)為熔點(diǎn)高，強(qiáng)度高。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.1 1.1 金屬金屬二、結(jié)合鍵二、結(jié)合鍵1.1.離子鍵離子鍵（Ionic Bond）ClNa NaCl的晶體結(jié)構(gòu)2.2

16、.共價(jià)鍵共價(jià)鍵（Covalent Bond）金屬原子將自己最外層的價(jià)電子給予非金屬原子將自己最外層的價(jià)電子給予非金屬原子，使自己成為正離子，而非金屬金屬原子，使自己成為正離子，而非金屬原子成為負(fù)離子。正負(fù)離子依靠靜電引力原子成為負(fù)離子。正負(fù)離子依靠靜電引力結(jié)合在一起。結(jié)合在一起。Si形成的四面體109兩個(gè)或多個(gè)電負(fù)性相差不大的原子貢獻(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)電負(fù)性相差不大的原子貢獻(xiàn)出它們外部的價(jià)電子形成共用電子對(duì)，形出它們外部的價(jià)電子形成共用電子對(duì)，形成穩(wěn)定的電子滿殼層。成穩(wěn)定的電子滿殼層。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.1 1.1 金屬金屬3.3.金屬鍵金屬鍵（Metallic Bond）金屬原子全部或大部將它們的

17、價(jià)電子貢獻(xiàn)金屬原子全部或大部將它們的價(jià)電子貢獻(xiàn)出來成為自由電子，為整個(gè)原子所公有，即出來成為自由電子，為整個(gè)原子所公有，即形成電子云或電子氣，自身變成正離子沉浸形成電子云或電子氣，自身變成正離子沉浸在電子云中，它們依靠運(yùn)動(dòng)于其間的公有化在電子云中，它們依靠運(yùn)動(dòng)于其間的公有化的自由電子的靜電作用而結(jié)合起來。的自由電子的靜電作用而結(jié)合起來。金屬離子 金屬鍵模型電子云第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.1 1.1 金屬金屬固態(tài)金屬一些特性的解釋：固態(tài)金屬一些特性的解釋： 良好的導(dǎo)電性良好的導(dǎo)電性 自由電子沿外電場(chǎng)作定向運(yùn)動(dòng)，形成電流。自由電子沿外電場(chǎng)作定向運(yùn)動(dòng)，形成電流。 良好的導(dǎo)熱性良好的導(dǎo)熱性 自由電子的運(yùn)動(dòng)

18、和正離子的振動(dòng)。自由電子的運(yùn)動(dòng)和正離子的振動(dòng)。 具有金屬光澤具有金屬光澤 電子易吸收可見光的能量而被激發(fā)到高能級(jí)，當(dāng)它們躍遷到原能級(jí)電子易吸收可見光的能量而被激發(fā)到高能級(jí)，當(dāng)它們躍遷到原能級(jí)時(shí)，輻射出可見光能量。時(shí)，輻射出可見光能量。 正的電阻溫度系數(shù)正的電阻溫度系數(shù) 溫度升高，正離子振動(dòng)振幅加大，電子通過阻力增大，電阻升高。溫度升高，正離子振動(dòng)振幅加大，電子通過阻力增大，電阻升高。 良好的延展性良好的延展性 金屬鍵無飽和性和方向性，當(dāng)金屬的兩部分發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，金屬金屬鍵無飽和性和方向性，當(dāng)金屬的兩部分發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，金屬的正離子始終被包圍在電子云中，保持著金屬鍵結(jié)合，能經(jīng)受變形而的正離子始

19、終被包圍在電子云中，保持著金屬鍵結(jié)合，能經(jīng)受變形而不斷裂。不斷裂。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.1 1.1 金屬金屬三、結(jié)合力與結(jié)合能三、結(jié)合力與結(jié)合能雙原子作用模型雙原子作用模型兩原子之間的相互作用力：兩原子之間的相互作用力：正離子與自由電子之間的吸引力正離子與正離子之間的排斥力電子與電子之間的排斥力兩原子之間的結(jié)合力：兩原子之間的結(jié)合力：結(jié)合力吸引力排斥力（代數(shù)和）吸引力：長(zhǎng)程力，當(dāng)兩原子間距較大時(shí)，大于排斥力，原子自動(dòng)靠近；排斥力：短程力，當(dāng)兩原子靠近至使其電子層發(fā)生重疊時(shí)，急劇增長(zhǎng)。兩原子間距兩原子間距d dd d0 0時(shí)，結(jié)合力時(shí)，結(jié)合力0 0。此即原子的平衡位置。d0dcAB結(jié)合力排斥力吸

20、引力原子間距d排斥力FF吸引力d0dcAB結(jié)合能排斥能吸引能原子間距d排斥能吸引能EAB雙原子作用模型第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.1 1.1 金屬金屬討論：討論：當(dāng)當(dāng)d dd d0 0時(shí)，即兩原子分開，吸引力起主時(shí)，即兩原子分開，吸引力起主要作用，促使兩原子回到其平衡位置；要作用，促使兩原子回到其平衡位置；當(dāng)當(dāng)d dd d0 0時(shí)，即兩原子靠近，排斥力起主時(shí)，即兩原子靠近，排斥力起主要作用，也促使兩原子回到其平衡位置。要作用，也促使兩原子回到其平衡位置。當(dāng)外力作用將當(dāng)外力作用將B B原子拉至原子拉至d dc c時(shí)，外力達(dá)到結(jié)時(shí)，外力達(dá)到結(jié)合力的最大值，此即金屬的理論抗拉強(qiáng)度。合力的最大值，此即金屬的

21、理論抗拉強(qiáng)度。d dd d0 0時(shí)，結(jié)合能最小，狀態(tài)最穩(wěn)定，能量時(shí)，結(jié)合能最小，狀態(tài)最穩(wěn)定，能量最低。最低。金屬原子緊密規(guī)則排列的解釋：金屬原子緊密規(guī)則排列的解釋：大量金屬原子結(jié)合成固體時(shí)，為使能量最低，大量金屬原子結(jié)合成固體時(shí)，為使能量最低，以保持穩(wěn)定狀態(tài)，大量原子之間就必須保持一以保持穩(wěn)定狀態(tài)，大量原子之間就必須保持一定的平衡距離，因此金屬中的原子總是自發(fā)趨定的平衡距離，因此金屬中的原子總是自發(fā)趨于緊密排列，以保持最穩(wěn)定的狀態(tài)。于緊密排列，以保持最穩(wěn)定的狀態(tài)。d0dcAB結(jié)合力排斥力吸引力原子間距d排斥力FF吸引力d0dcAB結(jié)合能排斥能吸引能原子間距d排斥能吸引能EAB雙原子作用模型第一

22、章 材料的結(jié)構(gòu)1.1 1.1 金屬金屬第二節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體的基本概念一、晶體的基本概念1.1.晶體與非晶體晶體與非晶體晶體晶體（Crystal）晶體是其內(nèi)部原子在三維空間呈晶體是其內(nèi)部原子在三維空間呈規(guī)則排列的物質(zhì)。規(guī)則排列的物質(zhì)。 舉例：舉例：所有的金屬、食鹽等。所有的金屬、食鹽等。 晶體的特點(diǎn)：晶體的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)有序；結(jié)構(gòu)有序； 各向異性；各向異性； 有固定的熔點(diǎn)。有固定的熔點(diǎn)。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)各向異性各向異性（Anisotropy）：在測(cè)定材料的性能時(shí)，沿不同在測(cè)定材料的性能時(shí)，沿不同方向測(cè)定所得的結(jié)果各不

23、相同，方向測(cè)定所得的結(jié)果各不相同，即各向異性。即各向異性。非晶體非晶體（Non-crystal）非晶體是其內(nèi)部原子排列無序的物質(zhì)。非晶體是其內(nèi)部原子排列無序的物質(zhì)。 舉例：舉例：普通玻璃、松香等。普通玻璃、松香等。 非晶體的特點(diǎn)：非晶體的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)無序；結(jié)構(gòu)無序； 各向同性；各向同性； 沒有固定的熔點(diǎn)。沒有固定的熔點(diǎn)。晶體與非晶體的相互轉(zhuǎn)變晶體與非晶體的相互轉(zhuǎn)變?cè)谝欢l件下，晶體能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷г谝欢l件下，晶體能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w，相反非晶體也能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。體，相反非晶體也能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。各向同性各向同性（Isotropy）：在測(cè)定材料的性能時(shí)沿任何方在測(cè)定材料的性能時(shí)沿任何方向測(cè)定的結(jié)果都是

24、一致的，不向測(cè)定的結(jié)果都是一致的，不因方向而異，即各向同性，或因方向而異，即各向同性，或稱等向性。稱等向性。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.2.晶體學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)晶體學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)晶體結(jié)構(gòu)的描述：晶體結(jié)構(gòu)的描述：l晶體中的原子靜止不動(dòng)。晶體中的原子靜止不動(dòng)。l晶體中的原子是剛性小球。晶體中的原子是剛性小球。l晶體由剛性小球按一定的規(guī)律堆垛而成。晶體由剛性小球按一定的規(guī)律堆垛而成。晶體模型晶體模型第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣（Space Lattice） 空間點(diǎn)陣的引出：空間點(diǎn)陣的引出：l把晶體中的原子抽象為

25、幾何點(diǎn)，稱之為陣點(diǎn)。把晶體中的原子抽象為幾何點(diǎn)，稱之為陣點(diǎn)。l用假想的直線將陣點(diǎn)連接起來。用假想的直線將陣點(diǎn)連接起來?？臻g點(diǎn)陣：空間點(diǎn)陣：用以描述晶體中原子排列規(guī)律的空間用以描述晶體中原子排列規(guī)律的空間幾何格架。又稱點(diǎn)陣或晶格幾何格架。又稱點(diǎn)陣或晶格(Crystal Lattice) ?？臻g點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣陣點(diǎn)可以是原子的中心，也可以是陣點(diǎn)可以是原子的中心，也可以是 彼此等同的原子群的中心。彼此等同的原子群的中心。陣點(diǎn)周圍的物理環(huán)境和幾何環(huán)境必陣點(diǎn)周圍的物理環(huán)境和幾何環(huán)境必 須相同。須相同。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶胞晶胞（Unit Cell）晶胞在三維空

26、間平移，即可重構(gòu)點(diǎn)陣或晶格。晶胞在三維空間平移，即可重構(gòu)點(diǎn)陣或晶格。晶胞晶胞空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣晶胞：晶胞：組成晶格的最小幾何單元體。組成晶格的最小幾何單元體。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶胞的表示方法晶胞的表示方法XYZcba a、 b、 c 晶格常數(shù)（點(diǎn)陣常數(shù)）晶格常數(shù)（點(diǎn)陣常數(shù)） 、 、 夾角夾角晶格常數(shù)晶格常數(shù)（Lattice Constant）晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：晶胞的幾何尺寸。又稱為點(diǎn)陣常數(shù)。晶胞的幾何尺寸。又稱為點(diǎn)陣常數(shù)。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶系晶系（Crystal System）和布拉菲點(diǎn)陣和布拉菲

27、點(diǎn)陣（Bravais Lattice）u7 7種晶系種晶系晶系棱邊長(zhǎng)度及夾角關(guān)系舉例三斜Triclinic a b c， 90 K2CrO7單斜Monoclinic a b c， 90 -Si，CaSO42H2O正交Orthorhombic a b c， 90-S，Ga，F(xiàn)e3C六方Hexagonal a1a2a3c， 90， 120Zn，Cd，Mg，NiAs菱方Rhombohedral a b c， 90As，Sb，Bi四方Tetragonal a b c， 90-Sn，TiO2立方Cubic a b c， 90Fe，Cr，Cu，Ag，Au第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純

28、金屬的晶體結(jié)構(gòu)u1414種點(diǎn)陣（布拉菲點(diǎn)陣）種點(diǎn)陣（布拉菲點(diǎn)陣）序號(hào)點(diǎn)陣類型晶系右圖1簡(jiǎn)單三斜三斜(a)2簡(jiǎn)單單斜單斜(b)3底心單斜(c)4簡(jiǎn)單正交正交(d)5底心正交(e)6體心正交(f)7面心正交(g)8簡(jiǎn)單六方六方(h)9簡(jiǎn)單菱方菱方(i)10簡(jiǎn)單四方四方(j)11體心四方(k)12簡(jiǎn)單立方立方(l)13體心立方(m)14面心立方(n)第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)選取晶胞的原則：選取晶胞的原則：充分反映晶體的對(duì)稱性。充分反映晶體的對(duì)稱性。同一空間點(diǎn)陣可以選取出不同的晶胞，但如果選取出的晶胞的高度對(duì)稱性得不到反映，則通常不采用這樣的表示方法。六方系和

29、立方系中晶胞的不同取法六方系和立方系中晶胞的不同取法第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣的區(qū)別：晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣的區(qū)別：晶體中原子在三維空間有規(guī)律的周期性的具體排列方式，它們能組成晶體中原子在三維空間有規(guī)律的周期性的具體排列方式，它們能組成各種類型的排列，因此可能存在的晶體結(jié)構(gòu)是無限的。各種類型的排列，因此可能存在的晶體結(jié)構(gòu)是無限的。晶體中質(zhì)點(diǎn)的幾何學(xué)抽象，用以描述和分析晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對(duì)稱晶體中質(zhì)點(diǎn)的幾何學(xué)抽象，用以描述和分析晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對(duì)稱性。由于各陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同，只可能有性。由于各陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同，只可能有1414種類型。

30、種類型。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)基元基元空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)基元基元空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)基元基元基元基元第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)CuClNa+FCa+點(diǎn)陣相同（面心立方點(diǎn)陣）而晶體結(jié)構(gòu)不同點(diǎn)陣相同（面心立方點(diǎn)陣）而晶體結(jié)構(gòu)不同CuCaF2NaClCu第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方點(diǎn)陣體心立方點(diǎn)陣簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)相同（體心立方結(jié)構(gòu)）而點(diǎn)陣不同晶體結(jié)構(gòu)相同（體心立方結(jié)

31、構(gòu)）而點(diǎn)陣不同ClCs + 第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體中由一些原子晶體中由一些原子構(gòu)成的原子列構(gòu)成的原子列晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 晶向和晶面的概念：晶向和晶面的概念：晶向晶向（Crystallographic Direction） ：在晶體中，任意兩原子之間的連線所指在晶體中，任意兩原子之間的連線所指的方向，稱為晶向。的方向，稱為晶向。晶面晶面（Crystallographic Plane） ：在晶體中由一系列原子所構(gòu)成的平面，在晶體中由一系列原子所構(gòu)成的平面，稱為晶面。稱為晶面。為確定和區(qū)別晶體中不同方位的晶向和為確定和區(qū)別晶體中不同

32、方位的晶向和晶面，國際上通常用晶面，國際上通常用米勒指數(shù)米勒指數(shù)（MillerMillerIndicesIndices）來統(tǒng)一標(biāo)定）來統(tǒng)一標(biāo)定晶向指數(shù)晶向指數(shù)與與晶面指數(shù)晶面指數(shù)。晶體中由一些原子晶體中由一些原子構(gòu)成的原子列構(gòu)成的原子列第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)u晶向指數(shù)晶向指數(shù)（Indices of Crystallographic Direction） 確定晶向指數(shù)的步驟：確定晶向指數(shù)的步驟：設(shè)定坐標(biāo)系設(shè)定坐標(biāo)系以晶胞的三個(gè)棱邊為坐標(biāo)軸以晶胞的三個(gè)棱邊為坐標(biāo)軸X X，Y Y，Z Z，以晶格常數(shù)為坐標(biāo)軸的長(zhǎng)，以晶格常數(shù)為坐標(biāo)軸的長(zhǎng) 度單位。坐標(biāo)系必須符

33、合右手法則。度單位。坐標(biāo)系必須符合右手法則。引直線引直線通過坐標(biāo)原點(diǎn)引一條直線，使其平行于待求的晶向。通過坐標(biāo)原點(diǎn)引一條直線，使其平行于待求的晶向。求坐標(biāo)值求坐標(biāo)值求出所引直線上任意一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值。求出所引直線上任意一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值?；?jiǎn)并加方括號(hào)化簡(jiǎn)并加方括號(hào)將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，并加上一方括號(hào)。將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，并加上一方括號(hào)。 晶向指數(shù)的一般形式：晶向指數(shù)的一般形式： uvw第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)例例1 1在一個(gè)立方晶胞中畫出在一個(gè)立方晶胞中畫出012和和 晶向。晶向。解：解：(1)(1)將晶向指數(shù)的將晶向指數(shù)的3 3

34、個(gè)數(shù)值分別除以個(gè)數(shù)值分別除以3 3個(gè)數(shù)中絕對(duì)值最大的一個(gè)正數(shù)。個(gè)數(shù)中絕對(duì)值最大的一個(gè)正數(shù)。 分別得到：分別得到：0 0、1/21/2、1 1和和1/31/3、-2/3-2/3、1 1，其為坐標(biāo)值。，其為坐標(biāo)值。(2)(2)根據(jù)坐標(biāo)值的正負(fù)情況建立坐標(biāo)系。根據(jù)坐標(biāo)值的正負(fù)情況建立坐標(biāo)系。 012的坐標(biāo)系原點(diǎn)選在的坐標(biāo)系原點(diǎn)選在O1點(diǎn)，點(diǎn)， 的坐標(biāo)系原點(diǎn)選在的坐標(biāo)系原點(diǎn)選在O2點(diǎn)。點(diǎn)。 保證畫出的晶向在晶胞內(nèi)。保證畫出的晶向在晶胞內(nèi)。 (3)(3)在圖中標(biāo)出坐標(biāo)點(diǎn)在圖中標(biāo)出坐標(biāo)點(diǎn)P1和和P2，分別連接，分別連接 O1P1 ，O2 P2 。 (4)(4)在圖中分別標(biāo)出晶向指數(shù)。在圖中分別標(biāo)出晶向指數(shù)

35、。321O1O2P1P2XYZ012第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)立方晶系中的一些重要晶向立方晶系中的一些重要晶向第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)u晶面指數(shù)晶面指數(shù)（Indices of Crystallographic Plane） 確定晶面指數(shù)的步驟：確定晶面指數(shù)的步驟：設(shè)定坐標(biāo)系設(shè)定坐標(biāo)系與確定晶向指數(shù)相同，但不能將坐標(biāo)原點(diǎn)選在待定晶面上。與確定晶向指數(shù)相同，但不能將坐標(biāo)原點(diǎn)選在待定晶面上。求截距求截距求出待定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。求出待定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。取倒數(shù)取倒數(shù)將三個(gè)截距之值變?yōu)榈箶?shù)。將三個(gè)截距之值

36、變?yōu)榈箶?shù)?；?jiǎn)并加圓括號(hào)化簡(jiǎn)并加圓括號(hào)將三個(gè)倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加上一圓括號(hào)。將三個(gè)倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加上一圓括號(hào)。 晶面指數(shù)的一般形式：晶面指數(shù)的一般形式：（hkl）第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)例例2 2在一個(gè)立方晶胞中畫出在一個(gè)立方晶胞中畫出(012)和和 晶面。晶面。 解：解：(1)(1)將晶向指數(shù)的將晶向指數(shù)的3 3個(gè)數(shù)值分別取倒數(shù)。個(gè)數(shù)值分別取倒數(shù)。 分別得到：分別得到：、1 1、1/21/2和和1 1，-1/2-1/2、1/31/3、其為晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸、其為晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸 上的截距。上的截距。 (2)(2)根據(jù)截距的正負(fù)情況建

37、立坐標(biāo)系。根據(jù)截距的正負(fù)情況建立坐標(biāo)系。 (012)的坐標(biāo)系原點(diǎn)選在的坐標(biāo)系原點(diǎn)選在O1點(diǎn)，點(diǎn)， 的坐標(biāo)系原點(diǎn)選在的坐標(biāo)系原點(diǎn)選在O2點(diǎn)。點(diǎn)。 保證畫出的晶面在晶胞內(nèi)。保證畫出的晶面在晶胞內(nèi)。 (3)(3)根據(jù)截距確定決定晶面的各坐標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)截距確定決定晶面的各坐標(biāo)點(diǎn)， 并分別連接起來。并分別連接起來。 (4)(4)在圖中分別標(biāo)出晶面指數(shù)。在圖中分別標(biāo)出晶面指數(shù)。3)2(1O1O2XYZ(012)第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)立方晶系中的三種重要晶面立方晶系中的三種重要晶面第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 關(guān)于立方晶系的晶向

38、指數(shù)和晶面指數(shù)的幾點(diǎn)說明：關(guān)于立方晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù)的幾點(diǎn)說明：F某一晶向指數(shù)并不僅代表某一具體的晶向，而是代表了一族平行線某一晶向指數(shù)并不僅代表某一具體的晶向，而是代表了一族平行線的位向。的位向。所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指數(shù)。所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指數(shù)。F原子排列情況完全相同的所有晶向同屬于一個(gè)晶向族。原子排列情況完全相同的所有晶向同屬于一個(gè)晶向族。 晶向族用晶向族用uvwuvw表示。表示。F某一晶面指數(shù)并不僅代表某一具體的晶面，而是代表一組相互平行某一晶面指數(shù)并不僅代表某一具體的晶面，而是代表一組相互平行的晶面。的晶面。所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指數(shù)。所

39、有相互平行的晶面都具有相同的晶面指數(shù)。F原子排列情況完全相同的所有晶面同屬于一個(gè)晶面族。原子排列情況完全相同的所有晶面同屬于一個(gè)晶面族。 晶面族用晶面族用hklhkl表示。表示。F在立方晶系中，相同指數(shù)的晶向和晶面相互垂直。在立方晶系中，相同指數(shù)的晶向和晶面相互垂直。F在立方晶系中，相互平行的晶向和晶面必滿足以下關(guān)系：在立方晶系中，相互平行的晶向和晶面必滿足以下關(guān)系：hu + kv + lw = 0第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)六方晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù)六方晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù)六方晶系常采用四軸坐標(biāo)系來標(biāo)定晶向和晶面指數(shù)。六方晶系常采用四軸坐標(biāo)系來標(biāo)定

40、晶向和晶面指數(shù)。4 4個(gè)坐標(biāo)軸：個(gè)坐標(biāo)軸：a1，a2，a3和和c。a1、a2、a3之間的夾角為之間的夾角為120 。a1a2a3c-a1-a2-a3 晶面指數(shù)的標(biāo)定方法與前述晶面晶面指數(shù)的標(biāo)定方法與前述晶面指數(shù)的標(biāo)定方法相同。指數(shù)的標(biāo)定方法相同。 在四軸坐標(biāo)系中，六方晶系的晶在四軸坐標(biāo)系中，六方晶系的晶 面指數(shù)以面指數(shù)以（hkil）表示。表示。 等同的晶面可以從指數(shù)上反映出等同的晶面可以從指數(shù)上反映出來。來。 四指數(shù)之間的關(guān)系：四指數(shù)之間的關(guān)系： i =( h + k ) 或或 h + k + i = 0(0001)(1100)(1120)(1011)第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的

41、晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)a1a2a3 晶向指數(shù)的確定原則與前述相同。晶向指數(shù)的確定原則與前述相同。 在四軸坐標(biāo)系中，六方晶系的晶在四軸坐標(biāo)系中，六方晶系的晶向指數(shù)以向指數(shù)以（uvtw）表示。表示。 四指數(shù)之間的關(guān)系：四指數(shù)之間的關(guān)系： u + v = t 或或 u + v + t = 0 晶向指數(shù)的標(biāo)定方法如下：晶向指數(shù)的標(biāo)定方法如下：F從原點(diǎn)出發(fā)，沿著平行于四個(gè)坐標(biāo)從原點(diǎn)出發(fā)，沿著平行于四個(gè)坐標(biāo)軸的方向依次移動(dòng)，使之最后到達(dá)軸的方向依次移動(dòng)，使之最后到達(dá)要標(biāo)定方向上的某一結(jié)點(diǎn)。要標(biāo)定方向上的某一結(jié)點(diǎn)。F選擇適當(dāng)路線，使沿選擇適當(dāng)路線，使沿a2軸移動(dòng)的距軸移動(dòng)的距離等于沿離等于沿a1 、a2軸

42、移動(dòng)距離之和的軸移動(dòng)距離之和的負(fù)值，即負(fù)值，即u + v = t 。211010101210六方晶系晶向指數(shù)的表示方法六方晶系晶向指數(shù)的表示方法（c軸與圖面垂直）軸與圖面垂直）第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)關(guān)于六方晶系晶向指數(shù)和晶面指數(shù)的幾點(diǎn)說明：關(guān)于六方晶系晶向指數(shù)和晶面指數(shù)的幾點(diǎn)說明：F六方晶系的晶向和晶面可按三軸坐標(biāo)系或四軸坐標(biāo)系確定指數(shù)。六方晶系的晶向和晶面可按三軸坐標(biāo)系或四軸坐標(biāo)系確定指數(shù)。F六方晶系按兩種坐標(biāo)系所標(biāo)定的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)可相互轉(zhuǎn)換：六方晶系按兩種坐標(biāo)系所標(biāo)定的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)可相互轉(zhuǎn)換：u對(duì)晶面指數(shù)：對(duì)晶面指數(shù)：從從（h k i

43、 l）轉(zhuǎn)換成（）轉(zhuǎn)換成（h k l）：）：（h k i l） （h k l）從從（h k l） 轉(zhuǎn)換成（轉(zhuǎn)換成（h k i l）：）：（h k l） （h k -(h+k) l） u對(duì)晶向指數(shù)：對(duì)晶向指數(shù)：從從（u v t w）轉(zhuǎn)換成（）轉(zhuǎn)換成（U V W）：）：U = ut，V = vt，W = w從從（U V W）轉(zhuǎn)換成（）轉(zhuǎn)換成（u v t w）：）：，F(xiàn)在四軸坐標(biāo)系下，相同指數(shù)的晶向和晶面相互垂直。在四軸坐標(biāo)系下，相同指數(shù)的晶向和晶面相互垂直。)2(31VUu)2(31UVv)(vutWw 第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶帶晶帶（Crystal Zo

44、ne） 與晶帶相關(guān)的一些規(guī)律：與晶帶相關(guān)的一些規(guī)律： 晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示。晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示。如如001001晶帶，晶帶，110110晶帶等。晶帶等。 同一晶帶的晶面都與晶帶軸平行，亦即共帶面法線均垂直于晶帶軸。同一晶帶的晶面都與晶帶軸平行，亦即共帶面法線均垂直于晶帶軸。 晶帶軸晶帶軸uvw與該晶帶的晶面與該晶帶的晶面(hkl)之間滿足下列關(guān)系（晶帶定律）：之間滿足下列關(guān)系（晶帶定律）： hu + kv + lw = 0 晶帶定律的推論：晶帶定律的推論：u已知兩不平行晶面已知兩不平行晶面(h1k1l1)和和(h2k2l2) ，則由其所決定的晶帶軸，則由其所決定的晶帶軸uvw 由

45、下式計(jì)算：由下式計(jì)算：u = k1l2 k2l1，v = l1h2 l2h1 ，w =h1k2h2k1u已知兩不平行晶向已知兩不平行晶向u1v1w1和和u2v2w2 ，則由其所決定的晶面指數(shù)，則由其所決定的晶面指數(shù) (hkl) 由下式計(jì)算：由下式計(jì)算：h = v1w2v2w1，k = w1u2w2u1 ，l =u1v2u2v1晶帶、晶帶軸、共帶面：晶帶、晶帶軸、共帶面：相交和平行于某一晶向直線的所有晶面的組合稱為晶帶。相交和平行于某一晶向直線的所有晶面的組合稱為晶帶。該直線稱該直線稱為晶帶軸為晶帶軸（Zone Axis），同一晶帶中的晶面叫做共帶面。，同一晶帶中的晶面叫做共帶面。第一章 材料的

46、結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶面間距晶面間距（Interplanar Spacing） 與晶面間距相關(guān)的一些規(guī)律：與晶面間距相關(guān)的一些規(guī)律： 晶面間距越大，晶面上原子的排列就越密集。晶面間距越大，晶面上原子的排列就越密集。 晶面間距最大的晶面通常是原子最密排的晶面。晶面間距最大的晶面通常是原子最密排的晶面。 晶面間距計(jì)算公式：晶面間距計(jì)算公式：晶面間距：晶面間距：相鄰兩個(gè)平行晶面之間的距離，用相鄰兩個(gè)平行晶面之間的距離，用dhkl 表示。表示。2221clbkahdhkl正交晶系正交晶系立方晶系立方晶系222lkhadhkl六方晶系六方晶系2222)(341clakhk

47、hdhkla，b，c 為晶格常數(shù)為晶格常數(shù)第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、典型金屬的晶體結(jié)構(gòu) - -FeFe、 - -TiTi、CrCr、W W、MoMo、V V、NbNb、TaTa等等體心立方（體心立方（bcc）（body-centered cubic） 面心立方（面心立方（fcc）（face-centered cubic） 密排六方（密排六方（hcp）（hexagonal close-packed） - -FeFe、CuCu、AlAl、NiNi、AuAu、AgAg、PtPt、PbPb等等MgMg、ZnZn、CdCd、BeBe、 -

48、 -TiTi等等第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1. 1.晶體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)晶體結(jié)構(gòu)特征參數(shù) 晶胞尺寸晶胞尺寸 以晶格常數(shù)表示。以晶格常數(shù)表示。 原子半徑（原子半徑（r r） 代表原子的剛性小球的半徑。代表原子的剛性小球的半徑。 晶胞原子數(shù)（晶胞原子數(shù)（n n） 晶胞內(nèi)的原子數(shù)目。晶胞內(nèi)的原子數(shù)目。 晶格中原子排列的緊密程度晶格中原子排列的緊密程度配位數(shù)（配位數(shù)（Z）（Coordination Number） 晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子等距離且最近鄰的原子數(shù)目。晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子等距離且最近鄰的原子數(shù)目。致密度（致密度（K）（堆積因子）（堆積因子）（Packing

49、 Fact） 晶體結(jié)構(gòu)中原子所占體積與晶胞體積之比。晶體結(jié)構(gòu)中原子所占體積與晶胞體積之比。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)a體心立方晶胞體心立方晶胞2.2.體心立方結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征體心立方晶體模型體心立方晶體模型第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)原子半徑原子半徑晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) n =1/88 + 1 = 2配位數(shù)配位數(shù)Z8致密度致密度 0.6868% aa2第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)a面心立方晶胞面心立方晶胞3.3.面心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)

50、結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征面心立方晶體模型面心立方晶體模型第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)a結(jié)構(gòu)特征參數(shù)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)原子半徑原子半徑晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù)n =1/88 + 1/26 = 4配位數(shù)配位數(shù)Z =12致密度致密度 0.7474% a2第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)密排六方晶胞密排六方晶胞兩個(gè)簡(jiǎn)單六方點(diǎn)陣穿插兩個(gè)簡(jiǎn)單六方點(diǎn)陣穿插在一起構(gòu)成密排六方結(jié)構(gòu)在一起構(gòu)成密排六方結(jié)構(gòu)4.4.密排六方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征密排六方晶體模型密排六方晶體模型ac密排六方結(jié)構(gòu)的軸比密排六方結(jié)構(gòu)的軸比c /a 理想的理想的hcphcp晶格

51、的軸比晶格的軸比c /a 1.633第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)原子半徑原子半徑晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) n =1/612 + 1/22 + 3 = 6 配位數(shù)配位數(shù)Z =12致密度致密度 0.7474%第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 5. 5.多晶型性多晶型性多晶型性多晶型性（Polymorphism）金屬在固態(tài)下，存在兩種或兩種以上晶體結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為多晶金屬在固態(tài)下，存在兩種或兩種以上晶體結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為多晶型性，又稱為同素異構(gòu)型性，又稱為同素異構(gòu)（Allotropy） 、同素異晶。、同素異

52、晶。同素異構(gòu)體同素異構(gòu)體（Allotrope）在固態(tài)下，以不同晶體結(jié)構(gòu)存在的同一種金屬的晶體互稱為該金屬在固態(tài)下，以不同晶體結(jié)構(gòu)存在的同一種金屬的晶體互稱為該金屬的同素異構(gòu)體。的同素異構(gòu)體。多晶型轉(zhuǎn)變多晶型轉(zhuǎn)變（Polymorphic Transformation ）同一種金屬的同素異構(gòu)體在一定的條件下能相互轉(zhuǎn)化。多晶型轉(zhuǎn)變同一種金屬的同素異構(gòu)體在一定的條件下能相互轉(zhuǎn)化。多晶型轉(zhuǎn)變就是金屬在固態(tài)下隨外部條件（如溫度、壓強(qiáng)等）改變時(shí)，由一種晶就是金屬在固態(tài)下隨外部條件（如溫度、壓強(qiáng)等）改變時(shí)，由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。又稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。又稱為同素

53、異構(gòu)轉(zhuǎn)變（Allotropic Transformation）、同素異晶轉(zhuǎn)變。、同素異晶轉(zhuǎn)變。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純鐵的多晶型轉(zhuǎn)變：純鐵的多晶型轉(zhuǎn)變：1394912(bcc)(bcc)(bcc)(bcc)(fcc)(fcc) -Fe -Fe -Fe13941538溫溫度度時(shí)間時(shí)間912 -Fe -Fe -Fe第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)多晶型轉(zhuǎn)變時(shí)晶體體積的變化：多晶型轉(zhuǎn)變時(shí)晶體體積的變化：比容比容（Specific Volume ） ：?jiǎn)挝恢亓康奈镔|(zhì)所占有的體積。又稱為單位重量的物質(zhì)所占有的體積。又稱為比體積

54、。比體積。同一種金屬的同素異構(gòu)體通常具有不同同一種金屬的同素異構(gòu)體通常具有不同的致密度，因此比容也不同，多晶型轉(zhuǎn)變的致密度，因此比容也不同，多晶型轉(zhuǎn)變前后將伴隨著體積的突變。前后將伴隨著體積的突變。純鐵加熱時(shí)的膨脹曲線純鐵加熱時(shí)的膨脹曲線912(bcc)(bcc)(fcc)(fcc) -Fe -Fe致密度大致密度大(0.74)(0.74)致密度小致密度小(0.68)(0.68)體積增大體積減小第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)6.6.晶體中的原子堆垛方式晶體中的原子堆垛方式B層層C層層A層層B層層A層層A層層 面心立方結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式面心立方結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式

55、密排六方結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式密排六方結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式 第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)ABCAABA fcc的原子堆垛方式的原子堆垛方式hcp的原子堆垛方式的原子堆垛方式 第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)7.7.晶體結(jié)構(gòu)中的間隙晶體結(jié)構(gòu)中的間隙 晶體中存在一定數(shù)量的間隙。晶體中存在一定數(shù)量的間隙。 間隙對(duì)金屬的性能，合金的相結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散以及相變等有重要影響。間隙對(duì)金屬的性能，合金的相結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散以及相變等有重要影響。 從幾何形狀上看，晶體結(jié)構(gòu)中有從幾何形狀上看，晶體結(jié)構(gòu)中有八面體間隙八面體間隙和和四面體間隙四面體間隙兩種。兩種。原

56、子間隙體心立方結(jié)構(gòu)中的間隙體心立方結(jié)構(gòu)中的間隙八面體間隙（6個(gè)）四面體間隙（12個(gè)）第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)原子間隙面心立方結(jié)構(gòu)中的間隙面心立方結(jié)構(gòu)中的間隙八面體間隙（4個(gè)）四面體間隙（8個(gè)）第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)原子間隙密排六方結(jié)構(gòu)中的間隙密排六方結(jié)構(gòu)中的間隙八面體間隙（6個(gè)）四面體間隙（12個(gè)）第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 間隙的大小：間隙的大?。河瞄g隙能夠容納的最大圓球半徑表示。用間隙能夠容納的最大圓球半徑表示。體心立方結(jié)構(gòu)中的間隙的大小體心立方結(jié)構(gòu)中的間隙的大小四

57、面體間隙四面體間隙bcc中的四面體間隙中的四面體間隙bcc中的八面體間隙中的八面體間隙八面體間隙八面體間隙ra45r34rr四 = 0.29r45r八 =ra 21rr 3421= 0.15r在在bccbcc中，四面體間隙比八面體間隙大。中，四面體間隙比八面體間隙大。四四八八r：原子半徑；：原子半徑； r四四：四面體間隙半徑；：四面體間隙半徑； r八八：八面體間隙半徑：八面體間隙半徑fcc第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)中的間隙的大小面心立方結(jié)構(gòu)中的間隙的大小四面體間隙四面體間隙八面體間隙八面體間隙r四 = 0.225rfcc中的四面體間隙中的四面

58、體間隙fcc中的八面體間隙中的八面體間隙hcp中的四面體間隙中的四面體間隙hcp中的八面體間隙中的八面體間隙r八 = 0.414r在在fccfcc中，八面體間隙比四面體中，八面體間隙比四面體間隙大。間隙大。密排六方結(jié)構(gòu)中的間隙的大小密排六方結(jié)構(gòu)中的間隙的大小四面體間隙四面體間隙r四 = 0.225rr八 = 0.414r八面體間隙八面體間隙hcphcp結(jié)構(gòu)中的間隙與結(jié)構(gòu)中的間隙與fccfcc完全相完全相似，在原子半徑相同時(shí)，兩種似，在原子半徑相同時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的同類間隙的大小相同。結(jié)構(gòu)的同類間隙的大小相同。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.2 1.2 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

59、與晶體缺陷第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷一、單晶體與多晶體一、單晶體與多晶體1.1.單晶體單晶體（Single Crystal）的特征的特征 原子原子排列位向完全一致。排列位向完全一致。 單單晶體具有各向異性。晶體具有各向異性。 例如：例如：?jiǎn)尉Ч?、單晶鍺等。單晶硅、單晶鍺等。2.2.多晶體多晶體（Polycrystal）的特征的特征 多多晶體由許多小單晶體組成，各單晶體的原子排列位向不同。晶體由許多小單晶體組成，各單晶體的原子排列位向不同。 多多晶體具有偽各向同性。晶體具有偽各向同性。 例如：例如：常用的金屬等。常用的金屬等。第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.3 1.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷

60、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷單晶體結(jié)構(gòu)示意圖單晶體結(jié)構(gòu)示意圖多晶體結(jié)構(gòu)示意圖多晶體結(jié)構(gòu)示意圖晶粒晶粒（Grain）晶界晶界（Grain Boundary）第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.3 1.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷晶粒晶粒（Grain）晶界晶界（Grain Boundary）顯微鏡下看到的純鐵的顯微組織顯微鏡下看到的純鐵的顯微組織第一章 材料的結(jié)構(gòu)1.3 1.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷二、理想晶體與實(shí)際晶體二、理想晶體與實(shí)際晶體1.1.理想晶體理想晶體（Perfect Crystal）的概念的概念 原子排列規(guī)則、無任何缺陷的晶體，