固体结构--晶体学基础 (1)

第二章 固体结构 • 点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点即可得到一 个由无数几何点在三维空间排列成规则的空间格架(阵列)称 为空间点阵，简称点阵(space lattice) 。特征：每个阵点在 空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding) • 晶胞：从晶格中选取一个具有代表性的能完全反映晶格特 征的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，这 种最小的几何单元称晶胞(cell)。晶胞是晶体中的重复单元， 它平行堆积可充满三维空间，形成空间点阵。
远 较近
作用力
小 中等
固定体积
无 有
形状
无 无
液态
(liquid state)
固态
(solid state)
结晶
非晶
有规律
局部有序
小
小
强
强
有
有
有
有
第二章 固体结构 晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即 晶体是具有格子构造的固体。 • 晶体与非晶体的区别： １.原子规则排列：晶体中原子（分子或离子）在三维空间 呈周期性重复规则排列，存在长程有序，而非晶体的原子无 规则排列的。 ２.是否有固定熔点：晶体具有固定的熔点，非晶体无固定 的熔点，液固转变是在一定温度范围内进行。 3.各向异(同)性：晶体具有各向异性（anisotropy），非晶 体为各向同性。 • 绝大部分陶瓷、少数高分子材料、金属及合金是晶体；多 数高分子材料、玻璃及结构复杂材料是非晶体。 注意： • 1. 实际金属为多晶体，伪各向同性; • 2. 晶体、非晶体间可相互转化。晶体在一定条件下可以转 化为晶体 •
第二章 固体结构
2.１ 晶体学基础
2.1.1 空间点阵与晶胞
•
阵点：为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性， 可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简 化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何 点，称之为阵点(lattice point)。它是纯粹的几何点， 各点周围环境相同。 • 空间格子：把晶体中质点的中心用直线联起来构成 的空间格架即晶体格子，简称晶格 (space lattice) 。 是用来描述晶体中原子排列规律的空间格架。
常数、七种晶系的各自特点。 3. 体心、面心立方和密排六方晶胞，根据原子半径计算出金属的晶胞常 数。掌握三种典型晶体结构的特征(包括：晶胞形状、晶格常数、晶胞原子 数、原子半径、配位数、致密度、各类间隙尺寸与个数，最密排面(滑移面) 和最密排方向的指数与个数，滑移系数目等) 。
•
4. 晶面指数、晶向指数，能标注体心、面心立方和密排六方晶胞的晶向 和晶面指数。晶面族，晶向族，晶带轴，晶面与晶向平行或垂直，晶向和 晶面指数的一些规律。求晶面间距d（hkl）、晶面夹角。晶带定理。
Z
α β O γ
c
Y
X
b
第二章 固体结构
选取晶胞的原则
同一空间点阵可因选取方 式不同而得到不相同的晶 胞。 选取晶胞遵循的原则： • 1 、单元应反映出点阵的 高度对称性 • 2 、棱和角相等的数目最 多 • 3 、棱边夹角为直角时 ， 直角数目最多 • 4 、当满足上述条件的情 况下，晶胞体积最小
第二章 固体结构
• • 5.合金、合金系、相、组元、组织、显微组织、宏观组织；
合金相结构分类；影响相结构因素。
6.固溶体的分类、特点和性质，影响固溶体固溶度的因素。(置换固溶 体和间隙固溶体，有限固溶体和无限固溶体，有序固溶体和无序固溶体，
端部固溶体和中间固溶体，一次固溶体和二次固溶体)。
中间相的类型和特点。 • • • 7.晶粒、晶界、各向同性与各向异性、同素异构转变(重结晶)和多晶型
第二章 固体结构
空间点阵类型
• 根据６个参数间的相互关系可将全部空间点阵归为七大晶系； 根据“每个阵点的周围环境相同”的要求，可导出十四种 （称为布拉菲点阵）。晶系和点阵类型如表2.1、2.2中所示 （十四种空间格子） • 七大晶系和十四种空间格子 七大晶系： 1.三斜晶系（triclinic system）:简单三斜 2.单斜晶系（monoclinic system）：简单、底心单斜 3.正交晶系（orthogonal system）：简单、底心、体心、 面心正交 4.四(正)方晶系（tetragonal system）：简单、体心四方 5.立方晶系（cubic system）：简单、体心、面心立方 6.六方晶系（hexagonal system）：简单六方 7.菱形晶系（rhombohedral system）：简单菱方
晶 格 示 意 图
第二章 固体结构
晶胞大小和形状表示方法
• 晶胞参数：晶胞的形状和大小可以用6 个参数来表示，此即晶格特征参数， 简称晶胞参数。它们是3条棱边的长度 a、b、c （称为点阵常数、晶格常数 (lattice constants /parameters))和 3条棱边的夹角、、 （称为晶轴间 夹角）
第二章 固体结构
本章主要内容
• • • • • • • 1、晶体学基础 2、金属的晶体结构 3、合金相结构 4、离子晶体的结构 5、共价晶体的结构 6、聚合物晶体结构 7、非晶态结构
第二章 固体结构
本章要求掌握的内容
• 1.晶体和非晶体的区别。
•
•
2.晶体结构与空间点阵、晶格、晶胞与原胞、晶系，布拉菲点阵，点阵
第二章 固体结构
单晶体的异向性
金属 Cu Al Ag 最大弹性模量 (MPa) 190000 75500 115000 晶向 [111] [111] [111] 最小弹性模量 晶向 (MPa) 66700 62800 43200 [100] [100] [100]
α-Fe Au
284000 112000
[111] [111]
132000 41200
[100] [100]
第二章 固体结构
晶态与非晶态
第二章 固体结构 补充概念： 1、晶态(crystalline state)：各向异性，原子规排，固定熔点， 长程有序 2、非晶态(noncrystalline state)：各向同性，无固定熔点， 没规则外形，长程无序，短程有序（玻璃） 3 、准晶态 (quasicrystalline state) ：具有一般晶体不能有的 对称性（如五次对称轴） 4、液晶(liquid crystals)：有机物加热时所经历的某一不透明 的浑浊液态阶段（中间相），具有和晶体相似的性质，又称 中间相或介晶。 5、超晶格(点阵)(super lattice)：是将两种或两种以上不同材 料按照特定的迭代序列、沉积在衬底上而构成的（可是周期、 准周期、随机三种）；超晶格自然界不存在，人工生长出来 的，用于半导体薄膜。
性转变，单晶与多晶。
8.离子化合物的结构类型和特点，硅酸盐结构的一般特点。 9.共价晶体的特点。
第二章 固体结构
概 述
物质按聚集状态分类有三种主要状态：气态、液态和固态
按原子或分子排列规律性分：晶体(crystal)和非晶体
(noncrystal) 气态
(gas stHale Waihona Puke Baidute)
排列
无规律 局部有序
距离