工程傳熱學(xué)-第02章 晶體結(jié)構(gòu)

1、實(shí)驗(yàn)課鄒 輝 87543191二章 晶體材料的結(jié)構(gòu)晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)立方晶系晶向與晶面純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié) 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)結(jié) 構(gòu)性 能效 能加 工 材料科學(xué)研究中關(guān)注的幾個(gè)重要內(nèi)容 金屬材料的性能是由其組織結(jié)構(gòu)決 定的。 金屬的組織結(jié)構(gòu)就是其內(nèi)部原子的 排列方式。非晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié) 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí) 材料的性能不僅與其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)。 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)。 甚至同一種材料，在不同的環(huán)境下也有不同的原子

2、排列同素異構(gòu)。如： C， Fe晶體結(jié)構(gòu)概念第一節(jié) 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)原子排列晶格、晶胞、晶體常數(shù)布拉菲點(diǎn)陣晶胞中的原子數(shù)晶格常數(shù)與原子半徑的關(guān)系第一節(jié) 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí) 晶體結(jié)構(gòu)原子空間排列ABCABCAABABA排列方式？緊密堆垛1.1 晶格及晶胞 第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶胞有序的結(jié)構(gòu)晶格：為了便于理解和描述晶體中原子排列的規(guī)律，可以近似地將晶體中每一個(gè)原子看成是一個(gè)點(diǎn)，并將各點(diǎn)用假想的線連接起來，就得到一個(gè)空間骨架，簡稱晶格。晶胞：即晶格中最小的幾何單元。第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶胞 從晶格中取一個(gè)最小的立體單元（最小的平行六面體）稱為晶胞。晶格是晶胞在空間的疊加。晶胞的選擇原則： 能充分反映整個(gè)

3、空間點(diǎn)陣的對稱性。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。體積要最小。 晶系第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶格常數(shù)在晶胞中取某一點(diǎn)為原點(diǎn)（通常取在左下角后面一結(jié)點(diǎn)），建立坐標(biāo)系，以晶胞的三個(gè)棱邊作為坐標(biāo)軸x，y，z（可以是垂直的，也可以不垂直）。以三邊的長度a，b，c及相互間夾角，六個(gè)參數(shù)來表示晶胞的大小和形狀，其中三棱邊的長度a，b，c 稱為晶格常數(shù)，它們反映了晶胞的大小。 按a、b、c是否相等，、是否為直角將全部晶體分為7個(gè)晶系： 1.2 晶格常數(shù)與晶系14種晶胞（點(diǎn)陣）或 Bravais點(diǎn)陣第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)簡單立方面心立方體心立方簡單正方體心正方簡單正交底心正交面心正交體心正交四方

4、斜方第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)簡單單斜底心單斜簡單六方菱方簡單三斜菱方14種晶胞（點(diǎn)陣）或 Bravais點(diǎn)陣第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí) 角頂原子：8個(gè)單胞共有； 面上原子：2個(gè)單胞共有； 胞內(nèi)原子：單胞獨(dú)有 簡單立方晶胞中的原子數(shù)第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí) 角頂原子：8個(gè)單胞共有； 面上原子：2個(gè)單胞共有； 胞內(nèi)原子：單胞獨(dú)有 其他常見金屬晶體結(jié)構(gòu) 在晶胞不同位置的原子由不同數(shù)目的晶胞分享： 立方晶胞頂角原子 1/8 六方晶胞結(jié)點(diǎn) 1/6 面上原子 1/2 晶胞內(nèi)部 1晶胞中的原子數(shù)第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶胞常數(shù)與原子半徑的關(guān)系 簡單立方a=2R 面心立方 體心立方 密排六方第二節(jié) 立方晶系晶向與晶面指數(shù)2.1

5、 晶向與晶面的概念 晶向：在晶胞中，通過若干原子中心（結(jié)點(diǎn)）連接一起的具有不同空間方位的直線晶向任何兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的連線即構(gòu)成一個(gè)晶向。晶面：在晶胞中，通過若干原子中心構(gòu)成的二維平面晶面2.2 晶向指數(shù)的標(biāo)定1、 為什么要標(biāo)定：區(qū)別不同方位的晶向, 因?yàn)椴牧显诓煌蛏蠒?huì) 表現(xiàn)出不同的性能。 標(biāo)定形式： 采用miller指數(shù)（英國晶體學(xué)家，1939）2、 標(biāo)定方法： 以晶胞中某一原子為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，以三棱邊為坐標(biāo)軸；以a，b，c為單位矢量；在晶向上任取兩點(diǎn)，坐標(biāo)為：(x1,y1,z1) (x2,y2,z2)；計(jì)算x2-x1 ： y2-y1 ： z2-z1 ；化成最小整數(shù)比u：v：w ；放在方括

6、號(hào)uvw中，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方 。A（x1,y1,z1）B（x2,y2,z2）說明：（a）一個(gè)晶向指數(shù)表示的是一組互相平行，方向一致的所有晶向。因?yàn)榫w中的原子排列具有對稱性，相互平行的直線上的原子排列完全一樣。如：AB=DE坐標(biāo) ： A（1，1，0） B（0，1，1） C（1，1，1） O（0，0，0）舉例: 求 AB, OC晶向指數(shù) B(0,1,1)A(1,1,0)C(1,1,1)O(0,0,0)DEB(0,1,1)（b) 晶向族 B(0,1,1)A(1,1,0)C(1,1,1)O(0,0,0)DEB(0,1,1)如：AO(OA)，DE(ED)，OB(BO), DC(CD) 等均為同等

7、的，可用 OA表示，即：由于晶體中原子排列的對稱性，存在許多原子排列相同，但方向不同的晶向，在晶體學(xué)上，這些晶向是同等的,統(tǒng)稱為晶向族，用uvw表示 .共12個(gè) 可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號(hào)后的所有結(jié)果都是該族的范圍。 原子排列相同的晶向具有相同的性質(zhì)2.3 晶面指數(shù)的標(biāo)定為什么標(biāo)定：區(qū)別不同方位，不同原子排列的晶面，同樣以 Miller指數(shù)標(biāo)定 標(biāo)定方法：建立坐標(biāo)系：以一個(gè)原子中心為原點(diǎn)，以三棱邊為坐標(biāo)軸，以a，b，c為單位矢量； 求出待標(biāo)定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距，如 m、n、p； 計(jì)算其倒數(shù) b1 b2 b3 ；化成最小、整數(shù)比 h：k：l ；放在圓方括號(hào)(hkl)，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記

8、在上方 。舉例： 標(biāo)定右圖中陰影晶面的指數(shù) 求截距 OX1，OY1，OZ求倒數(shù) 1/1，1/1, 1/ 1，1，0寫出晶面指數(shù) （110） 求截距 OX-1，OY，OZ 1求倒數(shù) -1/1,1/,1/1 -1，0，1寫出晶面指數(shù): 注意：（hkl）表示一組相互平行的晶面。如A面，B面具有相同的晶面指數(shù)（001），指數(shù)符號(hào)正好相反的晶面亦相互平行； 若待標(biāo)定晶面通過原點(diǎn)，可將坐標(biāo)系適當(dāng)平移，再求截距，如B面平移至A面位置； AB晶面族 原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶面的集合， 稱為晶面族。 原子排列相同的晶面性質(zhì)相同。表示方法：用大括號(hào)hkl表示。 舉例：可見任意交換指數(shù)的位置和改變符

9、號(hào)后的所有結(jié)果都是該族的范圍。 同學(xué)們自己排列 123晶面族6個(gè)3 三類典型的晶體結(jié)構(gòu)體心立方 BCC Body-centered cubic面心立方 FCC Face-centered cubic密堆六方 CPH Close-packed hexagonal3.1 體心立方（BCC） 結(jié)構(gòu)特征：每個(gè)角頂上各有一個(gè)原 子,體心中有一個(gè)原子 a=b=c，=90常見金屬： -Fe，V，Ta，Nb， Cr， Mo，W等 3.2 面心立方 （FCC） 特征：每個(gè)角頂上各有一個(gè)原子, 各個(gè)面中心有一個(gè)原子 a=b=c，=90常見金屬：Ag，Au，Ni，Cu Pd，Pt，-Fe等 3.3 密堆六方特征：

10、12個(gè)頂角各一個(gè)原子、上下面中心各一個(gè)原子，體內(nèi)3個(gè)原子（位于對稱中心處） a=b c, =90， =120 通常： c/a=1.633常見金屬：Mg， Zn，Ti，Zr，等 原子半徑： 將晶體中原子視為等徑剛球，并認(rèn)為是緊密堆積的，原子半徑視為晶胞中最近鄰兩原子中的距離一半。 致密度： 晶胞中原子自身所占的體積之和與晶胞總體積之比。 配位數(shù)： 配位數(shù)是指晶體中與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)目。配位數(shù)越高晶體越緊密。晶向及晶面的原子密度晶向原子密度：該晶向上單位長度上的原子 數(shù)，如FCC在 110晶向上 的原子密度為：晶面的原子密度：晶面上單位面積上的原子數(shù) 如FCC晶胞中（111）面的密

11、度為： 一、體心立方原子位置:立方體的八個(gè)頂角和晶胞中心各一個(gè)原子。 第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)體心立方中原子排列不同晶向， 不同晶面上的原子密度不同二、面心立方原子位置:立方體的八個(gè)頂角和每個(gè)側(cè)面中心各一個(gè)原子 面心立方中原子排列第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)三、密堆六方原子位置 12個(gè)頂角、上下底心各一個(gè)原子，體內(nèi)3各原子。 第四節(jié) 材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)單晶體: 一塊晶體材料由一個(gè)晶粒組成。即整個(gè)材料是一個(gè)晶體，這塊晶體就稱之為“單晶體”。如單晶硅，水晶石，金剛石。 水晶石金剛石冰晶體第四節(jié) 材料的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)多晶體: 由眾多外觀不規(guī)則，位向不同的單晶體組成的幾何體。一般實(shí)際材

12、料均為多晶體。 多晶體中的各單晶體稱為晶粒，兩晶粒之間的界面稱為晶界 。 晶界不一定是平整的晶粒與晶界:多晶體的組織與性能：組織：右圖所示為純Fe的顯微結(jié)構(gòu)，它是經(jīng)拋光、腐蝕后的顯微鏡放大照片。特點(diǎn)： 各不規(guī)則，明暗不同的幾何圖形晶粒 晶粒之間的界面晶界（晶界上缺陷多，易腐蝕） 明暗不同由于取向不同，方位不同，耐腐蝕能力亦不同，引起明暗襯度不同。組織是通過人眼或顯微鏡觀察到的形貌、結(jié)構(gòu)。性能：單晶體是各向異性： 通常原子排列的密排面。密排方向的強(qiáng)度最大。如Fe（BCC）在方向上的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于在方向上的強(qiáng)度多晶體是各向同性： 多晶體材料中，盡管每個(gè)晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個(gè)晶粒在空間取

13、向是隨機(jī)分布，大量晶粒的綜合作用，整個(gè)材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性。 二、晶體中的缺陷晶體缺陷： 正常晶體中原子排列受到破壞缺陷。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）。 實(shí)際晶體中的原子排列不是理想的，不具有完全的平移對稱性，而是存在一些偏離了理想原子排列的區(qū)域，這些區(qū)域即構(gòu)成缺陷。 缺陷會(huì)引起材料性能的巨大變化，如：理想完整晶體的強(qiáng)度通常是實(shí)際晶體的數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍。晶體缺陷的類型： 點(diǎn)缺陷 線缺陷 面缺陷1、點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小的晶體缺陷。 點(diǎn)缺陷的類型 ：空位 在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子的地方空缺，這種缺陷稱為“空位”。 間隙原子 在晶格

14、非結(jié)點(diǎn)位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。間隙原子通常是小原子， C， H，B等。 異類原子 在一種類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子占據(jù)原有的原子位置。 2、線缺陷線缺陷：在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級(jí))，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)（Dislocation）位錯(cuò)的形式 ：刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò) 混合型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)位錯(cuò)的產(chǎn)生：在正常原子排列的晶體中，某一部分多了一層 或少了一層原子面實(shí)際晶體材料中都存在位錯(cuò)，而且位錯(cuò)對材料性能影響很大，含位錯(cuò)的晶體的強(qiáng)度僅理想晶體的1/5-1/10位錯(cuò)線附近的晶格有相應(yīng)的畸變，有高于理想晶體的能量；位錯(cuò)線附近異類原子濃度高于平均水平；位錯(cuò)在晶體中可以發(fā)生移動(dòng)，是材料塑性變形基本原因之一；位錯(cuò)與異類原子的作