六角晶体结构

第一章晶体材料的结构晶体学基础知识晶向与晶面指数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（Architecture）材料的结构有两个层次，一种是原子尺度的结构(atomic-scalearchitecture),在材料学中常称为晶体结构或相结构(Crystalline/latticestructure)，对应有晶体(crystal)和非晶体(non-crystal)；另一种是微观尺度的结构(microscopic-scalearchitecture)，在材料学科中常称为显微组织(microstructure)，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1.晶体结构对性能的影响Contrastinmechanicalbehaviorof(a)aluminum(relativelyductile)and(b)magnesium(relativelybrittle)resultingfromtheatomic-scalestructureComparisonofcrystalstructuresfor(a)aluminumand(b)magnesium.引言材料的结构与性能二、材料的结构对性能的影响2.显微组织对性能的影响第一节晶体基础知识一、原子的排列方式分子的构成有的分子是单原子，如金属材料；有的是几个相同或不同的原子，如陶瓷材料；有的分子中包含的数千或更多的原子，如高分子材料。1.非晶体原子排列：粒子(原子、离子或分子)无规则的堆积。特点：1.各向同性；2.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；3.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。一、原子的排列方式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。特点：1.各向异性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异2.固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升高到某一特定值，排列方式的解体，原子成无规则堆积，这时大多呈现不能保持自己形状的液体。3.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二、晶格与晶胞第一节晶体基础知识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。二、晶格与晶胞第一节晶体基础知识晶胞: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①能充分反映整个空间点阵的对称性，②具有尽可能多的直角，③体积要最小。点阵常数:平行六面体的三个棱长a、b、c和及其夹角α、β、γ，可决定平行六面体尺寸和形状，这六个量亦称为点阵常数。三、晶系第一节晶体基础知识按点阵常数的特征对晶体的分类。第二节晶向与晶面指数一、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。标定方法：1.建立坐标系结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位；2.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)；3.计算x2-x1：y2-y1：z2-z1；4.化成最小、整数比u：v：w；5.放在方括号[uvw]中，不加逗号，负号记在上方。一、晶向与立方晶系晶向指数第二节晶系晶向与晶面指数晶向族：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uvw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。二、晶面与立方晶系晶面指数第二节晶系晶向与晶面指数晶面：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。标定方法：1.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）；2.晶面在三个坐标上的截距a1a2a3；3.计算其倒数b1b2b3；4.化成最小、整数比h：k：l；5.放在圆方括号(hkl)，不加逗号，负号记在上方。二、晶面与立方晶系晶面指数第二节晶系晶向与晶面指数晶面族：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。三、六方晶系晶面与晶向指数第二节晶系晶向与晶面指数1、晶面指数：1)建立坐标系：在六方晶系中，为了明确的表示晶体底面的(六次)对称性，底面用互成120度的三个坐标轴x1、x2、x3，其单位为晶格常数a，加上垂直于底面的方向Z，其单位为高度方向的晶格常数c。注意x1、x2、x3三个坐标值不是独立的变量。2)方法同立方晶系，(hkil)为在四个坐标轴的截距倒数的化简，自然可保证关系式h＋k＋I＝0。底面指数为(0001),侧面的指数为(1010)。三、六方晶系晶面与晶向指数第二节晶系晶向与晶面指数2、晶向指数标定方法：1.平移晶向(或坐标)，让原点为晶向上一点，取另一点的坐标，有:2.并满足p＋q＋r＝0；3.化成最小、整数比u：v：t：w4.放在方方括号[uvtw]，不加逗号，负号记在上方。三、六方晶系晶面与晶向指数第二节晶系晶向与晶面指数3、晶向族与晶面族1)同一族的晶向或晶面也具有等同的效果；2)三个水平方向具有等同的效果，指数的交换只能在他们之间进行，Z轴只能改变符号；3)改变符号时，前三项要满足p＋q＋r＝0的相关性要求。三、其他晶体学概念第二节晶向与晶面指数2.晶面的原子密度：该晶面单位面积上的节点(原子)数。1.晶向的原子密度：该晶向单位长度上的节点(原子)数。3.晶带和晶带轴：相交和平行于某一晶向的所有晶面的组合称为晶带，此直线叫做它们的晶带轴。晶带用晶带轴的晶向指数表示。在立方晶系中有：晶面(hkl)和其晶带轴[uvw]的指数之间满足关系：三、其他晶体学概念第二节晶向与晶面指数4.晶面间距：指相邻两个平行晶面之间的距离。•晶面间的距离越大，晶面上的原子排列越密集。•同一晶面族的原子排列方式相同，它们的晶面间的间距也相同。•不同晶面族的晶面间距也不相同。在简单立方晶胞中复杂立方晶胞其中fcc和bcc晶体中m一般为2，但要具体分析。三、其他晶体学概念第二节晶向与晶面指数5.两晶向之间的夹角：在立方晶系中按矢量关系，晶向[u1v1w1]与[u2v2w2]之间的夹角满足关系：在立方晶系，晶面之间的夹角也就是为其法线的夹角，用对应的晶向同样可以求出。非立方晶系，晶面或晶向之间的夹角可以计算，但要复杂许多。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bccBody-centeredcubic面心立方fccFace-centeredcubic密堆六方cphClose-packedhexagonal一、体心立方第三节纯金属常见的晶体结构原子位置立方体的八个顶角和体心体心立方中原子排列第三节纯金属常见的晶体结构在体心立方晶格中密排面为{110}，密排方向为111体心立方中的间隙第三节纯金属常见的晶体结构八面体间隙：位置面心和棱中点单胞数量12/4+6/2=6大小四面体间隙：侧面中心线1/4和3/4处12个二、面心立方第三节纯金属常见的晶体结构原子位置立方体的八个顶角和每个侧面中心面心立方中原子排列第三节纯金属常见的晶体结构在面心立方晶格中密排面为{111}，密排方向为110面心立方中的间隙第三节纯金属常见的晶体结构将原子假定为刚性球，他们在堆垛排列时必然存在间隙。在面心立方晶格中存在的间隙主要有两种形式：八面体间隙：位置体心和棱中点单胞数量12/4+1=4大小四面体间隙：位置四个最近邻原子的中心单胞数量8大小三、密堆六方第三节纯金属常见的晶体结构原子位置12个顶角、上下底心和体内3处在密堆六方晶格中密排面为{0001}，密排方向为1120密堆六方中的间隙第三节纯金属常见的晶体结构八面体间隙：位置体内单胞数量6大小四面体间隙：位置棱和中心线的1/4和3/4处单胞数量12大小四、面心立方和密堆六方的原子堆垛第三节纯金属常见的晶体结构原子的密排面的形式：在平面上每个原子与六个原子相切。hcp中为(0001)面，按–ABABABABAB-方式堆垛Fcc中为{111}面，按–ABCABCABCABC-方式堆垛五、其他晶体结构第三节纯金属常见的晶体结构将两个原子为一组，满足面心立方关系。五、其他晶体结构第三节纯金属常见的晶体结构侧面原子不在中心面心正方三斜六、其他概念第三节纯金属常见的晶体结构同素异晶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晶转变。铁的同素异晶转变在热处理中有非常重大的意义六、其他概念第三节纯金属常见的晶体结构原子半径当大量原子通过键合组成紧密排列的晶体时，利用原子等径刚球密堆模型，以相切两刚球的中心距(原子间距)之半作为原子半径。原子半径的测量方法是利用X射线来先确定其晶体结构的类型和一些晶面的间距，然后根据晶体结构中原子排列的关系计算出。原子的半径并不是固定不变的，它随着结合键的类型和外界环境不同而不同。一般表现规律为：①温度升高，原子半径增大；压力增大，原子半径减小；②原子间结合键愈强，如离子键或金属键，原子间距相应较小，即原子的半径也较小；③晶体中，原子的配位数的降低，原子的半径也随之减小，在同素异晶转变中，这种改变可减小转变中的体积变化，铁的面心立方与体心立方晶格之间的变化就是一例。第四节材料的实际晶体结构一、多晶体结构单晶体:一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”，实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的金须和其他一些供研究用的材料。一、多晶体结构第四节材料的实际晶体结构多晶体:实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为“多晶体”。一、多晶体结构第四节材料的实际晶体结构晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒”。晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，或简称“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。二、多晶体的组织与性能：第四节材料的实际晶体结构伪各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。组织：（如图）性能：组织敏感的性能组织不敏感的性能三、晶体中的缺陷概论第四节材料的实际晶体结构晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。三、晶体中的缺陷概论第四节材料的实际晶体结构晶体缺陷按范围分类：1.点缺陷在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。2.线缺陷在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错Dislocation3.面缺陷在三维空间的两个方向上的尺寸很大(