第一章固体材料的结构.docx
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第一章固体材料的结构
第一章固体材料的结构
Chapter1.TheStructureofMaterials
本章要讨论的主要问题是：
（1）为什么原子能结合成固体？
（2）材料中存在哪几种键合方式？
（3）决定键合方式的主要因素有哪些？
（4）材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？
（5）如何描述晶体中原子的排列？
（6）金属晶体有哪些常见的晶体结构？
QuestionsforChapter1
1.Whatiscrystalstructure?
2.Whatiscrystallattice?
3.Howmanytypesofbondingbetweenatoms?
Whatarethemostimportantfactorsindeterminingthetypesofbonds?
4.Whatistherelationshipbetweenbondsandpropertiesofmaterials?
5.Howtodescribetheatomarrangementincrystalline?
6.Whatarethemostmetal’scrystalstructures?
1-1几何晶体学的基本知识
Sec.1.1TheFundamentalsofGeometricCrystallology
Themostimportantaspectofanyengineeringmaterialisitsstructure,becauseitspropertiesarecloselyrelatedtothisfeature.Tobesuccessful,amaterialsengineermusthaveagoodunderstandingofthisrelationshipbetweenstructureandproperties.
1、原子之间的键合Thetypesofbonds
Atomicscalestructure:
Byatomicstructurewemean
（1）Thetypesofatomspresent;
（2）Thetypesofbondingbetweentheatoms;
（3）Thewaytheatomsarepackedtogether.
Thetwomajorclassesofatomicbondsareprimaryandsecondarybonds.
Primarybondsaregenerallyoneormoreordersofmagnitudestrongerthansecondarybonds.
Thethreemajortypesofprimarybondsareionic,covalentandmetallicbonds.Allprimarybondsinvolveeitherthetransferofelectronsfromoneatomtoanotherorthesharingofelectronsbetweenatoms.
Oneoftheimportantfactorsindeterminingthetypeofbandthatanatomwillformisitselectronegativity.
（1）离子键与离子晶体Ionicbonding
ThemostcommontypeofbondinacompoundcontainingbothelectropositiveandelectronegativeelementsistheIonicbonds.Thisbondinvolveselectrontransferfromtheelectropositiveatomtotheelectronegativeatom.
原子结合：
电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；
离子晶体：
硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体covalentbonding
Covalentbondsformincompoundscomposedofelectronegativeelements,especiallythosewithfourormorevalenceelectrons.Sincetherearenoelectropositiveatomspresent,the“extra”electronsrequiredtofillthevalenceshelloftheelectronegativeatomsmustbeobtainedbysharingelectrons.
原子结合：
电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；
原子晶体：
强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体metallicbonding
Solidcomposedprimarilyofelectropositiveelementscontainingthreeoffewervalenceelectronsaregenerallyheldtogetherbymetallicbonds.Asmentionedabove,theelectropositiveelementscanobtainastableelectronconfigurationby“givingup”theirvalenceelectrons.Sincenoelectronegativeatomspresenttoreceivethe“extra”electrons,theyareinsteaddonatedtothestructureingeneral.Thatis,theyaresharedbyalloftheatomsinthecompound.
原子结合：
电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；
金属晶体：
导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：
依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（4）分子键与分子晶体VanderWaalsbonding
原子结合：
电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：
熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：
（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O
（5）混合键mixedbonding
Incompoundsinvolvingmorethanoneelement,ionicbondsarefavoredwhenthedifferenceinelectronegativitiesislarge,andcovalentbondsarefavoredwhenthedifferenceinelectronegativitiesissmall.Thetransitionfrompureionictopurecovalentbondingisgradual,andmanycompoundsdisplayabondwithmixedionic/covalentcharacteristics.
实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为混合键
金属中主要是金属键，还有其他键如：
共价键、离子键
陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合
一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力
聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键
2、原子之间的结合力与结合能
Thebond-forceandbond-energybetweenatoms
Theinternalenergyofacrystalisconsideredtobecomposedoftwoparts.First,thereisthelatticeenergyUthatisdefinedasthepotentialenergyduetotheelectrostaticattractionsandrepulsionsthatatomserectononeanother.Second,thereisthethermalenergyofthecrystal,associatedwiththevibrationsofatomsabouttheirequilibriumlatticepositions.
Theequilibriumdistancebetweenatomsiscausedbyabalancebetweenrepulsiveandattractiveforces.Inthemetallicbond,forexample,theattractionbetweentheelectronsandtheioncoresisbalancedbytherepulsionbetweenioncores.Equilibriumseparationoccurswhenthetotalinter-atomicenergy（IAE）ofthepairofatomsisataminimum,orwhennonetforceisactingtoeitherattractorrepeltheatoms.
Theminimumenergyisthebindingenergy,ortheenergyrequiredtocreateorbreakthebond.Consequently,materialshavingahighbindingenergyalsohaveahighstrengthandahighmeltingtemperature.Ionicallybondedmaterialshaveaparticularlylargebindingenergybecauseofthelargedifferenceinelectro-negativitiesbetweentheions.Metalshavelowerbindingenergiesbecausetheelectro-negativitiesoftheatomsaresimilar.
Itisimportanttorecognizethattherelationshipsbetweenthebond-energycurveandmacroscopicpropertiesdevelopedinthissectionshowgeneraltrends.Theyareextremelyhelpfulinunderstandingandpredictingrelativedifferencesinpropertiesbetweendifferentmaterials.
3布拉菲点阵Bravaislattice
Alatticecanbedefinedasanindefinitelyextendedarrangementofpointseachofwhichissurroundedbyanidenticalgroupingofneighboringpoints.
Thereare14valid3-Dlattices,onwhichthebasis-atomsorgroupsofatomscanbeplaced.TheyarecalledBravaislattices.Eachofthelatticepointsisequivalent;thatis,thelatticepointsareindistinguishable.
14种点阵分属7个晶系。
4晶向指数与晶面指数Millerindices
Millerindicesaresymbolstodescribetheorientationinspaceofimportantcrystallographicdirectionsandplanes.
Themillerindexnotationnotonlysimplifiesthedescriptionofdirections,butalsopermitssimplevectoroperationslikethedotandcrossproducts.
晶向：
空间点阵中各阵点列的方向。
晶面：
通过空间点阵中任意一组阵点的平面。
国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。
（1）晶向指数的标定IndicesofDirections
Millerindicesfordirectionsareobtainedusingthefollowingprocedure:
a建立坐标系。
确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。
b求坐标。
u’,v’,w’。
c化整数。
u,v,w.
d加[]。
[uvw]。
说明：
a指数意义：
代表相互平行、方向一致的所有晶向。
b负值：
标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。
c晶向族：
晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。
用表示，数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。
（2）晶面指数的标定IndicesofPlanes
Millerindicesforplanesareobtainedusingthefollowingprocedure:
a建立坐标系：
确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位。
b量截距：
x,y,z。
c取倒数：
h’,k’,l’。
d化整数：
h,k,k。
e加圆括号：
（hkl）。
说明：
a指数意义：
代表一组平行的晶面；
b0的意义：
面与对应的轴平行；
c平行晶面：
指数相同，或数字相同但正负号相反；
d晶面族：
晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面。
用{hkl}表示。
e若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;
f若晶面与晶向垂直，则u=h,k=v,w=l。
（3）六方系晶向指数和晶面指数IndicesintheHexagonalSystem
Thenotationusedtodescribedirectionsandplanesinhexagonallatticeissimilartothatusedincubicsystems.Therearefourcrystallographicaxesinthecenterofthebasalplane.
a六方系指数标定的特殊性：
四轴坐标系（等价晶面不具有等价指数）。
b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；i=-（h+k）。
c晶向指数的标定
标法与立方系相同（四个坐标）；用四个数字（uvtw）表示；t=-（u+w）。
依次平移法：
适合于已知指数画晶向（末点）。
坐标换算法：
[UVW]~[uvtw]
u=（2U-V）/3,v=（2V-U）/3,t=-（U+V）/3,w=W。
（4）晶带
a定义：
平行于某一晶向直线所有晶面的组合。
晶带轴晶带面
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=0
c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]：
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=v1w1-v2w2;k=w1u2-w2u1;l=u1v2-u2v1。
（5）晶面间距interplanarSpacing
ThedistancebetweentwoadjacentparallelplanesofatomswiththesameMillerindicesiscalledtheinterplanarspacing.
a定义：
一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。
b计算公式（简单立方）：
d=a/（h2+k2+l2）1/2
注意：
只适用于简单晶胞；对于面心立方hkl不全为偶、奇数、体心立方h+k+l=奇数时，d（hkl）=d/2。
1-2纯金属的晶体结构
Sec.1.2TheCrystalStructuresofPureMetals
1空间点阵与晶体结构crystallatticesandcrystalstructures
Alatticeisacollectionofpoints,calledlatticepoints,whicharearrangedinaperiodicpatternsothatthesurroundingsofeachpointinthelatticeidentical.
Inmaterialsscienceandengineering,weusetheconceptoflatticetodescribearrangementsofatomsorions.Agroupofoneormoreatoms,locatedinaparticularwaywithrespecttoeachotherandassociatedwitheachlatticepoint,isknownasthemotiforbasis.Weobtainacrystalstructurebyaddingthelatticeandbasis（i.e.,crystalstructure=lattice+basis）.
Acrystalisdefinedasanorderlyarrayofatomsinspace.
（1）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。
（2）特征：
a原子的理想排列；b有14种。
其中：
空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（3）晶体结构：
原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：
a可能存在局部缺陷；b可有无限多种。
2晶胞UNITCELL
A.unitcell
Theunitcellofacrystalstructureisthesmallestgroupofatomspossessingthesymmetryofthecrystalwhich,whenrepeatedinalldirections,willdevelopthecrystallattice.
B.body-centeredcubiclattice
Thebody-centeredcubiclatticethushastwoatomsperunitcell;onecontributedbythecorneratoms,andonelocatedatthecenterofthecell.
C.face-centeredcubiclattice
Theunitcelloftheface-centeredcubiclatticehasanatominthecenterofeachface.Theface-centeredcubiclatticehasatotaloffouratomsperunitcell,ortwiceasmanyasthebody-centeredcubiclattice.
（1）定义：
构成空间点阵的最基本单元。
（2）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。
（4）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。
（5）晶胞中点的位置表示（坐标法）。
3三种常见晶体结构
Therearemanydifferenttypesofcrystalstructures,someofwhicharequitecomplicated.Fortunately,mostmetalscrystallizeinoneofthreerelativelysimplestructures:
theface-centeredcubic,thebody-centeredcubic,andtheclose-packedhexagonal.
面心立方（A1,FCC）体心立方（A1,BCC）密排六方（A3,HCP）
晶胞原子数426
点阵常数a=2/2ra=4/3/3ra=2r
配位数128（8＋6）12
致密度0.740.680.74
堆垛方式ABCABC..ABABAB..ABABAB..
结构间隙正四面体正八面体四面体扁八面体四面体正八面体
（个数）84126126
（rB/rA）0.2250.4140.290.150.2250.414
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。
致密度（K）：
晶体结构中原子体积占总体积的百分数。
K=nv/V。
间隙半径（rB）：
间隙中所能容纳的最大圆球半径。
3.1THEBODY-CENTEREDCUBICSTRUCTURE
Itisfrequent
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