建筑材料之晶體材料的結(jié)構(gòu)

11三月2024建筑材料之晶體材料的結(jié)構(gòu)1.材料的結(jié)構(gòu)（Architecture）材料的結(jié)構(gòu)有兩個(gè)層次，一種是原子尺度的結(jié)構(gòu)(atomic-scalearchitecture),在材料學(xué)中常稱為晶體結(jié)構(gòu)或相結(jié)構(gòu)(Crystalline/latticestructure)，對(duì)應(yīng)有晶體(crystal)和非晶體(non-crystal)；

微觀尺度的結(jié)構(gòu)(microscopic-scalearchitecture)，在材料學(xué)科中常稱為顯微組織(microstructure)，對(duì)應(yīng)于金相（morphology）。一、引言2.材料的結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響晶體結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響二、晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)非晶體原子排列：粒子(原子、離子或分子)無規(guī)則的堆積。特點(diǎn)：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有明顯的溫度界限。半晶

常出現(xiàn)在高分子材料或復(fù)合材料中結(jié)晶度其中晶體所占的比例晶體原子排列：粒子(原子、離子或分子)在三維空間呈周期性的規(guī)則重復(fù)排列。一般情況下金屬材料都是晶體。特點(diǎn)：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。晶體晶體－結(jié)構(gòu)測定Thetransmissionelectronmicroscopecanbeusedtoimagetheregulararrangementofatomsinacrystallinestructure.Thisatomic-resolutionviewisalongindividualcolumnsofgalliumandnitrogenatomsingalliumnitride.Thedistancemarkeris113picometersor0.113nm.0.113nm晶體－結(jié)構(gòu)測定

基本概念

晶體：原子（或離子、分子)在三維空間呈周期性則規(guī)排列的物質(zhì)稱為晶體。

晶格：為表示晶體中原子排列的規(guī)律，用假想的直線連接各原子的平衡位置而形成的一個(gè)三維的幾何格架稱晶格。晶格中各直線的交點(diǎn)（原子的平衡位置）稱結(jié)點(diǎn)。

晶胞：組成晶格最小的幾何單元稱晶胞。

常以晶格常數(shù)a、b、c和軸間夾角α、β、γ表示晶胞的形狀和大小。晶胞選取原則: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。晶胞的選取要滿足：①能充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性；②具有盡可能多的直角；③體積要最??；

平行六面體的三個(gè)棱長a、b、c和及其夾角α、β、γ，可決定平行六面體尺寸和形狀，這六個(gè)量亦稱為點(diǎn)陣常數(shù)。按點(diǎn)陣常數(shù)分類晶系三、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格（body-centredcube,簡稱bcc），立方體的8個(gè)頂點(diǎn)及中心都有1個(gè)原子。

體對(duì)角線上的三個(gè)原子緊鄰相切屬于體心立方晶格的金屬有:鈉(Na);鉀(K);鉻(Cr);鉬(Mo);鎢(W);釩(V);鉭(Ta);鈮(Nb)等。α-鐵(α-Fe);面心立方晶格face-centredcube,簡稱fcc）

立方體的8個(gè)頂點(diǎn)及每個(gè)面的中心都有1個(gè)原子面對(duì)角線上的三個(gè)原子緊鄰相切

屬于面心立方晶格的金屬有:金(Au);銀(Ag);銅(Cu);鋁(Al);鎳(Ni);鉑(Pt);鉛(Pb)等。γ-鐵(γ-Fe)；密排六方晶格

（hexagonalclose-packedlattice，簡稱hcp）

晶胞內(nèi)每一原子與周圍6個(gè)原子相切，與上、下層各3個(gè)原子也相切，是最緊密的原子排列方式。底面上相鄰原子都緊鄰相切屬于密排六方晶格的金屬有:鎂(Mg);鋅(Zn);鎘(Cd);α–鈦(α–Ti);鈹(Be)等。

比較fcc、hcp的結(jié)構(gòu)，兩者的配位數(shù)與致密度都相等，

所以,fcc與hcp都是最緊密的原子排列形式。

fcchcp

四、立方晶系中的晶向與晶面晶向：晶體中各方向的原子列

晶面：晶體中各方位的原子面

為了研究晶向與晶面在晶體中的作用，須用數(shù)學(xué)方式描述其位向

晶向指數(shù)表示各原子列方向的數(shù)學(xué)符號(hào)

標(biāo)定步驟⑴從零引射線；⑵取點(diǎn)求坐標(biāo)；如1，1，0⑶變簡加方括：[110]（數(shù)字間不加標(biāo)點(diǎn)，0表示平行于某一坐標(biāo)平面，有負(fù)號(hào)則置于數(shù)字上方）說明

⑴一個(gè)晶向指數(shù)表示一系列平行同向的晶向，

[uvw]與[uvw]平行反向。

⑵所有原子排列規(guī)律相同，方向不同的晶向?qū)偻痪蜃?。一晶向族中的各晶向的指?shù)的數(shù)字相同，但符號(hào)、次序不同，以〈uvw〉記之。

如〈100〉晶向族包括[100]、[010]、[001]三個(gè)晶向及反向[100]、[010]、[001]，共計(jì)6個(gè)晶向。思考：〈123〉晶向族包括多少晶向？

晶面指數(shù)

表示各原子面方位的數(shù)學(xué)符號(hào)

標(biāo)定步驟

⑴三軸求截距；如1，1/2，∞

⑵截距化倒數(shù)；則1，2，0

⑶變簡加園括：（120）

（數(shù)字間不加標(biāo)點(diǎn)，0表示平行于某一坐標(biāo)軸，有負(fù)號(hào)則置于數(shù)字上方）

說明:

⑴一個(gè)晶面指數(shù)表示一系列平行晶面。

⑵所有原子排列規(guī)律相同，方位不同的晶面屬同一晶面族。一晶面族中的各晶面的指數(shù)的數(shù)字相同，但符號(hào)、次序不同，以{hkl}記之。

如{111}晶面族包括(111)、(111)、(111)、(111)共計(jì)4個(gè)晶面。思考：{123}晶面族包括多少晶面？晶向及晶面的原子密度晶向的原子密度：某晶向單位長度上的原子數(shù)晶面的原子密度：某晶面單位面積上的原子數(shù)

體心立方晶格中的原子密度

面心立方晶格中的原子密度●在體心立方晶格中原子密度最大的晶向?yàn)椤?11〉，原子密度最大的晶面為{110}；在面心立方晶格中原子密度最大的晶向?yàn)椤?10〉，原子密度最大的晶面為{111}?！褚蚓蚣熬嬖用芏炔煌?，導(dǎo)致了單晶體在不同方向上表現(xiàn)出不同的性能，這種現(xiàn)象稱為單晶體的各向異性。而多晶體各晶粒的隨機(jī)取向使材料呈各向同性。實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

多晶體結(jié)構(gòu)

實(shí)際金屬材料一般為多晶體結(jié)構(gòu)，由許多外形不規(guī)則顆粒狀小晶體構(gòu)成，這些小晶體稱為晶粒，各晶粒的邊界稱為晶界。為了適應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向的過渡，在晶界處的原子排列總是不規(guī)則的。

五、金屬實(shí)際的晶體結(jié)構(gòu)偽各向同性：多晶體材料中，盡管每個(gè)晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個(gè)晶粒在空間取向是隨機(jī)分布，大量晶粒的綜合作用，整個(gè)材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性，這個(gè)現(xiàn)象稱為多晶體的偽各向同性。多晶體的組織與性能：

存在晶體缺陷點(diǎn)缺陷⑴空位：晶體中個(gè)別原子離開平衡位置轉(zhuǎn)移它處，形成沒有原子的空結(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生空位。⑵間隙原子：處于晶格間隙中的原子。⑶置換原子：占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)的異類原子。點(diǎn)缺陷附近產(chǎn)生晶格畸變。點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響原因：無論那種點(diǎn)缺陷的存在，都會(huì)使其附近的原子稍微偏離原結(jié)點(diǎn)位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。

效果提高材料的電阻定向流動(dòng)的電子在點(diǎn)缺陷處受到非平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速運(yùn)動(dòng)提高局部溫度(發(fā)熱)。加快原子的擴(kuò)散遷移空位可作為原子運(yùn)動(dòng)的周轉(zhuǎn)站。形成其他晶體缺陷過飽和的空位可集中形成內(nèi)部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯(cuò)。改變材料的力學(xué)性能空位移動(dòng)到位錯(cuò)處可造成刃位錯(cuò)的攀移，間隙原子和異類原子的存在會(huì)增加位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力。會(huì)使強(qiáng)度提高，塑性下降、

線缺陷—位錯(cuò)●位錯(cuò)是晶體中若干列原子發(fā)生有規(guī)律錯(cuò)排的現(xiàn)象，常見的一種為刃位錯(cuò)——出現(xiàn)半原子面而形成的位錯(cuò)。●刃邊附近的原子都偏離平衡位置，形成一個(gè)晶格畸變的管道，這就是位錯(cuò)線，如圖中EF線?！窠饘俨牧蟽?nèi)部的位錯(cuò)受力時(shí)會(huì)運(yùn)動(dòng)，附近產(chǎn)生應(yīng)力場，位錯(cuò)之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的交互作用，對(duì)金屬的力學(xué)性能會(huì)有重大的影響。位錯(cuò)矢量(柏氏矢量Burgersvector)：位錯(cuò)矢量的確定方法：在完整晶體中作一封閉回路；在包含位錯(cuò)的區(qū)域作一相應(yīng)的作一回路，由于位錯(cuò)的存在，曲線無法閉合；終點(diǎn)到起點(diǎn)連線（含方向）即為柏氏矢量。刃位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直。螺型位錯(cuò)：混合型位錯(cuò)：位錯(cuò)的密度：位錯(cuò)密度ρ是描述晶體中位錯(cuò)的數(shù)量，用單位體積位錯(cuò)線的總長度表示。在金屬材料中，退火狀態(tài)下，按一般平衡狀態(tài)所得到的材料，位錯(cuò)的密度常在106的數(shù)量級(jí)；經(jīng)