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1、1 晶体学基础晶体学基础2 晶向指数与晶面指数晶向指数与晶面指数3 晶体缺陷晶体缺陷4 本章小结本章小结引言引言晶体结构对材料性能的影响晶体结构对材料性能的影响石墨石墨金刚金刚石石晶晶 体体原子、离子或分子在三维空间按一定规律呈原子、离子或分子在三维空间按一定规律呈周期性重复排列，长程有序周期性重复排列，长程有序 。不同方向原子的排列方式不相同，因而其表不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异，各向异性。现的性能也有差异，各向异性。具有固定的熔点。具有固定的熔点。非晶体非晶体原子、离子或分子长程无规则的堆积，长程原子、离子或分子长程无规则的堆积，长程无序，短程有序。无序，短程有序
2、。各向同性；各向同性；无固定熔点，有一定软化温度范围。随温度无固定熔点，有一定软化温度范围。随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。显的温度界限。为了表达空间原子排列的几何规律，把原子或分子在空间的为了表达空间原子排列的几何规律，把原子或分子在空间的平衡位置作为平衡位置作为节点；节点；人为地将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间人为地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格架称为空间点阵空间点阵或或晶格晶格。晶胞晶胞:构成晶格的最基本单元。在构成晶格的最基本单元。在三维空间重复堆砌可构成整个空间三维空间重复堆砌可构
3、成整个空间点阵，通常为小的平行六面体。点阵，通常为小的平行六面体。晶胞要顺序满足：晶胞要顺序满足：能充分反映整能充分反映整个空间点阵的对称性，个空间点阵的对称性，具有尽可具有尽可能多的直角，能多的直角，体积要最小。体积要最小。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和其夹角和其夹角、，可决定可决定平行六面体尺寸和形状，这六个量平行六面体尺寸和形状，这六个量亦称为点阵常数。亦称为点阵常数。按点阵常数的特征对晶体的分类按点阵常数的特征对晶体的分类。简单、体心、面心简单、体心、面心简单、体心简单、体心简单简单简单、底心、体心、面心简单、底心、体心、面心简单简单
4、简单、底心简单、底心简单简单体心立方体心立方 bcc bcc Body-centered cubic面心立方面心立方 fccfcc Face-centered cubic密堆六方密堆六方 hcphcp Hexagonal close-packed金属常见结构金属常见结构：bccbccfccfcchcphcp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 立方体的八个顶角和每个侧面中心都立方体的八个顶角和每个侧面中心都有原子有原子 1212个顶角、上下底心和体内个顶角、上下底心和体内3 3处处 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
5、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晶向：晶向：空间点阵中节点空间点阵中节点列的方向。空间中任两列的方向。空间中任两节点的连线方向，代表节点的连线方向，代表晶体中原子列的方向。晶体中原子列的方向。晶向指数晶向指数：表示晶向方：表示晶向方位符号。用位符号。用u v w来表来表示。示。任意阵点任意阵点P P的位置可以用矢量或者坐标来表示。的位置可以用矢量或者坐标来表示。A.A.晶向指数晶向指数l立方晶系晶向指数的标定立方晶系晶向指数的标定建立坐标系建立坐标系 结点为原点，三棱结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位为方向，点阵常
6、数为单位；在晶向上任两点的坐标在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)。(若平移若平移晶向或坐标，让在第一点在原点晶向或坐标，让在第一点在原点则下一步更简单则下一步更简单)；计算计算x2-x1：y2-y1：z2-z1；化成最小、整数比化成最小、整数比u：v：w ；放在方括号放在方括号uvw中中,不加逗号不加逗号,负号记在上方负号记在上方。l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位向不同的一一组组晶向晶向的集合的集合。表示方法：用尖括号表示方法：用尖括号 表示，如表示，如 ：与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶向。与原点位置无关；每一指
7、数对应一组平行的晶向。l晶向指数特征晶向指数特征可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果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。都是该族的范围。B.B.晶面指数晶面指数晶面晶面空间中不在一直线任三个阵点的空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子构成的平面，代表了晶体中原子列的方向。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(Miller指数），用指数），用(hkl)表示。表示。l立方晶系晶面指数的标定立方晶系晶面指数的标定以晶胞相互垂直的三棱建立坐标以晶胞相互垂直的三棱建立坐标系，采用平移法使坐标原点落在系，采用平移法使坐标原点落在标
8、定面以外，以免出现零截距。标定面以外，以免出现零截距。以棱边长度（点阵常数）为度量以棱边长度（点阵常数）为度量单位，求出待定晶面在三个坐标单位，求出待定晶面在三个坐标上的截距上的截距a1、a2、a3。计算其倒数计算其倒数 b1、b2、b3，约简，约简成最小整数比成最小整数比h：k：l。放在圆括号内，不加逗号，有负放在圆括号内，不加逗号，有负号记在上方，号记在上方，(h k l)即为晶面指即为晶面指数数。l晶向族：晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶面的集合，用花括号一组晶面的集合，用花括号h k l表示表示，如：，如：与原点位置无关；每一指数对应一
9、组平行的晶面。与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。l晶面指数特征晶面指数特征可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果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。都是该族的范围。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。C.C.晶向及晶面的原子密度晶向及晶面的原子密度在体心立方晶格中密排面为在体心立方晶格中密排面为110110，密排方向为，密排方向为l体心立方中原子排列体心立方中原子排列l面心立方中原子排列面心立方中原子排列面心立方晶格中密排面
10、为面心立方晶格中密排面为111111，密排方向为，密排方向为u晶体具有各向异性的根本原因是由于在不同晶体具有各向异性的根本原因是由于在不同晶向上的原子排列紧密程度不同所致。晶向上的原子排列紧密程度不同所致。u原子紧密程度不同，意味不同方向原子间结原子紧密程度不同，意味不同方向原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向的理化、机合力不同，从而使晶体在不同晶向的理化、机械性能不同。械性能不同。如：体心立方结构的如：体心立方结构的a-Fea-Fe单晶单晶方向方向的弹性模量是的弹性模量是方向的两倍多。方向的两倍多。D.D.晶体的各向异性晶体的各向异性完美晶体完美晶体原子完全象晶体学中论述的原子完全象晶体学
11、中论述的(理想晶体理想晶体)那样呈现周期性那样呈现周期性的规则重复的排列。的规则重复的排列。缺陷晶体缺陷晶体实际晶体中可能在某个格位出实际晶体中可能在某个格位出现缺位，某些位置出现原子错现缺位，某些位置出现原子错排等缺陷。排等缺陷。晶体缺陷的种类、数量将给材料的晶体缺陷的种类、数量将给材料的性能带来巨大的影响。性能带来巨大的影响。晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类点缺陷：点缺陷：三维方向上原子尺寸大小级别的晶体三维方向上原子尺寸大小级别的晶体缺陷，如空位、间隙原子等。缺陷，如空位、间隙原子等。线缺陷：线缺陷：一个方向上的尺寸很大，另两个方向上一个方向上的尺寸很大，另两个方向上的尺寸很小的尺寸很小(原
12、子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷，的晶体缺陷，主要是晶体中的位错。主要是晶体中的位错。面缺陷：面缺陷：两个方向上的尺寸很大两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级晶粒数量级)，另外一个方向尺寸很小另外一个方向尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷，如晶界、亚晶界等。的晶体缺陷，如晶界、亚晶界等。l空位空位 (Schottky 缺陷缺陷)l间隙原子间隙原子(Frenkel 缺陷缺陷)l错位缺陷错位缺陷l异类原子异类原子(置换原子置换原子)Schottky 缺陷 Frenkel 缺陷 错位缺陷原子模型原子模型如下图，将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原如下图，将晶体的上半部分向左移动一个
13、原子间距，再按原子的结合方式连接起来，这样在分界线的上方将多出半个原子的结合方式连接起来，这样在分界线的上方将多出半个原子面，这种原子错排缺陷称为刃型位错，表记为子面，这种原子错排缺陷称为刃型位错，表记为“”或或“”，错排原子列边缘为位错线。，错排原子列边缘为位错线。刃型位错可理解为将一理想晶体部分地切开，再用刃型位错可理解为将一理想晶体部分地切开，再用一额外原子面嵌入切口，即在一额外原子面嵌入切口，即在EF处的上方多插入了处的上方多插入了一个像刀刃一样的原子平面。一个像刀刃一样的原子平面。晶体从上部多插入的一晶体从上部多插入的一个原子面称为正刃型位个原子面称为正刃型位错；晶体从下部多插入错；
14、晶体从下部多插入一个原子面称为负刃型一个原子面称为负刃型位错。位错。刃边附近的原子都偏离平衡位置，形成一个晶格畸变的刃边附近的原子都偏离平衡位置，形成一个晶格畸变的管道，这就是位错线，如图中管道，这就是位错线，如图中 EF 线。线。l位错线上方：原子拥挤，位错线上方：原子拥挤，原子间距变小，晶格受压原子间距变小，晶格受压应力。应力。l位错线下方：原子稀疏，位错线下方：原子稀疏，原子间距变大，晶格受到原子间距变大，晶格受到拉应力。拉应力。位错线周围一定区域内，原子离开平衡位置，晶格位错线周围一定区域内，原子离开平衡位置，晶格产生畸变，在半原子面两边的畸变是对称的，上下不对产生畸变，在半原子面两边
15、的畸变是对称的，上下不对称。畸变区内存在复杂的应力场称。畸变区内存在复杂的应力场:B B刃型位错的应力场刃型位错的应力场硅单晶硅单晶CeOCeO2 2单晶纳米颗粒单晶纳米颗粒多晶多晶Filled skutterudite 化合物的结构化合物的结构 晶界就是空间取向晶界就是空间取向(或位向或位向)不不同的相邻晶粒之间的分界面。同的相邻晶粒之间的分界面。l小角度晶界小角度晶界。晶界两侧的晶粒位。晶界两侧的晶粒位向差很小。可看成是一系列刃位向差很小。可看成是一系列刃位错排列成墙，晶界中位错排列愈错排列成墙，晶界中位错排列愈密，则位向差愈大。密，则位向差愈大。l大角度晶界大角度晶界。晶界两侧的晶粒位。
16、晶界两侧的晶粒位向差较大，不能用位错模型。向差较大，不能用位错模型。l共格界面共格界面。界面上一侧晶体的某。界面上一侧晶体的某一晶面与另一侧晶面具有相同的一晶面与另一侧晶面具有相同的原子排列，作为其共有界面。原子排列，作为其共有界面。相界面的分类相界面的分类两种不同相的分界面。两种不同相的分界面。名词概念名词概念 内容要求内容要求 晶格与晶胞，晶向族、晶面族，晶格与晶胞，晶向族、晶面族，单单晶体与多晶体，晶体与多晶体，晶粒与晶界，点缺陷、晶粒与晶界，点缺陷、线线缺陷、面缺陷缺陷、面缺陷1.1.立方晶胞中晶向指数与晶面指数表示方法。立方晶胞中晶向指数与晶面指数表示方法。2.2.三种典型金属晶型的原子位置、三种典型金属晶型的原子位置、单单胞原子数、原子胞原子数、原子半径、致密度、配位数。半径、致密度、配位数。