第1章工程材料中的原子排列

1第一章工程材料中的原子排列§1.1原子键结合§1.2原子的规则排列§1.2.1晶体学基础§1.2.2晶体结构及其几何特征§1.3原子的不规则排列§1.3.1点缺陷§1.3.2线缺陷§1.3.3面缺陷2§1.1原子键结合硅表面隧道扫描原子模型3§1.1.1固体中原子的结合键金属键：--正离子和电子之间的相互吸引，使正离子与电子结合起来。共价键：--原子间通过共用电子对(电子云重叠)所形成的化学键。金属原子正常堆积时的金属键及其电子云硅原子硅的四个共价键4§1.1.1固体中原子的结合键离子键：--正离子和负离子由于静电引力相互吸引；当它们充分接触时会产生排斥，引力和斥力相等时即形成稳定的离子键。分子键(范德瓦尔斯力)：--一个分子带正电的部位，同另一个分子带负电的部位之间就存在比较弱的静电吸引力，这种吸引力就称为范德瓦尔斯力。5§1.1.1固体中原子的结合键氢键：--氢原子与某一原子形成共价键时，共有电子向这个原子强烈偏移，使氢原子几乎变成一半径很小的带正电荷的核，而这个氢原子还可以和另一个原子相吸引，形成附加的键。氢键是一种较强的、有方向性的范德瓦尔斯键。6§1.1.1固体中原子的结合键结合键类型作用力来源键强度实例形成晶体的特点离子键原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力最强LiCINaClKClGaCl无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电共价键相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力强金刚石SiGeSn有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电金属键自由电子气与正离子之间的库仑引力较强LiNaK无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性分子键原子间瞬时电偶极矩的感应作用最弱NeAr无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘氢键氢原子核与极性分子间的库仑引力弱H2O（冰）HF有方向性和饱和性7§1.1.2工程材料的分类工程材料金属材料陶瓷材料复合材料高分子材料普通陶瓷特殊陶瓷金属陶瓷树脂基复合材料金属基复合材料黑色金属有色金属钢铸铁轻金属重金属工程塑料橡胶合成纤维8§1.2原子的规则排列在铜基上的铁原子CaAs表面结构隧道扫描9§1.2.1晶体学基础1.2.1.1晶体晶体-原子(分子)在三维空间按一定规律作周期性排列的固体。非晶体(如玻璃、松香)-原子是散乱分布，或仅有局部区域为短程规则排列。晶体与非晶体的区别晶体-有确定的熔点,各向异性。非晶体-无确定的熔点,各向同性。10§1.2.1晶体学基础1.2.1.2晶体结构与空间点阵晶体结构(点阵）实际原子排列成的规则集合体。空间点阵由环境相同抽象阵点所组成的点阵排列。注意：环境相同和抽象阵点表达的意思？§1.2.1晶体学基础11结构相似的不同点阵12§1.2.1晶体学基础晶格晶体中原子排列规律的空间格架晶胞定义：能够完全反映晶格特征的最小几何单元选取原则：a能够充分反映空间点阵的对称性；b相等的棱和角的数目最多；c具有尽可能多的直角；d体积最小形状和大小:有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示晶胞中点的位置表示（坐标法）晶格晶胞13§1.2.1晶体学基础1.2.1.3布拉菲点阵14种空间点阵的晶胞14§1.2.1晶体学基础7个晶系(1)三斜晶系：a≠b≠c,α≠β≠γ≠90o(2)单斜晶系：a≠b≠c,α=γ=90o≠β(3)正交晶系：a≠b≠c,α=β=γ=90o(4)六方晶系：a=b≠c,α=β=90o,γ=120o(5)菱方晶系：a=b=c,α=β=γ≠90o(6)正方晶系：a=b≠c,α=β=γ=90o(7)立方晶系：a=b=c,α=β=γ=90o晶系空间点阵分图号晶系空间点阵分图号三斜简单三斜（1）六方简单六方（8）单斜简单单斜（2）正方简单正方（9）底心单斜（3）体心正方（10）正交简单正交（4）菱方简单菱方（11）底心正交（5）立方简单立方（12）体心正交（6）体心立方（13）面心正交（7）面心立方（14）15§1.2.1晶体学基础1.2.1.4晶向指数和晶面指数晶向晶体中某个方向。晶面晶体中原子所构成的平面。晶向指数确定晶向在晶体中的相对取向。晶面指数确定晶面在晶体中的相对取向。国际上通用的是密勒(w．H．Miller)指数。16§1.2.1晶体学基础晶向指数确定方法：1.建立坐标系→确定原点（阵点）坐标轴和度量单位（棱边）2.求坐标（x,y,z）3.化整数x:y:z＝u:v:w→加[]→[uvw]（最小整数）如果其中某一数为负值，则将负号标注在该数的上方。晶向族原子排列相同但空间位向不同的所有晶向的统称，以uww表示。晶向指数的确定正交点阵中几个晶向的晶向指数17§1.2.1晶体学基础晶面指数确定方法：1.建立坐标系→确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位2.量截距x,y,z→取倒数1/x,1/y,1/z3.化整数h,k,l=1/x:1/y:1/z→加（）→（hkl）指数数字相同而符号相反，是由原点选取不同造成，它们仍互相平行。晶面族晶体中凡是具有相同的原子排列方式而只是空间位向不同的各组晶面的统称，用{hkl}表示。晶面（密勒）指数的确定方法晶面（密勒）指数的标定§1.2.1晶体学基础几个晶面的晶面指数18注意：指数数字相同而符号相反，是由原点选取不同造成，它们仍互相平行。晶面族晶体中凡是具有相同的原子排列方式而只是空间位向不同的各组晶面的统称，用{hkl}表示。在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定是相垂直的，即[hkl]垂直于（hkl）。此关系不适用于其它晶系。19§1.2.1晶体学基础六方晶系中的晶向、晶面指数六方晶系的等价晶面和晶向指数六方晶系的四轴系统六方晶系参阅下图，a、b、c为晶轴，而a与b间的夹角为120度。按这种方法，六方晶系六个柱面的晶面指数应为（100）、（010）、（10）、（00）、（00）、（10）。这六个面是同类型的晶面，但其晶面指数中的数字却不尽相同。晶向指数也有类似情况，例如[100]和[110]是等同晶向，但晶向指数却不相同。1111六个柱面的指数：（100）、（010）、（100）、（010）、（010）、（100），可以把它们归并为{100}晶面族。§1.2.1晶体学基础六方晶系四指数标定：以a1、a2、a3和c四个轴为晶轴，a1、a2、a3彼此间的夹角均为120度。晶面指数的标定标法---与立方系相同(四个截距)，用四个数字(hkil)表示，其中i=-(h+k)。20六方晶系面指数1111111§1.2.1晶体学基础晶向指数的确定须用[uvtw]四个数来表示，其中：t＝-（u＋v）根据上述规定，当沿着平行于a1、a2、a3轴方向确定a1、a2、a3坐标值时，必须使沿a3轴移动的距离等于沿a1、a2轴移动的距离之和的负数。三轴坐标系标出的晶向指数[UVW]与四轴坐标系标出的晶向指数[uvtw]存在下列关系：u＝[2U－V]/3;v＝[2V－U]/3;t＝-[U＋V];w＝W对于六方晶系，可先用三轴坐标系标出给定晶向的晶向指数，再利用上述关系按四轴坐标系标出该晶向的晶向指数。这是一种比较方便的办法。21§1.2.1晶体学基础六方晶系的一些晶向指数与晶面指数§1.2.1晶体学基础1.2.1.5晶面间距低指数晶面的面间距较大；晶面间距越大，面上原子排列越紧密；原子线密度最大的晶向上面间距最大。§1.2.1晶体学基础对立方晶系对正交和四方晶系（四方晶系中a＝b）对六方晶系§1.2.1晶体学基础必须注意:按以上这些公式所算出的晶面间距是对简单晶胞而言的，如为复杂晶胞（例如体心立方、面心立方等），在计算时应考虑到晶面层数增加的影响。例如，在体心立方或面心立方晶胞中，上、下底面（001）之间还有一层同类型的晶面[可称为(002)晶面]，故实际的晶面间距应为d001/2。§1.2.1晶体学基础1.2.1.6晶面夹角两个空间平面的夹角，可用它们的法线的夹角来表示，因此晶面的夹角也可看成是两个晶向之间的夹角。根据空间几何关系，可以证明：两个晶向[u1v1w1]和[u2v2w2]之间的夹角φ有如下的关系。2627§1.2.2晶体结构及其几何特征1.2.2.1金属中常见晶体结构工业上使用的金属约40种，除少数具有复杂的晶体结构外，大多数金属具有比较简单的高对称性晶体构。最常见的只有三种：面心立方(fcc)；体心立方(bcc)；密排六方(hcp)面心立方28§1.2.2晶体结构及其几何特征体心立方密排六方29§1.2.2晶体结构及其几何特征晶胞原子数：fcc=4；bcc=2；hcp=6点阵常数：晶胞大小是用点阵常数来衡量的，它是表征物质晶体结构的一项基本参数。§1.2.2晶体结构及其几何特征晶体原子排列的紧密程度1.配位数（CN）：晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。fcc（CN）=12；bcc（CN）=8；hcp（CN）=122.致密度（k）：晶体结构中原子体积占总体积的百分数,k=nv/V。fcc（k）=0.74；bcc（k）=0.68；hcp（k）=0.74§1.2.2晶体结构及其几何特征晶体结构中的间隙1.体心立方结构中的间隙31体心立方点阵中的间隙§1.2.2晶体结构及其几何特征体心立方晶体中八面体空隙与四面体空隙的位置32§1.2.2晶体结构及其几何特征2.面心立方结构中的间隙面心立方点阵中的间隙§1.2.2晶体结构及其几何特征*设原子半径为rA，间隙中能容纳的最大圆球半径为rB，则可求面心立方结构的四面体间隙和八面体间隙的rB/rA数值。面心立方晶体中间隙的刚球模型rB/rA=0.414rB/rA=0.225§1.2.2晶体结构及其几何特征面心立方晶胞中两个四面体空隙的位置面心立方晶胞中两个八面体空隙的位置35§1.2.2晶体结构及其几何特征3．密排六方结构中的间隙36密排六方点阵中的间隙§1.2.2晶体结构及其几何特征三种典型晶体中的间隙晶体结构八面体间隙四面体间隙间隙数/原子数rB/rA间隙数/原子数rB/rAbcc6／2＝30.15512／2＝60.291fcc4／4＝10.4148／4＝20.225hcp6／6＝10.41412／6＝20.22538§1.2.2晶体结构及其几何特征晶体中原子的堆垛方式思考：为何面心立方和密排六方结构具有相同的配位数及致密度，却有着不同的晶体结构？二维排列方式密排面原子排列方式§1.2.2晶体结构及其几何特征空隙位置和密排面的堆积方法39§1.2.2晶体结构及其几何特征面心立方晶体中的密排面1.面心立方结构的堆垛方式以密排面{111}沿﹤111﹥方向按ABCABC……顺序堆垛而成40§1.2.2晶体结构及其几何特征2.面排六方结构的堆垛方式以密排面{0001}沿﹤0001﹥方向按ABAB……顺序堆垛而成§1.2.2晶体结构及其几何特征1.2.2.2陶瓷的晶体结构陶瓷是一种多晶态无机材料，是粉末烧结体，一般由结晶相、玻璃相和气相(气孔)交织而成。陶瓷可以是只含一种结晶相的单晶相多晶体，也可以是含有多种晶相的多晶相多晶体，也就是说除了主晶相外，还有其它副晶相。陶瓷中主晶相主要有硅酸盐、氧化物和非氧化物三种，主晶相的性能往往能表征材料的基本特性，而且习惯上也用主晶相来命名陶瓷。特点：晶体结构复杂，原子排列不紧密，配位数较低。两类结构：1）离子键结合的陶瓷—MgO﹑CaO﹑ZrO2﹑Al2O3等。2）共价键结合的陶瓷—SiC、Si3N4、SiO2等。§1.2.2晶体结构及其几何特征43离子键晶体陶瓷的结构1）离子晶体结构两个面心立方点阵穿插而成的超点阵单胞离子数：8→4Na++4Cl-属CaF2型结构Zr4+占据面心立方结构结点位置O2-处于四面体间隙中心,即(1/4,1/4,1/4)。单胞离子数：12→4Zr4++8O2-O2-处于密排六方结构中的结点上Al3+位