《材料科学基础》工程材料中的原子排列

1、1第一章 工程材料中的原子排列结合力:在固态下，当原子（离子或分子）聚集为晶体时，原子（离子或分子）之间产生较强的相互作用力，也称为结合键。化学键：由于电子运动使原子产生聚集的结合力。固体中的结合键可以分为离子键、共价键和金属键3种化学键，以及分子键、氢键等物理键。第一节 原子键合2一 固体中的原子结合键1.金属键 金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高32. 共价键共价键的特点：具有明显的饱和性和强烈的方向性。结合力很大性能：共价晶体具有强度高、硬度大、脆性大、熔点高等性质，结构也比较稳定。 43. 离子键离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大。4. 分子键（范德瓦尔斯力）

2、分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料55.氢键（离子结合）X-H-Y（氢键结合），有方向性，如O-HO氢键是一种较强的 、有方向性的范德瓦尔斯键。结合力比离子键、共价键小。6. 混合键。如复合材料7.结合力比较 化学键物理键（氢键分子键）6二 工程材料的分类工程材料： 主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料称为工程材料，它可以分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料四大类。在这四类工程材料中，金属材料应用面最广、用量最大、承载能力最高。7工程材料金属材料无机非金属金属材料高分子材料复合材料黑色金属材料，有色金属材料普通陶瓷，特殊陶瓷，金属陶瓷树脂

3、基复合材料金属基复合材料塑料橡胶合成纤维8一、晶体学基础1.晶体晶体 原子（分子）在三维空间按一定规律作周期性排列的固体。自然界中绝大多数固体都是晶体。晶体与非晶体的区别晶体具有确定的熔点，晶体具有各向异性，而非晶体具有各向同性。第二节 原子的规则排列9晶体和非晶体在一定的情况下可以转 晶体从液态快速冷却下来就可以得到非晶态；非晶体缓慢冷却下来可以得到晶体。2 空间点阵与晶体结构1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。 特征：原子的理想排列；阵点空间点阵中的点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。10晶格描述晶体中原子排列规律的空间格架。原子堆垛模型空间点阵晶格晶胞晶胞空间点

4、阵中反映晶格特征的最小的几何单元。11通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞。晶胞参数：点阵常数晶胞大小晶轴夹角晶胞形状12晶胞选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。13结构晶胞：构成了晶体结构中有代表性的部分的晶胞。 特点:空间重复堆垛，就得到晶体结构。143.布拉菲点阵晶系：七种晶系，14种点阵（法国晶体学家A.Bravais于1848年用数学方法证明空间点阵只能有14种）简单三斜 简单单斜 底心单斜15简单正交 体心正交 底心正交 16面心正交 简单六方 简单菱方 17简单四方 体心四方 简单立方 184 晶向

5、指数与晶面指数晶向：空间点阵中各阵点列的方向。（穿过两个结点的任意直线）晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。称为晶面指数和晶向指数。191) 晶向指数按以下几个步骤确定： 1) 以晶胞的某一阵点为原点，三条棱边为坐标轴（x,y,z），并以晶胞棱边的长度作为轴的单位长度（a,b,c）.（建坐标）2) 过原点作一有向直线OP，使其平行于待标定的晶向AB。（平移线）3) 在直线OP上选取离原点最近一个结点的坐标（x,y,z）.（求投影）20原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，以表示。4) 将坐标的比化为简单整数比，如 x：y：z=u：v：w。加上方括

6、号，uvw即为AB晶向的晶向指数。（化整数）212)晶面指数 确定步骤如下：1) 建立以晶轴为轴的坐标系（x,y,z），令坐标原点不在待定晶面上，各轴上的坐标单位为晶胞边长a，b和c。（建坐标）222) 找出待定晶面在三坐标轴上的截距x,y,z。(求截矩）3) 取截距的倒数。(求倒数）4) 将这些倒数化成3个互质的整数h,k,l（化整数）5）晶面指数可写成（hkl)(加括号）23注意：1)每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。

7、 243）六方晶系中的晶向、晶面指数 但是，用三指数表示六方晶系的晶面和晶向有一个很大的缺点，即晶体学上等价的晶面和晶向不具有类似的指数。六方晶体晶面指数：用（hkil）4个数字表示。特点：在三维空间中独立的坐标轴不会超过3个，故h，k，i中必定有一个不是独立的。存在下列关系：i=-(h+k)。2526六方晶体晶向指数：用uvtw4个数字表示。特点：u，v，t之间也有关系：t=-(u+v)。比较可靠的标注指数方法是解析法，即用三轴坐标系先求出待标晶向的3个指数U，V，W，再用下列三轴与四轴坐标系晶向指数的关系u=1/3(2U-V) v=(2V-U) t=-(u+v) w=W275.晶面间距晶面

8、间距:一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。晶面间距越大, 晶面的原子密度越大。原子线密度最大的晶向（密排晶向）其晶面间距最大。2829二、晶体结构及其几何特征1.金属中常见晶体结构大多数金属具有比较简单的高对称性晶体结构。最常见的只有3种，即体心立方（bcc）、面心立方（fcc）及密排六方（hcp）。 30 晶格常数 a=b=c,=90。 原子半径 晶胞所含原子数 2个原子。1）体心立方晶格（bcc晶格）原子排列特征31晶体中原子排列的紧密程度，通常有两种表示：配位数CNCoordination Number。致密度k。k值越大，晶体排列得越紧密。配位数 8。致密度 68%。具有体心立

9、方晶格的金属：-Fe、-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。 322）面心立方晶格（fcc晶格）原子排列特征 具有面心立方晶格的金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Ag等 33晶格常数 a=b=c,=90。原子半径晶胞所含原子数 4个原子。配位数 12。致密度 74%。34353）密排六方晶格（hcp）原子排列特征 晶格常数36原子半径 晶胞所含原子数 6个原子。配位数 12。致密度 74%。具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、-Ti等。 374)晶体结构中的间隙 38结构间隙 正四面体正八面体 四面体扁八面体 四面体正八面体（个数） 8 4 12 6 12 6（rB/rA）

10、 0.225 0.414 0.29 0.15 0.225 0.414间隙半径（rB）：间隙中所能容纳的最大圆球半径。395）晶体中原子的堆垛方式40416）晶体结构的多晶型性多晶型性:有些金属（如Fe，Mn，Ti，Co，Sn，Zr等）固态下在不同温度或不同范围内具有不同的晶体结构的性质。同素异构转变：多晶型的金属在温度或压力变化时，由一种结构转变为另一种结构的过程称为多晶型性转变，也称为同素异构转变。422.陶瓷的晶体结构 特点：晶体结构复杂，原子排列不紧密，配位数较低等。分类：离子键结合的陶瓷，如MgO，CaO，ZrO2，Al2O3等金属氧化物；共价键结合的陶瓷，如SiC，Si3N4及纯Si

11、O2等。431）离子键晶体陶瓷的结构442）共价晶体的结构 特点：饱和性; 方向性金刚石型：每个单胞中共8个原子 配位数：4（远少于面心立方的12）结构属于非密堆结构。45SiO2型：面心立方点阵，1个硅原子被4个氧原子所包围，每个氧原子则介于两个硅原子之间，起着连接两个四面体的作用。单胞共有24个原子。 SiC型：类似于金刚石型46第三节 原子的不规则排列原子的不规则排列产生晶体缺陷（在晶体中所占比例低）。晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的区域。晶体缺陷是以一定的形态存在，按一定的规律产生、发展、运动和交互作用，对晶体的性能和物理化学变化有重要的影响。47根据晶体缺陷的几何特

12、征，可将他们分为三类：点缺陷 如空位、间隙原子等线缺陷 如各种类型的位错面缺陷 如晶界、相界等48一、点缺陷形成条件：能量起伏 1.点缺陷的类型1）空位：肖脱基空位弗兰克尔空位2）间隙原子3）置换原子。2.晶格畸变492 点缺陷的平衡浓度1）点缺陷是热力学平衡的缺陷在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。2）点缺陷的平衡浓度503 点缺陷对晶体性能的影响点缺陷主要影响晶体的物理性质，主要表现为引起电阻增加，过饱和点缺陷（即超过平衡浓度）还会提高金属的屈服强度。51晶格畸变：由于原子间的作用力的平衡被破坏，使原子

13、离开其平衡位置的现象。52二、线缺陷（位错）位错:晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。1 位错的基本类型(1)刃型位错 edge dislocation53位错宽度：晶格畸变程度大于正常原子间距1/4的区域称为位错宽度，约为35个原子间距。刃型位错的正、负只是相对而言的，无本质区别。刃型位错特征：位错线滑移方向本质上位错是一条具有一定宽度的细长的晶格畸变管道。542）螺型位错 screw dislocation模型：滑移面/位错线。（位错线/晶体滑移方向，位错线位错运动方向，晶体滑移方向位错运动方向。）分类：左螺型位错,右螺型位错。左螺型位错和右螺型位错有着

14、本质的区别。无论位置如何摆放也不会改变其类型。螺型位错特征：滑移方向/位错线55位错蚀坑左螺位错563）混合位错模型：滑移面/位错线。滑移方向既不平行也不垂直于滑移方向典型的混合型位错：位错环57(100)硅片表面的位错 58(111)硅片表面的位错 59位错的透射电子显微镜照片 602.柏氏矢量1939年柏格斯（J.M.Burgers）提出了一个可以揭示位错本质并能描述位错行为的矢量，以后被称为柏氏矢量，并以b表示。 1) 柏氏矢量的确定612）柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的方向可用晶向指数表示；柏氏矢量的大小称为位错强度，可用其模表示。柏氏矢量的模表示了该晶向上原子间的距离。全位错或单位位错:|b|=晶向原子的间距;不全位错: |b|10时，D只有56个原子间距，位错密度太大，模型不适用。96扭转晶界 972)大角晶界 983)界面能 由于晶界上原子排列不规则，产生点阵畸变，引起能量升高，这部分能量称为界面能。大角界面能基本是一恒定值（在0.251.0 J/m2），与位向差无关，且比小角界面能大。小角界面能与相邻两晶粒之间的位向差有关，其关系式为 式中： 为常数992.亚晶