1、材料觀材料觀核心核心組成組成+ +加工工藝加工工藝微觀組織結構微觀組織結構性能性能用途用途結構的含義結構的含義 宏觀結構（眼睛觀察范圍宏觀結構（眼睛觀察范圍-0.1mm） 顯微結構（顯微結構（100 m-0.1 m) 晶體結構（晶體結構（Angstron） 原子結構（電子原子結構（電子+質子質子+中子）中子）物質：氣態、液態、固態物質：氣態、液態、固態固態物質：晶體、非晶體固態物質：晶體、非晶體第第一一章章 固體結構固體結構第第一一章章 固體結構固體結構1.1 晶體學基礎晶體學基礎1.2 金屬的晶體結構金屬的晶體結構1.3 合金相結構合金相結構1.4 離子晶體結構離子晶體結構1.5 共價晶體結

2、構共價晶體結構1.1 晶體學基礎晶體學基礎n空間點陣和晶胞空間點陣和晶胞n點陣幾何元素表示法點陣幾何元素表示法晶向指數、晶面指數晶向指數、晶面指數n1414種布拉維點陣及晶胞種布拉維點陣及晶胞n晶體的晶體的3232種點群及宏觀對稱性種點群及宏觀對稱性n微觀對稱及空間群微觀對稱及空間群1.1 1.1 晶體學基礎晶體學基礎晶體：晶體：原子或分子在三維空間呈有規則的周期性的重原子或分子在三維空間呈有規則的周期性的重復排列。長程有序。復排列。長程有序。金屬、許多陶瓷、部分聚合物。金屬、許多陶瓷、部分聚合物。非晶體：非晶體：原子或分子在空間無規則排列。不具有長程原子或分子在空間無規則排列。不具有長程有序

3、結構的材料。有序結構的材料。晶體概念的發展晶體概念的發展石英晶體石英晶體晶體是具有多面體外形的固體晶體是具有多面體外形的固體Hauy模型：模型：NaCl晶體打碎，晶體打碎，形成無數立方體外形的小晶體，形成無數立方體外形的小晶體，直到最后不能再分的直到最后不能再分的NaCl“分分子子”；認為晶體是由多面體外；認為晶體是由多面體外形的形的“分子分子”構成的構成的天然水晶天然水晶硫硫鈉長石鈉長石 NaAlSi3O8綠柱石綠柱石 Be3Al2(SiO3)6祖母綠祖母綠藍寶石藍寶石放大放大10001000倍的雪花倍的雪花晶體概念的發展晶體概念的發展幾種不同外形的石英晶體幾種不同外形的石英晶體內部質點的規

4、則排列形成規內部質點的規則排列形成規則的多面體外形則的多面體外形晶體的棱角：面和棱的存在以及它們之間的規晶體的棱角：面和棱的存在以及它們之間的規則性是晶體的宏觀特性之一。晶體自發生長成則性是晶體的宏觀特性之一。晶體自發生長成規則幾何外形的性質稱為自限性。互相平行的規則幾何外形的性質稱為自限性。互相平行的面之間的夾角是守恒的，這些平行的面稱為對面之間的夾角是守恒的，這些平行的面稱為對應面，對應面的這種關系稱為面角守恒定律。應面，對應面的這種關系稱為面角守恒定律。晶體概念的發展晶體概念的發展Hauy提出的晶體結構示意圖提出的晶體結構示意圖晶體概念的發展晶體概念的發展惠更斯提出（惠更斯提出（1690

5、年）：晶體中質點的有序排列導致年）：晶體中質點的有序排列導致晶體具有某種多面體外形。后來在布拉菲（晶體具有某種多面體外形。后來在布拉菲（Bravais）等人的努力下，發展成為晶體的點陣結構理論等人的努力下，發展成為晶體的點陣結構理論晶體概念的發展晶體概念的發展 18951895年倫琴發現了年倫琴發現了X X射線射線 19121912年勞厄用晶體作光柵，用年勞厄用晶體作光柵，用X X射線作光源，發射線作光源，發現現X X射線在晶體中的衍射現象射線在晶體中的衍射現象 首先證實了晶體結構點陣理論的正確性首先證實了晶體結構點陣理論的正確性 其次確定了其次確定了X X射線本質上是電磁波射線本質上是電磁波

6、 19131913年布拉格父子得出了年布拉格父子得出了X X射線衍射的基本公式，射線衍射的基本公式，奠定了晶體結構分析的基礎奠定了晶體結構分析的基礎晶體概念的發展晶體概念的發展TEM of Ysialon 晶體結構晶體結構19121912年勞厄（年勞厄（LaueLaue）將）將X X射線射線應用于晶體的衍射，證明晶應用于晶體的衍射，證明晶體是：由構成晶體的結構基體是：由構成晶體的結構基元（原子、離子、分子）在元（原子、離子、分子）在空間周期性重復排列而成的空間周期性重復排列而成的一切物質，具有長程有序的一切物質，具有長程有序的三維結構。以后的三維結構。以后的TEMTEM、AFMAFM更證明了結

7、論更證明了結論晶體概念的發展晶體概念的發展這種定義下的晶體在自然界是普遍存這種定義下的晶體在自然界是普遍存在的。自然界中，具有天然多面體外在的。自然界中，具有天然多面體外形的晶體是少數的。有些材料，外表形的晶體是少數的。有些材料，外表看似乎不是晶體，但實際上也是晶體。看似乎不是晶體，但實際上也是晶體。礦石、沙子、水泥、鋼鐵、洗衣粉、礦石、沙子、水泥、鋼鐵、洗衣粉、化肥、牙齒、骨骼都是由晶體構成。化肥、牙齒、骨骼都是由晶體構成。它們不是較大的有多面體外形的晶體，它們不是較大的有多面體外形的晶體，而是由無數微小晶體顆粒取向隨機的而是由無數微小晶體顆粒取向隨機的結合在一起的多晶體結合在一起的多晶體陶

8、瓷材料陶瓷材料SEM照片照片晶體概念的發展晶體概念的發展n根據晶體的概念將物質劃根據晶體的概念將物質劃分為晶體和非晶體分為晶體和非晶體n非晶體：結構基元僅具有非晶體：結構基元僅具有短程有序的排列，即在較短程有序的排列，即在較小的范圍內鄰近的幾個結小的范圍內鄰近的幾個結構基元間保持著有序的排構基元間保持著有序的排列，沒有長程有序的排列列，沒有長程有序的排列晶體晶體玻璃體玻璃體晶體的基本性質晶體的基本性質各向異性：晶體的幾何度量和物理效應常隨方向不各向異性：晶體的幾何度量和物理效應常隨方向不同而表現出量的差異，這種性質稱為各向異性同而表現出量的差異，這種性質稱為各向異性晶體的熱傳導特性各向異性晶體

9、的熱傳導特性各向異性巖鹽巖鹽霞石霞石晶體的基本性質晶體的基本性質均勻性：在宏觀觀察下，晶體每一點上的物理效應均勻性：在宏觀觀察下，晶體每一點上的物理效應和化學組成均相同。和化學組成均相同。表面上，晶體和非晶體都是均勻的，但實質上有所表面上，晶體和非晶體都是均勻的，但實質上有所不同，晶體中每一微觀區域精確地均勻，而非晶體不同，晶體中每一微觀區域精確地均勻，而非晶體中只是統計上的近似均勻中只是統計上的近似均勻晶體晶體玻璃體玻璃體晶體的基本性質晶體的基本性質n有固定的熔點和凝固點有固定的熔點和凝固點晶體與非晶體的區別晶體與非晶體的區別n根本區別：質點是否在三維空間作有規則的周期性根本區別：質點是否在

10、三維空間作有規則的周期性重復排列重復排列n晶體熔化時具有固定的熔點晶體熔化時具有固定的熔點, ,而非晶體無明顯熔點而非晶體無明顯熔點, ,只存在一個軟化溫度范圍只存在一個軟化溫度范圍n晶體具有各向異性，非晶體呈各向同性（多晶體也晶體具有各向異性，非晶體呈各向同性（多晶體也呈各向同性，稱呈各向同性，稱“偽各向同性偽各向同性”）空間點陣（晶體結構的抽象描述）空間點陣（晶體結構的抽象描述）n空間點陣：為了便于研究晶體中原子空間點陣：為了便于研究晶體中原子( (分子或離子分子或離子) )的的排列情況，將晶體看成是無錯排的理想晶體，將其中排列情況，將晶體看成是無錯排的理想晶體，將其中的每個質點抽象為規則

11、排列于空間的幾何點。的每個質點抽象為規則排列于空間的幾何點。n這些點代表原子這些點代表原子( (分子或離子分子或離子) )的中心，也可是彼此等的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，同的原子群或分子群的中心，各點的周圍環境相同各點的周圍環境相同。這種點稱為陣點（結點）。這種點稱為陣點（結點）。陣點在三維空間的周期性陣點在三維空間的周期性重復排列形成的陣列稱為空間點陣。重復排列形成的陣列稱為空間點陣。n可能在每個結點處恰好有一個原子，也可能圍繞每個可能在每個結點處恰好有一個原子，也可能圍繞每個結點有結點有一群原子（原子集團）一群原子（原子集團）點陣與點陣結構點陣與點陣結構石墨晶體的一個平面

12、層石墨晶體的一個平面層周期重復的是周期重復的是一對一對C C原子原子重復排列：粗看是一個碳原子、實際是一對碳原子重復排列：粗看是一個碳原子、實際是一對碳原子點陣與點陣結構點陣與點陣結構對晶體結構的描述可歸結為兩點：對晶體結構的描述可歸結為兩點：n存在周期重復的最小單位，稱為存在周期重復的最小單位，稱為結構基元結構基元。上。上圖即為鄰近的兩個碳原子圖即為鄰近的兩個碳原子n通過通過平移操作平移操作可使晶體結構復原，單位平移重可使晶體結構復原，單位平移重復的矢量稱為復的矢量稱為周期周期點陣與點陣結構點陣與點陣結構復制這樣的結構模型可采用：復制這樣的結構模型可采用：l按平移矢量的大小和方向，先畫出一組

13、點，再按平移矢量的大小和方向，先畫出一組點，再在這些點上按一定的取向填上結構基元在這些點上按一定的取向填上結構基元l按平移矢量的距離畫成格子，按平移矢量的距離畫成格子，構成三維網格構成三維網格空間格子。空間格子。再在格子的頂點按一定取向填上結再在格子的頂點按一定取向填上結構基元。構基元。因為結構是無限的，這組點或格子也是無限的因為結構是無限的，這組點或格子也是無限的n為說明點陣排列的規律和特點，為說明點陣排列的規律和特點，在點陣中取在點陣中取出具有代表性的基本單元（最小平行六面體）出具有代表性的基本單元（最小平行六面體）作為點陣的組成單元晶胞作為點陣的組成單元晶胞n晶胞在三維空間的重復堆砌晶胞

14、在三維空間的重復堆砌構成空間點陣。構成空間點陣。n同一空間點陣，可因選取方式的不同而得到同一空間點陣，可因選取方式的不同而得到不同的晶胞不同的晶胞晶胞晶胞晶胞晶胞同一空間點陣因選取方式不同而得到不同晶胞同一空間點陣因選取方式不同而得到不同晶胞選取晶胞的原則：選取晶胞的原則：n反應點陣的對稱性反應點陣的對稱性n平行六面體內棱和角相等的最多平行六面體內棱和角相等的最多n棱邊夾角為直角的最多棱邊夾角為直角的最多n晶胞應具有最小體積晶胞應具有最小體積點陣與晶胞（總結）點陣與晶胞（總結）n點陣：點陣：陣點在三維空間的周期性規則排列的陣點在三維空間的周期性規則排列的陣列陣列n格子：以陣點為頂點取出的平行六

15、面體格子：以陣點為頂點取出的平行六面體n晶胞：晶胞：點陣中取出具有代表性的最小平行六點陣中取出具有代表性的最小平行六面體（面體（與點陣結構相對應的平行六面體）與點陣結構相對應的平行六面體），作為點陣組成單元作為點陣組成單元n晶體結構：基元點陣結構，基元在三維空晶體結構：基元點陣結構，基元在三維空間周期重復形成晶體結構。間周期重復形成晶體結構。n晶胞在三維空間周期重復，形成點陣晶胞在三維空間周期重復，形成點陣點陣與點陣結構點陣與點陣結構n在空間點陣中，每個節點周圍的情況是完全一樣的在空間點陣中，每個節點周圍的情況是完全一樣的n而且，在任何兩個結構單元中，相應原子周圍的情而且，在任何兩個結構單元中

16、，相應原子周圍的情況，也是相同的況，也是相同的晶胞的描述（六個參數）晶胞的描述（六個參數）xzyabc 晶胞、晶軸和點陣參數晶胞、晶軸和點陣參數圖 空間點陣晶胞的描述晶胞的描述點陣的描述點陣的描述l點陣平移矢量：點陣平移矢量：以任意一個陣點為原點，以矢以任意一個陣點為原點，以矢量量a, b, c為坐標基矢，為坐標基矢，其他任其他任意陣點可表示為：意陣點可表示為： u av bw c u,v,w為任意整數。為任意整數。(以以a,b,c 構成的平行六面體的體積最小，構成的平行六面體的體積最小，a,b,c稱為初基矢量稱為初基矢量) 初基晶胞初基晶胞l初基平移矢量也稱為晶軸，如果非初基晶軸初基平移矢量

17、也稱為晶軸，如果非初基晶軸更簡單些，也可采用非初基晶軸。更簡單些，也可采用非初基晶軸。l初基晶軸構成的平行六面體稱為初基晶胞。初基晶軸構成的平行六面體稱為初基晶胞。l點陣平移矢量定義為：點陣平移矢量定義為： T u av bw c l任意兩個陣點都可以用這種形式的矢量連接任意兩個陣點都可以用這種形式的矢量連接起來。起來。l初基晶胞在空間無限重復構成空間點陣。初基晶胞在空間無限重復構成空間點陣。7個晶系個晶系 14種布拉菲點陣種布拉菲點陣n根據六個點陣參數間的關系，可將全部空根據六個點陣參數間的關系，可將全部空間點陣歸屬于間點陣歸屬于7 7種類型，即七個晶系種類型，即七個晶系n按照每個陣點周圍環

18、境相同的要求，用數按照每個陣點周圍環境相同的要求，用數學方法可以推導出能夠反映空間點陣全部學方法可以推導出能夠反映空間點陣全部特征的單位平行六面體只有特征的單位平行六面體只有1414種，稱為種，稱為1414種布拉菲點陣種布拉菲點陣點陣與點陣結構點陣與點陣結構14種布拉菲點陣類型種布拉菲點陣類型十四種布拉菲點陣十四種布拉菲點陣 按照按照“每個陣點的周圍環境相同每個陣點的周圍環境相同”的要求，最先是布拉菲的要求，最先是布拉菲（A. Bravais）用數學方法證明了能夠反映空間點陣全部特）用數學方法證明了能夠反映空間點陣全部特征的單位平行六面體只有征的單位平行六面體只有14種空間點陣，即通常人們所說

19、的種空間點陣，即通常人們所說的14種布拉菲點陣。種布拉菲點陣。布拉菲點陣布拉菲點陣注意：注意： 空間點陣是晶體中質點排列的幾何學抽空間點陣是晶體中質點排列的幾何學抽象，用以描述和分析晶體結構的周期性和對象，用以描述和分析晶體結構的周期性和對稱性，由于各陣點的周圍環境相同，它只能稱性，由于各陣點的周圍環境相同，它只能有有14種類型。種類型。 晶體結構則是晶體中實際質點（原子、晶體結構則是晶體中實際質點（原子、離子或分子）的具體排列情況，它們能組成離子或分子）的具體排列情況，它們能組成各種類型的排列，因此，實際存在的晶體結各種類型的排列，因此，實際存在的晶體結構是無限的。構是無限的。晶體結構不同，

20、點陣類型相同（面心立方）晶體結構不同，點陣類型相同（面心立方）(a) -Fe (b) NaCl (c) CaF2 (d) ZnS 晶體結構相似、點陣不同（體心、簡單立方）晶體結構相似、點陣不同（體心、簡單立方）晶向指數晶向指數l通過晶格中任意兩個格點通過晶格中任意兩個格點連一條直線，這一直線將連一條直線，這一直線將包含無限多個格點，這樣包含無限多個格點，這樣的一條直線稱為晶列的一條直線稱為晶列l點陣中所有的格點都分布點陣中所有的格點都分布在一族平行的晶列上而無在一族平行的晶列上而無一遺漏一遺漏l不同方向的晶列不僅方向不同方向的晶列不僅方向不同，格點的周期也不同不同，格點的周期也不同晶向指數晶向

21、指數在格點中任取一點在格點中任取一點O O為原點，為原點，以基矢以基矢a a、b b、c c為軸建立坐為軸建立坐標系，通過原點沿晶向方標系，通過原點沿晶向方向任一格點向任一格點A A的位矢為的位矢為cwbvau 將將u v w化簡為化簡為為有理、互為有理、互質的整數，加中括號質的整數，加中括號uvw表示晶列族的晶向表示晶列族的晶向晶向指數晶向指數l晶向指數晶向指數 uvwuvw 代表一族代表一族晶列而不是某一特定晶晶列而不是某一特定晶列列l負指數的表示方法負指數的表示方法晶向指數的標定晶向指數的標定晶向指數的說明：晶向指數的說明：a. 指數意義：代表相互平行、方向一致的所有晶向。指數意義：代表

22、相互平行、方向一致的所有晶向。b. 負值：標于數字上方，表示同一晶向的相反方向。負值：標于數字上方，表示同一晶向的相反方向。c. 晶向族：晶體中原子排列情況相同但空間位向不同的晶向族：晶體中原子排列情況相同但空間位向不同的一組晶向，用一組晶向，用表示。表示。立方晶系：立方晶系：=111+ 111+1 11+11 1+ 1 11+1 1 1 + 11 1+ 1 1 1晶面指數晶面指數l 晶格中同一平面上的格晶格中同一平面上的格點構成一個晶面點構成一個晶面l 整個晶格可以看成是由整個晶格可以看成是由無數互相平行且等距離無數互相平行且等距離分布的全同的晶面構成分布的全同的晶面構成l 晶格的所有格點都處在晶格的所有格點都處在這族晶面上而無遺漏這族晶面上而無遺漏l 晶格中存在無數取向不晶格中存在無數取向不同的晶面族同的晶面族晶面指數晶面指數l 為描述晶面族的全部特征，只需確定其中