晶體缺陷理論-晶體學及固體結構基礎

1、 2.1晶體學基礎v原子的排列方式：無序排列、短程（近程）有序非晶體；長程有序晶體v晶體有一定的熔點（晶態(tài)非晶態(tài)轉變溫度），非晶體沒有 v固體非晶體是過冷的液體，又稱為玻璃體 v晶體各向異性，非晶體各向同性 2.1.1空間點陣和晶胞 （1）空間點陣與晶格（2）晶胞v 晶胞選取原則v平行六面體內相等的棱和角數(shù)目最多 v當棱間成直角時，直角數(shù)目最多 v滿足上面條件，晶胞體積最小7 個晶系， 14 種空間點陣（布拉菲點陣） （3）七大晶系和十四種布拉菲點陣十四種布拉菲點陣 （4）晶體結構和空間點陣的關系陣點上的放任意的結構單元無限多的晶體結構 Cu, NaCl, CaF2 具有不同的晶格結構，但都屬

2、于面心立方點陣 v 2.1.2晶向指數(shù)和晶面指數(shù)（1）晶向指數(shù)的確定v某陣點為原點，以晶軸建立右旋坐標系，點陣常數(shù)為三坐標軸單位長度 v定出欲求晶向的兩點坐標，末坐標減初坐標 v化成互質整數(shù)，以 uvw 表示，負號在數(shù)字上方 v一個晶向指數(shù)代表一組相互平行的晶向 v晶向指數(shù)相同符號相反，晶向相互平行 v 晶向族（2）晶面指數(shù)的確定v建立坐標系，原點位于待定晶面之外 v定出待定晶面到三軸的截距（平行于某軸時截距無窮大），取截距的倒數(shù) v化成互質整數(shù)，以 ( hkl ) 表示，負號在數(shù)字上方 v晶面指數(shù)相同，符號相反，晶面相互平行 v對立方晶系，具有相同指數(shù)的晶向與晶面垂直，如 010(010)

3、晶面族v （3）六方晶系的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)（4）晶帶v相交于某一晶向直線或平行于該直線的晶面構成一個晶帶 v晶帶軸 v立方晶系，晶面 ( hkl ) 以 uvw 為晶帶軸 ( 晶向 hkl 與 uvw 垂直 ) ，故 hu + kv + lw =0 v兩個不平行晶面 ( h1k1l1 ) 、 ( h2k 2l2 ) 求晶帶軸 uvw v （5）晶面間距v v v （6）幾個基本概念v單晶體：原子排列整齊，位向相同的晶體。由一個核心（晶核）生長而成。v多晶體：許多取向不同的小顆粒組成的晶體。由多個核心（晶核）生長而成，一般表現(xiàn)出各向同性偽共向性。v晶粒：晶體內呈不規(guī)則外形的小顆粒，顆粒內部位向

4、相同，晶粒尺寸一般為10-110-7mm。v晶界：晶粒與晶粒之間的界面。v亞晶粒：晶粒內部有微小位向差的區(qū)域，位向的差別為12，又稱為亞結構、嵌鑲塊。2.2金屬的晶體結構2.2.1 典型金屬的晶體結構 大多數(shù)金屬具有比較簡單的，高對稱性的晶體結構 面心立方結構或A1結構 （face centred cubic lattice；簡稱fcc）體心立方結構A2結構 (body centred cubic lattice；簡稱bcc) 密排六方結構A3結構 （hexagonal close packed lattice；簡稱hcp） v (1) 晶胞中原子數(shù) （2）點陣常數(shù)與原子半徑v原子半徑隨外界條

5、件，結合鍵，配位數(shù)、價電子數(shù)等因素變化 v原子剛性球，最密排方向彼此相切=原子半徑 v最密排方向： 體心立方(111) ，面心立方 (110) ，密排六方 (0001) （3）配位數(shù)和致密度配位數(shù)與致密度用于定量描述原子的緊密程度 配位數(shù)任一原子最近鄰且等距的原子數(shù) 致密度 K 晶胞中原子所占的體積分數(shù) K = nv / Vv v2.2.2晶體的原子堆垛方式和間隙v（1）原子的堆垛方式v面心立方與密排六方的配位數(shù)、致密度相同 ，就引發(fā)出不同結構晶體中原子排列的問題。v （2）晶體結構中的間隙 間隙的數(shù)量、位置、大小影響相結構、擴散、相變 v v 2.2.3多晶型性v v v2.3 合金相結構

6、v純金屬強度較低，實際使用合金 v合金由兩種或兩種以上的金屬或非金屬經(jīng)燒結、熔煉或其他方法組合而成的，且具有金屬特性的物質，如銅鋅合金、鑄鐵等 v組元組成合金的最基本獨立物質，可以是組成合金的元素，也可以是穩(wěn)定的化合物 v相同一聚集態(tài)，成分、性能均一，以界面互相分開 v單相合金 Cu-Zn(Zn: 30%Wc) v兩相合金 Cu-Zn(Zn: 40%Wc) ，有固溶體和金屬間化合物兩相 v2.3.1 固溶體v固溶體溶質分子完全溶于固態(tài)溶劑中，并保持溶劑元素晶格類型的合金相 v1.固溶體的特點v固溶體的結構與溶劑相同v固溶體的成分可在一定范圍變化v固溶體一般位于相圖的兩側v固溶體的強度、硬度比純

7、金屬高，導電性下降v在多相合金中，固溶體一般作為基體相 2.固溶體的分類3.置換固溶體影響置換固溶體的其他因素溫度、冷卻速度、機械合金化等4.間隙固溶體v原子半徑小于 0.1nm 的非金屬元素 ( 如 H, O, N, C, B 等 ) 處于溶劑晶格結構的某些間隙位置 v間隙半徑較小，非金屬原子的溶入，將使晶胞脹大，造成點陣畸變，溶解度受限制 vC 的原子半徑為 0.077nm ，面心立方的-Fe 在 1148 C 的八面體間隙半徑為 0.0535nm ，造成嚴重畸變，溶解度 9%at v體心立方的 -Fe 的間隙更小， C 的溶解度為 0.095%at v影響間隙固溶體溶解度的因素v間隙有限

8、，溶解度有限有限固溶體v溶解度與溶質原子尺寸有關v溶解度與溶劑間隙尺寸、形狀有關，溶質原子一般位于八面體間隙之中5.固溶體的微觀不均勻性6.固溶體的性質v點陣常數(shù)a改變置換固溶體：rBrA, a增大； rBrA, a減小。間隙固溶體： a增大。v強度增高固溶強化效應：隨溶質含量的增加，固溶體強度、硬度升高，塑性下降的現(xiàn)象。是晶格畸變，阻礙位錯運動的結果。v電阻增加，磁性和耐蝕性改變。2.3.2中間相（金屬間化合物）v中間相超過固溶體溶解度限度后，形成結構不同于組元的新相。v1.中間相的特點v中間相的結構不同與組元v組元大致按一定的原子比結合v中間相一般位于相圖的中間v中間相有共價鍵、離子鍵和金

9、屬鍵結合，以金屬鍵為主v有高的熔點、硬度，有的具有超導性v在多相合金中，中間相一般作為強化相 2.正常價化合物v金屬與 IVA ， VA ， VIA 族一些元素形成的化合物，隨電負性差的下降由離子鍵、共價鍵到金屬鍵，熔點 下降，如 Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb vAB 型 NaCl 型結構 ( MgSe, CaSe, MnSe, SnTe, PbTe 等 ) ，閃鋅礦結構或立方 ZnS 結構 ( ZnS, CdS, MgTe, CdTe, MnSe, ZnTe, SiC 等 ) ，纖鋅礦結構或六方 ZnS 結構 ( ZnS, CdS, MgTe, CdTe, MnSe, AlN等 )

10、 vAB2型 CaF2結構 ( PtSn2, AuAl2, PtIn2等 ) ， 反 CaF2結構 ( Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Pb, Cu2Se 等 ) vA2B3型 v正常價化合物高硬度和脆性，彌散分布在基體上起彌散強化作用 3.電子化合物 Cu, Ag, Au 與 Zn, Al, Sn 合金，中間相的晶體結構穩(wěn)定性由電子濃度決定休姆羅塞里定律 （見下表 尺寸因素也對結構有影響 金屬鍵，熔點高，硬度、脆性大，有色金屬中作強化相 AlNi 晶體：當 Al 原子超過 50% ， Ni 處出現(xiàn)空位缺位固溶體；當 Ni 原子超過 50% ， AlNi 為溶劑，溶有 Ni 的置換固溶體 4

11、. 間隙相與間隙化合物 v H ， B ， C ， N 等小半徑的非金屬元素與過渡族金屬元素形成的化合物；v r X/ r M0.59 復雜晶 體結構的間隙化合物。 （1）間隙相間隙相的成分可以在一定范圍變化間隙相可以溶解組元元素，形成以化合物為基的固溶體 間隙相之間可以形成連續(xù)固溶體，如 TiC-ZrC, TiC-VC 間隙相有高硬度、高熔點，是合金工具鋼及硬質合金的主要強化相 一些間隙相的成分范圍（2）間隙化合物 合金鋼中的間隙化合物為 Cr, Mn, Mo, Fe 的碳化物或它們的合金碳 化物，主要類型有 M3C, M7C3, M23C6等。如 Cr23C6是復雜立方結構，有 92 個鉻

12、原子， 24 個碳原子；滲碳體 (Fe3C) 屬正交晶系，有 12 個鐵原子， 4 個碳原子 vFe3C是鐵碳合金中的一個基本相，稱為滲碳體。C與Fe的原子半徑之比為0.3，其晶體結構為正交晶系，三個點陣常數(shù)不相等，晶胞中共有16個原子，其中12個Fe原子，4個C原子，符合Fe：C3：1的關系。vFe3C中的Fe原子可以被Mn，Cr，M。，W，V等金屬原子所置換形成合金滲碳體；vFe3C中的C可被B置換，但不能被N置換。間隙化合物的晶體結構都很復雜。如Cr23C6。屬于復雜立方結構，晶胞中共有116個原 子，其中92個為Cr原子，24個為C原子，而每個碳原子有8個相鄰的金屬Cr原子。這一大 晶胞可以看成是由8個亞胞交替排列組成的5.有