材料成型基本原理课件第二章.ppt

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1、第二章晶体结构(CrystalStructure)本章要讨论的主要问题是：(1)原子是以何种聚集方式形成固体结构的？(2)如何描述晶体中原子的排列？(3)金属晶体有哪些常见的晶体结构第一节晶体学（Crystallography）基础一、晶体的特征固态物质按其原子或分子的聚集状态可分为两大类，一类是晶体，另一类是非晶体。图2-101晶体中原子在空间的排列晶体(Crystal)就是原子（或离子、分子、原子集团）在三维空间呈有规律的周期性重复排列的固体。即不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离也称为周期。显然，沿不同的方向有不同的周期。非晶体(Am

2、orphous)不具有上述特征。在非晶体中原子（或分子、离子）无规则地堆积在一起。液体和气体都是非晶体。在液体中，原子也处于相对紧密聚集的状态，但不存在长程的周期性排列。对于金属液体的结构，我们在学习第六章时将会有进一步的了解。固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体，只是它的物理性质不同于通常的液体。玻璃是一个典型的固态非晶体，所以，往往将非晶态称为玻璃态。几点说明：（1）绝大多数固体物质为晶体；（2）晶态与非晶态在一定的条件下可以相互转化；　　如非晶态的玻璃经高温长时间加热后即可转变为晶态玻璃。（3）晶体有固定的熔点，而非晶体只有一个软化温度范围;（4）晶体具有各向异性（A

3、nisotropy），而非晶体却为各向同性（Isotropy）。二、空间点阵（SpaceLattice）晶体中原子或原子集团排列的周期性规律，可以用一些在空间有规律分布的几何点来表示。并且，令沿任一方向上相邻点之间的距离就等于晶体沿该方向的周期。这样的几何点的集合就构成空间点阵（简称点阵），每个几何点称为点阵的结点或阵点。既然点阵只是表示原子或原子集团分布规律的一种几何抽象，那么，每个结点就不一定代表一个原子。就是说，可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有一群原子（原子集团）。但是，每个结点周围的环境（包括原子的种类和分布）必须相同，亦即点阵的结点都是等同点。图2-103

4、表示的是空间点阵和实际晶体结构之间的关系。图中的图2-103(a)和图2-103(b)都是二维正方点阵，但二者的晶体结构是不同的，因为围绕每个结点的原子分布不同。同样，图中的图2-103(c)和图2-103(d)都是长方点阵，但二者的结构也不同，图2-103(e)则是菱形点阵。三、晶胞（UnitCell）、晶系（CrystalSystem）和点阵类型1.晶胞　　如前所述，空间点阵具有周期性和重复性，图2-102所示的空间点阵可以看成是由最小的单元——平行六面体沿三维方向重复堆积（或平移）而成。这样的平行六面体称为晶胞，如图2-104所示。晶胞的三条棱AB、AD和AE的长度就是点阵沿这

5、些方向的周期，这三条棱就称晶轴。事实上，采用三个点阵矢量a，b，c来描述晶胞是很方便的。这三个矢量不仅确定了晶胞的形状和大小，而且完全确定了此空间点阵。只要任选一个结点为原点，以这三个矢量作平移（即平移的方向和单位距离由点阵矢量所规定），就可以确定空间点阵中任何一个结点的位置：ruvw=ua+vb+wc(2-101)式中ruvw为从原点到某一阵点的矢量，u，v，w分别表示沿三个点阵矢量的平移量，亦即该阵点的坐标值。既然任何晶体的晶胞都可看成是平行六面体，那么不同的晶体的差别在哪里？差别有两点：(1)不同晶体的晶胞，其大小和形状可能不同。(2)围绕每个结点的原子种类、数量及分布可能不同。

6、晶胞的大小显然取决于AB，AD和AE这三条棱的长度a，b和c，而晶胞的形状则取决于这些棱之间的夹角α，β和γ。我们把a，b，c，α，β和γ这6个参量称为点阵常数（LatticeParameter）或晶格常数。2.晶系按照晶胞的大小和形状的特点，也就是按照6个点阵常数之间的关系和特点，可以将各种晶体归于如图2-105所示的7种晶系，准确地说，晶系是根据它的对称性来划分的。金属一般具有立方和六方晶格。图2-105七大晶系的晶体学特征由7种晶系可以形成多少种空间点阵呢？这就取决于每种晶系可以包含多少点阵，或者说，有多少种可能的结点分布方式。为了回答这个问题，我们的基本出发点是：点阵的结点必

7、须是等同点。由于晶胞的角隅、6个外表面的中心（面心）以及晶胞的中心（体心）都是等同点，故乍看起来，似乎每种晶系包括4种点阵，即简单点阵、底心点阵、面心点阵和体心点阵。这样看来，7种晶系总共似乎可以形成4×7=28种点阵。然而，读者如果将这28种点阵逐一画出，就会发现，从对称性的角度看，其中有些点阵是完全相同的。真正不同的点阵只有14种。四、进一步讨论1.布拉菲点阵与复式点阵　　上面讨论的点阵都是由等同点构成的，即按照“每个阵点的周围环境相同”