《金属学与热处理》--02晶体结构--华中科技大学课件.ppt

第二章 材料的晶体结构§2 – 1 晶体结构的基本知识 一、基本概念1. 晶体：原子（或离子、分子)在 三维空间呈周期性规则排列的物 质称为晶体一般情况下金属材料都是晶体 2. 晶格：为表示晶体中原子排列的 规律，用假想的直线连接各原子 的平衡位置而形成的一个三维的 几何格架称晶格晶格中各直线的交点（原子的 平衡位置）称结点13. 晶胞：组成晶格最小的几何单元称晶胞常以晶格常数 a、b、c和轴间夹角 α、β、γ表示晶胞的形 状和大小2根据晶格常数和轴间 夹角的相互关系,对所 有晶体的结构进行分析 ， 共有14种晶体结构 ，而这14种晶体结构又 归属于7个晶系7个晶系的晶格常数 和轴间夹角的相互关系 如右表所示金属常见的晶体结 构是体心立方晶格、面 心立方晶格和密排六方 晶格，分属立方系和六 方系3二、纯金属的晶体结构 1. 体心立方晶格（body-centred cube , 简称 bcc），立方体的8个顶点及中 心都有1个原子 42. 面心立方晶格（ face-centred cube ,简称 fcc ）立方体的8个顶点及每个面的中心 都有1个原子53. 密排六方晶格 （hexagonal close-packed lattice，简称 hcp ）晶胞内每一原子与周围6个原子相切，与上 、下层各3个原子也相切，是最紧密的原子 排列方式。

6比较 fcc、hcp的结构，两者的配位数与致密度都相等，所以, fcc 与 hcp 都是最紧密的原子排列形式fcc hcp7在hcp, fcc的密排面上，每一 个原子都与周围的六个原子相 切，是最紧密的排列Hcp的密排面是底面，上下层密 排面紧密接触堆垛，堆垛次序 是: ABABABAB……; Fcc的密排面是对角面，上下层 密排面紧密接触堆垛，堆垛次 序是:ABCABCABC……;Hcp和fcc密排面的堆垛次序不 同，但都是最紧密排列的形式8§2 – 2 立方晶系中的晶向与晶面晶向：晶体中各方向的原子列 晶面：晶体中各方位的原子面 为了研究晶向与晶面在晶体中的作用，须用数学方式描述 其位向9一、晶向指数 表示各原子列方向的数学符号 1. 标定步骤 ⑴ 从零引射线； ⑵ 取点求坐标；如1，1，0 ⑶ 变简加方括： [ 110 ] （数字间不加标点，0表示平行 于某一坐标平面，有负号则 置于数字上方 ）102. 说明 ⑴一个晶向指数表示一系列平行同向的晶向，[ uvw ]与[ uvw ] 平行反向。

⑵所有原子排列规律相同，方向不同的晶向属同一晶向族 一晶向族中的各晶向的指数的数字相同，但符号、次序不同 ，以〈uvw〉记之如 〈100〉晶向族包括 [100]、 [010]、 [001] 三个晶向及反 向[100]、 [010]、 [001] ，共计 6 个晶向思考：〈123〉晶向族包括多少晶向？11二、晶面指数表示各原子面方位的数学符号 1. 标定步骤 ⑴ 三轴求截距；如1，1/2，∞ ⑵ 截距化倒数；则1， 2， 0 ⑶ 变简加园括： （120） （数字间不加标点，0表示平行于某 一坐标轴，有负号则置于数字上方 ）122. 说明 ⑴一个晶面指数表示一系列平行晶面⑵所有原子排列规律相同，方位不同的晶面属同一晶面族一晶面族中的各晶面的指数的数字相同，但符号、次序不同，以 {hkl} 记之如 {111} 晶面族包括 (111)、(111)、(111)、(111)共计 4个晶面思考：{123}晶面族包括多少晶面？13三、晶向及晶面的原子密度 晶向的原子密度：某晶向单位长度上的原子数， 晶面的原子密度：某晶面单位面积上的原子数 1. 体心立方晶格中的原子密度142. 面心立方晶格中的原子密度15由1., 2. 知：● 在体心立方晶格中原子密度最大的晶向为〈111〉，原子密 度最大的晶面为{110}；在面心立方晶格中原子密度最大的晶向为〈110〉，原子密 度最大的晶面为{111}。

●因晶向及晶面原子密度不同，导致了单晶体在不同方向上表 现出不同的性能，这种现象称为单晶体的各向异性16四、立方晶系中晶向与晶面的位向关系1. 指数相同的晶向与晶面互相垂直 即： （hkl) ⊥ [hkl]2. 如晶向[uvw]与晶面（hkl）满足 hu + kv + lw = 0,则： [uvw] ∥（hkl） 或[uvw] 在（hkl）之上17§2 –３ 密排六方晶格中的晶向与晶面1. 为了确定密排六方晶格中的晶向指数与晶面指数，常采用四轴坐标系：底面用互成120度的三个坐标轴x1、x2、x3，其单位长度为晶格常数a，加上垂直于底面的方向Z，其单位长度为晶格常数c2. 晶向指数与晶面指数的确定步骤与立方晶系相同3.晶向指数与晶面指数的一般形式:[uvtw]与(hkil), 其中：u + v + t = 0 , h + k + i= 0[1212]18§2 – 4 实际金属的晶体结构一、一般为多晶体结构实际金属材料一般为多晶体结构， 由许多外形不规则颗粒状小晶体构 成，这些小晶体称为晶粒，各晶粒 的边界称为晶界伪各向同性：多晶体材料中，尽管 每个晶粒都象单晶体那样呈现各向 异性，但每个晶粒的位向是任意的 ，大量晶粒的各向异性被互相抵消 ，材料整体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。

19二、存在晶体缺陷1. 点缺陷⑴空位：晶体中个别原子离开 平衡位置转移它处，形成没 有原子的空结点，产生空位 ⑵间隙原子：处于晶格间隙中 的原子 ⑶置换原子：占据晶格结点的 异类原子点缺陷附近产生晶格畸变202. 线缺陷 — 位错 dislocation ⑴ 位错的原子模型 位错是晶体中若干列原子发生有规律错排的现象，常见的 有刃位错(edge dislocation)和螺位错两种类型(screw dislocation).21●刃位错：晶体某处出现额外的半 个原子面而形成的位错半原 子面在上，称正刃位错，在下 则称负刃位错①刃边附近的原子都偏离平衡位 置，形成一个晶格畸变的管道 ，这就是位错线，如图中 EF 线②位错线与原子运动方向垂直22●螺位错：晶体某处出现一个螺旋原子 面而形成的位错螺旋原子面向右旋 ，称右螺位错，左旋则称左螺位错①螺位错的位错线如右图的红线所示， 其附近的原子都偏离平衡位置，形成 一个晶格畸变的管道②位错线与原子运动方向平行金属材料内部的位错受力时会运动， 附近产生应力场，位错之间会发生复 杂的交互作用，对金属的力学性能会 有重大的影响23●一条位错线的柏氏矢量是唯一的（与 柏氏回路的大小无关）。

●螺位错的柏氏矢量也可按此步骤求出 ⑵ 柏氏矢量 burgers vector●求柏氏矢量 的步骤①任意确定位错线方向，（假设由里向外）②以位错线正向为轴的右螺旋方向作柏氏回路，Q>> P>>O>>N>>M, Q, M重合③在完整晶体内作相同柏氏回路 ， Q, M不能重合④由终点指向起点的矢量即为所 求24●柏氏矢量的物理意义柏氏矢量表示了位错区域内晶格畸变总 量的大小和晶体相对移动的方向●柏氏矢量的应用——确定位错的性质如位错线⊥柏氏矢量，则为刃位错， 刃位错的正负（半原子面的位置）、位错线 的方向及柏氏矢量的方向符合右手法则如位错线∥柏氏矢量，则为螺位错， 同向为右螺位错，异向为左螺位错故可根据柏氏矢量的方向、位错线的方向 及位错的正负（或左右）三因素中的二因素 确定第三者食指， 位错线方向中指， 柏氏矢量 方向拇指， 位错的正负25⑶ 混合位错设位错环的柏氏矢量B垂直向 上（如左图）位错环上1、2处的 位错线方向分别与B垂直、平行， 根据前述方法，可以确定1、2处分别是正刃位错、右螺位错3处的位错线方向与B斜交，该 处位错由1处的正刃位错和2处的右螺位错混合而成，称为混合位错。

B123263. 面缺陷⑴晶界： 晶界处的原子皆偏离平衡位置 ，形成晶格畸变⑵亚晶界： 晶粒内存在着位向差很小的微 小区域，称为亚晶粒亚晶界 附近也产生晶格畸变晶格畸变会使晶界、亚晶界处 的原子具有较高能量, 易于发生 变化，其力学、物理化学性能 会发生重要改变。