导图社区 第二章 晶体结构
第二章 晶体结构
大连理工大学 材料科学基础 第二章
编辑于2020-07-27 17:38:25- 相似推荐
- 大纲
晶体结构
晶体学基础
晶体与非晶体
晶体(crystal)
原子(离子或分子)按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列
存在长程有序，各向异性
非晶体(amorphous materials)
原子没有长程的周期排列，几个原子范围内短程有序，各向同性。
空间点阵(space lattice)
将晶体中的原子或分子抽象为几何点，这些几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列，即空间点阵
阵点或结点(lattice points)
构成空间点阵的每一个点
晶格(crystal lattice)
人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来所形成的空间格架，常用于表示空间点阵的几何规律
晶胞(unit cells)
构成晶格的最基本单元，能代表原子排列规律的最小几何单元。
晶胞(Unit Cell)
选取晶胞条件
平行六面体能反映出整个点阵的最高对称性
平行六面体内的棱和角相等的数目最多
平行六面体的直角数目最多
晶胞应具有最小的体积
晶胞的类型
简单晶胞(初级晶胞, simple unit cell)
只在平行六面体的八个顶角上有阵点，每个顶角上的阵点分属于8个简单晶胞，所以每个晶胞中只有一个阵点
复合晶胞(composite unit cell)
除了在平行六面体的八个角顶上有阵点外，在其体心、面心或底心也有阵点，每个复合晶胞中有一个以上的阵点
晶系
根据晶胞棱边长度之间的关系和晶轴之间夹角对晶体的分类,所有晶体可归为7个晶系
布拉菲点阵 Bravais Lattice
晶体结构和空间点阵的区别
晶体结构=空间点阵+基元
晶向指数 Indices of Crystallographic Orientations
晶向与晶向指数
晶向是空间点阵中的某些代表晶体中原子列的方向
晶向指数是用于表示不同晶向的一种符号
特点
一个晶向指数代表相互平行、方向一致的所有晶向
若晶体中两晶向相互平行但方向相反，则晶向指数中的数字相同，方向相反
只有对于立方结构的晶体，改变晶向指数的顺序，所表示的晶向上的原子排列情况完全相同，而对于其它结构的晶体则不适用
晶向族
晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向称为晶向族(a family of directions)符号为: <UVW>
晶面指数 Indices of Crystallographic Planes
晶面是通过空间点阵中的任意一组阵点的原子平面
晶面指数是用于表示不同晶面的一种符号
确定晶面指数(Miller indices for the plane)
子主题
特点
一个晶面指数代表一组相互平行的晶面
平行晶面的晶面指数相同，或数字相同，正负号相反
在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直
纯金属的晶体结构 Crystal Structures of Pure Metals
三种典型的金属晶体结构(three typical metallic crystal structures)
体心立方结构（body-centered cubic,BCC）
面心立方结构（face-centered,FCC）
密排六方结构（hexagonal close-packing,HCP）
点阵常数与原子半径（Lattice Constant and Atomic Radius）
原子半径并非固定不变，除与温度、压力等外界条件有关外，还受结合键、配位数以及外层电子结构等因素的影响
晶体中原子堆垛方式与间隙(Atomic Packing and Interstices)
面密度与线密度
线密度
面密度
三种常见晶格的密排面和密排方向
原子堆垛
典型金属结构中的间隙
八面体间隙 octanhedral interstice
位于6个原子所组成的八面体中间的间隙
四面体间隙 tetrahedral interstice
位于4个原子所组成的四面体中间的间隙
多晶型性 Polymorphism
固态金属在不同的温度和压力下具有不同的晶体结构，这种性质称为多晶型性(polymorphism)，转变类型为同素异构转变，转变产物为同素异构体(allotropy)
Examples:Fe、Sn、Ti......
同素异构转变对于金属是否能够 通过热处理来改变它的性能具有 重要意义，钢铁材料在很大程度 能够通过热处理来改变性能，就 是因为多晶型性
合金相的晶体结构 Crystal Structures of Alloys
一些定义
合金 Alloy
两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质
组元 Component
组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物——相
相 Phase
是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分
显微组织 microscopic structure
是指在显微镜下观察到的金属中各相晶粒的形态、数量、大小和分布的组合
固溶体 solid solution
一些定义
合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体，习惯以α、β、γ表示
与合金晶体结构相同的元素称溶剂solvent，其它元素称溶质solute
固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金
固溶度 solid solubility
溶质原子在固溶体中的极限浓度
置换固溶体 subsititutional solid solution
溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体
溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体
影响固溶度的因素
晶体结构
晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件
组元的晶体结构类型不同，其溶解度是有限的
原子尺寸
组元的原子半径差小于15%时，有利于形成溶解度较大的固溶体
原子半径差越大，溶入后点阵畸变程度越大，致使畸变能变高，结构稳定性降低，溶解度变小
电负性 electronegativity
组元间电负性相近，可能具有大的溶解度
电负性差大，则化学亲和力大，易形成化合物，而不利于形成固溶体，固溶体的溶解度愈小
电子浓度 electron concentration
除了以上要素以外，固溶度还与温度有关，在大多数情况下，固溶度随着温度升高而增加
间隙固溶体 interstitial solid solution
溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体
成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等， 而溶剂元素一般是过渡族元素
形成间隙固溶体的一般规律为 :r质/r剂<0.59
间隙固溶体都是无序固溶体
间隙固溶体都是有限固溶体，而且固溶度很小
间隙固溶体的固溶度不仅与 溶质原子的大小有关，还与 溶质晶体结构中间隙的形状 和大小等因素有关
固溶体的微观不均匀性 microinhomogeneities of solid solutions
无序分布
偏聚分布
短程有序分布
固溶体的性能
固溶强化
随溶质含量增加, 固溶体的强度、硬 度增加, 塑性、韧性下降
原因
溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用，阻碍了位错的运动
其他性能
点阵常数改变:
置换固熔体:点阵常数可增大、减小
间隙固溶体:点阵常数总是增大，比置换固熔体的大得多
物理、化学性能的变化:
Si溶入a-Fe中—— 磁导率提高，良好的软磁材料
Cr溶入a-Fe中——电极电位上升，抗腐蚀性提高，不锈钢性能突变——非磁向有磁转变;顺磁向铁磁转变
与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高， 塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度 要低得多，而塑性和韧性则要高得多。
中间相 intermediate phases
一些定义
金属间化合物/中间相
合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相
具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。
当合金中出现金属间化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性
是合金的重要组成相
正常价化合物 Nomal-vanlency compound
符合正常的原子价规律
通常由金属元素与IVA、VA、VIA族元素组成，分子式通常为AB、AB2、A2B、A3B2，它们具有严格的化合 比，成分固定不变。如Mg2Si，Mg2Pb，MnS等
正常价化合物常见于陶瓷材料，多为离子化合物
电子化合物 eletron compound/hume-rothery phase
符合电子浓度规律
电子浓度为合金价电子数与原子数的比值。 这类化合物的晶体结构与电子浓度有一定的对应关系。 电子浓度决定晶体结构
电子化合物的熔点和硬度都很高，但塑性较差，是有色金属中的重要强化相
尺寸因素化合物 size-related compound
间隙相和间隙化合物
由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成
间隙相 interstitial phase
当非金属原子半径(rX)与金属原子半径(rM)的比值 rX/rM<0.59时， 将形成具有简单晶体结构的金属间化合物，称为间隙相
金属原子位于晶格结点位置，而非金属原子则位于晶格的间隙处
间隙相具有极高的熔点和硬度，同时其脆性也很大，是高合金钢和硬质合金中的重要强化相
间隙化合物 interstitial compound
当非金属原子半径与金属原子半径的比值rX/rM>0.59时， 将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，故称之为间隙化合物 其中非金属原子也位于晶格的间隙处
间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一 但与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些
拓扑密堆相 topological close-packed phase，TCP
概要
中间相的性质
金属间化合物一般具有较高的熔点、高的硬度和脆性，通常作 为合金的强化相。此外还发现有些金属间化合物具有特殊的物 理化学性能，可用作新一代的功能材料或者耐热材料
具有超导性质
具有特殊电学性质
具有强磁性
具有贮氢性质
具有耐热特性
具有耐腐蚀作用
离子晶体的结构 ionic crystal strutrues
离子晶体(ionic crystal):
是由正负离子通过离子键按照一定 方式堆积起来而形成的
陶瓷材料为无机非金属材料，其中的晶相大多属于离子晶体
由于离子键的结合力很大，所以离子晶体的硬度高、强度大、熔点和沸点较高、热膨胀系数小，但脆性大
由于离子键中很难产生可以自由运动的电子，所以离子晶体都是良好的绝缘体
在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固地束缚在离子的外围，可见光的能量一般不足以使其外层电子激发，因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体往往都是无色透明的
影响离子晶体结构的2个主要因素
晶体应表现为电中性，即正离子(cations) 与负离子( anions)的电量相等
正、负离子尺寸或离子半径(rC、rA)，通常rC/rA<1。晶体稳定性可用刚球模型解释