工程材料學(xué)之晶體材料的結(jié)構(gòu)

第二章晶體材料的結(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)晶體結(jié)構(gòu)概念

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(zhǎng)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排列——同素異構(gòu)。如：C，F(xiàn)e一、

晶格及晶胞

晶格：

晶體材料中原子的排列是具有長(zhǎng)程有序（即：平移對(duì)稱性）的。

將晶體中在三維空間有序排列的原子視為等徑的剛球質(zhì)點(diǎn)，并在三維空間中緊密堆積，然后用一些假想的平行直線，將所有質(zhì)點(diǎn)的中心連接起來，便構(gòu)成了一個(gè)三維的幾何格架。這個(gè)抽象出來的用于描述原子在晶體中的位置和排列方式的幾何格架，稱為晶格。晶格中各線的交點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)（或陣點(diǎn)）。第一節(jié)晶體基礎(chǔ)知識(shí)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：

①能充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性。②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。③體積要最小。

二、晶系第一節(jié)晶體基礎(chǔ)知識(shí)一、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(zhǎng)度a，b，c及相互間夾角α，β，γ六個(gè)參數(shù)來表示晶胞的大小和形狀，其中三棱邊的長(zhǎng)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，α、β、γ是否為直角將全部晶體分為7個(gè)晶系：二

晶格常數(shù)與晶系三、14種晶胞（點(diǎn)陣）或Bravais點(diǎn)陣第一節(jié)晶體基礎(chǔ)知識(shí)1、7個(gè)簡(jiǎn)單晶胞（晶胞中只含有一個(gè)原子）

a=b=c,===90abc,

==90a=bc,

==90=120abc,

90a=b=c,

==90a=bc,

===90abc,

===90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：?jiǎn)伟?dú)有2、7個(gè)復(fù)雜晶胞（晶胞中所含原子數(shù)大于1）

a=b=c,===90a=bc,

===90abc,

===90abc,

==90abc,

===90第二節(jié)立方晶系晶向與晶面指數(shù)一、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——晶面二、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(guó)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；2.在晶向上任取兩點(diǎn)，坐標(biāo)為：(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)；3.計(jì)算x2-x1：y2-y1：z2-z1；化成最小整數(shù)比u：v：w；放在方括號(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(duì)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)等均均為同等的的，可用用OA表示，，即：<110>由于晶體中中原子排列列的對(duì)稱性，存在許多多原子排列相相同，但方向不同的晶向，在在晶體學(xué)上上，這些晶晶向是同等等的,統(tǒng)稱稱為晶向族族，用〈uvw〉表示.共12個(gè)可見任意交交換指數(shù)的的位置和改改變符號(hào)后后的所有結(jié)結(jié)果都是該該族的范圍圍。原子排列相相同的晶向具有相同同的性質(zhì)三、晶面指數(shù)的的標(biāo)定為什么標(biāo)定定：區(qū)別不同方方位，不同同原子排列列的晶面，，同樣以Miller指數(shù)標(biāo)定標(biāo)定方法：：建立坐標(biāo)系系：以一個(gè)個(gè)原子中心心為原點(diǎn)，，以三棱邊邊為坐標(biāo)軸軸，以a，，b，c為為單位矢量量；求出待標(biāo)定定晶面在三三個(gè)坐標(biāo)軸軸上的截距距，如m、n、p；計(jì)算其倒數(shù)數(shù)b1b2b3；化成最小、整數(shù)比h：k：l；放在圓方括括號(hào)(hkl)，不不加逗號(hào)，，負(fù)號(hào)記在在上方。3舉例標(biāo)定右圖中中陰影晶面面的指數(shù)求截距OX＝1，，OY＝1，OZ＝＝∞求倒數(shù)1/1，1/1,1/∞→→1，，1，0寫出晶面指指數(shù)（110））求截距OX＝-1，OY＝＝∞，OZ＝1求倒數(shù)-1/1,1/∞,1/1→→-1，0，1寫出晶面指指數(shù):注意：（hkl））表示一組組相互平行行的晶面。。如A面，，B面具有有相同的晶晶面指數(shù)（（001）），指數(shù)符號(hào)正正好相反的的晶面亦相相互平行；若待標(biāo)定晶晶面通過原原點(diǎn)，可將將坐標(biāo)系適適當(dāng)平移，，再求截距距，如B面→平移至至A面位置；AB晶面族原子排列列情況相相同，但但空間位位向不同同的一組組晶面的集合合，稱稱為晶面面族。原子子排排列列相相同同的晶晶面面性性質(zhì)質(zhì)相相同同。。表示示方方法法：：用大括號(hào)號(hào){hkl}表表示示。舉例例：：可見見任任意意交交換換指指數(shù)數(shù)的的位位置置和和改改變變符符號(hào)號(hào)后后的的所所有有結(jié)結(jié)果果都都是是該該族族的的范范圍圍。。同學(xué)學(xué)們們自自己己排排列列{123}晶晶面面族族6個(gè)個(gè)三、、三三類類典典型型的的晶晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)體心心立立方方BCCBody-centeredcubic面心心立立方方FCCFace-centeredcubic密堆堆六六方方CPHClose-packedhexagonal1、、體心心立立方方（（BCC））結(jié)構(gòu)構(gòu)特特征征：每個(gè)角角頂頂上上各各有有一一個(gè)個(gè)原原子,體心心中中有有一一個(gè)個(gè)原原子子a=b=c，αα=β=γ＝＝90°常見見金金屬屬：α-Fe，V，Ta，Nb，Cr，Mo，W等2、面面心立立方（（FCC）特征：每個(gè)角頂頂上各各有一一個(gè)原原子,各個(gè)面面中心心有一個(gè)個(gè)原子子a=b=c，α=β=γ＝90°常見金金屬：Ag，Au，Ni，，CuPd，Pt，γ-Fe等三、密密堆六六方特征：：12個(gè)個(gè)頂角角各一個(gè)個(gè)原子子、上下下面中心心各一一個(gè)原原子，，體內(nèi)3個(gè)原子子（位于于對(duì)稱稱中心心處））a=bc,==90，，=120通常：：c/a=1.633常見金金屬：Mg，Zn，Ti，Zr，，等原子半半徑：：將晶體體中原原子視視為等等徑剛剛球，，并認(rèn)認(rèn)為是是緊密密堆積積的，，原子子半徑徑視為為晶胞胞中最近鄰鄰兩原子子中的的距離離一半半。致密度度：晶胞中中原子子自身身所占占的體體積之之和與與晶胞胞總體體積之之比。。配位數(shù)數(shù)：配位數(shù)數(shù)是指指晶體體中與與任一一原子子最近鄰鄰且等距離離的原子子數(shù)目目。配配位數(shù)數(shù)越高高→晶體越越緊密密。晶向及及晶面面的原原子密密度晶向原原子密密度：：該晶向向上單位長(zhǎng)長(zhǎng)度上的原原子數(shù)，如如FCC在[110]晶向上上的原子子密度度為：：晶面的的原子子密度度：晶面上上單位面面積上的原原子數(shù)數(shù)如FCC晶晶胞中中（111）面面的密密度為：：一、體體心立立方原子位位置:立方體體的八八個(gè)頂頂角和晶胞中心各一個(gè)個(gè)原子子。第三節(jié)節(jié)純金屬屬常見見的晶晶體結(jié)結(jié)構(gòu)體心立立方中中原子子排列列不同晶晶向，，不不同晶晶面上上的原原子密密度不不同二、面面心立立方原子位位置:立方體體的八八個(gè)頂頂角和每個(gè)個(gè)側(cè)面面中心心各一個(gè)個(gè)原子子面心立立方中中原子子排列列第三節(jié)節(jié)純金屬屬常見見的晶晶體結(jié)結(jié)構(gòu)三、、密密堆堆六六方方原第四四節(jié)節(jié)材料料的的實(shí)實(shí)際際晶晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)一、、多多晶晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)單晶晶體體:一塊塊晶晶體體材材料料由一一個(gè)個(gè)晶粒粒組成成。。即整整個(gè)個(gè)材材料料是是一一個(gè)個(gè)晶晶體體，，這這塊塊晶晶體體就就稱稱之之為為““單單晶晶體體””。。如單單晶晶硅硅，，水水晶晶石石，，金金剛剛石石。水晶晶石石金剛剛石石冰晶晶體體第四四節(jié)節(jié)材料料的的實(shí)實(shí)際際晶晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)多晶晶體體:由眾眾多多外外觀觀不不規(guī)規(guī)則則，，位向向不不同同的單單晶晶體體組組成成的的幾幾何何體體。。一一般般實(shí)實(shí)際際材材料料均均為為多多晶晶體體。。多晶晶體體中中的的各各單單晶晶體體稱稱為為晶粒粒，兩兩晶晶粒粒之之間間的的界界面面稱稱為為晶界界。晶界界不不一一定定是是平平整整的的晶粒粒與與晶晶界界:多晶體的的組織與與性能：組織：右圖所示示為純Fe的顯顯微結(jié)構(gòu)構(gòu)，它是是經(jīng)拋光光、腐蝕蝕后的顯顯微鏡放放大照片片。特點(diǎn)：各不規(guī)則則，明暗暗不同的的幾何圖圖形———晶粒晶粒之間間的界面面——晶界（晶界上上缺陷多多，易腐腐蝕）明暗不同同——由由于取向向不同，，方位不同同，耐腐蝕蝕能力亦亦不同，，引起明明暗襯度度不同。。組織是通過人人眼或顯顯微鏡觀察到的的形貌、、結(jié)構(gòu)。。性能：?jiǎn)尉w是是各向異異性：通常原子子排列的的密排面面。密排排方向的的強(qiáng)度最最大。如如－Fe（BCC）在<111>方方向上的的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在在<100>方方向上的的強(qiáng)度多晶體是是各向同同性：多晶體材材料中，，盡管每每個(gè)晶粒粒內(nèi)部象象單晶體體那樣呈呈現(xiàn)各向向異性，，每個(gè)晶晶粒在空空間取向向是隨機(jī)機(jī)分布，，大量晶晶粒的綜綜合作用用，整個(gè)個(gè)材料宏宏觀上不不出現(xiàn)各各向異性性。二、晶體體中的缺缺陷晶體缺陷陷：正常晶體體中原子子排列受受到破壞壞——缺缺陷。正常晶體體中原子子完全呈呈現(xiàn)周期期性的重重復(fù)的排排列（平移對(duì)稱稱性）。實(shí)際晶體體中的原原子排列列不是理理想的，，不具有有完全的的平移對(duì)對(duì)稱性，，而是存存在一些些偏離了了理想原原子排列列的區(qū)域域，這些區(qū)域域即構(gòu)成成缺陷。。缺陷會(huì)引引起材料料性能的的巨大變變化，如如：理想想完整晶晶體的強(qiáng)強(qiáng)度通常常是實(shí)際際晶體的的數(shù)十倍倍，甚至至數(shù)百倍倍。晶體缺陷陷的類型型：點(diǎn)缺陷線缺陷陷面缺陷陷1、點(diǎn)點(diǎn)缺陷陷點(diǎn)缺陷陷：在三維維空間間各方方向上上尺寸寸都很很小，，是原原子尺尺寸大大小的的晶體體缺陷陷。點(diǎn)缺陷陷的類類型：間隙原子

在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。它們可能是同類原子，也可能是異類原子。

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、線缺陷陷線缺陷：在三維空間間的一個(gè)方方向上的尺尺寸很大(晶粒數(shù)量量級(jí))，另另外兩個(gè)方方向上的尺尺寸很小(原子尺寸寸大小)的的晶體缺陷陷。其具體體形式就是是晶體中的的位錯(cuò)（Dislocation）位錯(cuò)的形式式：刃型位錯(cuò)螺螺型型位錯(cuò)混混合型型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)位錯(cuò)的產(chǎn)生生：在正常原子子排列的晶晶體中，某某一部分多多了一層或或少了一層層原子面實(shí)際晶體材材料中都存存在