第1-2-金屬的晶體結構

1、授課教師:楊秀英 金屬學及熱處理沈陽理工大學應用技術學院沈陽理工大學應用技術學院 本次課程內容設計 一、引言通過提出問題讓學生回答，簡單復習前兩次內容引出正文 二、正文金屬的晶體結構 三、結論(包括作業(yè)、思考題或習題)第二節(jié) 金屬的晶體結構 一、引言1、金屬的特點，為什么2、原子間的最大結合力出現(xiàn)在平衡位置嗎？WHERE3、金屬的熔點和熱膨脹系數(shù)取決于？4、金屬的特點如何？為什么會如此特點？5、 第2節(jié) 金屬的晶體結構舉例說明自然界中的晶體？舉例說明自然界中的晶體？感官上知道什么是晶體，通過現(xiàn)象找規(guī)律感官上知道什么是晶體，通過現(xiàn)象找規(guī)律生活中的晶體：食鹽、冰、雪花等生活中的晶體：食鹽、冰、雪花

2、等具有規(guī)則的幾何外形具有規(guī)則的幾何外形生產(chǎn)中的晶體：金屬生產(chǎn)中的晶體：金屬一般不具有規(guī)則的外形一般不具有規(guī)則的外形一、晶體的特征1.2 金屬的晶體結構晶 體基元在三維空間呈規(guī)律性排列長程有序單個的原子、離子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。 金屬一般是晶體；金屬一般是晶體；晶體中原子排列的規(guī)律不同，性能不同；晶體中原子排列的規(guī)律不同，性能不同；所以要研究金屬的晶體結構！了解晶體所以要研究金屬的晶體結構！了解晶體的特點！的特點！晶體的主要特點是：晶體的主要特點是：在一定條件下有規(guī)則的幾何外形。在一定條件下有規(guī)則的幾何外形。結構有序；結構有序；物理性質表現(xiàn)為各向異性？物理性質表現(xiàn)為各向異性？；有

3、固定的熔點；有固定的熔點；1.2 金屬的晶體結構非晶態(tài)原子排列短程有序或無序1.2 金屬的晶體結構非晶體的特點是：非晶體的特點是：結構無序；結構無序；物理性質表現(xiàn)為各向同性物理性質表現(xiàn)為各向同性；熱導率（導熱系數(shù)）和膨脹性小；熱導率（導熱系數(shù)）和膨脹性?。?沒有固定的熔點沒有固定的熔點過冷狀態(tài)的液體過冷狀態(tài)的液體晶體和非晶體之間存在很多差異！他們之間可以相互轉化嗎？他們之間可以相互轉化嗎？在一定條件下是可以的！在一定條件下是可以的！二、晶體結構與空間點陣基本概念：晶體結構、陣點、空間點陣、晶格、晶胞晶體結構：晶體中的原子在空間有規(guī)律的周期性的排列方式原子類型不同，排列方式不同原子類型不同，排列

4、方式不同-晶體結構可以有很多種晶體結構可以有很多種建立模型（剛球堆垛）來研究！建立模型（剛球堆垛）來研究！該模型特點？該模型特點？將原子去掉將原子去掉抽象為幾何點抽象為幾何點陣點陣點！由陣點在三維空間有規(guī)則的呈周期性由陣點在三維空間有規(guī)則的呈周期性重復重復排列排列-空間點陣空間點陣！將陣點人為地連接起來形成空間格子將陣點人為地連接起來形成空間格子- -晶格！晶格！晶格中原則呈周期性排列！晶格中原則呈周期性排列！晶格中選取能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元晶格中選取能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元-晶胞！晶胞！分析晶體中原子的排列規(guī)律！分析晶體中原子的排列規(guī)律！晶格常數(shù)或點陣常數(shù)三、3中典型金

5、屬晶體結構布拉菲在1948年根據(jù)“每個陣點環(huán)境相同”的要求，用數(shù)學分析法證明晶體的空間點陣只有14種，稱為布拉菲點陣，分屬7個晶系。晶系 軸(棱邊)之間的夾角三斜晶系單斜晶系斜方晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系三種典型晶體結構體心立方體心立方面心立方面心立方密排六方密排六方體心立方體心立方 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晶體結構構成晶體的基元在三維空間的具體的排列方式= 空間點陣 + 基元 體心立方晶格參數(shù)Cr、V、M

6、o、W和-Fe等30多種 晶胞中所含原子數(shù)晶胞中所含原子數(shù) 晶胞中所含原子數(shù)是指一個晶胞內真正包含的原子數(shù)晶胞中所含原子數(shù)是指一個晶胞內真正包含的原子數(shù)目。目。 配位數(shù)配位數(shù)是指在晶體結構中，與任一原子最近鄰且等距離的是指在晶體結構中，與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。原子數(shù)。致密度致密度是指晶胞中原子所占體積分數(shù)，即是指晶胞中原子所占體積分數(shù)，即K = n v/ V K = n v/ V 。式中，式中，n n為晶胞所含原子數(shù)、為晶胞所含原子數(shù)、vv為單個原子體積、為單個原子體積、V V為晶胞為晶胞體積。體積。 原子半徑原子半徑 原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之原子半徑是指晶胞中

7、原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。間距離的一半。 體心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體結構晶胞中所含原子數(shù)晶胞中所含原子數(shù) 配位數(shù)配位數(shù)致密度致密度原子半徑原子半徑 1.2 金屬晶體典型結構K K面心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結構abcg-Fe,密排六方晶格參數(shù)Mg、Zn、Cd、Be等20多種 1.2 金屬晶體典型結構密排六方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結構a120oca密排六方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結構密排六方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結構1.2 金屬典型結構晶體結構不同（HCP，F(xiàn)CC）相同的配位數(shù)，相同的致密度？ 原子堆垛方式！原子堆垛方式！ 晶體中的原子堆垛方式及間隙

8、晶體中的原子堆垛方式晶體中的原子間隙晶面及晶面指數(shù)1.2 金屬晶體結構n陣點坐標：陣點的位置陣點坐標：陣點的位置n晶向：晶體中陣點列晶向：晶體中陣點列 的方向的方向n晶面：陣點構成的平面晶面：陣點構成的平面nMiller（密勒）指數(shù)統(tǒng)一標定晶向指數(shù)和晶面指數(shù)密勒）指數(shù)統(tǒng)一標定晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶向及晶向指數(shù)1.2材料的原子排列1.2 金屬晶體結構晶向指數(shù)晶向指數(shù)的確定方法建立以晶胞的邊長作為單位長度的右旋坐標系。定出該晶向上任兩點的坐標。用末點坐標減去始點坐標。將相減后所得結果約成互質整數(shù)，加一方括號。1.2 金屬晶體結構晶向指數(shù)的確定步驟晶向指數(shù)的確定步驟n1)以晶胞的某一陣點以晶胞的某一陣

9、點O為原點，過原點為原點，過原點O的晶軸為坐標的晶軸為坐標軸軸x,y, z, 以晶胞點陣矢量的長度作為坐標軸的長度單以晶胞點陣矢量的長度作為坐標軸的長度單位。位。n2)過原點過原點O作一直線作一直線OP，使其平行于待定晶向。使其平行于待定晶向。n3)在直線在直線OP上選取距原點上選取距原點O最近的一個陣點最近的一個陣點P，確定確定P點的點的3個坐標值。個坐標值。n4)將這將這3個坐標值化為最小整數(shù)個坐標值化為最小整數(shù)u，v，w，加以方括號加以方括號，u v w即為待定晶向的晶向指數(shù)。即為待定晶向的晶向指數(shù)。晶向指數(shù)的例子晶向指數(shù)的例子n正交晶系一些重要晶向的晶向指數(shù)正交晶系一些重要晶向的晶向指

10、數(shù)晶向指數(shù)的意義晶向指數(shù)的意義晶向指數(shù)表示著所有相互平行、方向一致的晶晶向指數(shù)表示著所有相互平行、方向一致的晶向；向；所指方向相反，則晶向指數(shù)的數(shù)字相同，但符號所指方向相反，則晶向指數(shù)的數(shù)字相同，但符號相反；相反；晶體中因對稱關系而等同的各組晶向可歸并為晶體中因對稱關系而等同的各組晶向可歸并為一個晶向族，用一個晶向族，用 u v w表示表示晶面指數(shù)標定步驟：晶面指數(shù)標定步驟：n1)1)在點陣中設定參考坐標系，設置方法與確定晶向指在點陣中設定參考坐標系，設置方法與確定晶向指數(shù)時相同；數(shù)時相同；n2)2)求得待定晶面在三個晶軸上的截距，若該晶面與某求得待定晶面在三個晶軸上的截距，若該晶面與某軸平行

11、，則在此軸上截距為無窮大；若該晶面與某軸軸平行，則在此軸上截距為無窮大；若該晶面與某軸負方向相截，則在此軸上截距為一負值；負方向相截，則在此軸上截距為一負值；n3)3)取各截距的倒數(shù)；取各截距的倒數(shù)；n4)4)將三倒數(shù)化為互質的整數(shù)比，并加上圓括號，即表將三倒數(shù)化為互質的整數(shù)比，并加上圓括號，即表示該晶面的指數(shù)，記為示該晶面的指數(shù)，記為( ( h k l )h k l )。晶面指數(shù)晶面指數(shù)晶面指數(shù)的例子晶面指數(shù)的例子XZYXZYXZYXZYXZYXZY正交點陣中一些晶面的面指數(shù)正交點陣中一些晶面的面指數(shù)（010）（100）（120）（102）（111）（321）晶面指數(shù)的意義晶面指數(shù)的意義在晶

12、體內凡在晶體內凡晶面間距和晶面上原子的分布完全相同晶面間距和晶面上原子的分布完全相同，只是空間位向不同的晶面可以歸并為同一晶面族，只是空間位向不同的晶面可以歸并為同一晶面族，以以 h k lh k l表示，它代表由對稱性相聯(lián)系的若干組等表示，它代表由對稱性相聯(lián)系的若干組等效晶面的總和。效晶面的總和。晶面指數(shù)所代表的晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面不僅是某一晶面，而是代表著，而是代表著 一組相互平行的晶面一組相互平行的晶面。 立方晶系中，相同指數(shù)的晶向和晶面垂直；立方晶系中，相同指數(shù)的晶向和晶面垂直； 立方晶系中，晶面族立方晶系中，晶面族111111表示正八面體的面；表示正八面體的面；體心立方中原

13、子排列體心立方中原子排列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，密排方向為，密排方向為1.2 金屬晶體結構晶體中的各向異性各向異性是晶體的重要特征各向異性是晶體的重要特征原因:不同晶向上原子緊密程度不同為什么工程應用的金屬材料見不到各向異性的特征為什么工程應用的金屬材料見不到各向異性的特征? ?偽等向性!多晶體結構多晶體結構單晶體單晶體: : 一塊晶體材料，其內部一塊晶體材料，其內部的的晶體位向完全一致時晶體位向完全一致時，即，即整個材料是一個晶體，這塊整個材料是一個晶體，這塊晶體就稱之為晶體就稱之為“單晶體單晶體”，實用材料中如實用材料中如半導體集成電半導體集成電路用的單晶硅

14、路用的單晶硅、單晶銅、單晶銅、專專門制造的晶須和其他一些供門制造的晶須和其他一些供研究用的材料。研究用的材料。 多晶體結構多晶體結構多晶體多晶體: : 實際應用的工程材料實際應用的工程材料中，那怕是一塊尺寸很小中，那怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數(shù)包含著許材料，絕大多數(shù)包含著許許多多的許多多的小晶體小晶體，每個小，每個小晶體的內部，晶體的內部，晶格位向是晶格位向是均勻一致的均勻一致的，而各個小晶，而各個小晶體之間，彼此的體之間，彼此的位向卻不位向卻不相同相同。稱這種由多個小晶。稱這種由多個小晶體組成的晶體結構稱之為體組成的晶體結構稱之為“多晶體多晶體”。 多晶體結構多晶體結構晶粒：晶粒：多晶體材

15、料中每個多晶體材料中每個小晶體的外形多為不規(guī)則小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒狀，通常把它們叫的顆粒狀，通常把它們叫做做“晶粒晶?！?。 晶界：晶界：晶粒與晶粒之間的晶粒與晶粒之間的分界面叫分界面叫“晶粒間界晶粒間界”，或簡稱或簡稱“晶界晶界”。為了適。為了適應兩晶粒間不同晶格位向應兩晶粒間不同晶格位向的過渡，在晶界處的原子的過渡，在晶界處的原子排列總是不規(guī)則的。排列總是不規(guī)則的。 偽各向同性：偽各向同性：多晶體材料中，盡管每個晶粒內多晶體材料中，盡管每個晶粒內部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個晶粒在空每個晶粒在空間取向是隨機分布，大量晶粒的綜合作用，整間取向是隨機分布，大

16、量晶粒的綜合作用，整個材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性，個材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性，這個現(xiàn)象稱為這個現(xiàn)象稱為多晶體的偽各向同性。多晶體的偽各向同性。 多晶型轉變同素異構轉變當外部的溫度和壓強改變時，有些金屬會由一種晶體結構向另一種晶體結構轉變，稱之為多晶型轉變，又稱為同素異構轉變同素異晶轉變同素異晶轉變 大部分金屬只有一種晶體結構，但大部分金屬只有一種晶體結構，但也有少數(shù)金屬如也有少數(shù)金屬如Fe、Mn、Ti、Co等具有兩種或幾種等具有兩種或幾種晶體結構，即具有多晶型。當外部條件晶體結構，即具有多晶型。當外部條件( (如溫度和壓如溫度和壓力力) )改變時，金屬內部由一種晶體結構向另一種晶體改變時，金屬內部由一種晶體結構向另一種晶體結構的轉變稱為多晶型轉變或同素異晶轉變。結構的轉變稱為多晶型轉變或同素異晶轉變。鐵的同素異晶轉變在熱處理中有非常重大的意義鐵的同素異晶轉變在熱處理中有非常重大的意義 bccfccbccFeFeFe g9121394-Fe-Fe時的體積變化?還會有其他變化嗎?課程小節(jié)1. 立方晶向和晶面指數(shù)表示2. 晶體的各向異性3.多晶型性-同素異構轉變 。名詞概念名詞概念 內容要求內容要求 晶體與非晶體晶體與非晶體 晶格與晶胞晶格與晶胞