第一章材料的晶體結(jié)構(gòu)-首頁-woodpeckerwikiforcpug

1、第一章 晶體材料的結(jié)構(gòu),晶體學(xué)基礎(chǔ)知識晶向與晶面指數(shù)純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)常見離子晶體的結(jié)構(gòu)常見共價鍵晶體結(jié)構(gòu),第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識,一、原子的排列方式,分子的構(gòu)成 有的分子是單原子，如金屬材料；有的是幾個相同或不同的原子，如陶瓷材料；有的分子中包含的數(shù)千或更多的原子，如高分子材料。,1. 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：,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

2、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。,一、原子的排列方式,2. 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。特點：,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：排列規(guī)律能保持時呈現(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，這時大多呈現(xiàn)不能保持自己形狀的液體。,二、晶格與晶胞,第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識,晶格,為了

3、表達空間原子排列的幾何規(guī)律，把粒子(原子或分子)在空間的平衡位置作為節(jié)點，人為地將節(jié)點用一系列相互平行的直線連接起來形成的空間格架稱為晶格。,二、晶格與晶胞,第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識,晶胞,構(gòu)成晶格的最基本單元。晶胞在三維空間重復(fù)堆砌可構(gòu)成整個空間點陣，通常為小的平行六面體。晶胞要順序滿足①能充分反映整個空間點陣的對稱性，②具有盡可能多的直角，③體積要最小。,第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識,點陣常數(shù),平行六面體的三個棱長a、b、c和及其夾角α、

4、β、γ，可決定平行六面體尺寸和形狀，這六個量亦稱為點陣常數(shù)。,三、晶系,第一節(jié) 晶體基礎(chǔ)知識,按點陣常數(shù)的特征對晶體的分類。,布拉菲點陣,第二節(jié) 晶向與晶面指數(shù),一、晶向與立方晶系晶向指數(shù),晶向：空間點陣中節(jié)點列的方向。空間中任兩節(jié)點的連線的方向，代表了晶體中原子列的方向。晶向指數(shù)：表示晶向方位符號。,標定方法：,建立坐標系 結(jié)點為原點，三棱為方向，點陣常數(shù)為單位 ；在晶向上任兩點的坐標(x1,y1,z1) (x2,y2,z2

5、)。(若平移晶向或坐標，讓在第一點在原點則下一步更簡單)； 計算x2-x1 ： y2-y1 ： z2-z1 ；化成最小、整數(shù)比u：v：w ；放在方括號[uvw]中，不加逗號，負號記在上方 。,一、晶向與立方晶系晶向指數(shù),第二節(jié) 晶系晶向與晶面指數(shù),晶向族：原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶向的集合。,表示方法：用尖括號表示 。,舉例：,可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號后的所有結(jié)果都是該族的范圍。,晶向指數(shù)特征：與原點位

6、置無關(guān)；每一指數(shù)對應(yīng)一組平行的晶向。,二、晶面與立方晶系晶面指數(shù),第二節(jié) 晶系晶向與晶面指數(shù),晶面：空間中不在一直線任三個陣點的構(gòu)成的平面，代表了晶體中原子列的方向。 晶面指數(shù)：表示晶面方位的符號。,標定方法：,建立坐標系 結(jié)點為原點，三棱為方向，點陣常數(shù)為單位 （原點在標定面以外，可以采用平移法）；晶面在三個坐標上的截距a1 a2 a3 ； 計算其倒數(shù) b1 b2 b3 ；化成最小、整數(shù)比h：k：l ；放在圓方

7、括號(hkl)，不加逗號，負號記在上方 。,二、晶面與立方晶系晶面指數(shù),第二節(jié) 晶系晶向與晶面指數(shù),晶面族：原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶面的集合。,表示方法：用花括號{hkl}表示。,舉例：,可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號后的所有結(jié)果都是該族的范圍。,晶面指數(shù)特征：與原點位置無關(guān)；每一指數(shù)對應(yīng)一組平行的晶面。,三、六方晶系晶面與晶向指數(shù),第二節(jié) 晶系晶向與晶面指數(shù),1、晶面指數(shù)：,建立坐標系：在六方晶系中，為了明確的表

8、示晶體底面的(六次)對稱性，底面用互成120度的三個坐標軸x1、x2、x3，其單位為晶格常數(shù)a，加上垂直于底面的方向Z，其單位為高度方向的晶格常數(shù)c。注意x1、x2、x3三個坐標值不是獨立的變量。 方法同立方晶系， (hkil)為在四個坐標軸的截距倒數(shù)的化簡，自然可保證關(guān)系式h＋k＋I＝0。底面指數(shù)為(0001),側(cè)面的指數(shù)為(1010)。,,三、六方晶系晶面與晶向指數(shù),第二節(jié) 晶系晶向與晶面指數(shù),2、晶向指數(shù),標定方法：,平移晶向

9、(或坐標)，讓原點為晶向上一點，取另一點的坐標，有:,并滿足p＋q＋r＝0 ；,化成最小、整數(shù)比 u：v：t：w放在方方括號[uvtw]，不加逗號，負號記在上方 。,三、六方晶系晶面與晶向指數(shù),第二節(jié) 晶系晶向與晶面指數(shù),3、晶向族與晶面族,同一族的晶向或晶面也具有等同的效果；,三個水平方向具有等同的效果，指數(shù)的交換只能在他們之間進行，Z軸只能改變符號 ；,改變符號時，前三項要滿足p＋q＋r＝0的相關(guān)性要求。,四、其他晶體學(xué)概念,第

10、二節(jié) 晶向與晶面指數(shù),2.晶面的原子密度：該晶面單位面積上的節(jié)點(原子)數(shù)。,1.晶向的原子密度：該晶向單位長度上的節(jié)點(原子)數(shù)。,四、其他晶體學(xué)概念,第二節(jié) 晶向與晶面指數(shù),4.晶面間距：指相鄰兩個平行晶面之間的距離。,晶面間的距離越大，晶面上的原子排列越密集。同一晶面族的原子排列方式相同，它們的晶面間的間距也相同。不同晶面族的晶面間距也不相同。,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)特點:以金屬鍵結(jié)合，失去外層電子的金屬離子

11、與自由電子的吸引力。無方向性，對稱性較高的密堆結(jié)構(gòu)。常見結(jié)構(gòu)：,體心立方 bcc Body-centered cubic面心立方 fcc Face-centered cubic密堆六方 cph Close-packed hexagonal,一、面心立方,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),原子位置 立方體的八個頂角和每個側(cè)面中心,面心立方中原子排列,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),在面心立方晶格中密排面為{111}，密排方向為,面心

12、立方中的間隙,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),將原子假定為剛性球，他們在堆垛排列時必然存在間隙。在面心立方晶格中存在的間隙主要有兩種形式：,二、體心立方,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),原子位置 立方體的八個頂角和體心,體心立方中原子排列,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),在體心立方晶格中密排面為{110}，密排方向為,體心立方中的間隙,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),三、密堆六方,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),原子位置 12個頂角

13、、上下底心和體內(nèi)3處,密堆六方中的間隙,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),八面體間隙：,位置 體內(nèi) 單胞數(shù)量 6大小,四、面心立方和密堆六方的原子堆垛,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),原子的密排面的形式： 在平面上每個原子與六個原子相切。,hcp中為(0001)面，按 –ABABABABAB-方式堆垛,Fcc中為{111}面， 按 –ABCABCABCABC-方式堆垛,五、其他概念,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),同素異晶

14、轉(zhuǎn)變 大部分金屬只有一種晶體結(jié)構(gòu)，但也有少數(shù)金屬如Fe、Mn、Ti、Co等具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型。當(dāng)外部條件(如溫度和壓力)改變時，金屬內(nèi)部由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變稱為多晶型轉(zhuǎn)變或同素異晶轉(zhuǎn)變。鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變在熱處理中有非常重大的意義,五、其他概念,第三節(jié) 純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu),原子半徑 當(dāng)大量原子通過鍵合組成緊密排列的晶體時，利用原子等徑剛球密堆模型，以相切兩剛球的中心距(原子間距)之半作為原子半徑。

15、原子半徑的測量方法是利用X射線來先確定其晶體結(jié)構(gòu)的類型和一些晶面的間距，然后根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的關(guān)系計算出。,原子的半徑并不是固定不變的，它隨著結(jié)合鍵的類型和外界環(huán)境不同而不同。一般表現(xiàn)規(guī)律為：①溫度升高，原子半徑增大；壓力增大，原子半徑減小；②原子間結(jié)合鍵愈強，如離子鍵或金屬鍵，原子間距相應(yīng)較小，即原子的半徑也較?。虎劬w中，原子的配位數(shù)的降低，原子的半徑也隨之減小，在同素異晶轉(zhuǎn)變中，這種改變可減小轉(zhuǎn)變中的體積變化，鐵的面心立方與

16、體心立方晶格之間的變化就是一例。,第四節(jié) 常見離子晶體的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)特點: 正離子半徑一般較小,負離子半徑較大，所以由負離子堆積成骨架，正離子則按其自身的大小，居留于相應(yīng)的負離子孔隙—負離子配位多面體中。常見結(jié)構(gòu)：1 NaCl晶型,面心立方點陣，正負離子的配位數(shù)均為6,2 CsCl晶型 簡單立方點陣，正負 離子的配位數(shù)均為8 3 閃鋅礦（立方ZnS）晶型：配位數(shù)均為4 4 纖鋅礦（六方ZnS）晶型：配