《金属的晶体结构》PPT课件

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1、INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 ： 15124750239E-mail: 北 京 大 学 出 版 社 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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

2、 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 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 一 、 离 子 键

3、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 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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

4、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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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

5、用 价 电 子 对 产 生 的 结 合 键 叫 共 价 键 。 共 价 键 示 意 图 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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

6、 挥 发性 低 。 金 刚 石 结 构 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 ，

7、氢 原子 端 裸 露 出 带 正 电 的 氢 原 子 核 ， 与 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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 四 、 金 属 键 周 期 表 中 、 、 族 元 素 的 原 子 丢 失 价 电子 成 为 正 离

8、 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 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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

9、离 子 之 间 比 较 容 易 滑 动 ， 在 滑 动 中 自 由电 子 的 流 动 性 能 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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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

10、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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 三 、 正 的 电 阻 温 度 系 数 金 属 中 ， 金 属 正 离 子 在 晶 格

11、 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 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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 四 、 导 热 性 金 属 中 的 原 子 都 是 牢 固 在 晶 格 处 ，

12、 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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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

13、 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 ，使 光 线 无 法 穿 透 金 属 ， 因 而 金 属 不 透 明 ， 具 有 金属 光 泽 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 晶 体 结 构 的 基 本 特 征 ： 原 子 （ 或 分 子 、离 子 ） 在 三

14、维 空 间 呈 周 期 性 重 复 排 列 ， 即 存在 长 程 有 序 性 。 晶 体 非 晶 体 组 成 物 质 微 粒 规 则 排 列 组 成 物 质 微 粒无 规 则 排 列 固 定 熔 点 无 固 定 熔 点 单 晶 体 具 有 各 向 异 性 各 向 同 性晶 体 与 非 晶 体 的 区 别 INNER MONGOLIA UNIVERSITY INNER MONGOLIA UNIVERSITY 单 晶 体 A BC单 晶 体 与 多 晶 体晶 体 又 分 为 单 晶 体 和 多 晶 体 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY 晶 体 几 何 学 ： 研 究 晶 体

15、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 组 成

16、、 晶 体 结 构 与 晶 体 物 理 化 学 性质 之 间 的 关 系 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSI

17、TY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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 晶 胞 ：

18、 在 空 间 点 阵 中 取 一 个 最 具 代 表 性 的 基本 小 单 元 （ 最 小 平 行 六 面 体 ） 作 为 点 阵 的 组成 单 元 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSI

19、TY 棱 边 长 a、 b、 c 棱 边 间 夹 角 、 、 晶 格 常 数 或 点 阵 常 数 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY 2 布 拉 菲 点 阵（ 一 ） 立 方 晶 系 a=b=c , = = =90o（ 二 ） 四 方 晶 系 a=b c , = = =90o（ 三 ） 六 方 晶 系 a1=a2=a3 c , = = 90o =120o（ 四 ） 三 斜 晶 系 a b c ， 90o（ 五 ） 单 斜 晶 系 a b c ， = =90o （ 六 ） 棱 方 晶 系 a=b=c , = = 90 o（ 七 ） 正 交 晶 系 a b c ， = = =9

20、0o 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 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY简 单 正 交 面 心 正 交体 心 正 交底 心 正 交正交晶系 INNER MONGOLIA UNIVERSITY简 单 六 方 六 方 晶 系 ：

21、 简 单 菱 方菱 方 晶 系 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY简 单 四 方 体 心 四 方 四 方 晶 系 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY简 单 立 方体 心 立 方 面 心 立 方 立 方 晶 系 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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

22、， 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 际 上 通 常 采 用 米 勒 指 数 来 统 一 标 定 晶 向 指 数 和晶 面 指 数 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 1 晶 向 指 数 的 标 定 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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

23、 。 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 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 立 方 晶 系 中 具 有 代 表 性 的 晶 向 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY 2 晶 面 指 数 的 标 定 INNER MONGOLIA UNIVERSITY INNER MONGOLIA UNIVERSITY 关 于 晶 面 指 数 的 说 明 ： INNER MONGOLIA

24、UNIVERSITY 100=(100)+(010)+(001) INNER MONGOLIA UNIVERSITY111=(111)+ + + (111) (111) (111) INNER MONGOLIA UNIVERSITY110=(110)+(101)+(011)+ + + (110) (101) (011) INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 （ hkil） INNER MONGOLIA UNIVERSITY 四 坐 标 轴

25、 （ 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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 INNER MONGOLIA UNIVERSITY六 方 晶 系 晶 向 及 晶 面 指 数 的 确

26、 定 （ 四 坐 标 与 三 座 标 的 关 系 ） INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 INNER MONGOLIA UNIVERSITY（ 2） 已 知 晶 带 面 （ h1 k1 l1） 和 （ h2 k2 l2） 求 晶 带 轴 uvw： u = k

27、1 l2 - k2 l1 ， v = l1 h2 l2 h1 ， w h1 k2 h2 k11 12 2k lu= k l或 1 12 2l hv= l h 1 12 2h kw= h k （ 1） 晶 带 轴 与 晶 带 面 存 在 如 下 关 系 ： uh vk wl 0 （ 晶 带 面 晶 带 轴 ） INNER MONGOLIA UNIVERSITY1 12 2u vl= u v 1 12 2v wh= v w1 12 2w uk = w uk = w1 u2 w2 u1 ， 或l u1 v2 u2 v1 或h = v1 w2 - v2 w1 ， 或（ 3） 已 知 晶 带 轴 u1

28、v1 w1 和 u2 v2 w2 求 晶 带 面 （ hkl） INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY在 面 心 立 方 点阵 中 （ 110）晶 面 的 隐 藏 面

29、INNER MONGOLIA UNIVERSITY 判断有无隐藏面的条件 点 阵 类 型 无 隐 藏 晶 面 的 条 件 有 隐 藏 晶 面的 条 件 体 心立 方 bcc h k+l 偶 数 h k+l 奇 数 面 心立 方 fcc h、 k、 l全 奇 数 或 全 偶 数 h、 k、 l不 全 奇数 或 不 全 偶 数有 隐 藏 面 的 面 间 距 公 式 为 ：（ 立 方 晶 系 的 面 间 距 ）dhkl = 222 lkh2 a bcc（ 110） 无 ； （ 111） 、 （ 100） 有结论 fcc （ 111） 无 ； （ 110） 、 （ 100） 有 隐 藏 面 INNER

30、 MONGOLIA UNIVERSITY INNER MONGOLIA UNIVERSITY 6 晶 面 夹 角（ 1） 晶 向 与 晶 面 的 夹 角 ： 2 2 2 2 2 2uh vk wlu v w h k l sin= 指 数 相 同 的 晶 向 与 晶 面 相 互 垂 直 。 晶 向 平 行 于 晶 面 的 条 件 是 ： uh+vk+wl = 0（ 3） 晶 面 与 晶 面 的 夹 角 ： 2 2 2 2 2 21 1 1 2 2 21 2 1 2 1 2h h k k l lh k l h k l cos=（ 2） 晶 向 与 晶 向 的 夹 角 ： 1 2 1 2 1 22

31、2 2 2 2 21 1 1 2 2 2uu vv wwu v w u v w cos= 结论 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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） 1 2 3 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 一 、 面 心 立 方 结 构-Fe、 Al、 Cu、 Ni

32、、 Au、 Ag.20种 元 素 INNER MONGOLIA UNIVERSITY （ 1） 晶 胞 中 的 原 子 数 INNER MONGOLIA UNIVERSITY （ 2） 点 阵 常 数 与 原 子 半 径 的 关 系 INNER MONGOLIA UNIVERSITY （ 3） 配 位 数 和 致 密 度 致 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

33、密 度 ： 晶 体 中 原 子 体 积 占 总 体 积 的 百 分 比 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY fcc配 位 数 ： 12 334 24 a3 4K = 0.74aFcc致 密 度 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY 二 、 体 心 立 方 结 构-Fe、 W、 Mo、 Cr、 V. 30种 元 素 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY （ 1） 晶 胞 中 的 原 子 数 INNER MONGOLIA UNIVERSITY （ 2） 点 阵 常 数 与 原 子 半 径 的 关 系 INNER MONGOLIA UNIVER

34、SITY （ 3） 配 位 数 和 致 密 度 配 位 数 ： 最 近 邻 8， 次近 邻 6 334 32 a3 4K 68%a 致 密 度 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY 三 、 密 排 六 方 结 构 INNER MONGOLIA UNIVERSITY （ 1） 晶 胞 中 的 原 子 数 INNER MONGOLIA UNIVERSITY （ 2） 点 阵 常 数 与 原 子 半 径 的 关 系 INNER MONGOLIA UNIVERSITY （ 3） 配 位 数 和 致 密 度 INNER MONGOLIA UNIVERSITY （ 4） 密 排 面 和

35、密 排 方 向面 密 度 ： 单 位 面 积 上 的 原 子 个 数100 :110 :111 : INNER MONGOLIA UNIVERSITY INNER MONGOLIA UNIVERSITY 体 心 立 方 、 面 心 立 方 晶 格 主 要 晶 面 的 原 子 排 列 和 密 度晶 面 指 数 体 心 立 方 晶 格 面 心 立 方 晶 格晶 面 原 子 排 列 示 意 图 晶 面 原 子密 度(原 子 数 /面 积 ) 晶 面 原 子 排 列 示 意 图 晶 面 原 子密 度(原 子 数 /面 积 ) 100 110 111 INNER MONGOLIA UNIVERSITY

36、INNER MONGOLIA UNIVERSITY 典 型 金 属 晶 体 结 构 小 结 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY两 种 二 维 排 列 方 式 INNER MONGOLIA UNIVERSITY INNER

37、MONGOLIA UNIVERSITY INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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(111) 111fcc结 构 中 原 子 密 排 面 及 其 堆 垛 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 INNER MONGOLIA UNIVERSITY hcp结 构 中 原 子 密 排 面

38、 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 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 五 、 晶 体 结 构 中 的 间 隙 INNER MONGOLIA UNIVERSITY INNER MONGOLIA UNIVERSITY 面 心 立 方 结 构 中 的 间 隙 : INNER MONGOLIA UNIVERSITY INNER MONGOLIA UNIVERSITY 一 . 面 心 立 方 结 构 中 的 间 隙1 .八 面 体 间 隙 构 成 ： 如 图

39、 2-10a 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 ： 4个 八 面 体 间 隙 半 径 ： r 八 面 体 = a a=0.146a21 21 21 21 42 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

40、）21 a a 0.146a2 4 1 1 1( , , )2 2 2 1N 12 1 44 0.414rr AB INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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 ）41 43a a a( , , )4 4 4 3 2a a 0.08a4 4 B Ar 0.225r INNER MON

41、GOLIA UNIVERSITY 体 心 立 方 结 构 中 的 间 隙 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY 1.八 面 体 间 隙 构 成 :（ 扁 八 面 体 ） 间 隙 位 置 及 坐 标 ： a a( , ,1)2 21 1N 12 6 64 2 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 ） a 3- a 0.067a2 4 单 胞 内 间 隙 个 数 各 条 棱 的 中 点 处 和 各 100面 的 面 心 位 置 。 其 中 一 个 坐 标 是 ： B Ar 0.15r INNER MON

42、GOLIA UNIVERSITY 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=6 4 =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 ）41 43a2 5 3a- a=0.126a4 421 a4B Ar 0.29r INNER MONGOLIA UNIVERSITY 正 八 面 体 间 隙 半 径 为 0.225a ， 6个 正 四 面

43、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 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY 晶 体 结 构 八 面 体 间 隙 四 面 体 间 隙间 隙 数 /原 子 数 间 隙 半 径 间 隙 数 /原 子 数 间 隙 半 径 fcc 4/4=1 0.146a 0.144 8/4=2 0.08a 0.225 bcc 6/2=3 0.067a 0.155 12/2=6 0.126a 0.291 hcp 6/6=1 0.225a 0.144 12/2=6

44、0.207a 0.225AB rr AB rr1.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 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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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

45、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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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

46、 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 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 。 INNER M

47、ONGOLIA UNIVERSITY 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 INNER MONGOLIA UNIVERSITY INNER MONGOLIA UNIVERSITY 点 阵 结 点 上 的 原 子 热

48、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 变 ， 亦 会 割 断 键 力 ， 故 空 位 形 成 需 能 量， 空 位 形 成 能 （ E V） 为 形 成 一 个 空 位 所 需 能 量 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY（ 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）

49、 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 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITYSchottky 缺 陷 （ 空 位 缺 陷 ） INNER MONGOLIA UNIVERSITYFrenkel 缺 陷 （ 空 位 -间 隙 缺 陷 ） INNER MONGOLIA UNIVERSITY注 意 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

50、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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 空 位 的 移 动 INNER MONGOLIA UNIVERSITY有 序 合 金 中 的 错 位 INNER MONG

51、OLIA UNIVERSITY化 学 缺 陷 置换式 填隙式 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 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

52、 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 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 2. 点 缺 陷 的 平 衡 浓 度 点 缺 陷 是 热 力 学 平 衡 缺 陷 : 在 一 定 温 度 下总 是 存 在 一 定 数 量 的 点 缺 陷 ， 点 缺 陷 的 平 衡 数 量与 原 子 数 的 比 值 。 原 因 ： 点 缺

53、 陷 的 存 在 一 方 面 造 成 点 阵 畸 变 ，使 晶 体 的 内 能 升 高 ， 降 低 热 力 学 稳 定 性 ， 另 一 方面 增 大 了 原 子 排 列 的 混 乱 程 度 ， 并 改 变 了 其 周 围原 子 的 振 动 频 率 ， 引 起 组 态 熵 和 振 动 熵 的 改 变 ，使 晶 体 熵 值 增 大 ， 增 加 了 晶 体 的 热 力 学 稳 定 性 。 这 两 个 相 互 矛 盾 的 因 素 使 得 晶 体 中 的 点 缺 陷在 一 定 的 温 度 下 有 一 定 的 平 衡 浓 度 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY F=U TSF=nEV-

54、TSS=SC+nSfln CS k ( )! !N nN n ( )ln ! ln ! ln !V f CV fF nE T n S SnE nT S kT N n N n 恒 温 下 ， 系 统 自 由 能 ：设 晶 体 中 共 有 N个 原 子 和 n个 空 位 ，一 个 空 位 的 形 成 能 为 EV：熵 包 括 排 列 熵 和 振 动 熵 ：排 列 熵 ： ln ! lnX X X X 根 据 斯 特 令 近 似 公 式 ： ln ln lnV fF nE nT S kT N n N n N N n n INNER MONGOLIA UNIVERSITY / ln ln 0V fd

55、F dn E T S kT n N n 式 中 A=exp(Sf/k)， 由 振 动 熵 决 定 ， 约 为 1 10。 上 式 表 示 的 是 空 位 平 衡 浓 度 和 空 位 形 成 能 以 及 温 度 之 间 的关 系 ， 由 于 间 隙 原 子 的 形 成 能 较 大 ， 在 相 同 温 度 下 ， 间 隙 原 子浓 度 比 空 位 浓 度 小 的 多 ， 通 常 可 以 忽 略 不 计 ， 所 以 一 般 情 况 下 ，金 属 晶 体 的 点 缺 陷 主 要 是 指 空 位 。令 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY 若 已 知 EV和 Sf， 则 可 由 上 式

56、 计 算 出 任 一 温 度 T下 的 浓 度 C.由 上 式 可 得 ： 1） 晶 体 中 空 位 在 热 力 学 上 是 稳 定 的 ， 一 定 温 度 T对 应 一 平 衡 浓 度 C 2） C与 T呈 指 数 关 系 ， 温 度 升 高 ， 空 位 浓 度 增 大 3） 空 位 形 成 能 EV大 ， 空 位 浓 度 小 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 例 如 ： 已 知 铜 中 EV=1.7 10-19J， A取 为 1， 则T 100K 300K 500K 700K 900K 1000KCV 10-57 10-19 10-11 10-8.1 10-6.3 10-

57、5.7 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 例 题 : Cu晶 体 的 空 位 形 成 能 Ev为 0.9ev/atom， 或1.44 10 19 J/atom， 材 料 常 数 A取 作 1， 玻 尔 兹 曼 常 数k 1.38 10 23 J/K， 计 算 ： （ 已 知 Cu的 摩 尔 质 量 为MCu 63.54g/mol， 500 下 Cu的 密 度 Cu 8.96 106 g/m3 ) 1） 在 500 下 ， 每 立 方 米 Cu中 的 空 位 数 目 。 2） 500 下 的 平 衡 空 位 浓 度 。 23 6 280 36.023 10 8.96 10 8.

58、49 1063.54CuCuNN M m 解 ： 首 先 确 定 1m3体 积 内 Cu原 子 的 总 数 ： INNER MONGOLIA UNIVERSITY 1928 2328 13.5 28 623 3 1.44 10exp 8.49 10 exp1.38 10 7738.49 10 8.49 10 1.37 101.2 10 / Vv En N kTem 1） 将 N代 入 空 位 平 衡 浓 度 公 式 ， 计 算 空 位 数 目 nv2） 计 算 空 位 浓 度 19 13.5 6231.44 10exp 1.4 101.38 10 773vV nC eN 即 在 500 时 ，

59、 每 106个 原 子 中 才 有 1.4个 空 位 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 3. 点 缺 陷 对 金 属 性 能 的 影 响点 缺 陷 主 要 影 响 金 属 的 物 理 性 能 ：比 体 积 ： 形 成 肖 脱 基 空 位 时 ， 原 子 迁 移 到 晶 体 表 面 上 的 新 位 置 ，导 致 晶 体 体 积 增 加 ， 密 度 减 小 。比 热 容 ： 形 成 缺 陷 要 向 晶 体 提 供 附 加 能 量 ， 引 起 比 热 容 增 强 。电 阻 率 ： 有 缺 陷 的 晶 体 中 ， 晶 格 周 期 性 被 破 坏 ， 对 电 子 产 生强 烈 散

60、射 ， 导 致 晶 体 电 阻 率 增 加 。 点 缺 陷 对 金 属 力 学 性 能 影 响 较 小 ， 它 会 与 位 错 产 生 交 互 作用 ， 阻 碍 位 错 运 动 而 使 晶 体 强 化 和 脆 化 。 空 位 对 金 属 加 工 工 艺有 影 响 ， 比 如 表 面 热 处 理 、 均 匀 化 退 火 、 烧 结 等 ， 显 然 这 与 高温 的 时 候 空 位 平 衡 浓 度 较 高 有 关 ， 增 大 了 原 子 迁 移 概 率 、 加 快原 子 扩 散 速 度 等 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 二 、 线 缺 陷 位 错 位 错 （ disloc

61、ation） ： 是 一 种 线 缺 陷 ,它 是 晶 体 中某 处 一 列 或 若 干 列 原 子 发 生 了 有 规 律 错 排 现 象 ； 错 排区 是 细 长 的 管 状 畸 变 区 ,长 度 可 达 几 百 至 几 万 个 原 子 间距 ,宽 仅 几 个 原 子 间 距 。 根 据 原 子 的 滑 移 方 向 和 位 错 线 取 向 的 几 何 特 征不 同 ， 位 错 分 为 刃 位 错 、 螺 位 错 和 混 合 位 错 。 位 错 模 型 的 提 出 完 整 晶 体 塑 性 变 形 滑 移 的 模 型 金 属 晶 体 的 理 论 强 度 理 论 强 度 比 实 测 强 度 高

62、出 几 个 数 量 级 晶 体 缺 陷 的 设 想 线 缺 陷 （ 位 错 ） 的 模 型 以 位 错 滑 移 模 型 计 算 出 的 晶 体 强 度 ，与 实 测 值 基 本 相 符 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 1. 刃 型 位 错形 成 及 定 义 ： 晶 体 在 大 于 屈 服 值 的 切 应 力 作用 下 ， 以 ABCD面 为 滑 移 面 发 生 滑 移 。 EF是 晶体 已 滑 移 部 分 和 未 滑 移 部 分 的 交 线 ， 犹 如 砍 入晶 体 的 一 把 刀 的 刀 刃 ， 即 刃 位 错 （ 或 棱 位 错 ） 。 INNER MONGOLIA

63、 UNIVERSITY刃 位 错 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 刃 型 位 错 立 体 示 意 图 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 刃 型 位 错 的 特 征 ： 刃 型 位 错 有 一 个 额 外 的 （ 多余 ） 半 原 子 面 。 正 刃 型 位 错 用“ ”表 示 ， 负 刃 型 位 错 用 “ ”表 示 ； 其 正 负 只 是 相 对 而 言 。 刃 型 位 错 是 直 线 、 折 线 或 曲 线 。 它 与 滑 移 方 向 、柏 氏 矢 量 垂 直 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 晶 体 中 存 在 刃 位 错 后

64、,位 错 周 围 的 点 阵 发 生 弹 性畸 变 ,既 有 正 应 变 ,也 有 负 应 变 。 点 阵 畸 变 相 对 于 多余 半 原 子 面 是 左 右 对 称 的 ， 其 程 度 随 距 位 错 线 距 离增 大 而 减 小 。 就 正 刃 型 位 错 而 言 ,上 方 受 压 ,下 方 受拉 。 在 位 错 线 周 围 的 畸 变 区 每 个 原 子 具 有 较 大 的 平 均能 量 。 畸 变 区 是 一 个 狭 长 的 管 道 。 滑 移 面 必 须 是 同 时 包 含 有 位 错 线 和 滑 移 矢 量 的 平面 。 位 错 线 与 滑 移 矢 量 互 相 垂 直 ,它 们

65、构 成 平 面 只 有一 个 ， 位 错 线 只 能 在 滑 移 面 上 滑 移 。 INNER MONGOLIA UNIVERSITY 形 成 及 定 义 ： 晶 体 在 外 加 切 应 力 作 用 下 ， 沿 ABCD面 滑 移 ， 图中 BC线 为 已 滑 移 区 与 未 滑 移 区 的 分 界 处 。 在 BC与 aa 线 之 间 上下 两 层 原 子 发 生 了 错 排 现 象 ， 连 接 紊 乱 区 原 子 ， 会 画 出 一 螺 旋 路径 ， 该 路 径 所 包 围 的 管 状 原 子 畸 变 区 就 是 螺 型 位 错 。2. 螺 型 位 错 INNER MONGOLIA UN

66、IVERSITY INNER MONGOLIA UNIVERSITY 螺 型 位 错 的 特 征 ：1） 螺 型 位 错 无 额 外 半 原 子 面 ， 原 子 错 排 呈 轴 对 称 。2） 有 左 、 右 旋 之 分 ， 分 别 符 合 左 手 、 右 手 螺 旋 定 则 。 3） 螺 型 位 错 位 错 线 一 定 是 直 线 ， 与 滑 移 矢 量 平 行 ， 位 错 线移 动 方 向 与 晶 体 滑 移 方 向 垂 直 。 刃 型 位 错 线 与 晶 体 滑 移 方 向垂 直 ， 位 错 线 的 移 动 方 向 与 晶 体 滑 移 方 向 互 相 平 行 。4） 纯 螺 型 位 错 的 滑 移 面 不 是 唯 一 的 。 凡 是 包 含 螺 型 位 错线 的 平 面 都 可 以 作 为 它 的 滑 移 面 。 但 实 际 上 ， 滑 移 通 常是 在 那 些 原 子 密 排 面 上 进 行 。5） 螺 位 错 周 围 的 点 阵 也 发 生 了 弹 性 畸 变 ， 但 只 有 平 行 于 位错 线 的 切 应 变 ， 无 正 应 变 （ 在 垂 直 于 位 错 线 的 平