第02章材料的结构2.ppt
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1、第一章 晶体材料的结构,引言 晶体学基础知识 六方晶系的指数 纯金属常见的三种晶体结构 材料的实际晶体结构 点缺陷 线缺陷位错 面缺陷晶体中的界面,引言 材料的结构与性能,一、材料的结构(Structure),材料的结构 分两个层次,一种是原子尺度的结构(atomic-scale structure),在材料学中常称为晶体结构或相结构(Crystalline/lattice structure),对应有晶体(crystal)和非晶体(non-crystal);另一种是微观尺度的结构(microscopic-scale structure),在材料学科中常称为显微组织(microstructur
2、e),对应于金相(morphology)。,引言 材料的结构与性能,二、材料的结构对性能的影响,晶体结构对性能的影响,Contrast in mechanical behavior of (a) aluminum (relatively ductile) and (b) magnesium (relatively brittle) resulting from the atomic-scale structure,Comparison of crystal structures for (a) aluminum (FCC) and (b) magnesium (HCP).,引言 材料的结构与性
3、能,同素异构转变 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,金刚石的晶体结构,C60的晶体结构,显微组织对性能的影响,引言 材料的结构与性能,第一节 晶体学基础知识,一、原子的排列方式,分子的构成 单原子:如金属材料; 多原子:如陶瓷材料; 大量原子:如高分子材料。,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
4、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。,1. 非晶体,晶体学基础知识,中科院物理所汪卫华 (Science 315, 1385, 2007):超高塑性和超高强度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。,晶体与非晶体的结构上的差异,晶体学基础知识,非晶合金的应用,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(长程有序)。 特点:,对称性:晶体的宏观外形和内部微观结构都具有 特定的对称性。 均一性:晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。 各向异性:晶体中不同的方向上具有不同的物理
5、性质。 封闭性:晶体是由多个晶面组成的有限封闭体。 自由能最小:平衡条件,晶体相是自由能最小的物相。 有固定的熔点:升高到某一特定值,呈现液体。,部分晶体:常出现在高分子材料或复合材料中 结晶度: 其中晶体所占的比例,晶体学基础知识,金刚石,锗酸铋,邻苯二甲酸氢,二、晶格与晶胞,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。,晶体学基础知识,二、晶格与晶胞,晶胞: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间点阵的对称性,具
6、有尽可能多的直角,体积要最小。,点阵常数:平行六面体的三个棱长a、b、c和其夹角、,可决定平行六面体尺寸和形状,这六个量亦称为点阵常数。,晶体学基础知识,晶胞的选取:反映晶体结构的周期性和对称性。,三、晶系,按点阵常数的特征对晶体的分类。,晶体学基础知识,七大晶系所要求最低的对称性,The 14 Bravais Lattices,四、晶向与晶面指数,A、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。,晶体学基础知识,任意阵点P的位置可以用矢量或者坐标来表示。,OP = u + v + w,晶向指数: u
7、 v w,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 。,晶体学基础知识,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。,晶体学基础知识,晶向指数表示着所有相
8、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;,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,用表示,晶向指数的意义:,晶体学基础知识,B、晶面与立方晶系晶面指数,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(Miller指数)。,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a1,a2,a3 ; 计算其倒数 b1,b2,b3 ; 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 。,晶体学基础
9、知识,B、晶面与立方晶系晶面指数,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。,晶体学基础知识,晶面指数的意义:,在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同,只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族,以h k l表示,它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。,晶面指数所代表的不仅是某一晶面,而是代表着 一组相互平行的晶面。,立方晶系中,相同指数的晶向和晶面垂直;,立方晶系中,晶面族111表示正八面体的面;,立方晶
10、系中,晶面族110表示正十二面体的面;,晶体学基础知识,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 bcc Body-centered cubic 面心立方 fcc Face-centered cubic 密堆六方 hcp Hexagonal close-packed,一、体心立方,金属的晶体结构,1.晶胞原子数:每个晶胞包含的原子数目。 BCC晶胞中, 角上原子同时属于8个相邻的晶胞,因而每个晶胞占1/8;中心原子完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。 2.原子半
11、径:晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半, 或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径(r)。BCC的r与a之间的关系为: r3/4a,原子位置 体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠。 具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、-铁(-Fe, 912)等。 体心立方晶胞特征: 晶格常数:a=b=c, =90,3.致密度:晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度。致密度越大, 原子排列紧密程度越大。体心立方晶胞的致密度为:68 4.配位数:晶体结构中任一原子与最近邻且等距离的原
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- 02 材料 结构
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