第讲 无机非金属材料结构基础固体中的有序排列小时.pptVIP

前面介绍了原子和原子之间的结合，接下来要考察原子在材料中的排列。 一、结晶特性 材料也和力学体系一样，其能量越低，则体系越稳定，这是普遍规律。就物质的内能而言，E熔E非E晶 。 几乎所有金属，大部分无机非金属及一些高分子材料在凝固时都要发生结晶（为什么？）。所谓结晶就是质点沿三维方向排列形成有序的结构。这种结构的物质叫晶体，晶体结构的特征是长程有序或远程有序。 二、晶胞的概念 为了讨论问题方便，将晶体结构划分为一个个小的晶胞。晶胞是晶体结构的重复单元，它能表现出一定晶体结构的原子相对位置和总体对称性。 各晶胞内的等同位置在相同方向上相同的距离内有着同样的周围环境，如原子、离子配位数等。 晶体内长程有序排列的重复距离称为点阵常数，它代表晶胞的大小，所谓点阵是晶体沿三维方向扩展的重复排列，下图是二维晶体示意图： ①沿x、y方向质点的排列在相距a处出现重复； ②a是晶胞的边长； ③对于三维结构，沿x、y、z方向质点的排列在相距一定距离处出现重复，三个方向的距离可以相同，也可以不同，三个晶轴间夹角可以相等，也可以不等。 三、晶系 根据晶胞的几何特征，可分为七个晶系。 ①立方晶系：沿三个垂直方向有相同的排列。a1＝a2＝a3或a＝b＝c,轴之间夹角α＝β＝γ＝90o。 ②正方晶系：沿两个方向有相同的排列a＝b≠c，轴间夹角α＝β＝γ＝90o。 ③正交晶系：沿三个方向可重复距离不同a≠b≠c，轴之间夹角α＝β＝γ＝90o。 ④单斜晶系：a≠b≠c，两个夹角为90o，另外一个不等于90o。 ⑤三斜晶系：a≠b≠c，α≠β≠γ≠90o。 ⑥六方晶系：a1＝a2≠c,夹角为90o和120o。 ⑦菱方晶系：a1＝a2＝a3，α＝β＝γ≠90o。 四、点阵常数计算 例：铬原子属于立方晶系（体心立方），每个晶胞内有两个原子，铬的密度为7.20g/cm3,原子量为52，试确定点阵常数。 五、立方点阵结构特征 立方晶体有三种点阵：简单立方点阵，体心立方点阵，面心立方点阵。简立方点阵：simple cubic (SC)；体心立方点阵：body-centered cubic (BCC)；面心立方点阵：face-centred cubi (FCC)。绝大部分金属具有体心立方结构和面心立方结构。 如果原子半径不同，如由两种不同的原子或离子堆积时，可以用r1、r2或r+、r-来代替相应位置上原子进行计算。例如：离子晶体NaCl,晶胞大小为(afcc）NaCl＝2(rNa+＋rCl-) 六、六方晶系 表示方法（示意图） a1与a2之间夹角为120o，两者表示均可以，前者体积是后者的3倍，原子数也是后者的3倍。 这种排列的致密度较低，金属一般不会按这种原子排列结晶，多按密排六方结构堆积Hexagonal close-packed(hcp)，特点是一层上的每个原子都直接位于相邻的上一层（或下一层）三个原子的间隙中。 因此，每个原子要与上一层三个原子，下一层三个原子，同层六个原子接触，最近邻数为12。 例1.hcp晶胞体积的计算。如镁的致密度为1.74Mg/m ，原子量是24.31。 1.每个晶胞原子数： 2(顶角原子)＋ ＋3(菱形中心原子)＝6 2.1m 中原子个数：(1.74×106g/m )÷（ ）＝4.31×1028原子 3.晶胞体积：＝1.4×10-28m ＝0.14nm（每个晶包中的原子个数除以1立方米中的原子个数） 例2.如原子是球形的，问hcp 金属的c/a之比是多少？ 解：六角形中心原子与三个菱形中心原子构成正四面体（C是Z轴方向的高度） 七、多晶型 多晶型是两种或两种以上成分相同，但结构不同的晶体，如碳的两种多晶型：石墨和金刚石。 金属多晶型的例子主要是铁，之所以对钢进行热处理以改进其性能正是由于下述事实：当铁加热时，是从bcc变成fcc点阵。且这种变化在温度降低时是可逆的。 室温下bcc铁的原子邻近数（配位数）是8，致密度为0.68。纯铁在912o时由bcc→fcc,此时配位数为12，致密度为0.74。另外还有许多其它成分的材料也有两种或两种以上的多晶型。如ZrO2、SiC