第02章材料的结构2.ppt

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1、工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学第一章第一章 晶体材料的结构晶体材料的结构引言引言晶体学基础知识晶体学基础知识六方晶系的指数六方晶系的指数纯金属常见的三种晶体结构纯金属常见的三种晶体结构材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构点缺陷点缺陷线缺陷位错线缺陷位错面缺陷晶体中的界面面缺陷晶体中的界面工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学引言引言 材料的结构与性能材料的结构与性能一、材料的结构（一、材料的结构（Structure）材料的结构材料的结构 分两个层次，一种是分两个层次，一种是原子尺度原子尺度的结构的结构(atomic-scale structure)，在材料学中常称为，在材料学中常称

2、为晶体晶体结构结构或或相结构相结构(Crystalline/lattice structure)，对应，对应有有晶体晶体(crystal)和和非晶体非晶体(non-crystal)；另一种是；另一种是微观尺度微观尺度的结构的结构(microscopic-scale structure)，在，在材料学科中常称为材料学科中常称为显微组织显微组织(microstructure)，对对应于应于金相金相（morphology）。）。工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学二、材料的结构对性能的影响二、材料的结构对性能的影响1.1.晶体结构对性能的影响晶体结构对性能的影响Contrast in mecha

3、nical behavior of(a)aluminum(relatively ductile)and(b)magnesium(relatively brittle)resulting from the atomic-scale structureComparison of crystal structures for(a)aluminum(FCC)and(b)magnesium(HCP).工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学成分成分晶体结构晶体结构硬度硬度导电性导电性加工性能加工性能金刚石金刚石C立方晶系立方晶系高高不导电不导电差差石墨石墨C六方晶系六方晶系低低导电导电好好工程材料学工程

4、材料学工程材料学工程材料学同素异构转变同素异构转变 大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如金属如FeFe、MnMn、TiTi、CoCo等具有两种或几种晶体结构，即具有等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。当外部条件多晶型。当外部条件(如温度和压力如温度和压力)改变时，金属内部由一改变时，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构转变。铁的同素异构转变在热处理中有非常重大的意义异构转变。铁的同素异构转变在热处理中有非常重大的意义 石墨的晶体结构石墨的晶体结构金刚石的晶体结构

5、金刚石的晶体结构C60的晶体结构的晶体结构工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学2.2.显微组织对性能的影响显微组织对性能的影响工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学第一节第一节 晶体学基础知识晶体学基础知识一、原子的排列方式一、原子的排列方式 分子的构成分子的构成 单原子：如金属材料；单原子：如金属材料；多原子：如陶瓷材料；多原子：如陶瓷材料；大量原子：如高分子材料。大量原子：如高分子材料。工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学原子排列：原子排列：粒子粒子(原子、离子或分子原子、离子或分子)无规则的堆积。无规则的堆积。特点：特点：1.1.各向同性；各向同性；2.2.黏度为其力学性能的基

6、本参数，能保持自己形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；状的为固体，不能保持自己形状的为液体；3.3.随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没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。有明显的温度界限。1.1.非晶体非晶体中科院物理所汪卫华中科院物理所汪卫华（Science 315,1385,2007）：超高塑性和超高强度）：超高塑性和超高强度的块体非晶合金材料的块体非晶合金材料；材料系柳林等老师：块体非晶合金材料。材料系柳林等老师：块体非晶合金材料。工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学晶体与非晶体的结构上的差异晶体与非晶体的结构上

7、的差异工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学非晶合金的应用非晶合金的应用工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学2.2.晶体晶体原子排列：原子排列：粒子粒子(原子、离子或分子原子、离子或分子)在三维空间呈周期性的规在三维空间呈周期性的规 则重复排列（则重复排列（长程有序长程有序）。）。特点：特点：对称性：对称性：晶体的宏观外形和内部微观结构都具有晶体的宏观外形和内部微观结构都具有 特定的特定的对称性。对称性。均一性：均一性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。各向异性：各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。封

8、闭性：封闭性：晶体是由多个晶面组成的有限封闭体。晶体是由多个晶面组成的有限封闭体。自由能最小：自由能最小：平衡条件，晶体相是自由能最小的物相。平衡条件，晶体相是自由能最小的物相。有固定的熔点有固定的熔点:升高到某一特定值升高到某一特定值,呈现液体。呈现液体。部分晶体：部分晶体：常出现在高分子材料或复合材料中常出现在高分子材料或复合材料中 结晶度：结晶度：其中晶体所占的比例其中晶体所占的比例 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学金刚石金刚石 锗酸铋锗酸铋邻苯二甲酸氢邻苯二甲酸氢工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学二、晶格与晶胞二、晶格与晶胞晶格晶格为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子为

9、了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原原子或分子子或分子)在空间的平衡位置作为在空间的平衡位置作为节点节点，人为地，人为地将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的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空间格架称为晶格晶格。工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学二、晶格与晶胞二、晶格与晶胞晶胞晶胞:构成晶格的最基本单元。在构成晶格的最基本单元。在三维空间重复堆砌可构成整个空间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。晶点阵，通常为小的平行六面体。晶胞要顺序满足能充分反映整个空胞要顺序满足能充分反映整个空间点阵的对称性，具有尽可能多间点阵的对称性，具有尽可能多

10、的直角，体积要最小。的直角，体积要最小。点阵常数点阵常数:平行六面体的三个棱长平行六面体的三个棱长a a、b b、c c和其夹角和其夹角、，可决定，可决定平行六面体尺寸和形状，这六个量平行六面体尺寸和形状，这六个量亦称为点阵常数。亦称为点阵常数。工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学 晶胞的选取：反映晶体结构的周期性和对称性晶胞的选取：反映晶体结构的周期性和对称性。工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学三、晶系三、晶系 按点阵常数的特征对晶体的分类。按点阵常数的特征对晶体的分类。工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学晶系晶系最低特征对称素最低特征对称素晶胞形状晶胞形状三斜三斜单斜单斜正交

11、正交三角三角四方四方六角六角立方立方无对称素无对称素一个二次对称轴一个二次对称轴三个互相垂直的三个互相垂直的二次对称轴二次对称轴一个三次对称轴一个三次对称轴一个四次对称轴一个四次对称轴一个六次对称轴一个六次对称轴四个三次对称轴四个三次对称轴任意的平行六面体任意的平行六面体直立的平行六面体直立的平行六面体矩形的平行六面体矩形的平行六面体菱形，或与六角晶系的晶胞菱形，或与六角晶系的晶胞相同相同直立的柱体，底部为正方形直立的柱体，底部为正方形直立的柱体，底部为菱形直立的柱体，底部为菱形立方体立方体七大晶系所要求最低的对称性七大晶系所要求最低的对称性工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学Monocl

12、inicTriclinicPMonoclinicCCubicTetragonalOrthorhombicPCubic ICubic FPTetragonal IPOrthorhombicCOrthorhombic IOrthorhombicFTrigonalTrigonal&Hexagonal RPThe 14 Bravais Lattices工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学四、晶向与晶面指数四、晶向与晶面指数A A、晶向与立方晶系晶向指数、晶向与立方晶系晶向指数 晶向：晶向：空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的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

13、的方向。连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。晶向指数晶向指数：表示晶向方位符号。：表示晶向方位符号。任意阵点任意阵点P的位置可以用矢量的位置可以用矢量或者坐标来表示。或者坐标来表示。OP=u +v +wabc晶向指数：晶向指数：u v w工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学标定方法：标定方法：1.建立坐标系建立坐标系 结点为原点，三棱为方结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位向，点阵常数为单位；2.在晶向上任两点的坐标在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让若平移晶向或坐标，让在第一点在原点则下一步更简单在第一点在原点则下一步更简单)；3.计算

14、计算x2-x1：y2-y1：z2-z1 ；4.化成最小、整数比化成最小、整数比u：v：w ；5.放在方括号放在方括号uvw中中,不加逗号不加逗号,负号记负号记在上方在上方。工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学晶向族：晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向晶向的集合的集合。表示方法：表示方法：用尖括号用尖括号表示表示 。举例：举例：可见任意交换指数的位置和改变符号后的所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。有结果都是该族的范围。晶向指数特征：晶向指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组与原点位置无关；每一指数对应一组平

15、行的晶向。平行的晶向。工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学晶向指数表示着所有相互平行、方向一致的晶向；晶向指数表示着所有相互平行、方向一致的晶向；所指方向相反，则晶向指数的数字相同，但符号相反；所指方向相反，则晶向指数的数字相同，但符号相反；晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为一个晶晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为一个晶向族，用向族，用表示表示晶向指数的意义：晶向指数的意义：工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学B B、晶面与立方晶系晶面指数、晶面与立方晶系晶面指数晶面：晶面：空间中不在一直线任三个阵点的构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成的平面

16、，代表了晶体中原子列的方向。向。晶面指数晶面指数：表示晶面方位的符号：表示晶面方位的符号(Miller(Miller指数）。指数）。标定方法：标定方法：1.1.建立坐标系建立坐标系 结点为原点，三棱为方向，结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位点阵常数为单位 （原点在标定面以外，可（原点在标定面以外，可以采用平移法）以采用平移法）；2.2.晶面在三个坐标上的截距晶面在三个坐标上的截距a1a1，a2a2，a3a3 ；3.3.计算其倒数计算其倒数 b1b1，b2b2，b3b3 ；4.4.化成最小、整数比化成最小、整数比h h：k k：l l ；5.5.放在圆方括号放在圆方括号(hkl)(hkl)，不加逗号，负号记在，不加逗号，负号记在上方上方 。工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学d100(100)cbad200(200)(110)(110)(111)(102)工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学B B、晶面与立方晶系晶面指数、晶面与立方晶系晶面指数晶面族：晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶晶面的集合面的集合。表示方法：表示方法：