材料科学基础2

1、材料观材料观核心核心组成组成+ +加工工艺加工工艺微观组织结构微观组织结构性能性能用途用途结构的含义结构的含义 宏观结构（眼睛观察范围宏观结构（眼睛观察范围-0.1mm） 显微结构（显微结构（100 m-0.1 m) 晶体结构（晶体结构（Angstron） 原子结构（电子原子结构（电子+质子质子+中子）中子）物质：气态、液态、固态物质：气态、液态、固态固态物质：晶体、非晶体固态物质：晶体、非晶体第第一一章章 固体结构固体结构第第一一章章 固体结构固体结构1.1 晶体学基础晶体学基础1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构1.3 合金相结构合金相结构1.4 离子晶体结构离子晶体结构1.5 共价晶体结

2、构共价晶体结构1.1 晶体学基础晶体学基础n空间点阵和晶胞空间点阵和晶胞n点阵几何元素表示法点阵几何元素表示法晶向指数、晶面指数晶向指数、晶面指数n1414种布拉维点阵及晶胞种布拉维点阵及晶胞n晶体的晶体的3232种点群及宏观对称性种点群及宏观对称性n微观对称及空间群微观对称及空间群1.1 1.1 晶体学基础晶体学基础晶体：晶体：原子或分子在三维空间呈有规则的周期性的重原子或分子在三维空间呈有规则的周期性的重复排列。长程有序。复排列。长程有序。金属、许多陶瓷、部分聚合物。金属、许多陶瓷、部分聚合物。非晶体：非晶体：原子或分子在空间无规则排列。不具有长程原子或分子在空间无规则排列。不具有长程有序

3、结构的材料。有序结构的材料。晶体概念的发展晶体概念的发展石英晶体石英晶体晶体是具有多面体外形的固体晶体是具有多面体外形的固体Hauy模型：模型：NaCl晶体打碎，晶体打碎，形成无数立方体外形的小晶体，形成无数立方体外形的小晶体，直到最后不能再分的直到最后不能再分的NaCl“分分子子”；认为晶体是由多面体外；认为晶体是由多面体外形的形的“分子分子”构成的构成的天然水晶天然水晶硫硫钠长石钠长石 NaAlSi3O8绿柱石绿柱石 Be3Al2(SiO3)6祖母绿祖母绿蓝宝石蓝宝石放大放大10001000倍的雪花倍的雪花晶体概念的发展晶体概念的发展几种不同外形的石英晶体几种不同外形的石英晶体内部质点的规

4、则排列形成规内部质点的规则排列形成规则的多面体外形则的多面体外形晶体的棱角：面和棱的存在以及它们之间的规晶体的棱角：面和棱的存在以及它们之间的规则性是晶体的宏观特性之一。晶体自发生长成则性是晶体的宏观特性之一。晶体自发生长成规则几何外形的性质称为自限性。互相平行的规则几何外形的性质称为自限性。互相平行的面之间的夹角是守恒的，这些平行的面称为对面之间的夹角是守恒的，这些平行的面称为对应面，对应面的这种关系称为面角守恒定律。应面，对应面的这种关系称为面角守恒定律。晶体概念的发展晶体概念的发展Hauy提出的晶体结构示意图提出的晶体结构示意图晶体概念的发展晶体概念的发展惠更斯提出（惠更斯提出（1690

5、年）：晶体中质点的有序排列导致年）：晶体中质点的有序排列导致晶体具有某种多面体外形。后来在布拉菲（晶体具有某种多面体外形。后来在布拉菲（Bravais）等人的努力下，发展成为晶体的点阵结构理论等人的努力下，发展成为晶体的点阵结构理论晶体概念的发展晶体概念的发展 18951895年伦琴发现了年伦琴发现了X X射线射线 19121912年劳厄用晶体作光栅，用年劳厄用晶体作光栅，用X X射线作光源，发射线作光源，发现现X X射线在晶体中的衍射现象射线在晶体中的衍射现象 首先证实了晶体结构点阵理论的正确性首先证实了晶体结构点阵理论的正确性 其次确定了其次确定了X X射线本质上是电磁波射线本质上是电磁波

6、 19131913年布拉格父子得出了年布拉格父子得出了X X射线衍射的基本公式，射线衍射的基本公式，奠定了晶体结构分析的基础奠定了晶体结构分析的基础晶体概念的发展晶体概念的发展TEM of Ysialon 晶体结构晶体结构19121912年劳厄（年劳厄（LaueLaue）将）将X X射线射线应用于晶体的衍射，证明晶应用于晶体的衍射，证明晶体是：由构成晶体的结构基体是：由构成晶体的结构基元（原子、离子、分子）在元（原子、离子、分子）在空间周期性重复排列而成的空间周期性重复排列而成的一切物质，具有长程有序的一切物质，具有长程有序的三维结构。以后的三维结构。以后的TEMTEM、AFMAFM更证明了结

7、论更证明了结论晶体概念的发展晶体概念的发展这种定义下的晶体在自然界是普遍存这种定义下的晶体在自然界是普遍存在的。自然界中，具有天然多面体外在的。自然界中，具有天然多面体外形的晶体是少数的。有些材料，外表形的晶体是少数的。有些材料，外表看似乎不是晶体，但实际上也是晶体。看似乎不是晶体，但实际上也是晶体。矿石、沙子、水泥、钢铁、洗衣粉、矿石、沙子、水泥、钢铁、洗衣粉、化肥、牙齿、骨骼都是由晶体构成。化肥、牙齿、骨骼都是由晶体构成。它们不是较大的有多面体外形的晶体，它们不是较大的有多面体外形的晶体，而是由无数微小晶体颗粒取向随机的而是由无数微小晶体颗粒取向随机的结合在一起的多晶体结合在一起的多晶体陶

8、瓷材料陶瓷材料SEM照片照片晶体概念的发展晶体概念的发展n根据晶体的概念将物质划根据晶体的概念将物质划分为晶体和非晶体分为晶体和非晶体n非晶体：结构基元仅具有非晶体：结构基元仅具有短程有序的排列，即在较短程有序的排列，即在较小的范围内邻近的几个结小的范围内邻近的几个结构基元间保持着有序的排构基元间保持着有序的排列，没有长程有序的排列列，没有长程有序的排列晶体晶体玻璃体玻璃体晶体的基本性质晶体的基本性质各向异性：晶体的几何度量和物理效应常随方向不各向异性：晶体的几何度量和物理效应常随方向不同而表现出量的差异，这种性质称为各向异性同而表现出量的差异，这种性质称为各向异性晶体的热传导特性各向异性晶体

9、的热传导特性各向异性岩盐岩盐霞石霞石晶体的基本性质晶体的基本性质均匀性：在宏观观察下，晶体每一点上的物理效应均匀性：在宏观观察下，晶体每一点上的物理效应和化学组成均相同。和化学组成均相同。表面上，晶体和非晶体都是均匀的，但实质上有所表面上，晶体和非晶体都是均匀的，但实质上有所不同，晶体中每一微观区域精确地均匀，而非晶体不同，晶体中每一微观区域精确地均匀，而非晶体中只是统计上的近似均匀中只是统计上的近似均匀晶体晶体玻璃体玻璃体晶体的基本性质晶体的基本性质n有固定的熔点和凝固点有固定的熔点和凝固点晶体与非晶体的区别晶体与非晶体的区别n根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性根本区别：质点是否在

10、三维空间作有规则的周期性重复排列重复排列n晶体熔化时具有固定的熔点晶体熔化时具有固定的熔点, ,而非晶体无明显熔点而非晶体无明显熔点, ,只存在一个软化温度范围只存在一个软化温度范围n晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性（多晶体也晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性（多晶体也呈各向同性，称呈各向同性，称“伪各向同性伪各向同性”）空间点阵（晶体结构的抽象描述）空间点阵（晶体结构的抽象描述）n空间点阵：为了便于研究晶体中原子空间点阵：为了便于研究晶体中原子( (分子或离子分子或离子) )的的排列情况，将晶体看成是无错排的理想晶体，将其中排列情况，将晶体看成是无错排的理想晶体，将其中的每个质点抽象为规则

11、排列于空间的几何点。的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点。n这些点代表原子这些点代表原子( (分子或离子分子或离子) )的中心，也可是彼此等的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，同的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同各点的周围环境相同。这种点称为阵点（结点）。这种点称为阵点（结点）。阵点在三维空间的周期性阵点在三维空间的周期性重复排列形成的阵列称为空间点阵。重复排列形成的阵列称为空间点阵。n可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有结点有一群原子（原子集团）一群原子（原子集团）点阵与点阵结构点阵与点阵结构石墨晶体的一个平面

12、层石墨晶体的一个平面层周期重复的是周期重复的是一对一对C C原子原子重复排列：粗看是一个碳原子、实际是一对碳原子重复排列：粗看是一个碳原子、实际是一对碳原子点阵与点阵结构点阵与点阵结构对晶体结构的描述可归结为两点：对晶体结构的描述可归结为两点：n存在周期重复的最小单位，称为存在周期重复的最小单位，称为结构基元结构基元。上。上图即为邻近的两个碳原子图即为邻近的两个碳原子n通过通过平移操作平移操作可使晶体结构复原，单位平移重可使晶体结构复原，单位平移重复的矢量称为复的矢量称为周期周期点阵与点阵结构点阵与点阵结构复制这样的结构模型可采用：复制这样的结构模型可采用：l按平移矢量的大小和方向，先画出一组

13、点，再按平移矢量的大小和方向，先画出一组点，再在这些点上按一定的取向填上结构基元在这些点上按一定的取向填上结构基元l按平移矢量的距离画成格子，按平移矢量的距离画成格子，构成三维网格构成三维网格空间格子。空间格子。再在格子的顶点按一定取向填上结再在格子的顶点按一定取向填上结构基元。构基元。因为结构是无限的，这组点或格子也是无限的因为结构是无限的，这组点或格子也是无限的n为说明点阵排列的规律和特点，为说明点阵排列的规律和特点，在点阵中取在点阵中取出具有代表性的基本单元（最小平行六面体）出具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元晶胞作为点阵的组成单元晶胞n晶胞在三维空间的重复堆砌晶胞

14、在三维空间的重复堆砌构成空间点阵。构成空间点阵。n同一空间点阵，可因选取方式的不同而得到同一空间点阵，可因选取方式的不同而得到不同的晶胞不同的晶胞晶胞晶胞晶胞晶胞同一空间点阵因选取方式不同而得到不同晶胞同一空间点阵因选取方式不同而得到不同晶胞选取晶胞的原则：选取晶胞的原则：n反应点阵的对称性反应点阵的对称性n平行六面体内棱和角相等的最多平行六面体内棱和角相等的最多n棱边夹角为直角的最多棱边夹角为直角的最多n晶胞应具有最小体积晶胞应具有最小体积点阵与晶胞（总结）点阵与晶胞（总结）n点阵：点阵：阵点在三维空间的周期性规则排列的阵点在三维空间的周期性规则排列的阵列阵列n格子：以阵点为顶点取出的平行六

15、面体格子：以阵点为顶点取出的平行六面体n晶胞：晶胞：点阵中取出具有代表性的最小平行六点阵中取出具有代表性的最小平行六面体（面体（与点阵结构相对应的平行六面体）与点阵结构相对应的平行六面体），作为点阵组成单元作为点阵组成单元n晶体结构：基元点阵结构，基元在三维空晶体结构：基元点阵结构，基元在三维空间周期重复形成晶体结构。间周期重复形成晶体结构。n晶胞在三维空间周期重复，形成点阵晶胞在三维空间周期重复，形成点阵点阵与点阵结构点阵与点阵结构n在空间点阵中，每个节点周围的情况是完全一样的在空间点阵中，每个节点周围的情况是完全一样的n而且，在任何两个结构单元中，相应原子周围的情而且，在任何两个结构单元中

16、，相应原子周围的情况，也是相同的况，也是相同的晶胞的描述（六个参数）晶胞的描述（六个参数）xzyabc 晶胞、晶轴和点阵参数晶胞、晶轴和点阵参数图 空间点阵晶胞的描述晶胞的描述点阵的描述点阵的描述l点阵平移矢量：点阵平移矢量：以任意一个阵点为原点，以矢以任意一个阵点为原点，以矢量量a, b, c为坐标基矢，为坐标基矢，其他任其他任意阵点可表示为：意阵点可表示为： u av bw c u,v,w为任意整数。为任意整数。(以以a,b,c 构成的平行六面体的体积最小，构成的平行六面体的体积最小，a,b,c称为初基矢量称为初基矢量) 初基晶胞初基晶胞l初基平移矢量也称为晶轴，如果非初基晶轴初基平移矢量

17、也称为晶轴，如果非初基晶轴更简单些，也可采用非初基晶轴。更简单些，也可采用非初基晶轴。l初基晶轴构成的平行六面体称为初基晶胞。初基晶轴构成的平行六面体称为初基晶胞。l点阵平移矢量定义为：点阵平移矢量定义为： T u av bw c l任意两个阵点都可以用这种形式的矢量连接任意两个阵点都可以用这种形式的矢量连接起来。起来。l初基晶胞在空间无限重复构成空间点阵。初基晶胞在空间无限重复构成空间点阵。7个晶系个晶系 14种布拉菲点阵种布拉菲点阵n根据六个点阵参数间的关系，可将全部空根据六个点阵参数间的关系，可将全部空间点阵归属于间点阵归属于7 7种类型，即七个晶系种类型，即七个晶系n按照每个阵点周围环

18、境相同的要求，用数按照每个阵点周围环境相同的要求，用数学方法可以推导出能够反映空间点阵全部学方法可以推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平行六面体只有特征的单位平行六面体只有1414种，称为种，称为1414种布拉菲点阵种布拉菲点阵点阵与点阵结构点阵与点阵结构14种布拉菲点阵类型种布拉菲点阵类型十四种布拉菲点阵十四种布拉菲点阵 按照按照“每个阵点的周围环境相同每个阵点的周围环境相同”的要求，最先是布拉菲的要求，最先是布拉菲（A. Bravais）用数学方法证明了能够反映空间点阵全部特）用数学方法证明了能够反映空间点阵全部特征的单位平行六面体只有征的单位平行六面体只有14种空间点阵，即通常人们所说

19、的种空间点阵，即通常人们所说的14种布拉菲点阵。种布拉菲点阵。布拉菲点阵布拉菲点阵注意：注意： 空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有有14种类型。种类型。 晶体结构则是晶体中实际质点（原子、晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。构是无限的。晶体结构不同，

20、点阵类型相同（面心立方）晶体结构不同，点阵类型相同（面心立方）(a) -Fe (b) NaCl (c) CaF2 (d) ZnS 晶体结构相似、点阵不同（体心、简单立方）晶体结构相似、点阵不同（体心、简单立方）晶向指数晶向指数l通过晶格中任意两个格点通过晶格中任意两个格点连一条直线，这一直线将连一条直线，这一直线将包含无限多个格点，这样包含无限多个格点，这样的一条直线称为晶列的一条直线称为晶列l点阵中所有的格点都分布点阵中所有的格点都分布在一族平行的晶列上而无在一族平行的晶列上而无一遗漏一遗漏l不同方向的晶列不仅方向不同方向的晶列不仅方向不同，格点的周期也不同不同，格点的周期也不同晶向指数晶向

21、指数在格点中任取一点在格点中任取一点O O为原点，为原点，以基矢以基矢a a、b b、c c为轴建立坐为轴建立坐标系，通过原点沿晶向方标系，通过原点沿晶向方向任一格点向任一格点A A的位矢为的位矢为cwbvau 将将u v w化简为化简为为有理、互为有理、互质的整数，加中括号质的整数，加中括号uvw表示晶列族的晶向表示晶列族的晶向晶向指数晶向指数l晶向指数晶向指数 uvwuvw 代表一族代表一族晶列而不是某一特定晶晶列而不是某一特定晶列列l负指数的表示方法负指数的表示方法晶向指数的标定晶向指数的标定晶向指数的说明：晶向指数的说明：a. 指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。指数意义：代表

22、相互平行、方向一致的所有晶向。b. 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。c. 晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向，用一组晶向，用表示。表示。立方晶系：立方晶系：=111+ 111+1 11+11 1+ 1 11+1 1 1 + 11 1+ 1 1 1晶面指数晶面指数l 晶格中同一平面上的格晶格中同一平面上的格点构成一个晶面点构成一个晶面l 整个晶格可以看成是由整个晶格可以看成是由无数互相平行且等距离无数互相平行且等距离分布的全同的晶面构成分布的全同的晶面构成l 晶格的所有格点都处在晶格的所有格点都处在这族晶面上而无遗漏这族晶面上而无遗漏l 晶格中存在无数取向不晶格中存在无数取向不同的晶面族同的晶面族晶面指数晶面指数l 为描述晶面族的全部特征，只需确定其中