材料科学基础-第2章

1Macro-Micro-?2物质原子、离子、分子结合结合键（bonding）具体组合状态结构（structure）第二章材料的结构Structuresofmaterials3晶体结构crystalstructure非晶体结构Amorphousstructure准晶体结构quasicrystalstructure在空间规则排列，存在长程有序long-rangeorder长程无序，但在几个原子距离范围内有序，即短程有序short-rangeorder42.1晶体学基础晶体crystal：物质的基元（原子、离子、分子等）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质。点阵是一个几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。三维点阵又称空间点阵。点阵（lattice）5代表晶格原子排列规律的最小几何单元晶体Crystal晶胞unitcell空间点阵/晶格Crystallattice刚球模型6•晶格（crystallattice）是用假想的直线将阵点连接起来所形成的三维空间格架•晶胞（unitcell）：晶格中能代表晶格排列规律的最小几何单元晶格晶胞7同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞，取晶胞选取原则：1)选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；2)平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；3)当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多；4)当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。晶胞选取8晶体结构=空间点阵+基元晶体结构?基元可以是单个原子，也可以是彼此等同的原子群或分子群。9晶体结构的基本特征：——原子（或分子）在空间呈周期性重复排列，即存在长程有序原子排列10abcxyz基元排列11晶格常数latticeconstants各棱边a、b、c各棱间的夹角、、uvwruavbwc点阵矢量ruvw晶胞xyzOabc127种晶系，14种布拉菲Bravais点阵90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系晶系Crystalsystems点阵参数Latticeparameters布拉维点阵类型TypesofBravaislattice实例Instances三斜晶系Triclinic简单三斜(1)K2CrO7单斜晶系Monoclinic简单单斜(2)底心单斜(3)-SCaSO4•H2O正交晶系Orthorhombic简单正交(4)底心正交(5)体心正交(6)面心正交(7)Fe3CGa-S六方晶系Hexagonal简单六方(8)Mg,ZnCd,Ni,As菱方晶系Rhombohedral简单菱方(9)As,Sb,Bi四方晶系Tetragonal简单四方(10)体心四方(11)-Sn,TiO2立方晶系Cubic简单立方(12)体心立方(13)面心立方(14)Fe,Cr,Cu,Ag,Ni,V90abc90abc90abc90abc12390120aaac90abc90abca、b、c；、、每个阵点的周围环境相同131.三斜Triclinic：简单三斜(1)2.单斜Monoclinic：简单单斜(2)底心单斜(3),90oabc,90oabc14种Bravais点阵143.正交Orthorhombic：简单正交(4)底心正交(5)体心正交(6)面心正交(7),90oabc14种Bravais点阵154.六方Hexagonal：简单六方(8)123,90,120ooaaac5.菱方Rhombohedral：简单菱方(9),90oabc14种Bravais点阵166.四方Tetrahedral：简单四方(10)体心四方(11),90oabc14种Bravais点阵177.立方Cubic：简单立方(12)体心立方(13)面心立方(14),90oabc14种Bravais点阵18思考：为什么没有底心四方和面心四方？简单四方体心四方19立方,90oabc,90oabc四方同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞，取晶胞选取原则：1)选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；2)平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；3)当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多；4)当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。20晶体结构和空间点阵的区别空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14种类型晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。晶体结构=空间点阵+基元21简单立方SC-CsCl体心立方BCC-VCsClV22CuNaClCaF2面心立方FCC23晶面指数和晶向指数原子在空间排列的方向称为晶向CrystalorientationOrientationindexcrystallographicplaneindexCrystalplane由一系列原子所组成的平面称为晶面24（1）晶向指数确定步骤：A：确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线，B：求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧，形式为[uvw]。XYZ25Example1：已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1、1，求该直线的晶向指数。[111]•将三坐标值加方括弧得[111]。26Example2：已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。•将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。[234]11.5227Example3：已知晶向指数为[110],画出该晶向。[110]找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。28需要指出说明的是：1.一个晶向指数代表着所有相互平行、方向一致的晶向；2.若两晶向平行但方向相反，则晶向指数的数字相同，而符号相反；3.晶体中原子排列相同但空间位向不同的一组晶向称为晶向族。[110]--[110][011]29晶向族：晶体中原子排列相同但空间位向不同的一组晶向称为晶向族。＜UVW＞只有对于立方结构的晶体，改变晶向指数的顺序，所表示的晶向上的原子排列情况完全相同，而对于其它结构的晶体则不适用。30[100][010][001]例如立方晶系的：＜001＞；＜111＞[100][100][010][010][001][001]＜001＞[111][111][111][111][111][111][111][111]＜111＞[111][111][111][111]31（2）晶面指数确定步骤：A：确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距，B：取三个截距值的倒数，并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。XYZ32XYZExample1.求图中绿色晶面的晶面的指数截距值分别为1、1、1，取倒数为1、1、1，加圆括弧得（111）33XYZExample2.求图中蓝色晶面的晶面的指数截距值分别为、1、，取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）34•Example3.求截距为、1、晶面的指数截距值取倒数为0、1、0，化为最小整数加圆括弧得（010）XYZ35•Example4.求截距为1、1、晶面的指数取倒数为1、1、0,化为最小整数加圆括弧得（110）36需要指出说明：1.晶面指数(hkl)不是指一个晶面，而是代表一组相互平行的晶面；2.平行晶面的晶面指数相同，或数字相同而符号相反，如(hkl)和--(hkl)-若晶面在坐标轴上的截距为0，则取倒数无意义。需要将晶面平移一个原子间距，再求晶面指数。(100)XYZ-(100)(100)或-(100)(100)∥(100)-37(100)3.在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直XYZ[100](111)XYZ[111][100]垂直(100)[111]垂直(111)38Example1.在立方晶系中画（111）晶面(111)XYZ（111）取倒数为1，1，139Example2.在立方晶系中画（201）晶面(201)XYZ（201）取倒数为0.5，∝，140Example3.在立方晶系中画（211）晶面（211）取倒数为0.5，1，1(211)XYZ41Example4.在立方晶系中画（321）晶面（200）、（333）等是否存在？具有公因子的晶面不存在（321）取倒数为0.333，0.5，1(321)XYZ42Example5.在立方晶系中画（014）晶面-（014）取倒数为，-1，1/4-XYZ（014）-43（3）晶面族和晶向族﹛hkl﹜与＜uvw＞分别表示一组平行的晶面和晶向(100)[110]44原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶向和晶面称作晶向族或晶面族，分别用uvw和{hkl}表示。(200)(020)(002)[110][110]-{200}11045立方晶系常见的晶向族为：]111[]111[]111[]111[:111]110[]011[]101[]011[]101[]110[:110]001[]010[]100[:100、、、、、、、、、、*246111[111][111][111][111]XZY还有四条与之相反的矢量！47立方晶系常见的晶面族为：)111()111()111()111(:}111{)110()011()101()011()101()110(:}110{)001()010()100(:}100{、、、、、、、、、、*248{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY49练习题1.在立方晶系中画出(123)，(110)，(112)，(102)晶面---XYZ（123）-50练习题1.在立方晶系中画出(123)，(110)，(112)，(102)晶面---XYZ（110）-51练习题1.在立方晶系中画出(123)，(110)，(112)，(102)晶面---XYZ（112）-52练习题1.在立方晶系中画出(123)，(110)，(112)，(102)晶面---XYZ（102）53练习题2.在立方晶系中画出[111]，[234]，[110]，[102]晶向--XYZ[111]-54练习题2.在立方晶系中画出[111]，[234]，[110]，[102]晶向--[234]XYZ55练习题2.在立方晶系中画出[111]，[234]，[110]，[102]晶向--XYZ[110]-56练习题2.在立方晶系中画出[111]，[234]，[110]，[102]晶向--XYZ[102]57（4）六方晶系指数采用四坐标轴：a1、a2、a3和c轴晶向指数：[uvtw]四坐标轴指数[UVW]三坐标轴指数确定六方晶系晶向指数步骤：先确定三轴坐标系的晶向指数[UVW]，然后换算成四轴坐标系的晶向指数[uvtw]UutVvtWw21332133()uUVvVUtuvwW58（4）六方晶系指数采用四坐标轴：a1、a2、a3和c轴晶面指数：(hkil)()0ihkhki体现六方晶系的独特对称性确定六方晶系晶面指数步骤：晶面指数标定与三轴坐标系相同，取晶面在四个坐标轴上的截距即可（hkil）59（5）晶面间距Interplanerdistance通常，低指数的面间距较大，而高指数的晶面间距则较小晶面间距愈大，该晶面上的原子排列愈密集；晶面间距愈小，该晶面上的原子排列愈稀疏。6022222222221()()()a()()(14()()3)hklhklhkldhkdhklabcdhlhkklac立方正交晶系六方晶系晶系对于常见晶系，晶面间距dhkl为：