金属的晶体结构.ppt
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1、材料科学基础,21世纪全国高等院校材料类创新性应用人才培养规划教材,主讲:王延来,电话:15124750239 E-mail: ,北京大学出版社,第一章 金属的晶体结构,1.1 金属键与金属特性 1.2 晶体学基础 1.3 实际金属的晶体结构,学习目标: 1 掌握晶体和金属晶体的基本特征 2 了解布拉菲点阵,掌握典型金属结构特点和表征方法 3 掌握实际金属点缺陷、线缺陷、面缺陷形成特点,1.1 金属键和金属特性,1.1.1 材料的键合方式,各种材料是由各种不同的元素组成,由不同的原子、离子或分子结合而成。 结合键 原子、离子或分子之间的结合力。,结合键分为:离子键 共价健 金属键 分子键,一、
2、离子键 正电性元素原子失去最外层价电子变成正离子,负电性元素原子获得电子变成负离子。正离子和负离子由静电引力相互吸引,形成稳定的离子键。 NaCl、MgO、Al2O3等由离子键组成。,离子键示意图 氧化镁结构,离子键特点: 结合力很大。离子晶体的硬度高,强度大,热膨胀系统小,但脆性大。 离子键中很难产生可以自由运动的电子,离子晶体都是良好的绝缘体。 离子外层电子被束缚,可见光的能量一般不足以使其受激发,因而不吸收可见光,典型的离子晶体是无色透明的。,二、共价键 处于周期表中间位置的三、四、五价元素原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时,以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。 由共用
3、价电子对产生的结合键叫共价键。,共价键示意图,金刚石为共价晶体。 由碳原子组成,构成正四面体:一个碳原子在中心,另外4个碳原子在4个顶角上。 硅、锗、锡等元素也可构成共价晶体。属于共价晶体的有SiC、Si3N4、BN等化合物。,共价键特点:结合力很大。共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低。,金刚石结构,三、分子键 甲烷分子在固态能相互结合成为晶体。结合过程中没有电子的得失、共有或公有化。 靠范特瓦尔斯力结合起来,这种结合键叫分子键。,分子键示意图 甲烷结构,在含氢的物质,特别是含氢的聚合物中,氢原子外唯一的电子形成共用电子对被其他原子共有,氢原子端裸露出带正电的氢原子核,与
4、邻近分子的负电荷相互吸引形成氢键。氢健是一种较强的、有方向性的范德瓦尔斯键。,尼龙66的结构,分子键特点:范德瓦尔斯力很弱,由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。 因无自由电子,材料有良好的绝缘性。,四、金属键 周期表中、族元素的原子丢失价电子成为正离子。被丢失的价电子为全体原子所公有,叫自由电子,在正离子之间自由运动,形成电子气。正离子在三维空间规则分布。 正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力,使全部离子结合起来。这种结合力叫金属键。,金属键示意图 钼的结构,1.1.2 金属的特性,一、延展性,金属键没有方向性和饱和性,金属受力时,两层正离子之间比较容易滑动,在滑动中自由电子的流动性能
5、帮助克服势能障碍,正离子与自由电子仍保持金属键的结合,不需要破坏金属键,只是改变了键的方向,所以,金属能经受变形而不断裂,具有良好的延展性。,二、导电性,金属晶体中,金属阳离子构成了晶格点阵,并形成均匀的电场,自由电子在整个金属中自由运动,它们的运动遵循经典力学气体分子的运动规律。没有外加电场的时候,金属中的自由电子沿各个方向运动的概率相同,故不产生电流,当对金属施加外加电场时,自由电子会向电场的反方向运动,也就形成了定向移动,产生了电流,从而使金属显示良好的导电性。,三、正的电阻温度系数,金属中,金属正离子在晶格处做热振动。金属导电时,自由电子做定向运动过程中,与金属正离子发生不断的碰撞,阻
6、碍自由电子继续加速,从而形成电阻。温度升高,金属正离子的振动幅度增大,使自由电子运动发生碰撞阻碍的概率增加,从而使电阻升高。因而,金属材料具有正的电阻温度系数。,四、导热性,金属中的原子都是牢固在晶格处,原子之间有一定距离,原子 只能在其晶格处做微小的振动,不像气体分子那样靠分子之间的碰撞来传递热量。但是在金属中存在大量的自由电子,受热时,自由电子运动加快,通过碰撞可以很快将热传到金属各处,使金属显示出良好的导热性。,五、金属光泽,金属中的自由电子几乎可以吸收说有波长的可见光能量,而被激发到较高的能级,当它跳回到原来的能级时,就把吸收的可见光能量重新辐射出来。自由电子的这种随即吸收、放光性能,
7、使光线无法穿透金属,因而金属不透明,具有金属光泽。,1.2 晶体学基础,固态物质,晶体,非晶体,气态物质,液态物质,物质,晶体结构的基本特征:原子(或分子、离子)在三维空间呈周期性重复排列,即存在长程有序性。,晶体与非晶体的区别,单晶体,晶体又分为单晶体和多晶体:,晶体几何学:研究晶体外表的几何形状及它们之间的规律性。,晶体学是很多学科的基础,又是很多学科的边缘和交叉,它包含了广泛的内容:,晶体结构学:研究晶体内部质点排列的规律性及晶体结构的不完整性。,晶体生长学:研究天然及人工晶体的发生,成长和变化过程及其机制。,晶体物理学:研究晶体的物理特性及和它们相关的结构对称性。,晶体化学:晶体的化学
8、组成、晶体结构与晶体物理化学性质之间的关系。,1.2.1 空间点阵、晶体结构,1 空间点阵和晶胞,晶体结构:晶体中原子(分子、离子或原子团)在空间的具体排列方式。,材料的许多特性都与其原子(分子、离子或原子团)在空间的排列有关,所以分析材料的晶体结构是研究材料的一个重要方面。,空间点阵:所有的阵点在三维空间呈周期性的规则排列,阵点:将晶体中的原子(分子、离子或原子团)抽象为在空间规则排列的几何点,叫做阵点,特征:每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境,晶格:用三组互不平行的直线将阵点连接起来,形成一个三维的空间网络。反应了三维空间阵点的排列规律。,晶胞:在空间点阵中取一个最具代表性的基本
9、小单元(最小平行六面体)作为点阵的组成单元。,选取晶胞的原则:,) 要充分反映整个空间点阵的周期性和对称性; )平行六面体内相等的棱和角的数目应最多; )以上两点的基础上,直角的数目应最多; )在满足上条件,晶胞应具有最小的体积。,棱边长a、b、c 棱边间夹角、,晶格常数或点阵常数:,2 布拉菲点阵,(一)立方晶系 a=b=c , =90o (二)四方晶系 a=bc , =90o (三)六方晶系 a1=a2=a3c , = 90o =120o (四)三斜晶系 abc , 90o (五)单斜晶系 abc , =90o (六)棱方晶系 a=b=c , =90o (七)正交晶系 a bc , =90
10、o,按照六个点阵常数之间的关系和特点,可将全部的空间点阵归结为7种晶系:,能够反映这7种晶系中空间点阵全部特征的单位平行六面体共有14种类型:,底心单斜,简单三斜,简单单斜,三斜晶系:,单斜晶系:,简单正交,面心正交,体心正交,底心正交,正交晶系,简单六方,六方晶系:,简单菱方,菱方晶系:,简单四方,体心四方,四方晶系:,简单立方,体心立方,面心立方,立方晶系:,1.2.2 晶向指数和晶面指数,在晶体中存在一系列的原子列和原子面,任意两个原子之间连线构成的原子列及所指的方向称为晶向,用晶向指数来描述;由原子所组成的平面,称为晶面,用晶面指数来描述。,为了确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶面,国
11、际上通常采用米勒指数来统一标定晶向指数和晶面指数。,1 晶向指数的标定,关于晶向指数的说明:,指数意义:一个晶向指数代表空间相互平行且方向相同的一组晶向。,负值意义:表示同一晶向的相反方向。,晶向族:晶向上原子排列规律相同但空间方位不同的晶向属于同一晶向族,具有等同性质的晶向,用表示。,指数看特征,正负看走向,立方晶系中具有代表性的晶向:,2 晶面指数的标定,关于晶面指数的说明:,100=(100)+(010)+(001),111=(111)+ + +,110=(110)+(101)+(011)+ + +,3 六方晶系指数的标定,1、建立坐标轴(两种) 三坐标轴(不能显示对称性) 四坐标轴(h
12、kil),四坐标轴(h k i l),晶面指数:截距倒数,指数之间的关系:h+ k = -i,三坐标轴与四坐标轴指数可互相转换。,四坐标轴(u v t w),求晶向上最近结点在四坐标轴上的垂直投影,然后将前三个数值乘以2/3,再与第四个数值一起化为最小简单整数。,指数之间的关系:u+ v = -t,六方晶系晶向及晶面指数的确定(四坐标与三座标的关系),晶带-相交于同一晶向(或平行于同一晶向)的所有晶面的组合称为晶带; 晶带轴-该晶向称为晶带轴; 晶带面-同一晶带轴中的晶面为晶带面; 晶带面的法线均与晶带轴垂直。,4 晶带及晶带轴定理,(2)已知晶带面(h1 k1 l1)和(h2 k2 l2)
13、求晶带轴uvw: u = k1 l2 - k2 l1 ,v = l1 h2 l2 h1 , w h1 k2 h2 k1,或,(1)晶带轴与晶带面存在如下关系: uhvkwl0 (晶带面晶带轴),(3)已知晶带轴 u1 v1 w1 和u2 v2 w2 求晶带面 (hkl),5 晶面间距,晶面间距:相邻两平行晶面间的距离。,指数小,面密度大,晶面间距大; 指数大,面密度小,晶面间距较小。,只适用于简单晶胞,对于复杂晶胞,要考虑晶面层数增加的影响。,在面心立方点阵中(110)晶面的隐藏面,判断有无隐藏面的条件,有隐藏面的面间距公式为:,(立方晶系的面间距 ),dhkl =,bcc(110)无;(11
14、1)、(100)有,结论,fcc (111)无;(110)、(100)有,隐 藏 面,6 晶面夹角,(1)晶向与晶面的夹角:,(3)晶面与晶面的夹角:,(2)晶向与晶向的夹角:,结论,1.2.3 典型金属晶体结构,一.面心立方结构 ( face-centered cubic; fcc或A1) 二.体心立方结构( body-centered cubic bcc或A2) 三.密排六方结构(hexagonal closed-packed; hcp或A3),一、面心立方结构,-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag.20种元素,(1)晶胞中的原子数,(2)点阵常数与原子半径的关系,(3)配位数和致密度,致
15、密度和配位数是用来衡量原子排列疏密程度的重要物理量,致密度和配位数数字越大,原子排列的越紧密 。,配位数:距任一原子最近邻且等距离的原子个数。,致密度:晶体中原子体积占总体积的百分比。,fcc配位数:12,Fcc致密度:,二、体心立方结构,-Fe、 W、Mo、Cr、V 30种元素。,(1)晶胞中的原子数,(2)点阵常数与原子半径的关系,(3)配位数和致密度,配位数:最近邻8,次近邻6,致密度:,三、密排六方结构,(1)晶胞中的原子数,(2)点阵常数与原子半径的关系,(3)配位数和致密度,(4)密排面和密排方向,面密度:单位面积上的原子个数,100 :,110 :,111 :,体心立方、面心立方
16、晶格主要晶面的原子排列和密度,典型金属晶体结构小结,四、晶体结构中原子的堆垛,fcc、hcp结构的致密度0.74和配位数12相同,为什么却具有两种晶体结构?主要是因为:,1.原子的“密排晶面”不同; 2. 密排晶面的“堆垛次序”不同。,两种二维排列方式,111晶面族沿着方向呈ABCABCABC堆垛,如 晶面一定沿着 方向呈ABCABCABC堆垛,fcc结构中原子密排面及其堆垛:,bcc结构中原子密排面及其堆垛:,110晶面族沿着方向呈ABABAB堆垛,hcp结构中原子密排面及其堆垛:,0001晶面族沿着方向呈ABABABAB堆垛,如(0001)晶面一定沿着0001方向呈ABABAB堆垛,五、晶
17、体结构中的间隙,面心立方结构中的间隙:,1 .八面体间隙 构成 :(正八面体) 间隙位置及坐标: 各条棱的中点处,其中一个 间隙的坐标是: 单胞内间隙个数: 八面体间隙半径: r八面体= 或表示为: (B-间隙原子, A- 金属原子),2 .四面体间隙 构成:正四面体 间隙位置及坐标: 空间对角线方向 或 处。 其中一个坐标是 单胞内间隙个数: 8个; 四面体间隙半径:r四面体 或表示为: (B-间隙原子, A- 金属原子),体心立方结构中的间隙:,1.八面体间隙 构成:(扁八面体 ) 间隙位置及坐标:,八面体间隙半径:r八面体 或表示为: (B-间隙原子, A- 金属原子),单胞内间隙个数,
18、各条棱的中点处和各100面的面心 位置。其中一个坐标是:,2. 四面体间隙 构成:(非正四面体) 间隙位置及坐标: 各棱中点连线的 或 处。 其中一个坐标是( , ,1) 单胞内间隙个数: N=64 =12个 四面体间隙半径:r四面体= 或表示为: (B-间隙原子, A- 金属原子), 正八面体间隙半径为0.225a , 6个 正四面体间隙半径为0.207a ,12个 密排六方结构八面体间隙 密排六方结构四面体间隙,密排六方结构中的间隙:,fcc、bcc、hcp晶体结构的八面体及四面体间隙半径,晶体结构中间隙小结,1.fcc、hcp结构八面体间隙半径大于四面体间隙半径; 2.bcc结构四面体间
19、隙径大于八面体间隙半径; 3.非金属元素均溶入fcc、bcc、hcp八面体间隙之中。,结论,1.3 实际金属的晶体结构(晶体缺陷),缺陷:点缺陷;线缺陷;面缺陷,理想状态的完整晶体而言,即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置,处于能量最低状态。,在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整,而是或多或少地存在离开理想的区域,出现不完整性。通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷。,1 点缺陷(point defect):特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小,尺寸范围约为一个或几个原子尺度,又称零维缺陷,包括空位、间隙原子、杂质和溶质原子。,2 线缺陷(line defect):特征是在两个方向上尺寸
20、很小,另外一个方面上很大,又称一维缺陷,如各类位错。,3 面缺陷(planar defect):特征是在一个方面上尺寸很小,另外两个方面上很大,又称二维缺陷,包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。,实际中,三类缺陷往往共存,联系与制约,对性能产生影响。,一、点缺陷,空位:由于某种原因,原子脱离正常格点,在原来的位置上留下原子空位,或者说空位就是未被占领的原子位置。 间隙原子:位于晶体点阵间隙的原子。 化学缺陷:异类原子替换正常原子,异类间隙原子。,1. 点缺陷的类型,有序合金中的错位,点阵结点上的原子热振动 起伏涨落 跳离其原来的位置 点阵中形成空结点 空位,空位的形成:,空位形成引起点阵畸
21、变,亦会割断键力,故空位形成需能量,空位形成能(EV)为形成一个空位所需能量。,(a) 肖脱基(Schottky)缺陷: 离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面(只形成空位而不形成等量的间隙原子。 (b)弗兰克尔(Frenkel)缺陷:离位原子进入晶体间隙(形成等量的间隙原子)。,对于空位来说:根据离开平衡位置原子的去处,又可以分为以下两种:,Schottky 缺陷(空位缺陷),Frenkel 缺陷(空位-间隙缺陷),形成填隙原子时,原子挤入间隙位置所需要的能量比产生肖特基空位所需能量大,因此当温度不太高时,肖特基缺陷的数目要比弗仑克尔缺陷的数目大得多。,肖特基缺陷是最表面的原子位移到一个新的
22、位置,晶体内不伴随填隙原子产生。因此产生肖特基缺陷时,伴随表面原子的增多,晶体的质量密度会有所减小。,空位的移动,有序合金中的错位,化学缺陷,置换式,填隙式,晶体中的各种点缺陷: 1-大的置换原子; 2-肖脱基空位; 3-异类间隙原子; 4-复合空位; 5弗兰克尔空位; 6-小的置换原子,空位和间隙原子作为缺陷,引起点阵对称性的破坏,必然造成其在附近一个区域内的弹性畸变;空位产生后,其周围原子间的相互作用力失去平衡,因而它们都要朝着空位中心作一定程度的松弛(调整),使空位周围出现弹性畸变区,使晶体内能升高;点缺陷形成与温度有关,随温度升高,空位和间隙原子的数量增多,所以也称为热缺陷。,2. 点
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