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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晶体学基础知识晶体学基础知识立方晶系晶向与晶面立方晶系晶向与晶面纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构第一节第一节 晶体基础知识晶体基础知识一、原子的排列方式一、原子的排列方式 分子的构成分子的构成 有的分子是单原子，如金属材料；有的有的分子是单原子，如金属材料；有的是几个相同或不同的原子，如陶瓷材料；有的分子是几个相同或不同的原子，如陶瓷材料；有的分子中包含的数千或更多的原子，如高分子材料。中包含的数千或更多的原子，如高分子材料。1.1.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)
2、无规则的堆积。无规则的堆积。特点：特点：1.1.各向同性；各向同性；2.2.黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形黏度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；状的为固体，不能保持自己形状的为液体；3.3.随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没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。有明显的温度界限。一、原子的排列方式一、原子的排列方式2.2.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。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
3、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。3.3.部分晶体部分晶体 常出现在高分子材料或复合材料中常出现在高分子材料或复合材料中结晶度结晶度 其中晶体所占的比例其中晶体所占的比例 二、晶格与晶胞二、晶格与晶胞第一节第一节 晶体基础知识晶体基础知识晶格晶格为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子为了表达空间原
4、子排列的几何规律，把粒子(原原子或分子子或分子)在空间的平衡位置作为在空间的平衡位置作为节点节点，人为地，人为地将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为空间格架称为晶格晶格。二、晶格与晶胞二、晶格与晶胞第一节第一节 晶体基础知识晶体基础知识晶胞晶胞构成晶格的最基本单元。构成晶格的最基本单元。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，通常为小的平行六面体。晶胞要顺序满足通常为小的平行六面体。晶胞要顺序满足能充能充分反映整个空间点阵的对称性，分反映整个空间点阵的对称性，具有尽可能多具有尽可能多的直角，
5、的直角，体积要最小。体积要最小。三、晶系三、晶系第一节第一节 晶体基础知识晶体基础知识点阵常数点阵常数平行六面体的三个棱长平行六面体的三个棱长a a、b b、c c和及和及其夹角其夹角、，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。按点阵常数按点阵常数对对晶体的分对对晶体的分类。类。三、晶系三、晶系第一节第一节 晶体基础知识晶体基础知识 按点阵常数对对晶体的分类。按点阵常数对对晶体的分类。布拉菲点阵布拉菲点阵 第二节第二节 立方晶系晶向与晶面指数立方晶系晶向与晶面指数一、晶向与晶向指数一、晶向与晶向指数 晶向：晶向：空间点阵中个节点
6、列的方向。空间中任两节点空间点阵中个节点列的方向。空间中任两节点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。晶向指数晶向指数：表示晶向方位符号。：表示晶向方位符号。标定方法：标定方法：1.1.建立坐标系建立坐标系 结点为原点，三棱为方向，结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位点阵常数为单位；2.2.在晶向上任两点的坐标在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1)x1,y1,z1)(x2,y2,z2)(x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让在第若平移晶向或坐标，让在第一点在原点则下一步更简单一点在原点则下一步更简单)；3.3.计算计算x2-x1 x2-x1：y
7、2-y1 y2-y1：z2-z1 z2-z1 ；4.4.化成最小、整数比化成最小、整数比u u：v v：w w ；5.5.放在方括号放在方括号 uvwuvw 中，不加逗号，负号记在中，不加逗号，负号记在上方上方。一、晶向与晶向指数一、晶向与晶向指数第二节第二节 立方晶系晶向与晶面指数立方晶系晶向与晶面指数晶向族：晶向族：原子排列情况相同，但空原子排列情况相同，但空间间位向不同的一位向不同的一组组晶向晶向的集合的集合。表示方法：表示方法：用尖括号用尖括号表示表示 。举例：举例：可见任意交换指数的位置和改变符号后的所可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。有结果都是该族的范围。
8、晶向指数特征：晶向指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶向。平行的晶向。二、晶面与晶面指数二、晶面与晶面指数第二节第二节 立方晶系晶向与晶面指数立方晶系晶向与晶面指数晶面：晶面：空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子列的方向。代表了晶体中原子列的方向。晶面指数晶面指数：表示晶面方位的符号。：表示晶面方位的符号。标定方法：标定方法：1.1.建立坐建立坐标标系系 结结点点为为原点，三棱原点，三棱为为方向，方向，点点阵阵常数常数为单为单位位 （原点在标定面以外，可（原点在标定面以外，可以采用平移法）
9、以采用平移法）；2.2.晶面在三个坐晶面在三个坐标标上的截距上的截距a1 a2 a3a1 a2 a3 ；3.3.计计算其倒数算其倒数 b1 b2 b3b1 b2 b3 ；4.4.化成最小、整数比化成最小、整数比h h：k k：l l ；5.5.放在放在圆圆方括号方括号(hklhkl)，不加逗号，不加逗号，负负号号记记在在上方上方 。二、晶面与晶面指数二、晶面与晶面指数第二节第二节 立方晶系晶向与晶面指数立方晶系晶向与晶面指数晶面族：晶面族：原子排列情况相同，但空原子排列情况相同，但空间间位向不同的一位向不同的一组组晶晶面的集合面的集合。表示方法：表示方法：用花括号用花括号hklhkl表示表示。
10、举例：举例：可见任意交换指数的位置和改变符号后的所可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。有结果都是该族的范围。晶面指数特征：晶面指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。平行的晶面。三、原子密度三、原子密度第二节第二节 立方晶系晶向与晶面指数立方晶系晶向与晶面指数晶面的原子密度：晶面的原子密度：该晶面单位面积上的节点该晶面单位面积上的节点(原子原子)数数。晶向的原子密度：晶向的原子密度：该晶向单位长度上的节点该晶向单位长度上的节点(原子原子)数。数。晶面间距晶面间距：指相邻两个平行晶面之间的距离。：指相邻两个平行晶面之间的距离。
11、晶面间的距离越大，晶面上的原子排列越密晶面间的距离越大，晶面上的原子排列越密集。集。同一晶面族的原子排列方式相同，它们的晶同一晶面族的原子排列方式相同，它们的晶面间的间距也相同。面间的间距也相同。不同晶面族的晶面间距也不相同。不同晶面族的晶面间距也不相同。第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构结构特点结构特点:以金属键结合，失去外层电子的金属离子与以金属键结合，失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆自由电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆结构。结构。常见结构常见结构：体心立方体心立方 bcc bcc Body-centered cubic面心立
12、方面心立方 fcc fcc Face-centered cubic密堆六方密堆六方 cph cph Close-packed hexagonal一、体心立方一、体心立方第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构原子位置原子位置 立方体的八个顶角和体心立方体的八个顶角和体心 体心立方中原子排列体心立方中原子排列第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构二、面心立方二、面心立方第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构原子位置原子位置 立方体的八个顶角立方体的八个顶角和每个和每个侧侧面中心面中心 面心立方中原子排列面心立方中原子排列第三节第三节 纯金属常见的晶体
13、结构纯金属常见的晶体结构三、密堆六方三、密堆六方第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构原子位置原子位置 1212个个顶顶角、上下底心和体内角、上下底心和体内3 3处处 第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构一、多晶体结构一、多晶体结构单晶体单晶体:一块晶体材料，其内部一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为晶体就称之为“单晶体单晶体”，实用材料中如半导体集成电实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的路用的单晶硅、专门制造的金须和其他一些供研究用的金须和其他一些供研究用的材
14、料。材料。一、多晶体结构一、多晶体结构第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构多晶体多晶体:实际应用的工程材料实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为体组成的晶体结构称之为“多晶体多晶体”。一、多晶体结构一、多晶体结构第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构晶粒：晶粒：多
15、晶体材料中每个多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫的颗粒状，通常把它们叫做做“晶粒晶粒”。晶界：晶界：晶粒与晶粒之间的晶粒与晶粒之间的分界面叫分界面叫“晶粒间界晶粒间界”，或简称或简称“晶界晶界”。为了适。为了适应两晶粒间不同晶格位向应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。排列总是不规则的。多晶体的组织与性能：多晶体的组织与性能：第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际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
16、取向是随机晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在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。组织：组织：性能：性能：组织敏感的性能组织敏感的性能组织不敏感的性能组织不敏感的性能二、晶体中的缺陷二、晶体中的缺陷第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构晶体缺陷：晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的体学中论述的(理想晶体理想晶体)那样，原子完全呈现周期那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把
17、实际晶体中原子排列与理性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数量想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有的比相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能特点，例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。晶体缺陷的类型：晶体缺陷的类型：点点缺陷缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷1 1、点缺陷、点缺陷第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构点缺陷：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，
18、在原子尺寸大小在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。的晶体缺陷。点缺陷的类型点缺陷的类型：1)1)空位空位 在晶格结点位置应有原子的在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为地方空缺，这种缺陷称为“空位空位”。2)2)间隙原子间隙原子 在晶格非结点位置，往在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。是异类原子。3)3)异类原子异类原子 在一种类型的原子组成在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原的晶格中，不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置。有的原
19、子占有其应有的位置。1 1、点缺陷、点缺陷第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构点缺陷对材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，即造成小区域的晶格畸变。离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。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定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力平衡力(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
20、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 过饱和的空位可集中形成内部的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。空洞，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错的攀移，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、运动阻力。会使强度提高，塑性下降、2 2、线缺陷、线缺陷第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构线缺陷：线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大在三维空间的一个
21、方向上的尺寸很大(晶粒数量级晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错其具体形式就是晶体中的位错Dislocation 位错的形式位错的形式：刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 混合型位错混合型位错2 2、线缺陷、线缺陷第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构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
22、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，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
23、变形基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；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。3 3、面缺陷、面缺陷第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构面缺陷：面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。面缺陷的形式面缺陷的形式：晶界面晶界面 亚晶界面亚晶界面 相界面相界面(两个不同类型晶体的分界面两个不同类型晶体的分界面)