材料的晶体结构.ppt

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第一章晶体材料的结构晶体学基础知识晶向与晶面指数纯金属常见的晶体结构常见离子晶体的结构常见共价键晶体结构 第一节晶体基础知识一、原子的排列方式分子的构成有的分子是单原子，如金属材料；有的是几个相同或不同的原子，如陶瓷材料；有的分子中包含的数千或更多的原子，如高分子材料。1.非晶体原子排列：粒子(原子、离子或分子)无规则的堆积。特点：各向同性；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；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。 一、原子的排列方式2.晶体原子排列：粒子(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性的规则重复排列。特点：各向异性：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固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升高到某一特定值，排列方式的解体，原子成无规则堆积，这时大多呈现不能保持自己形状的液体。 二、晶格与晶胞第一节晶体基础知识晶格为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为节点，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格架称为晶格。 二、晶格与晶胞第一节晶体基础知识晶胞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，通常为小的平行六面体。晶胞要顺序满足①能充分反映整个空间点阵的对称性，②具有尽可能多的直角，③体积要最小。 第一节晶体基础知识点阵常数平行六面体的三个棱长a、b、c和及其夹角α、β、γ，可决定平行六面体尺寸和形状，这六个量亦称为点阵常数。 三、晶系第一节晶体基础知识按点阵常数的特征对晶体的分类。布拉菲点阵简单单斜底心单斜 第二节晶向与晶面指数一、晶向与立方晶系晶向指数晶向：空间点阵中节点列的方向。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。晶向指数：表示晶向方位符号。标定方法：建立坐标系结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位；在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让在第一点在原点则下一步更简单)；计算x2-x1：y2-y1：z2-z1；化成最小、整数比u：v：w；放在方括号[uvw]中，不加逗号，负号记在上方。 一、晶向与立方晶系晶向指数第二节晶系晶向与晶面指数晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向的集合。表示方法：用尖括号表示。举例：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。晶向指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶向。 二、晶面与立方晶系晶面指数第二节晶系晶向与晶面指数晶面：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。晶面指数：表示晶面方位的符号。标定方法：建立坐标系结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位（原点在标定面以外，可以采用平移法）；晶面在三个坐标上的截距a1a2a3；计算其倒数b1b2b3；化成最小、整数比h：k：l；放在圆方括号(hkl)，不加逗号，负号记在上方。 二、晶面与立方晶系晶面指数第二节晶系晶向与晶面指数晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶面的集合。表示方法：用花括号{hkl}表示。举例：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。晶面指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。 三、六方晶系晶面与晶向指数第二节晶系晶向与晶面指数1、晶面指数：建立坐标系：在六方晶系中，为了明确的表示晶体底面的(六次)对称性，底面用互成120度的三个坐标轴x1、x2、x3，其单位为晶格常数a，加上垂直于底面的方向Z，其单位为高度方向的晶格常数c。注意x1、x2、x3三个坐标值不是独立的变量。方法同立方晶系，(hkil)为在四个坐标轴的截距倒数的化简，自然可保证关系式h＋k＋I＝0。底面指数为(0001),侧面的指数为(1010)。 三、六方晶系晶面与晶向指数第二节晶系晶向与晶面指数2、晶向指数标定方法：平移晶向(或坐标)，让原点为晶向上一点，取另一点的坐标，有:并满足p＋q＋r＝0；化成最小、整数比u：v：t：w放在方方括号[uvtw]，不加逗号，负号记在上方。 三、六方晶系晶面与晶向指数第二节晶系晶向与晶面指数3、晶向族与晶面族同一族的晶向或晶面也具有等同的效果；三个水平方向具有等同的效果，指数的交换只能在他们之间进行，Z轴只能改变符号；改变符号时，前三项要满足p＋q＋r＝0的相关性要求。 四、其他晶体学概念第二节晶向与晶面指数2.晶面的原子密度：该晶面单位面积上的节点(原子)数。1.晶向的原子密度：该晶向单位长度上的节点(原子)数。3.晶带和晶带轴：相交和平行于某一晶向的所有晶面的组合称为晶带，此直线叫做它们的晶带轴。晶带用晶带轴的晶向指数表示。在立方晶系中：晶面(hkl)和其晶带轴[uvw]的指数之间满足关系： 四、其他晶体学概念第二节晶向与晶面指数4.晶面间距：指相邻两个平行晶面之间的距离。晶面间的距离越大，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，它们的晶面间的间距也相同。不同晶面族的晶面间距也不相同。 第三节纯金属常见的晶体结构结构特点: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，对称性较高的密堆结构。常见结构：体心立方bccBody-centeredcubic面心立方fccFace-centeredcubic密堆六方cphClose-packedhexagonal 一、面心立方第三节纯金属常见的晶体结构原子位置立方体的八个顶角和每个侧面中心 面心立方中原子排列第三节纯金属常见的晶体结构在面心立方晶格中密排面为{111}，密排方向为<110> 面心立方中的间隙第三节纯金属常见的晶体结构将原子假定为刚性球，他们在堆垛排列时必然存在间隙。在面心立方晶格中存在的间隙主要有两种形式：八面体间隙：位置体心和棱中点单胞数量12/4+1=4大小四面体间隙：位置四个最近邻原子的中心单胞数量8大小 二、体心立方第三节纯金属常见的晶体结构原子位置立方体的八个顶角和体心 体心立方中原子排列第三节纯金属常见的晶体结构在体心立方晶格中密排面为{110}，密排方向为<111> 体心立方中的间隙第三节纯金属常见的晶体结构八面体间隙：位置面心和棱中点单胞数量12/3+6/2=6大小四面体间隙：侧面中心线1/4和3/4处8个 三、密堆六方第三节纯金属常见的晶体结构原子位置12个顶角、上下底心和体内3处在密堆六方晶格中密排面为{0001}，密排方向为<1120> 密堆六方中的间隙第三节纯金属常见的晶体结构八面体间隙：位置体内单胞数量6大小四面体间隙：位置棱和中心线的1/4和3/4处单胞数量12大小 四、面心立方和密堆六方的原子堆垛第三节纯金属常见的晶体结构原子的密排面的形式：在平面上每个原子与六个原子相切。hcp中为(0001)面，按–ABABABABAB-方式堆垛Fcc中为{111}面，按–ABCABCABCABC-方式堆垛 五、其他概念第三节纯金属常见的晶体结构同素异晶转变大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。当外部条件(如温度和压力)改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异晶转变。铁的同素异晶转变在热处理中有非常重大的意义 五、其他概念第三节纯金属常见的晶体结构原子半径当大量原子通过键合组成紧密排列的晶体时，利用原子等径刚球密堆模型，以相切两刚球的中心距(原子间距)之半作为原子半径。原子半径的测量方法是利用X射线来先确定其晶体结构的类型和一些晶面的间距，然后根据晶体结构中原子排列的关系计算出。原子的半径并不是固定不变的，它随着结合键的类型和外界环境不同而不同。一般表现规律为：①温度升高，原子半径增大；压力增大，原子半径减小；②原子间结合键愈强，如离子键或金属键，原子间距相应较小，即原子的半径也较小；③晶体中，原子的配位数的降低，原子的半径也随之减小，在同素异晶转变中，这种改变可减小转变中的体积变化，铁的面心立方与体心立方晶格之间的变化就是一例。 第四节常见离子晶体的结构结构特点:正离子半径一般较小,负离子半径较大，所以由负离子堆积成骨架，正离子则按其自身的大小，居留于相应的负离子孔隙—负离子配位多面体中。常见结构：1NaCl晶型面心立方点阵，正负离子的配位数均为6 2CsCl晶型简单立方点阵，正负离子的配位数均为83闪锌矿（立方ZnS）晶型：配位数均为44纤锌矿（六方ZnS）晶型：配位数均为4鲍林第一规则： 第五节常见共价晶体的结构结构特点:常见结构： 小结名词概念内容要求晶体与非晶体晶格与晶胞晶向指数与晶面指数体心立方面心立方密排六方晶胞中晶向指数与晶面指数表示方法，即指数与图形对应关系。金属中常见三种典型晶型，离子晶体中的NaCl和CsCl型，共价晶体中的金刚石型结构的原子位置、单胞中原子数、配位数。立方晶系中方向指数的夹角和晶面间距。