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1、第二章第二章 晶体材料的结构晶体材料的结构引言引言晶体学基础知识晶体学基础知识纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构立方晶系晶向与晶面立方晶系晶向与晶面材料实际的晶体结构材料实际的晶体结构1.1.材料的结构（材料的结构（ArchitectureArchitecture）材料的结构材料的结构 有两个层次，一种是有两个层次，一种是原子尺度原子尺度的结构的结构(atomic-scale architecture),(atomic-scale architecture),在材料学中常称在材料学中常称为为晶体结构晶体结构或或相结构相结构(Crystalline/lattice(Crystalline/
2、lattice structure)structure)，对应有对应有晶体晶体(crystal)(crystal)和和非晶体非晶体(non-crystal)(non-crystal)；微观尺度微观尺度的结构的结构(microscopic-scale(microscopic-scale architecture)architecture)，在材料学科中常称为在材料学科中常称为显微组织显微组织(microstructure)(microstructure)，对应于对应于金相金相（morphologymorphology）。）。一、一、引言引言2.2.材料的结构对性能的影响材料的结构对性能的影响晶体
3、结构对性能的影响晶体结构对性能的影响二、二、晶体学基础知识晶体学基础知识 非晶体非晶体原子排列：原子排列：粒子粒子(原子、离子或分子原子、离子或分子)无规则的堆积。无规则的堆积。特点：特点：各向同性；各向同性；黏度黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形状的为为其力学性能的基本参数，能保持自己形状的为固体，不能保持自己形状的为液体；固体，不能保持自己形状的为液体；随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明显随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。的温度界限。半晶半晶 常出现在高分子材料或复合材料中结晶度常出现在高分子材料或复合材料中结晶度 其中晶体所其中晶体所占的比例占的比
4、例 晶体晶体原子排列：原子排列：粒子粒子(原子、离子或分子原子、离子或分子)在三维空间呈周在三维空间呈周期性的规则重复排列。期性的规则重复排列。一般情况下金属材料都是一般情况下金属材料都是晶体。晶体。特点：特点：1.各各向向异异性性：不不同同方方向向原原子子的的排排列列方方式式不不相同，因而其表现的性能也有差异相同，因而其表现的性能也有差异2.固固定定的的熔熔点点：排排列列规规律律能能保保持持时时呈呈现现固固体体，温温度度升升高高到到某某一一特特定定值值，排排列列方方式式的的解解体体，原原子子成成无无规规则则堆堆积积，这这时时大大多多呈现不能保持自己形状的液体。呈现不能保持自己形状的液体。晶体
5、晶体 晶体晶体结构测定结构测定The transmission electron microscope can be used to image the regular arrangement of atoms in a crystalline structure.This atomic-resolution view is along individual columns of gallium and nitrogen atoms in gallium nitride.The distance marker is 113 picometers or 0.113 nm.0.113nm 晶体晶体
6、结构测定结构测定 基本概念基本概念 晶体晶体：原子（或离子、分子：原子（或离子、分子)在在三维空间呈周期性则规排列的物三维空间呈周期性则规排列的物质称为晶体。质称为晶体。晶格晶格：为表示晶体中原子排列：为表示晶体中原子排列的规律，用假想的直线连接各原的规律，用假想的直线连接各原子的平衡位置而形成的一个三维子的平衡位置而形成的一个三维的的几何格架几何格架称晶格。称晶格。晶格中各直线的交点（原子晶格中各直线的交点（原子的平衡位置）称的平衡位置）称结点结点。晶胞：组成晶格晶胞：组成晶格最小的几何单元最小的几何单元称晶胞。称晶胞。常以常以晶格常数晶格常数 a、b、c和轴间夹角和轴间夹角、表示晶胞的表示
7、晶胞的形状和大小。形状和大小。晶胞选取原则晶胞选取原则:晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常为小的通常为小的平行六面体平行六面体。晶胞的选取要满足：。晶胞的选取要满足：能充分反映整个能充分反映整个空间点阵的对称性空间点阵的对称性；具有尽可能多的具有尽可能多的直角直角；体积体积要最小；要最小；平行六面体的平行六面体的三个棱长三个棱长a a、b b、c c和及和及其其夹角夹角、，可决定平行六可决定平行六面体尺寸和形状，这六个量亦称为面体尺寸和形状，这六个量亦称为点阵常数。点阵常数。按点阵常数分类按点阵常数分类晶系晶系三、纯金属的晶体结构三、纯金属
8、的晶体结构体心立方晶格体心立方晶格（body-centred cube,简称简称 bcc），立方体的），立方体的8个顶点及中心都有个顶点及中心都有1个原子。个原子。面心立方晶格面心立方晶格 face-centred cube,简称简称 fcc）立方体的立方体的8个顶点及每个面的中心都有个顶点及每个面的中心都有1个原子个原子密排六方晶格密排六方晶格（hexagonal close-packed lattice，简称，简称 hcp）晶胞内每一原子与周围晶胞内每一原子与周围6个原子相切，与上、个原子相切，与上、下层各下层各3个原子也相切，是最紧密的原子排列方式。个原子也相切，是最紧密的原子排列方式。
9、比较比较 fcc、hcp的结构，两者的配位数与致密度都相等，的结构，两者的配位数与致密度都相等，所以所以,fcc 与与 hcp 都是最紧密的原子排列形式。都是最紧密的原子排列形式。fcc hcp 四、立方晶系中的晶向与晶面四、立方晶系中的晶向与晶面晶向晶向：晶体中各方向的原子列：晶体中各方向的原子列晶面晶面：晶体中各方位的原子面：晶体中各方位的原子面为了研究晶向与晶面在晶体中的作用，须用数学方为了研究晶向与晶面在晶体中的作用，须用数学方式描述其位向式描述其位向晶向指数晶向指数表示各原子列方向的数学符号表示各原子列方向的数学符号 标定步骤标定步骤 从零引射线；从零引射线；取点求坐标；如取点求坐标
10、；如1，1，0 变简加方括：变简加方括：110 （数字间不加标点数字间不加标点，0表示平行表示平行于某一坐标平面，有负号则置于于某一坐标平面，有负号则置于数字上方数字上方）说明说明一个晶向指数表示一系列平行同向的晶向，一个晶向指数表示一系列平行同向的晶向，uvw 与与 uvw 平行反向。平行反向。所有原子所有原子排列规律排列规律相同，相同，方向不同方向不同的晶向属同一的晶向属同一晶向族晶向族。一晶向族中的各晶向的指数的数字相同，但符号、次序不同，一晶向族中的各晶向的指数的数字相同，但符号、次序不同，以以uvw记之。记之。如如 100晶向族包括晶向族包括 100、010、001 三个晶向及三个晶
11、向及反反 向向100、010、001，共计，共计 6 个晶向。个晶向。思考：思考：123123晶向族包括多少晶向？晶向族包括多少晶向？晶面指数晶面指数 表示各原子面方位的数学符号表示各原子面方位的数学符号 标定步骤标定步骤 三轴求截距；如三轴求截距；如1，1/2，截距化倒数；则截距化倒数；则1，2，0 变简加园括：变简加园括：（120）（数字间不（数字间不加标点加标点，0表示平行表示平行于某一坐标轴于某一坐标轴，有负号则置于，有负号则置于数字上方数字上方）说明说明:一个晶面指数表示一系列一个晶面指数表示一系列平行晶面平行晶面。所有原子排列规律相同，方位不同的晶面属同一所有原子排列规律相同，方位
12、不同的晶面属同一晶面族晶面族。一晶面族中的各晶面的指数的数字相同，但符号、次序不一晶面族中的各晶面的指数的数字相同，但符号、次序不 同，以同，以 hkl 记之。记之。如如 111 晶面族包括晶面族包括 (111)、(111)、(111)、(111)共计共计 4个个 晶面。晶面。思考：思考：123123晶面族包括多少晶面？晶面族包括多少晶面？晶向及晶面的原子密度晶向及晶面的原子密度晶向的原子密度：某晶向单位长度上的原子数晶向的原子密度：某晶向单位长度上的原子数晶面的原子密度：某晶面单位面积上的原子数晶面的原子密度：某晶面单位面积上的原子数 体心立方晶格中的原子密度体心立方晶格中的原子密度面心立方
13、晶格中的原子密度面心立方晶格中的原子密度 在体心立方晶格中原子密度最大的晶向为在体心立方晶格中原子密度最大的晶向为111，原子密度，原子密度最大的晶面为最大的晶面为110；在面心立方晶格中原子密度最大的晶向为在面心立方晶格中原子密度最大的晶向为110，原子密，原子密度最大的晶面为度最大的晶面为111。因晶向及晶面原子密度不同，导致了单晶体在不同方向上表因晶向及晶面原子密度不同，导致了单晶体在不同方向上表 现出不同的性能，这种现象称为单晶体的现出不同的性能，这种现象称为单晶体的各向异性各向异性。而多晶体各晶粒的随机取向使材料呈而多晶体各晶粒的随机取向使材料呈各向同性。各向同性。实际金属的晶体结构
14、实际金属的晶体结构 多晶体结构多晶体结构实际金属材料一般为多晶体结构，实际金属材料一般为多晶体结构，由许多外形不规则颗粒状小晶体构由许多外形不规则颗粒状小晶体构成，这些小晶体称为成，这些小晶体称为晶粒晶粒，各晶粒，各晶粒的边界称为的边界称为晶界晶界。为了适应两晶粒间不同为了适应两晶粒间不同晶格位向的晶格位向的过渡过渡，在晶界处的原子排列总是不，在晶界处的原子排列总是不规则的。规则的。五、金属实际的晶体结构五、金属实际的晶体结构伪各向同性：伪各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在
15、空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。多晶体的组织与性能：多晶体的组织与性能：存在晶体缺陷存在晶体缺陷点缺陷点缺陷空位：晶体中个别原子离开平空位：晶体中个别原子离开平衡位置转移它处，形成没有原子衡位置转移它处，形成没有原子的空结点，产生的空结点，产生空位空位。间隙原子：处于间隙原子：处于晶格间隙晶格间隙中的中的原子。原子。置换原子：占据晶格结点的置换原子：占据晶格结点的异异类原子类原子。点缺陷附近产生晶格畸变。点缺陷附近产生晶格畸变。点缺陷对材
16、料性能的影响点缺陷对材料性能的影响 原因：原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变晶格畸变。效果效果1)1)提高材料的电阻提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非平定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力衡力(陷阱陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热发热)。2)2)加快原子的扩散迁移加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。空位可作为原子运动的周转站。3)3)形成其他晶体缺陷形成其他晶体缺陷 过饱和的空位可
17、集中形成内部的空过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。洞，集中一片的塌陷形成位错。4)4)改变材料的力学性能改变材料的力学性能 空位移动到位错处可造成刃位错空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降、阻力。会使强度提高，塑性下降、线缺陷线缺陷 位错位错位错是晶体中若干列原子发生位错是晶体中若干列原子发生有规律有规律错排错排的现象，常见的一种的现象，常见的一种为刃位错为刃位错出现半原子面出现半原子面 而形成的位错。而形成的位错。刃边附近的原子都偏离平衡位刃边附近的原子
18、都偏离平衡位置，形成一个置，形成一个晶格畸变的管道晶格畸变的管道，这就是位错线，如图中这就是位错线，如图中 EF 线。线。金属材料内部的位错受力时会金属材料内部的位错受力时会运动，附近产生应力场，位错之运动，附近产生应力场，位错之间会发生复杂的交互作用，对金间会发生复杂的交互作用，对金属的力学性能会有重大的影响。属的力学性能会有重大的影响。位错矢量位错矢量(柏氏矢量柏氏矢量Burgers vector)Burgers vector)：位错矢量的确定方法：位错矢量的确定方法：1.1.在在完整晶体中作一封闭回路；完整晶体中作一封闭回路；2.2.在包含位错的区域作一相应在包含位错的区域作一相应的作一
19、回路，由于位错的存的作一回路，由于位错的存在，曲线无法闭合；在，曲线无法闭合；3.3.终点到起点连线（含方向）终点到起点连线（含方向）即为柏氏矢量。即为柏氏矢量。4.4.刃位错的柏氏矢量与位错线刃位错的柏氏矢量与位错线垂直。垂直。螺型位错螺型位错：混合型位错混合型位错：位错的密度位错的密度：位错密度位错密度是描述晶体中位错的数量，是描述晶体中位错的数量，用单位用单位体积位错线的总长度表示。在金属材料中，退火状态下，按体积位错线的总长度表示。在金属材料中，退火状态下，按一般平衡状态所得到的材料，位错的密度常在一般平衡状态所得到的材料，位错的密度常在106的数量级；的数量级；经过较大的冷塑性变形，
20、位错的密度可达经过较大的冷塑性变形，位错的密度可达1010-12的数量级。的数量级。但和整个晶体相比还是非常少，所以位错的存在不会影响材但和整个晶体相比还是非常少，所以位错的存在不会影响材料为晶体的基本特性。料为晶体的基本特性。位错对材料性能的影响位错对材料性能的影响1)位错线附近的晶格有相应的畸变，有高于理想晶体的能量；位错线附近的晶格有相应的畸变，有高于理想晶体的能量；2)位错线附近异类原子浓度高于平均水平；位错线附近异类原子浓度高于平均水平；3)位错在晶体中可以发生移动，即可动，性是材料塑性变形位错在晶体中可以发生移动，即可动，性是材料塑性变形基本方式之一；基本方式之一；4)位错与异类原子的作用，位错之间的相互作用，对材料的位错与异类原子的作用，位错之间的相互作用，对材料的力学性能有明显的影响。力学性能有明显的影响。详细内容到塑性变形一章再论述。详细内容到塑性变形一章再论述。面缺陷面缺陷晶界：晶界：晶界处的原子皆偏离平衡位置，晶界处的原子皆偏离平衡位置，形成晶格畸变。形成晶格畸变。亚晶界：亚晶界：晶粒内存在着位向差很小的微晶粒内存在着位向差很小的微小区域，称为亚晶粒。亚晶界小区域，称为亚晶粒。亚晶界附近也产生晶格畸变。附近也产生晶格畸变。晶格畸变会使晶体的力学、物晶格畸变会使晶体的力学、物理化学性能发生重要变化。理化学性能发生重要变化。