第1章 材料的结构

1第一章材料的结构（TheStructureofMaterials）2用钛—镍形状记忆合金制成的人造卫星天线3“亲生物金属”钛合金4“空间金属”51.1材料的结合方式硅表面原子排列碳表面原子排列6一、化学键组成物质整体的质点间的相互作用力离子键共价键金属键分子键混合键71离子键1、形成当两种电负性相差很大（如元素周期表相隔较远的元素）的原子相互结合时，其中电负性较小的原子失去电子成为正离子，电负性较大的原子获得电子成为负离子，正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键。2、特性无方向性，无饱和性，结合力很大3、具有离子键特性的物质（离子晶体）离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大。离子晶体具有很好的绝缘性。因不吸收可见光，典型的离子晶体是无色透明的。89NaCl晶体结构102共价键1、形成元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由公用电子对产生的结合键称为共价键。2、特性方向性，饱和性，结合力很大3、具有共价键特性的物质（原子晶体）共价晶体强度、硬度高，脆性大，熔点、沸点高，挥发性低。11123金属键1、形成由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。2、具有共价键特性的物质（金属晶体）①、良好的导电性及导热性。②、正的电阻温度系数，即随温度升高电阻增大。③、良好的强度及塑性。④、具有金属光泽。13金属键144分子键（范得瓦尔键）1、形成有些物质的分子具有极性，其中分子的一部分带有正电荷，而分子的另一部分带有负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电引力相引，使之结合在一起称为范德华键（或分子键）。2、特性结合力较弱3、具有共价键物质的特性硬度低、沸点低，绝缘性。15166混合键如复合材料5氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O17二、工程材料的键性18（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。三、结合键分类四、结合键对材料性能的影响191.2晶体学基础1）晶体的概念物质内部质点（原子、分子或离子）在三维空间按一定规律作周期性重复排列形成的物质。例：食盐，水晶，雪花，金刚石、金属与合金，一些陶瓷材料等。一、晶体与非晶体1、晶体（crystal）202）特点a.结构有序b.确定的熔点例：Fe1538℃；Cu1084.5℃Al660.37℃熔点非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线晶体21c.各向异性晶体的某些物理性能和力学性能在不同方向上具有不同的数值。类别弹性模量（MPa）抗拉强度(MPa)延伸率（%）最大最小最大最小最大最小Cu191000667003461285510α-Fe293000125000225158802022d.天然晶体一般具有规则的几何外形例：NaCl，立方体形2.非晶体构成物质的质点在三维空间呈不规则排列。例：玻璃，松香等非晶体的特点是：①结构无序；②物理性质表现为各向同性；③没有固定的熔点；④热导率（导热系数）和膨胀性小；（5）塑性形变大；（6）组成的范围变化大。23Ln55Al25Ni20金属玻璃在拉应力载荷下的超塑变形2425Zr基非晶制作的高尔夫球头太阳风采集器262728二、空间点阵1．晶体结构实际原子、分子、离子或原子集团，按一定几何规律的具体排列方式。刚球模型→用刚球代表空间排列的原子2930晶体结构构成晶体的基元在三维空间的具体的排列方式=空间点阵+基元单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。31322．空间点阵空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。阵点－空间点阵中的点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。晶格－描述晶体中原子排列规律的空间格架。晶胞－空间点阵中最小的几何单元。333．晶胞反映晶格特征的最小几何单元→晶胞。同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞34晶胞选取应满足的条件(1)晶胞几何形状充分反映点阵对称性。(2)平行六面体内相等的棱和角数目最多。(3)当棱间呈直角时，直角数目应最多。(4)满足上述条件，晶胞体积应最小。35晶胞参数：晶胞形状与大小。晶胞各边长度：a，b，c称晶格常数，单位nm各边之间夹角：α，β，γ晶胞参数立方系晶胞立方系：a=b=c，α=β=γ=90o36三、晶系与布拉菲（A.Bravais）点阵1．布拉菲（A.Bravais）点阵A.Bravais，法国晶体学家：根据每个阵点周围环境相同，用数学方法证明晶体空间点阵只有14种。14种空间点阵→布拉菲点阵概括所有晶体结构中原子排列规律。3738晶系棱边长度及夹角关系三斜a≠b≠c,α≠β≠γ≠90o，单斜a≠b≠c,α=γ=90o≠β，正交a≠b≠c,α=β=γ=90o，六方a1=a2=a3≠c,α=β=90o，γ=120o菱方a=b=c,α=β=γ≠90o，四方a=b≠c,α=β=γ=90o，立方a=b=c,α=β=γ=90o，2．晶系3940四、晶面指数与晶向指数1.晶面指数1）晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。2)晶面指数：确定晶面在晶体中取向采用的一种数字符号；国际上：密勒（Miller）指数。413）标定①建立坐标系晶轴x、y、z为坐标轴，坐标系原点位于待定晶面之外；点阵常数a、b、c为x、y、z轴度量单位。②找出晶面在x、y、z三轴上截距晶面如平行某晶轴，相应截距取∞。42③取倒数④化最小整数，并加圆括号，写成（hkl）即为待定晶面密勒（Miller）指数43例：立方晶系中，标出图中所示晶面的晶面指数晶面XYZ取倒数化整数加括号ABCD1∞∞100100(100)AEFD11∞110110(110)DMF？？？？44几点说明：①平行晶面晶面指数相同②参考坐标系→右手坐标系③晶面截距可为负数相应指数上加一“-”号。454）晶面族意义：相同阵点排列方式和面间距，空间位向不同的所有晶面→一晶面族，记为{hkl}。例：立方系{100}：（100）、（010）、（001）{111}：（111）、（111）、（111）、（111）{110}：（110）、（101）、（011）、（110）、（101）、（011）-------4647立方晶系几组晶面及其晶面指标。（100）晶面表示晶面与a轴相截与b轴、c轴平行；（110）晶面表示与a和b轴相截，与c轴平行；（111）晶面则与a、b、c轴相截，截距之比为1:1:1(100)(110)(111)在点阵中的取向48491，所有相互平行的晶面，其晶面指数相同，或者三个符号均相反。可见，晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而且代表着一组相互平行的晶面。2，晶面指数中h、k、l是互质的整数。3，最靠近原点的晶面与X、Y、Z坐标轴的截距为a/h、b/k、c/l。晶面指数特征：即与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。50我们说（553）晶面，实际是指一组平行的晶面。习题xzyabc（1）截距r、s、t分别为3，3，5（2）1/r:1/s:1/t=1/3:1/3:1/5（3）最小公倍数15，（4）于是，1/r，1/s，1/t分别乘15得到5，5，3，因此，晶面指标为（553）。512．晶向指数1）晶向：通过两个或两个以上阵点的直线。2）晶向指数：表示晶向在晶体中位向采用的符号国际上：密勒指数。523）标定①建立坐标系原点位于待定晶向某一阵点；三棱为方向，点阵常数为单位；②求坐标值求出该直线上任意一点的三个坐标值。③化整数加方括号，写为[uvw]即为待定晶向指数。53例：立方系晶胞中，标出图中所示晶向的晶向指数。晶向XYZ化整数加括号OX100100[100]OP110110[110]OR？？？PO？？？54几点说明：1）一晶向指数代表一组位向相同晶向。2）立方系中，相同指数的晶面与晶向互相垂直。例：（100）垂直[100]3）晶向族意义：原子排列规律相同，空间位向不同所有晶向→一晶向族记为uvw。例：100包含[100]、[010]、[001]、[100]、[010]、[001]553．六方晶系中的晶面、晶向指数立方系中的标定方法，原则上适用于任何晶系。六个柱面上原子排列方式相同，应属于同一晶面族，其晶面指数如下：（100）、（010）、（110）（100）、（010）、（110）看不出等同关系。56解决办法：根据六方晶系对称特点，设计四指数法，即以a1、a2、a3、c4个轴为坐标轴；a1，a2，a3之间夹角均为120o；c垂直a1，a2，a3；晶面指数：（hkil）表示晶向指数：[uvtw]表示571）晶面指数的标定标定原则不变。58方法2：用三轴坐标系（a1、a2、c）标出给定晶向指数[UVW]，再用坐标系与四轴坐标系晶向指数关系：u=(2U–V)/3v=(2V–U)/3t=-(U+V)w=W换算成四轴坐标系的指数[uvtw]。2）晶向指数的标定方法1：直接标定注意大小写59604.晶带a:所有平行或相交于同一直线的这些晶面构成一个晶轴，此直线称为晶带轴。属此晶带的晶面称为晶带面。b性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面//晶带轴；hu+kv+lw=06162c晶带定律凡满足上式的晶面都属于以[uvw]为晶带轴的晶带。推论：（a）由两晶面(h1k1l1)(h2k2l2)求其晶带轴[uvw]：(不平行）u=k1l2-k2l1;v=l1h2-l2h1;w=h1k2-h2k1。（b）由两晶向[u1v1w1][u2v2w2]求其决定的晶面(hkl)。h=v1w2-v2w1;k=w1u2-w2u1;l=u1v2-u2v1。635．晶面间距dhkl64可用下式计算d=V[h2b2c2sin2α+k2a2c2sin2β+l2a2b2sin2γ+2hkabc2(cosαcosβ-cosγ)+2kla2bc(cosβcosγ-cosα)+2hlab2c(cosαcosγ-cosβ)]-1/2式中：V=abc(1-cos2α-cos2β-cos2γ+2cosαcosβcosγ)1/265晶面间距的求法hkl21dhklabc22直角坐标系＝（）＋（）＋（）hkl2adhkl22立方晶系＝＋＋hkl21d4hhkkl3ac222六方晶系＝＋＋（）＋（）09066上述公式仅适用于简单晶胞,对于复杂晶胞则要考虑附加面的影响立方晶系：fcc当（hkl）不为全奇、偶数时，有附加面：bcc当h＋k＋l＝奇数时，有附加面：{100}，{111}六方晶系hkl2adhkl221＝，如{100},{110}2＋＋h2k3nn0123当＋＝（＝，，，，），l=奇数，有附加面：hkl21d4hhkkl3ac2221＝，如{000}面2＋＋（）＋（）67低指数晶面的面间距较大；晶面间距越大,该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。重要！68练习题金属镍立方晶胞中（111）晶面的晶面间距d111为2.035Å，求其（220）晶面间距d220。525.33*035.2111111da222lkhadhkl利用：求得:Å246.1022525.3222220d于是:Å696．极射赤面投影1）参考球和极射赤面投影参考球和立方晶体的球面投影晶体的极射赤面投影702）吴氏网吴氏网实际上就是球网坐标的极射平面投影先将投影图画在透明纸上，其基圆的直径与所用吴氏网的直径相等，然后将此透明纸复合在吴氏网上进行测量，在测量夹角时同样应使两极点位于吴氏网经线或赤道(即大圆)上。71723）标准投影图对于立方晶系，具有相同指数的晶面和晶向相互垂直，因此极点即代表晶向又带表晶面73一、典型金属的晶体结构工业上使用金属：约40种，少数具有复杂晶体结构，多数具有高对称性简单晶体结构。常见金属晶体结构有3种：体心立方：记为BCCorbcc面心立方：记为FCCorfcc密排六方：记为HCPorhcp1.3材料的晶体结构741、BCC结构body-centredcubiclatti