材料科學(xué)基礎(chǔ)第1章 原子排列

1、第一章 工程材料中的原子排列硅表面原子排列 碳表面原子排列 18h1第一節(jié) 原子的結(jié)合方式1 原子結(jié)構(gòu)2 原子結(jié)合鍵 （1）離子鍵與離子晶體原子結(jié)合：電子轉(zhuǎn)移，結(jié)合力大，無(wú)方向性和飽和性；離子晶體；硬度高，脆性大，熔點(diǎn)高、導(dǎo)電性差。如氧化物陶瓷。第一章第一節(jié)原子結(jié)合方式2第一節(jié) 原子的結(jié)合方式（2）共價(jià)鍵與原子晶體原子結(jié)合：電子共用，結(jié)合力大，有方向性和飽和性；原子晶體：強(qiáng)度高、硬度高（金剛石）、熔點(diǎn)高、脆性大、導(dǎo)電性差。如高分子材料。第一章第一節(jié)原子結(jié)合方式3第一節(jié) 原子的結(jié)合方式（3）金屬鍵與金屬晶體原子結(jié)合：電子逸出共有，結(jié)合力較大，無(wú)方向性和飽和性；金屬晶體：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好，

2、熔點(diǎn)較高。如金屬。金屬鍵：依靠正離子與構(gòu)成電子氣的自由電子之間的靜電引力而使諸原子結(jié)合到一起的方式。第一章第一節(jié)原子結(jié)合方式4第一節(jié) 原子的結(jié)合方式（4）分子鍵與分子晶體原子結(jié)合：電子云偏移，結(jié)合力很小，無(wú)方向性和飽和性。分子晶體：熔點(diǎn)低，硬度低。如高分子材料。氫鍵：（離子結(jié)合）X-H-Y（氫鍵結(jié)合），有方向性，如O-HO（5）混合鍵。如復(fù)合材料。第一章第一節(jié)原子結(jié)合方式5第一節(jié) 原子的結(jié)合方式3 結(jié)合鍵分類（1）一次鍵 （化學(xué)鍵）：金屬鍵、共價(jià)鍵、離子鍵。（2）二次鍵 （物理鍵）：分子鍵和氫鍵。4 原子的排列方式（1）晶體：原子在三維空間內(nèi)的周期性規(guī)則排列。長(zhǎng)程有序，各向異性。（2）非晶體：

3、不規(guī)則排列。長(zhǎng)程無(wú)序，各向同性。第一章第一節(jié)原子結(jié)合方式6第二節(jié) 原子的規(guī)則排列一 晶體學(xué)基礎(chǔ)1 空間點(diǎn)陣與晶體結(jié)構(gòu)（1）空間點(diǎn)陣：由幾何點(diǎn)做周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列。 特征：a 原子的理想排列；b 有14種。其中：陣點(diǎn)空間點(diǎn)陣中的點(diǎn)。它是純粹的幾何點(diǎn)，各點(diǎn)周圍環(huán)境相同。晶格描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格架。晶胞空間點(diǎn)陣中最小的幾何單元。（2）晶體結(jié)構(gòu)：原子、離子或原子團(tuán)按照空間點(diǎn)陣的實(shí)際排列。 特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有無(wú)限多種。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列7第二節(jié) 原子的規(guī)則排列2 晶胞 （1）：構(gòu)成空間點(diǎn)陣的最基本單元。（2）選取原則：a 能夠充分反映空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性；b

4、 相等的棱和角的數(shù)目最多；c 具有盡可能多的直角；d 體積最小。（3）形狀和大小有三個(gè)棱邊的長(zhǎng)度a,b,c及其夾角,表示。（4）晶胞中點(diǎn)的位置表示（坐標(biāo)法）。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列8第二節(jié) 原子的規(guī)則排列3 布拉菲點(diǎn)陣 14種點(diǎn)陣分屬7個(gè)晶系。 第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列9第二節(jié) 原子的規(guī)則排列4 晶向指數(shù)與晶面指數(shù)晶向：空間點(diǎn)陣中各陣點(diǎn)列的方向。晶面：通過(guò)空間點(diǎn)陣中任意一組陣點(diǎn)的平面。國(guó)際上通用米勒指數(shù)標(biāo)定晶向和晶面。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列10第二節(jié) 原子的規(guī)則排列 （1）晶向指數(shù)的標(biāo)定 a 建立坐標(biāo)系。確定原點(diǎn)（陣點(diǎn)）、坐標(biāo)軸和度量單位（棱邊）。 b 求坐標(biāo)。u,v,w。 c 化整數(shù)。

5、u,v,w. d 加 。uvw。說(shuō)明： a 指數(shù)意義：代表相互平行、方向一致的所有晶向。 b 負(fù)值：標(biāo)于數(shù)字上方，表示同一晶向的相反方向。c 晶向族：晶體中原子排列情況相同但空間位向不同的一組晶向。用表示，數(shù)字相同，但排列順序不同或正負(fù)號(hào)不同的晶向?qū)儆谕痪蜃?。第一章第二?jié)原子規(guī)則排列2h11第二節(jié) 原子的規(guī)則排列 （2）晶面指數(shù)的標(biāo)定 a 建立坐標(biāo)系：確定原點(diǎn)（非陣點(diǎn)）、坐標(biāo)軸和度量單位。 b 量截距：x,y,z。 c 取倒數(shù)：h,k,l。 d 化整數(shù)：h,k,k。 e 加圓括號(hào)：(hkl)。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列12第二節(jié) 原子的規(guī)則排列說(shuō)明： a 指數(shù)意義：代表一組平行的晶面； b

6、0的意義：面與對(duì)應(yīng)的軸平行； c 平行晶面：指數(shù)相同，或數(shù)字相同但正負(fù)號(hào)相反； d 晶面族：晶體中具有相同條件（原子排列和晶面間距完全相同），空間位向不同的各組晶面。用hkl表示。 e 若晶面與晶向同面，則hu+kv+lw=0; f 若晶面與晶向垂直，則u=h, k=v, w=l。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列13第二節(jié) 原子的規(guī)則排列 （3）六方系晶向指數(shù)和晶面指數(shù) a 六方系指數(shù)標(biāo)定的特殊性：四軸坐標(biāo)系（等價(jià)晶面不具有等價(jià)指數(shù)）。 b 晶面指數(shù)的標(biāo)定 標(biāo)法與立方系相同(四個(gè)截距)；用四個(gè)數(shù)字(hkil)表示；i=-(h+k)。 c 晶向指數(shù)的標(biāo)定 標(biāo)法與立方系相同(四個(gè)坐標(biāo))；用四個(gè)數(shù)字(uvt

7、w)表示；t=-(u+w)。 依次平移法：適合于已知指數(shù)畫晶向（末點(diǎn)）。 坐標(biāo)換算法：UVWuvtw u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列14第二節(jié) 原子的規(guī)則排列 （3）六方系晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列15第二節(jié) 原子的規(guī)則排列 （4）晶帶 a ：平行于某一晶向直線所有晶面的組合。 晶帶軸 晶帶面 b 性質(zhì)：晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示；晶帶面/晶帶軸； hu+kv+lw=0 c 晶帶定律 凡滿足上式的晶面都屬于以u(píng)vw為晶帶軸的晶帶。推論： （a） 由兩晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶帶軸uvw

8、：u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。 （b） 由兩晶向u1v1w1u2v2w2求其決定的晶面(hkl)。H=v1w1-v2w2; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列16第二節(jié) 原子的規(guī)則排列 （5）晶面間距a ：一組平行晶面中，相鄰兩個(gè)平行晶面之間的距離。b 計(jì)算公式（簡(jiǎn)單立方）： d=a/(h2+k2+l2)1/2注意：只適用于簡(jiǎn)單晶胞；對(duì)于面心立方hkl不全為偶、奇數(shù)、體心立方h+k+l=奇數(shù)時(shí)，d(hkl)=d/2。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列低指數(shù)晶面的面間距較大；晶面間距越大,該面上原子排列越緊密;原子線密

9、度最大的晶向上面間距最大。17第二節(jié) 原子的規(guī)則排列二 典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征 第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)思考：鐵如何變成鋼？18第二節(jié) 原子的規(guī)則排列二 典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征 1三種常見晶體結(jié)構(gòu) 面心立方（A1, FCC）體心立方（A2, BCC）密排六方（A3, HCP）晶胞原子數(shù) 4；2；6點(diǎn)陣常數(shù) a=2/2r； a=4/3r/3； a=2r。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列19第二節(jié) 原子的規(guī)則排列二 典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征 1三種常見晶體結(jié)構(gòu) 配位數(shù) 12；8（86）；12致密度 0.74；0.68； 0.74思考：碳原子溶解度？配位數(shù)（CN）：晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最近

10、且等距離的原子數(shù)。致密度（K）：晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分?jǐn)?shù)。K=nv/V。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列2h20第二節(jié) 原子的規(guī)則排列二 典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征 1三種常見晶體結(jié)構(gòu) 堆垛方式 ABCABC. ABABAB. ABABAB.第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列21第二節(jié) 原子的規(guī)則排列二 典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征 結(jié)構(gòu)間隙 正四面體正八面體 四面體扁八面體 四面體正八面體（個(gè)數(shù)） 8 4 12 6 12 6（rB/rA） 0.225 0.414 0.29 0.15 0.225 0.414間隙半徑（rB）：間隙中所能容納的最大圓球半徑。思考：碳原子溶解度？第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列22第二節(jié)

11、 原子的規(guī)則排列二 典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征 2 離 子晶體的結(jié)構(gòu) （1離 子晶體的主要特點(diǎn) 硬度高、脆性大； 熔點(diǎn)高，熱膨脹系數(shù)小； 絕緣； 無(wú)色透明。 第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列23第二節(jié) 原子的規(guī)則排列二 典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征 2 離 子晶體的結(jié)構(gòu) （2離 子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則 鮑林第一規(guī)則（負(fù)離子配位多面體規(guī)則） 在離子晶體中，正離子周圍形成一個(gè)負(fù)離子配位多面體，正負(fù)離子間的平衡距離取決于正負(fù)離子半徑之和，正離子的配位數(shù)取決于正負(fù)離子的半徑比。 第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列24第二節(jié) 原子的規(guī)則排列二 典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征 2 離 子晶體的結(jié)構(gòu) （2離 子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則 負(fù)離子配位多面體

12、: 在離子晶體結(jié)構(gòu)中，與某一 個(gè)正離子成配位關(guān)系而鄰接 的各個(gè)負(fù)離子中心線所構(gòu)成 的多面體。 第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列25第二節(jié) 原子的規(guī)則排列二 典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征 2 離 子晶體的結(jié)構(gòu) （2離 子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則 鮑林第二規(guī)則（電價(jià)規(guī)則含義）：一個(gè)負(fù)離子必定同時(shí)被一定數(shù)量的負(fù)離子配位多面體所共有。 鮑林第三規(guī)則（棱與面規(guī)則）：在配位結(jié)構(gòu)中，共用棱特別是共用面的存在，會(huì)降低這個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列26第二節(jié) 原子的規(guī)則排列二 典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征 2 離 子晶體的結(jié)構(gòu) （3常見離 子晶體的結(jié)構(gòu) 第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列27第二節(jié) 原子的規(guī)則排列二 典型晶體結(jié)構(gòu)及其

13、幾何特征 3 共價(jià)晶體的結(jié)構(gòu) （1飽和性：一個(gè)原子的共價(jià)鍵數(shù)為8-N。 （2方向性：各鍵之間有確定的方位 （配位數(shù)小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定）三 多晶型性元素的晶體結(jié)構(gòu)隨外界條件的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變的性質(zhì)。如：Fe(-).第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列28第二節(jié) 原子的規(guī)則排列四 影響原子半徑的因素（1）溫度與應(yīng)力（2）結(jié)合鍵的影響（3）配位數(shù)的影響 （高配位結(jié)構(gòu)向低配位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，體積膨脹，原子半徑減小減緩體積變化。)（4）核外電子分布的影響（一周期內(nèi)，隨核外電子數(shù)增加至填滿，原子半徑減小至一最小值。)思考：假設(shè)鐵的原子半徑不變，計(jì)算鐵轉(zhuǎn)變?yōu)殍F的體 積變化。第一章第二節(jié)原子規(guī)則排列2h29第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列維

14、納斯“無(wú)臂”之美更深入人心 晶體缺陷賦予材料豐富內(nèi)容第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列30第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列 原子的不規(guī)則排列產(chǎn)生晶體缺陷。晶體缺陷在材料組織控制（如擴(kuò)散、相變）和性能控制（如材料強(qiáng)化）中具有重要作用。晶體缺陷：實(shí)際晶體中與理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。線缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很小，而另一個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯(cuò)。面缺陷：在一個(gè)方向上尺寸很小，在另外兩個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列31第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列一 點(diǎn)缺陷1 點(diǎn)缺陷的類型（1）空位：肖脫基空位離

15、位原子進(jìn)入其它空位或遷移至晶界或表面。弗蘭克爾空位離位原子進(jìn)入晶體間隙。（2）間隙原子：位于晶體點(diǎn)陣間隙的原子。（3）置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列32第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列一 點(diǎn)缺陷肖脫基空位 弗蘭克爾空位第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列33第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列一 點(diǎn)缺陷2 點(diǎn)缺陷的平衡濃度 （1）點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡的缺陷在一定溫度下，晶體中總是存在著一定數(shù)量的點(diǎn)缺陷（空位），這時(shí)體系的能量最低具有平衡點(diǎn)缺陷的晶體比理想晶體在熱力學(xué)上更為穩(wěn)定。（原因：晶體中形成點(diǎn)缺陷時(shí)，體系內(nèi)能的增加將使自由能升高，但體系熵值也增加了，這一因素又使自由能降低。其結(jié)果是在G-

16、n曲線上出現(xiàn)了最低值，對(duì)應(yīng)的n值即為平衡空位數(shù)。）（2）點(diǎn)缺陷的平衡濃度 C=Aexp(-Ev/kT)第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列34第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列一 點(diǎn)缺陷3 點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生及其運(yùn)動(dòng)（1）點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生平衡點(diǎn)缺陷：熱振動(dòng)中的能力起伏。過(guò)飽和點(diǎn)缺陷：外來(lái)作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。（2）點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)（遷移、復(fù)合濃度降低；聚集濃度升高塌陷）第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列35第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列一 點(diǎn)缺陷4 點(diǎn)缺陷與材料行為 （1）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。） （2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。） 力學(xué)性能（屈

17、服強(qiáng)度提高。） 第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列36第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列二 線缺陷（位錯(cuò)）dislocation位錯(cuò)：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排。意義：（對(duì)材料的力學(xué)行為如塑性變形、強(qiáng)度、斷裂等起著決定性的作用，對(duì)材料的擴(kuò)散、相變過(guò)程有較大影響。）位錯(cuò)的提出：1926年，弗蘭克爾發(fā)現(xiàn)理論晶體模型剛性切變強(qiáng)度與與實(shí)測(cè)臨界切應(yīng)力的巨大差異（24個(gè)數(shù)量級(jí)）。 1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬(wàn)幾乎同時(shí)提出位錯(cuò)的概念。 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位錯(cuò)。 1947年，柯垂耳提出溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用。 1950年，弗蘭克和瑞德同時(shí)提出位錯(cuò)增殖機(jī)制。 之后，用TEM直接觀察到了晶體中的

18、位錯(cuò)。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列37第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列二 線缺陷（位錯(cuò)）1 位錯(cuò)的基本類型（1）刃型位錯(cuò) edge dislocation模型：滑移面/半原子面/位錯(cuò)線 （位錯(cuò)線晶體滑移方向，位錯(cuò)線位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向，晶體滑移方向/位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向。）分類：正刃型位錯(cuò)（）；負(fù)刃型位錯(cuò)（）。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列38第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列二 線缺陷（位錯(cuò)）1 位錯(cuò)的基本類型（1）刃型位錯(cuò)產(chǎn)生：空位塌陷；局部滑移。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列39第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列二 線缺陷（位錯(cuò)）1 位錯(cuò)的基本類型（2）螺型位錯(cuò) screw dislocation模型：滑移面/位錯(cuò)線。（位錯(cuò)線/晶體滑移方向，位錯(cuò)線位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向，晶體滑移方向位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向。）分類：左螺型位錯(cuò)；右螺型位錯(cuò)。第一章第三節(jié)原子不規(guī)則排列40第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列二 線缺陷（位錯(cuò)）1 位錯(cuò)的基本類型（2