第01章_晶體結(jié)構(gòu)

1、第一章第一章 晶體材料的結(jié)構(gòu)晶體材料的結(jié)構(gòu)晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)晶向與晶面指數(shù)晶向與晶面指數(shù)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)常見離子晶體的結(jié)構(gòu)常見離子晶體的結(jié)構(gòu)常見共價(jià)鍵晶體結(jié)構(gòu)常見共價(jià)鍵晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶體基礎(chǔ)知識(shí)一、原子的排列方式一、原子的排列方式 分子的構(gòu)成分子的構(gòu)成 有的分子是單原子，如金屬材料；有的有的分子是單原子，如金屬材料；有的是幾個(gè)相同或不同的原子，如陶瓷材料；有的分子是幾個(gè)相同或不同的原子，如陶瓷材料；有的分子中包含的數(shù)千或更多的原子，如高分子材料。中包含的數(shù)千或更多的原子，如高分子材料。 1. 1. 非晶體非晶體原子排列：原子排列：粒子粒子(

2、 (原子、離子或分子原子、離子或分子) )無規(guī)則的堆積。無規(guī)則的堆積。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 各向同性；各向同性； 黏度為其力學(xué)性能的基本參數(shù)，能保持自己形黏度為其力學(xué)性能的基本參數(shù)，能保持自己形狀的為固體，不能保持自己形狀的為液體；狀的為固體，不能保持自己形狀的為液體； 隨溫度的升高黏度減小，在液體和固體之間沒隨溫度的升高黏度減小，在液體和固體之間沒有明顯的溫度界限。有明顯的溫度界限。一、原子的排列方式一、原子的排列方式2. 2. 晶體晶體原子排列：原子排列：粒子粒子( (原子、離子或分子原子、離子或分子) )在三維空間呈周在三維空間呈周期性的規(guī)則重復(fù)排列。期性的規(guī)則重復(fù)排列。特點(diǎn)：特點(diǎn)：各向異性：不

3、同方向原子的排列方式不各向異性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表現(xiàn)的性能也有差異相同，因而其表現(xiàn)的性能也有差異固定的熔點(diǎn)：排列規(guī)律能保持時(shí)呈現(xiàn)固固定的熔點(diǎn)：排列規(guī)律能保持時(shí)呈現(xiàn)固體，溫度升高到某一特定值，排列方式體，溫度升高到某一特定值，排列方式的解體，原子成無規(guī)則堆積，這時(shí)大多的解體，原子成無規(guī)則堆積，這時(shí)大多呈現(xiàn)不能保持自己形狀的液體。呈現(xiàn)不能保持自己形狀的液體。二、晶格與晶胞二、晶格與晶胞第一節(jié)第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶格晶格為了表達(dá)空間原子排列的幾何規(guī)律，把粒子為了表達(dá)空間原子排列的幾何規(guī)律，把粒子( (原原子或分子子或分子) )在空間的平衡位置作為在空間的平衡位置作為節(jié)

4、點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，人為地，人為地將節(jié)點(diǎn)用一系列相互平行的直線連接起來形成的將節(jié)點(diǎn)用一系列相互平行的直線連接起來形成的空間格架稱為空間格架稱為晶格晶格。 二、晶格與晶胞二、晶格與晶胞第一節(jié)第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶胞晶胞構(gòu)成晶格的最基本單元。構(gòu)成晶格的最基本單元。晶胞在三維空間重復(fù)堆砌可構(gòu)成整個(gè)空間點(diǎn)陣，晶胞在三維空間重復(fù)堆砌可構(gòu)成整個(gè)空間點(diǎn)陣，通常為小的平行六面體。晶胞要順序滿足通常為小的平行六面體。晶胞要順序滿足能充能充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對稱性，分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對稱性，具有盡可能多具有盡可能多的直角，的直角，體積要最小。體積要最小。 第一節(jié)第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶體基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)陣常數(shù)點(diǎn)陣常數(shù)

5、平行六面體的三個(gè)棱長平行六面體的三個(gè)棱長a a、b b、c c和及和及其夾角其夾角、，可決定平行六，可決定平行六面體尺寸和形狀，這六個(gè)量亦稱為面體尺寸和形狀，這六個(gè)量亦稱為點(diǎn)陣常數(shù)。點(diǎn)陣常數(shù)。三、晶系三、晶系第一節(jié)第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識(shí)晶體基礎(chǔ)知識(shí) 按點(diǎn)陣常數(shù)的特征對晶體的分類。按點(diǎn)陣常數(shù)的特征對晶體的分類。布拉菲點(diǎn)陣布拉菲點(diǎn)陣 簡單單斜底心單斜第二節(jié)第二節(jié) 晶向與晶面指數(shù)晶向與晶面指數(shù)一、晶向與立方晶系晶向指數(shù)一、晶向與立方晶系晶向指數(shù) 晶向：晶向：空間點(diǎn)陣中節(jié)點(diǎn)列的方向?？臻g中任兩節(jié)點(diǎn)的空間點(diǎn)陣中節(jié)點(diǎn)列的方向?？臻g中任兩節(jié)點(diǎn)的連線的方向，代表了晶體中原子列的方向。連線的方向，代表了晶體中原子

6、列的方向。晶向指數(shù)晶向指數(shù)：表示晶向方位符號。：表示晶向方位符號。 標(biāo)定方法：標(biāo)定方法：建立坐標(biāo)系建立坐標(biāo)系 結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，三棱為方向，結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，三棱為方向，點(diǎn)陣常數(shù)為單位點(diǎn)陣常數(shù)為單位 ；在晶向上任兩點(diǎn)的坐標(biāo)在晶向上任兩點(diǎn)的坐標(biāo)(x1,y1,z1) (x1,y1,z1) (x2,y2,z2)(x2,y2,z2)。( (若平移晶向或坐標(biāo)，讓在第若平移晶向或坐標(biāo)，讓在第一點(diǎn)在原點(diǎn)則下一步更簡單一點(diǎn)在原點(diǎn)則下一步更簡單) )； 計(jì)算計(jì)算x2-x1 x2-x1 ： y2-y1 y2-y1 ： z2-z1z2-z1 ；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uvw

7、uvw中，不加逗號，負(fù)號記在中，不加逗號，負(fù)號記在上方上方 。一、晶向與立方晶系晶向指數(shù)一、晶向與立方晶系晶向指數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 晶系晶向與晶面指數(shù)晶系晶向與晶面指數(shù)晶向族：晶向族：原子排列情況相同，但空間位向不同的一組原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶向晶向的集合的集合。 表示方法：表示方法：用尖括號用尖括號表示表示 。舉例：舉例：可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號后的所可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號后的所有結(jié)果都是該族的范圍。有結(jié)果都是該族的范圍。 晶向指數(shù)特征：晶向指數(shù)特征：與原點(diǎn)位置無關(guān)；每一指數(shù)對應(yīng)一組與原點(diǎn)位置無關(guān)；每一指數(shù)對應(yīng)一組平行的晶向。平行的晶向。 二、晶面與立方晶系晶

8、面指數(shù)二、晶面與立方晶系晶面指數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 晶系晶向與晶面指數(shù)晶系晶向與晶面指數(shù)晶面：晶面：空間中不在一直線任三個(gè)陣點(diǎn)的構(gòu)成的平面，空間中不在一直線任三個(gè)陣點(diǎn)的構(gòu)成的平面，代表了晶體中原子列的方向。代表了晶體中原子列的方向。 晶面指數(shù)晶面指數(shù)：表示晶面方位的符號。：表示晶面方位的符號。 標(biāo)定方法：標(biāo)定方法：建立坐標(biāo)系建立坐標(biāo)系 結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，三棱為方向，結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，三棱為方向，點(diǎn)陣常數(shù)為單位點(diǎn)陣常數(shù)為單位 （原點(diǎn)在標(biāo)定面以外，可（原點(diǎn)在標(biāo)定面以外，可以采用平移法）以采用平移法）；晶面在三個(gè)坐標(biāo)上的截距晶面在三個(gè)坐標(biāo)上的截距a1 a2 a3a1 a2 a3 ； 計(jì)算其倒數(shù)計(jì)算其倒數(shù) b1 b2

9、b3b1 b2 b3 ；化成最小、整數(shù)比化成最小、整數(shù)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(fù)號記在，不加逗號，負(fù)號記在上方上方 。二、晶面與立方晶系晶面指數(shù)二、晶面與立方晶系晶面指數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 晶系晶向與晶面指數(shù)晶系晶向與晶面指數(shù)晶面族：晶面族：原子排列情況相同，但空間位向不同的一組原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶晶面的集合面的集合。 表示方法：表示方法：用花括號用花括號hklhkl表示表示。 舉例：舉例：可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號后的所可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號后的所有結(jié)果都是該族的范圍。有結(jié)果都是該族的范圍。 晶面指數(shù)特

10、征：晶面指數(shù)特征：與原點(diǎn)位置無關(guān)；每一指數(shù)對應(yīng)一組與原點(diǎn)位置無關(guān)；每一指數(shù)對應(yīng)一組平行的晶面。平行的晶面。 三、六方晶系晶面與晶向指數(shù)三、六方晶系晶面與晶向指數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 晶系晶向與晶面指數(shù)晶系晶向與晶面指數(shù)1 1、晶面指數(shù)、晶面指數(shù)：建立坐標(biāo)系建立坐標(biāo)系：在六方晶系中，為了在六方晶系中，為了明確的表示晶體底面的明確的表示晶體底面的( (六次六次) )對稱對稱性，底面用互成性，底面用互成120120度的三個(gè)坐標(biāo)度的三個(gè)坐標(biāo)軸軸x1x1、x2x2、x3x3，其單位為晶格常數(shù)，其單位為晶格常數(shù)a a，加上垂直于底面的方向，加上垂直于底面的方向Z Z，其單，其單位為高度方向的晶格常數(shù)位為高度方向的

11、晶格常數(shù)c c。注意。注意x1x1、x2x2、x3x3三個(gè)坐標(biāo)值不是獨(dú)立的三個(gè)坐標(biāo)值不是獨(dú)立的變量。變量。 方法同立方晶系，方法同立方晶系， (hkil)為在四個(gè)為在四個(gè)坐標(biāo)軸的截距倒數(shù)的化簡，自然可坐標(biāo)軸的截距倒數(shù)的化簡，自然可保證關(guān)系式保證關(guān)系式hkI0。底面指數(shù)。底面指數(shù)為為(0001),側(cè)面的指數(shù)為側(cè)面的指數(shù)為(1010)。三、六方晶系晶面與晶向指數(shù)三、六方晶系晶面與晶向指數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 晶系晶向與晶面指數(shù)晶系晶向與晶面指數(shù)2 2、晶向指數(shù)、晶向指數(shù)標(biāo)定方法：標(biāo)定方法：平移晶向平移晶向( (或坐標(biāo)或坐標(biāo)) )，讓原，讓原點(diǎn)為晶向上一點(diǎn)，取另一點(diǎn)為晶向上一點(diǎn)，取另一點(diǎn)的坐標(biāo)，有點(diǎn)的坐標(biāo)，

12、有: :并滿足并滿足p pq qr r0 0 ；化成最小、整數(shù)比化成最小、整數(shù)比 u u：v v：t t：w w放在放在方方方括號方括號uvtwuvtw，不加逗號，負(fù)號記在上方，不加逗號，負(fù)號記在上方 。三、六方晶系晶面與晶向指數(shù)三、六方晶系晶面與晶向指數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 晶系晶向與晶面指數(shù)晶系晶向與晶面指數(shù)3 3、晶向族與晶面族、晶向族與晶面族 同一族的晶向或晶面同一族的晶向或晶面也具有等同的效果；也具有等同的效果； 三個(gè)水平方向具有等三個(gè)水平方向具有等同的效果，指數(shù)的交同的效果，指數(shù)的交換只能在他們之間進(jìn)換只能在他們之間進(jìn)行，行，Z Z軸只能改變符軸只能改變符號號 ； 改變符號時(shí)，前三項(xiàng)要滿足

13、改變符號時(shí)，前三項(xiàng)要滿足p pq qr r0 0的相關(guān)性的相關(guān)性要求。要求。四、四、其他晶體學(xué)概念其他晶體學(xué)概念 第二節(jié)第二節(jié) 晶向與晶面指數(shù)晶向與晶面指數(shù)2.2.晶面的原子密度：晶面的原子密度：該晶面單位面積上的節(jié)點(diǎn)該晶面單位面積上的節(jié)點(diǎn)( (原子原子) )數(shù)數(shù)。 1.1.晶向的原子密度：晶向的原子密度：該晶向單位長度上的節(jié)點(diǎn)該晶向單位長度上的節(jié)點(diǎn)( (原子原子) )數(shù)。數(shù)。3.3.晶帶和晶帶軸晶帶和晶帶軸：相交和平行于某一晶向的所有晶面：相交和平行于某一晶向的所有晶面的組合稱為晶帶，此直線叫做它們的晶帶軸。晶帶的組合稱為晶帶，此直線叫做它們的晶帶軸。晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示。用晶帶軸的晶

14、向指數(shù)表示。在立方晶系中在立方晶系中： 晶面晶面(hkl)(hkl)和其晶帶軸和其晶帶軸uvwuvw的的指數(shù)之間滿足關(guān)系指數(shù)之間滿足關(guān)系：四、四、其他晶體學(xué)概念其他晶體學(xué)概念 第二節(jié)第二節(jié) 晶向與晶面指數(shù)晶向與晶面指數(shù)4.4.晶面間距晶面間距：指相鄰兩個(gè)平行晶面之間的距離。：指相鄰兩個(gè)平行晶面之間的距離。晶面間的距離越大，晶面上的原子排列越密集。晶面間的距離越大，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，它們的晶面間同一晶面族的原子排列方式相同，它們的晶面間的間距也相同。的間距也相同。不同晶面族的晶面間距也不相同。不同晶面族的晶面間距也不相同。 第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純

15、金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn): :以金屬鍵結(jié)合，失去外層電子的金屬離子與以金屬鍵結(jié)合，失去外層電子的金屬離子與自由電子的吸引力。無方向性，對稱性較高的密堆自由電子的吸引力。無方向性，對稱性較高的密堆結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。常見結(jié)構(gòu)常見結(jié)構(gòu)：體心立方體心立方 bcc bcc Body-centered cubic面心立方面心立方 fcc fcc Face-centered cubic密堆六方密堆六方 cph cph Close-packed hexagonal一、面心立方一、面心立方第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)原子位置原子位置 立方體的八個(gè)頂角立方體的八個(gè)頂角和每個(gè)側(cè)面中心和

16、每個(gè)側(cè)面中心 面心立方中原子排列面心立方中原子排列第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)在面心立方晶格中密排面為在面心立方晶格中密排面為111，密排方向?yàn)?，密排方向?yàn)槊嫘牧⒎街械拈g隙面心立方中的間隙第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu) 將原子假定為將原子假定為剛性球，他們在堆剛性球，他們在堆垛排列時(shí)必然存在垛排列時(shí)必然存在間隙。在面心立方間隙。在面心立方晶格中存在的間隙晶格中存在的間隙主要有兩種形式：主要有兩種形式： 八面體八面體間隙：間隙：位置位置 體心和棱中點(diǎn)體心和棱中點(diǎn)單胞數(shù)量單胞數(shù)量 1212/4 + 1 = 4/4 + 1 = 4 大小大小 四四面體

17、面體間隙：間隙：位置位置 四個(gè)最近鄰原子的中心四個(gè)最近鄰原子的中心 單胞數(shù)量單胞數(shù)量 8 8 大小大小 二、體心立方二、體心立方第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)原子位置原子位置 立方體的八個(gè)頂角和體心立方體的八個(gè)頂角和體心 體心立方中原子排列體心立方中原子排列第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)在體心立方晶格中密排面為在體心立方晶格中密排面為110，密排方向?yàn)?，密排方向?yàn)轶w心立方中的體心立方中的間隙間隙第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)八面體八面體間隙：間隙：位置位置 面心和棱中點(diǎn)面心和棱中點(diǎn) 單胞數(shù)量單胞數(shù)量 1212/4 + 6/

18、2 = 6/4 + 6/2 = 6大小大小 四四面體面體間隙：間隙：側(cè)面中心線側(cè)面中心線1/41/4和和3/43/4處處 12 12 個(gè)個(gè) 三、密堆六方三、密堆六方第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)原子位置原子位置 1212個(gè)頂角、上下底心和體內(nèi)個(gè)頂角、上下底心和體內(nèi)3 3處處 在密堆六方晶格中密排面為在密堆六方晶格中密排面為0001，密排方向?yàn)?，密排方向?yàn)槊芏蚜街械拿芏蚜街械拈g隙間隙第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)八面體八面體間隙：間隙：位置位置 體內(nèi)體內(nèi) 單胞數(shù)量單胞數(shù)量 6 6大小大小 四四面體面體間隙：間隙：位置位置 棱和中心線的棱和中心線

19、的1/41/4和和3/43/4處處 單胞數(shù)量單胞數(shù)量 1212大小大小四、面心立方和四、面心立方和密堆六方的原子密堆六方的原子堆垛堆垛第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)原子的密排面的形式：原子的密排面的形式： 在平面上每個(gè)原子在平面上每個(gè)原子與六個(gè)原子相切。與六個(gè)原子相切。 hcphcp中為中為(0001)(0001)面面，按，按 ABABABABAB-ABABABABAB-方式堆垛方式堆垛 FccFcc中中為為111111面面， 按按 ABCABCABCABC-ABCABCABCABC-方式堆垛方式堆垛 五、其他概念五、其他概念第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)純金屬常見

20、的晶體結(jié)構(gòu)同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變 大部分金屬只有一種晶體結(jié)構(gòu)，但大部分金屬只有一種晶體結(jié)構(gòu)，但也有少數(shù)金屬如也有少數(shù)金屬如FeFe、MnMn、TiTi、CoCo等具有兩種或幾種等具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型。當(dāng)外部條件晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型。當(dāng)外部條件( (如溫度和壓如溫度和壓力力) )改變時(shí)，金屬內(nèi)部由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體改變時(shí)，金屬內(nèi)部由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變稱為多晶型轉(zhuǎn)變或同素異晶轉(zhuǎn)變。鐵的結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變稱為多晶型轉(zhuǎn)變或同素異晶轉(zhuǎn)變。鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變在熱處理中有非常重大的意義同素異晶轉(zhuǎn)變在熱處理中有非常重大的意義 五、其他概念五、其他概念第三節(jié)第三節(jié) 純金屬常見的晶

21、體結(jié)構(gòu)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)原子半徑原子半徑 當(dāng)大量原子通過鍵合組成緊密排列的晶體當(dāng)大量原子通過鍵合組成緊密排列的晶體時(shí)，利用原子等徑剛球密堆模型，以相切兩剛球的中時(shí)，利用原子等徑剛球密堆模型，以相切兩剛球的中心距心距( (原子間距原子間距) )之半作為原子半徑。原子半徑的測量之半作為原子半徑。原子半徑的測量方法是利用方法是利用X X射線來先確定其晶體結(jié)構(gòu)的類型和一些射線來先確定其晶體結(jié)構(gòu)的類型和一些晶面的間距，然后根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的關(guān)系計(jì)晶面的間距，然后根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的關(guān)系計(jì)算出。算出。 原子的半徑并不是固定不變的，它隨著結(jié)合鍵的類型和外原子的半徑并不是固定不變的，它隨著結(jié)合鍵的類型和外界環(huán)境不同而不同。一般表現(xiàn)規(guī)律為：界環(huán)境不同而不同。一般表現(xiàn)規(guī)律為：溫度升高，原子半徑溫度升高，原子半徑增大；壓力增大，原子半徑減??；增大；壓力增大，原子半徑減??；原子間結(jié)合鍵愈強(qiáng)，如離原子間結(jié)合鍵愈強(qiáng)，如離子鍵或金屬鍵，原子間距相應(yīng)較小，即原子的半徑也較??；子鍵或金屬鍵，原子間距相應(yīng)較小，即原子的半徑也較??；晶體中，原子的配位數(shù)的降低，原子的半徑也隨之減小，在同晶體中，原子的配位數(shù)的降低，原子的半徑也隨之減小，在同素異晶轉(zhuǎn)變中，這種改變可減小轉(zhuǎn)變中的體積變化，鐵的面心素異晶轉(zhuǎn)變中，這種改變可減小轉(zhuǎn)變中的體積變化，鐵的面心立方與體心立方晶格之間的變化