材料科學(xué)基礎(chǔ) 第一章 固體結(jié)構(gòu)

材料科學(xué)基礎(chǔ)第一章固體結(jié)構(gòu)第1頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ)FUNDAMENTALSOFCRYSTALLOGRAPHY空間點(diǎn)陣和晶胞晶系和布拉菲點(diǎn)陣晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶面間距晶帶及晶帶定理THEEND第2頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月一、晶體概述物質(zhì)：氣態(tài)，液態(tài)，固態(tài)固態(tài)物質(zhì)：晶體，非晶體晶體：長程有序，主要是周期有序。非晶體：短程有序，長程無序。晶體中原子排列的作用：研究固態(tài)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即原子排列和分布規(guī)律是了解掌握材料性能的基礎(chǔ)，才能從內(nèi)部找到改善和發(fā)展新材料的途徑。第3頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)單元基本特征：原子（或分子、離子）在空間呈周期性重復(fù)排列，即存在長程有序。第4頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：結(jié)構(gòu)單元（單胞）＋單胞周期平移結(jié)構(gòu)單元（基元）：晶體中在空間有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的基本單元。第5頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月三、空間點(diǎn)陣和晶胞陣點(diǎn)：實(shí)際晶體中的質(zhì)點(diǎn)（原子、分子、離子或原子團(tuán)）在三維空間可以有無限種排列方式，為了便于分析研究晶體中質(zhì)點(diǎn)的排列規(guī)律性，可先將實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)看成完整無缺的理想晶體并簡化，不需考慮結(jié)構(gòu)單元的物理性質(zhì)，而將晶體結(jié)構(gòu)中的所有結(jié)構(gòu)單元都抽象成一個(gè)個(gè)幾何點(diǎn)，稱之為陣點(diǎn)?？臻g點(diǎn)陣：這些陣點(diǎn)在空間呈周期性規(guī)則排列并具有完全相同的周圍環(huán)境，這種由它們?cè)谌S空間規(guī)則排列的陣列稱為空間點(diǎn)陣，簡稱點(diǎn)陣。晶格:用許多平行的直線將陣點(diǎn)連接起來用以描述晶體中原子排列規(guī)律的空間點(diǎn)陣格架。晶胞：在點(diǎn)陣中取一個(gè)具有代表性的基本單元（最小平行六面體）作為點(diǎn)陣的組成單元，它是能完全反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞。將晶胞作三維的重復(fù)堆砌就構(gòu)成了空間點(diǎn)陣。晶胞選取的原則：同一空間點(diǎn)陣可因選取方式不同而得到不相同的晶胞：1.選取的平行六面體應(yīng)反映出點(diǎn)陣的最高對(duì)稱性；2.平行六面體內(nèi)的棱和角相等的數(shù)目應(yīng)最多；3.當(dāng)平行六面體的棱邊夾角存在直角時(shí)，直角數(shù)目應(yīng)最多；4.當(dāng)滿足上述條件的情況下，晶胞應(yīng)具有最小的體積。第6頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月表征晶胞形狀的六個(gè)參量第8頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月四、晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣是晶體中質(zhì)點(diǎn)排列的幾何學(xué)抽象，用以描述和分析晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對(duì)稱性，由于各陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同，它只能有14種類型。晶體結(jié)構(gòu)則是晶體中實(shí)際質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）的具體排列情況，它們能組成各種類型的排列，因此，實(shí)際存在的晶體結(jié)構(gòu)是無限的?？臻g點(diǎn)陣描述了晶體結(jié)構(gòu)單元中一種原子的排列（相當(dāng)于將整個(gè)結(jié)構(gòu)單元抽象成一個(gè)原子），而晶體結(jié)構(gòu)是各個(gè)原子相互的排列。所以點(diǎn)陣類型有限，而晶體結(jié)構(gòu)無限。晶體結(jié)構(gòu)=點(diǎn)陣+結(jié)構(gòu)單元。第9頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)氯化鈉晶體是由Na＋和Cl－按一定的幾何規(guī)律排列成的．每一個(gè)Na＋周圍均有6個(gè)Cl－，同時(shí)每一個(gè)Cl－周圍均有6個(gè)Na＋。這樣，每一個(gè)Na＋或每一個(gè)Cl－的物質(zhì)環(huán)境與幾何環(huán)境都是相同的，而同類離子的最小重復(fù)周期距離均為5.628埃．第10頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)單元抽象為空間點(diǎn)陣的陣點(diǎn)?？臻g點(diǎn)陣的晶胞=空間點(diǎn)陣中的結(jié)構(gòu)單元。點(diǎn)陣類型只要看結(jié)構(gòu)單元中一種原子的排列類型（或者說把晶胞看成一個(gè)陣點(diǎn)，再看由這些陣點(diǎn)組成的排列類型）。晶體結(jié)構(gòu)要看各個(gè)原子的相互排列組合類型。

例：看圖2.8，看單個(gè)晶胞可以確定Cr和CsCl的晶體結(jié)構(gòu)類型都是體心立方結(jié)構(gòu)，看單種原子的排列可以確定Cr的點(diǎn)陣類型仍然是體心立方結(jié)構(gòu)（因?yàn)橹挥幸环N原子，所以晶體結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣類型相同），而CsCl點(diǎn)陣類型則為簡單立方結(jié)構(gòu)。如果晶體是由完全相同的一種原子所組成，則原子與點(diǎn)陣的陣點(diǎn)重合。這種點(diǎn)陣就是晶格。若晶體結(jié)構(gòu)單元不是由一種原子構(gòu)成，而是由一種以上的多種原子構(gòu)成時(shí)，則在每個(gè)結(jié)構(gòu)基元中相同原子都可以構(gòu)成相應(yīng)的點(diǎn)陣和晶格。對(duì)任何晶體，都有且只有一種空間點(diǎn)陣（結(jié)構(gòu)單元中的每一種原子構(gòu)成的點(diǎn)陣是一樣的）第11頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月五、晶系和布拉菲點(diǎn)陣

—根據(jù)晶胞形狀特征所劃分的晶體點(diǎn)陣系列，特征相同的歸為一個(gè)晶系，共有７個(gè)晶系。

1.晶系(Crystalsystem)

2.布拉菲點(diǎn)陣(Bravaislattice)

—根據(jù)晶胞形狀及陣點(diǎn)的分布特征所劃分的晶體點(diǎn)陣系列,特征相同的歸為一個(gè)晶系，共有14種七個(gè)晶系：14種布拉維點(diǎn)陣按單位平行六面體的對(duì)稱特征分為7類，即7個(gè)晶系。每個(gè)晶系都有特征對(duì)稱要素（下限對(duì)稱要素）。7個(gè)晶系根據(jù)特征對(duì)稱要素對(duì)稱性高低分為低級(jí)（不高于二次旋轉(zhuǎn)軸）、中級(jí)（一個(gè)多次旋轉(zhuǎn)軸）和高級(jí)晶族（四個(gè)三次旋轉(zhuǎn)軸）。第13頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月各晶系的特征對(duì)稱要素第14頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月xzyabcγαβ布拉維點(diǎn)陣在空間點(diǎn)陣中選取出來的合適的平行六面體為單位平行六面體，可以用三條互不平行的棱a、b、c和各棱間的夾角α、β、γ來描述。棱a、b、c和角α、β、γ稱為點(diǎn)陣常數(shù)。單位平行六面體只有14種，稱為14種布拉維點(diǎn)陣（格子）第15頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月14種布拉維點(diǎn)陣中，根據(jù)結(jié)點(diǎn)在其中分布的情況可分為4類：體心點(diǎn)陣：含兩個(gè)結(jié)點(diǎn)簡單點(diǎn)陣：含一個(gè)結(jié)點(diǎn)第16頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月底心點(diǎn)陣：含兩個(gè)結(jié)點(diǎn)面心點(diǎn)陣：含4個(gè)結(jié)點(diǎn)第17頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月晶向指數(shù)：晶體點(diǎn)陣中陣點(diǎn)列的方向指數(shù)。(1)建坐標(biāo)．右手坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)位于待定晶向上某一陣點(diǎn)，坐標(biāo)軸為晶胞棱邊。(2)求投影．以晶格常數(shù)為單位，求待定晶向上任一陣點(diǎn)的投影值。(3)化整數(shù)。將投影值化為一組最小整數(shù)(4)加括號(hào)。［uvw］六、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)6.1.1

晶向指數(shù)及其確定方法晶向：晶體中原子的位置、原子列的方向。晶面：原子構(gòu)成的平面。Miller（密勒）指數(shù)統(tǒng)一標(biāo)定晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。晶向指數(shù)表示著所有相互平行、方向一致的晶向；所指方向相反，則晶向指數(shù)的數(shù)字相同，但符號(hào)相反；晶體中因?qū)ΨQ關(guān)系而等同的各組晶向可歸并為一個(gè)晶向族，用<uvw>表示6.1.2晶向指數(shù)的意義第19頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.1晶面指數(shù)及其確定方法晶面指數(shù)：晶體點(diǎn)陣中陣點(diǎn)面的方向指數(shù)

建坐標(biāo)．右手坐標(biāo)，坐標(biāo)軸為晶胞的棱邊，坐標(biāo)原點(diǎn)不能位于待定晶面內(nèi)。(2)求截距．以晶格常數(shù)為單位，求待定晶面在坐標(biāo)軸上的截距值。(3)取倒數(shù)．將截距值取倒數(shù)。(4)化整數(shù)．將截距值的倒數(shù)化為一組最小整數(shù)。(5)加括號(hào)．（hkl）。6.2.2晶面指數(shù)及其確定方法晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面，而是代表著一組相互平行的晶面。在晶體內(nèi)凡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，以{hkl}表示，它代表由對(duì)稱性相聯(lián)系的若干組等效晶面的總和。立方晶系中，相同指數(shù)的晶向和晶面垂直，晶面族{111}表示正八面體的面，晶面族{110}表示正十二面體的面第21頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月立方晶系：四方晶系：正交晶系：六方晶系：晶面間距：相鄰兩個(gè)平行晶面之間的距離。晶面指數(shù)確定了晶面的位向和間距。通常，低指數(shù)的面間距較大，而高指數(shù)的晶面間距則較小。晶面間距愈大，該晶面上的原子排列愈密集。晶面間距愈小，該晶面上的原子排列愈稀疏。6.3.2晶面間距計(jì)算6.3.1晶面間距第23頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月晶帶：所有平行或相交于同一直線的晶面構(gòu)成一個(gè)晶帶，此直線稱為晶帶軸。屬此晶帶的晶面稱為晶帶面（共帶面）。6.4.2晶帶定理6.4.1晶帶晶帶軸［uvw］與該晶帶中任一晶帶面(hkl)滿足下列關(guān)系式：

第24頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)CRYSTALSTRUCTUREOFPUREMETALS金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)晶體的原子半徑多晶型性

THEEND第26頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)BCC(body-centeredcubic)Cr,V,β-Ti,

-Fe,

-Fe…第27頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月面心立方結(jié)構(gòu)FCC(face-centeredcubic)Cu,Ni,Al,γ-Fe…第28頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月密排六方結(jié)構(gòu)CPH(close-packedhexagonal)Zn,Mg,

-Ti

…第29頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)類型最密排面最密排方向bccfcccph

1.原子最密排面和最密排方向

2.一個(gè)晶胞中的原子數(shù)bccfcccph246指一個(gè)晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目第30頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月體心立方晶胞中的原子數(shù)：2面心立方晶胞中的原子數(shù)：4密排六方晶胞中的原子數(shù)：6第31頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

—晶胞的棱邊長度a、b、c（用原子剛球半徑r表示）

4.點(diǎn)陣常數(shù)結(jié)構(gòu)類型點(diǎn)陣常數(shù)特征點(diǎn)陣常數(shù)bccfcccpha=b=ca=b=ca=b≠cTHEEND

—晶體中任一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)

3.原子的配位數(shù)bccfcccph81212第32頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

—晶胞中原子體積占總體積的分?jǐn)?shù)

5.致密度

bccfcccph

6.間隙

—若將晶體中的原子視為球形，則相互接觸的最近鄰原子間的空隙稱為間隙。間隙內(nèi)能容納的最大剛性球的半徑稱為間隙半徑。間隙大小常用間隙半徑與原子半徑之比表示。THEEND第33頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1)面心立方結(jié)構(gòu)晶體中的間隙正八面體間隙：位于晶胞各棱邊中點(diǎn)及體心位置.一個(gè)晶胞中共有4個(gè).

第34頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月正四面體間隙：位于晶胞體對(duì)角線的四分之一處.一個(gè)晶胞中共有8個(gè).第35頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2)體心立方結(jié)構(gòu)晶體中的間隙扁八面體間隙：位于晶胞各棱邊中點(diǎn)及面心處.一個(gè)晶胞中共有6個(gè).THEEND第36頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月四面體間隙：位于晶胞各面中線的四分之一處.一個(gè)晶胞中共有12個(gè).THEEND第37頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3)密排六方結(jié)構(gòu)晶體中的間隙正八面體間隙：一個(gè)晶胞中共有6個(gè).THEEND第38頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月正四面體間隙：一個(gè)晶胞中共有12個(gè).THEEND第39頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月7.原子的堆垛方式(僅介紹fcc和cph)1)fcc和cph的原子密排面AABC2)原子密排面上可堆垛的不同位置THEEND第41頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3)面心立方結(jié)構(gòu)的堆垛次序ABBBBBBBBBBBBBBBCCCCABCABCABC……或

……THEENDCCCCAAA第42頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月4)密排六方結(jié)構(gòu)的堆垛次序ABBBBBBBBBBBBBBBAAAAABABAB……或

……THEEND第44頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月二、多晶型性

—某些晶體在不同的條件(溫度、壓力等)具有不同類型晶體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。同種元素的不同結(jié)構(gòu)稱為同素異構(gòu)。同素異構(gòu)體之間的相互轉(zhuǎn)變稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，此時(shí)，晶體性能發(fā)生突變。

1.多晶型性ＬT/℃91213941538THEEND一個(gè)大氣壓下，純鐵具有三種不同的晶體結(jié)構(gòu)

2.舉例第46頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月純鐵加熱時(shí)的膨脹曲線THEEND第47頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月三、晶體的原子半徑

1.原子半徑

—若將晶體中的原子看成剛球，則晶體中最近鄰的原子中心間距的一半定義為原子半徑．2.影響原子半徑的主要因素1)溫度與壓力的影響原子半徑隨晶體的溫度及壓力改變而改變

2)結(jié)合鍵的影響結(jié)合鍵增強(qiáng)時(shí)，原子（或離子）半徑變小

0.124nm0.083nm0.067nmFeFe2+Fe3+THEEND第48頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3)配位數(shù)的影響原子半徑隨配位數(shù)降低而減小

4)原子核外層電子結(jié)構(gòu)的影響原子半徑隨原子序數(shù)遞增呈周期性變化THEEND第49頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月THEEND第50頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月合金兩種或兩種以上金屬元素，或金屬元素與非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。組元組成合金最基本的獨(dú)立的物質(zhì)，通常組元就是組成合金的元素。相合金中具有同一聚集狀態(tài)、相同晶體結(jié)構(gòu)，成分和性能均一，并以界面相互分開的組成部分。第三節(jié)合金相結(jié)構(gòu)第51頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體中間相(金屬化合物)間隙固溶體置換固溶體合金相

第52頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體固溶體的分類⑴按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。⑵按溶質(zhì)原子在固體中的溶解度，固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。⑶按溶質(zhì)原子在固溶體內(nèi)分布是否有規(guī)則，固溶體分為有序固溶體和無序固溶體兩種。

合金的組元通過溶解形成一種成分及性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相，稱為固溶體。與固溶體結(jié)構(gòu)相同的組元為溶劑，另一組元為溶質(zhì)。第53頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月置換固溶體當(dāng)溶質(zhì)原子溶入溶劑中形成固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn)，或者說溶質(zhì)原子置換了溶劑點(diǎn)陣的部分溶劑原子。第54頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月置換固溶體的固溶度影響因素晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)相同是組元間形成無限固溶體的必要條件。組元間結(jié)構(gòu)類型相同，溶解度越大。原子尺寸：第55頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體

第56頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第57頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體的性質(zhì)通過形成固溶體而產(chǎn)生晶格畸變，使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的重要方式之一。固溶體的綜合力學(xué)性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。

第58頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月正常價(jià)化合物：符