材料科学基础全册配套完整教学课件.ppt

1、材料科学基础全册配套 完整教学课件 材料科学基础材料科学基础 Fundamentals of Materials Fundamentals of Materials ScienceScience 重要提示重要提示 一、关于课程一、关于课程 1 1、本课程是材料科学与工程类专业的专业基础课；、本课程是材料科学与工程类专业的专业基础课； 2 2、本课程的先修课程是大学物理、大学化学、材料力学；、本课程的先修课程是大学物理、大学化学、材料力学； 3 3、本课程总学时、本课程总学时6464，其中理论教学，其中理论教学5656学时，实验（学时，实验（8 8次）次）1616学时。学时。 二、关于纪律二、关

2、于纪律 1 1、旷课、旷课3 3次及以上，取消考试资格；次及以上，取消考试资格； 2 2、缺实验、缺实验1 1次及以上，课程成绩以次及以上，课程成绩以0 0分计。分计。 三、关于成绩评定三、关于成绩评定 1 1、课程成绩由平时成绩和考试成绩组成；、课程成绩由平时成绩和考试成绩组成； 2 2、平时成绩、平时成绩( (含出勤、实验报告、作业等含出勤、实验报告、作业等) )占占40%40%，考试成绩占，考试成绩占60%60%。 绪绪 论论 IntroductionIntroduction 主要内容：主要内容： 材料和材料科学 材料的分类 材料科学基础的性质和内容 一、材料和材料科学一、材料和材料科学

3、 1.1.材料的定义材料的定义 2.2.材料的历史材料的历史 3.3.材料的作用材料的作用 4.4.材料科学的主要研究内容材料科学的主要研究内容 二、材料的分类二、材料的分类 三、三、材料科学基础材料科学基础的性质和内容的性质和内容 绪论 绪论材料的定义材料的定义 1.1.材料的定义材料的定义 制造各种机器、器件、结构等具有某种特性的物质的制造各种机器、器件、结构等具有某种特性的物质的实体。实体。 绪论材料的定义材料的定义 材料是人类赖以生存和发展的物质基础。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。 2.2.材料的历史材料的历史 材料是人类社会文明程度的标志材料是人类社会文明程度的标志 石器时代

4、公元前10万年 绪论材料的历史材料的历史 陶器 公元前1万年 绪论材料的历史材料的历史 青铜器时代 公元前3000年 绪论材料的历史材料的历史 越王勾践剑越王勾践剑 铁器时代 公元前1000年 绪论材料的历史材料的历史 钢时代 公元1800年 绪论材料的历史材料的历史 3.3.材料的作用材料的作用 新材料是所有科技进步的核心，又是技术大厦的砖石。新材料是所有科技进步的核心，又是技术大厦的砖石。 2020世纪世纪7070年代提出，年代提出，材料材料、信息信息、能源能源并称并称 为现代科学技术的三大支柱。为现代科学技术的三大支柱。 钢铁材料孕育了产业革命钢铁材料孕育了产业革命 半导体材料促进了现代

5、信息技术的建立和发展半导体材料促进了现代信息技术的建立和发展 复合材料及新型超合金材料为空间技术发展奠定了物质基础复合材料及新型超合金材料为空间技术发展奠定了物质基础 光纤使现代数字信息技术及网络技术获得突破光纤使现代数字信息技术及网络技术获得突破 绪论材料的作用材料的作用 人类社会进步与发展中的每一个重大突破，人类社会进步与发展中的每一个重大突破， 都是因为有了先进的新材料而得以实现。都是因为有了先进的新材料而得以实现。 绪论材料的作用材料的作用 英国 日本 1952 1 700万吨 700万吨 1962 2 082万吨 2 755万吨 1972 2 500万吨 9 690万吨 英国和日本历

6、史上钢产量比较英国和日本历史上钢产量比较 国家国家 年份年份 英国和日本的材料战略对经济发展的影响比较：英国和日本的材料战略对经济发展的影响比较： 进入钢时代，英国在世界钢铁生产中占有一定优势，经济发展活力巨大。进入钢时代，英国在世界钢铁生产中占有一定优势，经济发展活力巨大。 二战后，日本大力发展钢铁工业，生产出低成本、高质量的钢。二战后，日本大力发展钢铁工业，生产出低成本、高质量的钢。 上世纪上世纪70年代开始，日本汽车工业的高速发展使日本经济得到了很大发展。年代开始，日本汽车工业的高速发展使日本经济得到了很大发展。 同时，日本认识到当今世界已处于信息时代，瞄准硅材料大力发展半导体工同时，日

7、本认识到当今世界已处于信息时代，瞄准硅材料大力发展半导体工 业，使得家用电器在世界市场中占绝对优势。业，使得家用电器在世界市场中占绝对优势。 英国缺乏技术政策和战略眼光，英国缺乏技术政策和战略眼光，2000名研究硅材料的科学家注入美国硅谷。名研究硅材料的科学家注入美国硅谷。 世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机ENIAC 现在的笔记本电脑现在的笔记本电脑 绪论材料的作用材料的作用 使用表现使用表现 性能性能/ /性质性质 成分成分/ /结构结构 制备制备/ /加工加工 绪论材料科学的主要研究内容材料科学的主要研究内容 4.4.材料科学的主要研究内容材料科学的主要研究内容 MSEMSE的

8、四个组成要素：的四个组成要素： MSEMaterials Science and Engineering 材料科学是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间材料科学是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间 关系的科学。关系的科学。 功能材料功能材料（Functional materials） 绪论材料的分类材料的分类 材料材料 材料的分类材料的分类 按材料的性能特征和用途分类：按材料的性能特征和用途分类： 结构材料：结构材料： 具有较高力学（机械）性能并主要用来制造机械产品结构件的具有较高力学（机械）性能并主要用来制造机械产品结构件的 材料。材料。 功能材料：功能材料： 具有特殊物理、化

9、学等性能并主要用来制造具有特定功能的元、具有特殊物理、化学等性能并主要用来制造具有特定功能的元、 器件和产品的材料。器件和产品的材料。 结构材料结构材料（Structural materials） 金属材料金属材料（Metallic Materials） 材料材料 非金属材料非金属材料（Nonmetallic Materials） 复合材料复合材料（Compound Materials ） 按材料的化学组成分类：按材料的化学组成分类： 绪论材料的分类材料的分类 无机非金属材料无机非金属材料 （陶瓷材料）（陶瓷材料） 有机高分子材料有机高分子材料 复合材料：复合材料： 由两种或两种以上的不同性质

10、或不同组织结构的材料以微观或宏观由两种或两种以上的不同性质或不同组织结构的材料以微观或宏观 的形式组合而成的材料。的形式组合而成的材料。 金属材料金属材料 黑色金属黑色金属（Ferrous Metal） 有色金属有色金属（Nonferrous Metal） 钢铁、锰、铬及其合金钢铁、锰、铬及其合金 铝、铜、镁、钛等及其合金铝、铜、镁、钛等及其合金 绪论材料的分类材料的分类 金属材料的结合键主要是金属键。金属材料的结合键主要是金属键。 金属材料是工程领域内应用最广泛的工程材料。金属材料是工程领域内应用最广泛的工程材料。 无机非金属材料无机非金属材料 （陶瓷材料）（陶瓷材料） 陶瓷、玻璃、水泥等陶

11、瓷、玻璃、水泥等 陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和 共价键。共价键。 有机高分子材料有机高分子材料 塑料塑料、橡胶橡胶、涂料涂料、纤维等纤维等 高分子材料的结合键主要是共价键、氢键和分子键。高分子材料的结合键主要是共价键、氢键和分子键。 三大类材料：三大类材料： 绪论课程的性质和内容课程的性质和内容 课程的性质：课程的性质： 材料科学基础材料科学基础课程是材料科学与工程类专业的专业基础课。课程是材料科学与工程类专业的专业基础课。 课程的特点：课程的特点： 理论性和实践性都很强，与基础课相比有很大不同；理

12、论性和实践性都很强，与基础课相比有很大不同； 概念多，术语多，公式定律少，定性的描述多；概念多，术语多，公式定律少，定性的描述多； 内容多，需要记忆和理解的知识多。内容多，需要记忆和理解的知识多。 学习方法：学习方法： 认真听讲，勤看书；认真听讲，勤看书； 掌握正确的思维方式，不死记硬背；掌握正确的思维方式，不死记硬背； 理解基本概念，掌握基本知识；理解基本概念，掌握基本知识； 认真记好笔记，课后及时复习；认真记好笔记，课后及时复习； 通过例题和习题，举一反三，加深理解。通过例题和习题，举一反三，加深理解。 绪论课程的性质和内容课程的性质和内容 课程的主要学习内容：课程的主要学习内容： 理解和

13、掌握材料的理解和掌握材料的 金属及合金的晶体结构金属及合金的晶体结构 金属及合金的凝固金属及合金的凝固 二元合金及相图二元合金及相图 铁碳合金及相图铁碳合金及相图 变形与再结晶变形与再结晶 扩散理论扩散理论 教材及教学参考书：教材及教学参考书： 1 崔忠圻等，金属学与热处理（第崔忠圻等，金属学与热处理（第2版），机械工业出版社，版），机械工业出版社，2010年年 1 胡庚祥等，材料科学基础（第胡庚祥等，材料科学基础（第3版），上海交通大学出版社，版），上海交通大学出版社，2010年年 2 石德珂，材料科学基础，机械工业出版社，石德珂，材料科学基础，机械工业出版社，1999年年 组织和结构组织和

14、结构 性能性能 加工加工 之间的关系。之间的关系。 第一章第一章 材料的结构材料的结构 Chapter 1 Structures of MaterialsChapter 1 Structures of Materials 主要内容：主要内容： 金属 纯金属的晶体结构 实际金属的晶体结构与晶体缺陷 合金的相结构 第一章 材料的结构 具有相同化学成份的具有相同化学成份的2种物质石墨和金刚石的特点：种物质石墨和金刚石的特点： 石墨石墨（Graphite）：）：化学式：化学式：C，黑灰色，质软，耐高温，可导电。，黑灰色，质软，耐高温，可导电。 金刚石金刚石（Diamond）：）：化学式：化学式：C，无

15、色，质硬，耐高温，不导电。，无色，质硬，耐高温，不导电。 金刚石金刚石 石墨石墨 第一章 材料的结构 石墨和金刚石的结构：石墨和金刚石的结构： 石墨的结构石墨的结构 金刚石的结构金刚石的结构 研究晶体结构的主要内容：研究晶体结构的主要内容： 晶体中原子是如何相互作用和结合起来的；晶体中原子是如何相互作用和结合起来的； 原子的聚集状态和分布规律；原子的聚集状态和分布规律； 各种晶体的特点和彼此之间的差异。各种晶体的特点和彼此之间的差异。 第一章 材料的结构 第一节第一节 金属金属 一、金属原子的结构特点一、金属原子的结构特点 1.1.什么是金属？什么是金属？ 金属是具有正的电阻温度系数的物质。金

16、属是具有正的电阻温度系数的物质。 非金属的电阻温度系数为负值。 2.2.金属原子的结构特点金属原子的结构特点 最外层电子数少。最外层电子数少。不超过不超过3 3个。个。 外层电子与原子核的结合力弱。外层电子与原子核的结合力弱。容易成为自由电子。容易成为自由电子。 过渡族金属次外层往往未填满原子，容易失去电子。过渡族金属次外层往往未填满原子，容易失去电子。化合价可变。化合价可变。 过渡族金属原子相互结合时，通常最外层和次外层的电子都参与结过渡族金属原子相互结合时，通常最外层和次外层的电子都参与结 合，原子间的结合力特别强，因此宏观上表现为熔点高，强度高。合，原子间的结合力特别强，因此宏观上表现为

17、熔点高，强度高。 第一章 材料的结构1.1 1.1 金属金属 二、结合键二、结合键 1.1.离子键离子键（Ionic Bond） Cl Na NaCl的晶体结构 2.2.共价键共价键（Covalent Bond） 金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子将自己最外层的价电子给予非 金属原子，使自己成为正离子，而非金属金属原子，使自己成为正离子，而非金属 原子成为负离子。正负离子依靠静电引力原子成为负离子。正负离子依靠静电引力 结合在一起。结合在一起。 Si形成的四面体 109 两个或多个电负性相差不大的原子贡献两个或多个电负性相差不大的原子贡献 出它们外部的价电子形成共用电子对，形出它们外部

18、的价电子形成共用电子对，形 成稳定的电子满壳层。成稳定的电子满壳层。 第一章 材料的结构1.1 1.1 金属金属 3.3.金属键金属键（Metallic Bond） 金属原子全部或大部将它们的价电子贡献金属原子全部或大部将它们的价电子贡献 出来成为自由电子，为整个原子所公有，即出来成为自由电子，为整个原子所公有，即 形成电子云或电子气，自身变成正离子沉浸形成电子云或电子气，自身变成正离子沉浸 在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化 的自由电子的静电作用而结合起来。的自由电子的静电作用而结合起来。 金属离子 金属键模型 电子云 第一章 材料的结构1.1 1.

19、1 金属金属 固态金属一些特性的解释：固态金属一些特性的解释： 良好的导电性良好的导电性 自由电子沿外电场作定向运动，形成电流。自由电子沿外电场作定向运动，形成电流。 良好的导热性良好的导热性 自由电子的运动和正离子的振动。自由电子的运动和正离子的振动。 具有金属光泽具有金属光泽 电子易吸收可见光的能量而被激发到高能级，当它们跃迁到原能级电子易吸收可见光的能量而被激发到高能级，当它们跃迁到原能级 时，辐射出可见光能量。时，辐射出可见光能量。 正的电阻温度系数正的电阻温度系数 温度升高，正离子振动振幅加大，电子通过阻力增大，电阻升高。温度升高，正离子振动振幅加大，电子通过阻力增大，电阻升高。 良

20、好的延展性良好的延展性 金属键无饱和性和方向性，当金属的两部分发生相对位移时，金属金属键无饱和性和方向性，当金属的两部分发生相对位移时，金属 的正离子始终被包围在电子云中，保持着金属键结合，能经受变形而的正离子始终被包围在电子云中，保持着金属键结合，能经受变形而 不断裂。不断裂。 第一章 材料的结构1.1 1.1 金属金属 三、结合力与结合能三、结合力与结合能 双原子作用模型双原子作用模型 两原子之间的相互作用力：两原子之间的相互作用力： 正离子与自由电子之间的吸引力 正离子与正离子之间的排斥力 电子与电子之间的排斥力 两原子之间的结合力：两原子之间的结合力： 结合力吸引力排斥力 （代数和）

21、吸引力：长程力，当两原子间距较大时， 大于排斥力，原子自动靠近； 排斥力：短程力，当两原子靠近至使其电 子层发生重叠时，急剧增长。 两原子间距两原子间距d dd d0 0时，结合力时，结合力0 0。 此即原子的平衡位臵。 d0 dc A B 结合力 排斥力 吸引力 原子间距d 排 斥 力 F F 吸 引 力 d0 dc A B 结合能 排斥能 吸引能 原子间距d 排 斥 能 吸 引 能 EAB 双原子作用模型 第一章 材料的结构1.1 1.1 金属金属 讨论：讨论： 当当d dd d0 0时，即两原子分开，吸引力起主时，即两原子分开，吸引力起主 要作用，促使两原子回到其平衡位置；要作用，促使两

22、原子回到其平衡位置； 当当d dd d0 0时，即两原子靠近，排斥力起主时，即两原子靠近，排斥力起主 要作用，也促使两原子回到其平衡位置。要作用，也促使两原子回到其平衡位置。 当外力作用将当外力作用将B B原子拉至原子拉至d dc c时，外力达到结时，外力达到结 合力的最大值，此即金属的理论抗拉强度。合力的最大值，此即金属的理论抗拉强度。 d dd d0 0时，结合能最小，状态最稳定，能量时，结合能最小，状态最稳定，能量 最低。最低。 金属原子紧密规则排列的解释：金属原子紧密规则排列的解释： 大量金属原子结合成固体时，为使能量最低，大量金属原子结合成固体时，为使能量最低， 以保持稳定状态，大量

23、原子之间就必须保持一以保持稳定状态，大量原子之间就必须保持一 定的平衡距离，因此金属中的原子总是自发趋定的平衡距离，因此金属中的原子总是自发趋 于紧密排列，以保持最稳定的状态。于紧密排列，以保持最稳定的状态。 d0 dc A B 结合力 排斥力 吸引力 原子间距d 排 斥 力 F F 吸 引 力 d0 dc A B 结合能 排斥能 吸引能 原子间距d 排 斥 能 吸 引 能 EAB 双原子作用模型 第一章 材料的结构1.1 1.1 金属金属 第二节第二节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 一、晶体的基本概念一、晶体的基本概念 1.1.晶体与非晶体晶体与非晶体 晶体晶体（Crystal） 晶体是

24、其内部原子在三维空间呈晶体是其内部原子在三维空间呈 规则排列的物质。规则排列的物质。 举例：举例：所有的金属、食盐等。所有的金属、食盐等。 晶体的特点：晶体的特点： 结构有序；结构有序； 各向异性；各向异性； 有固定的熔点。有固定的熔点。 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 各向异性各向异性（Anisotropy）： 在测定材料的性能时在测定材料的性能时，沿不同沿不同 方向测定所得的结果各不相同方向测定所得的结果各不相同， 即各向异性即各向异性。 非晶体非晶体（Non-crystal） 非晶体是其内部原子排列无序的物质。非晶体是其内部原子排列无序的物质。 举例：

25、举例：普通玻璃、松香等。普通玻璃、松香等。 非晶体的特点：非晶体的特点： 结构无序；结构无序； 各向同性；各向同性； 没有固定的熔点。没有固定的熔点。 晶体与非晶体的相互转变晶体与非晶体的相互转变 在一定条件下，晶体能够转变为非晶在一定条件下，晶体能够转变为非晶 体，相反非晶体也能够转变为晶体。体，相反非晶体也能够转变为晶体。 各向同性各向同性（Isotropy）： 在测定材料的性能时沿任何方在测定材料的性能时沿任何方 向测定的结果都是一致的向测定的结果都是一致的，不不 因方向而异因方向而异，即各向同性即各向同性，或或 称等向性称等向性。 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金

26、属的晶体结构 2.2.晶体学的基础知识晶体学的基础知识 晶体结构的描述：晶体结构的描述： 晶体中的原子静止不动。晶体中的原子静止不动。 晶体中的原子是刚性小球。晶体中的原子是刚性小球。 晶体由刚性小球按一定的规律堆垛而成。晶体由刚性小球按一定的规律堆垛而成。 晶体模型晶体模型 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 空间点阵空间点阵（Space Lattice） 空间点阵的引出：空间点阵的引出： 把晶体中的原子抽象为几何点，称之为阵点。把晶体中的原子抽象为几何点，称之为阵点。 用假想的直线将阵点连接起来。用假想的直线将阵点连接起来。 空间点阵：空间点阵： 用以描述晶

27、体中原子排列规律的空间用以描述晶体中原子排列规律的空间 几何格架几何格架。又称点阵或晶格又称点阵或晶格(Crystal Lattice) 。 空间点阵空间点阵 特别提示：特别提示： 阵点可以是原子的中心，也可以是阵点可以是原子的中心，也可以是 彼此等同的原子群的中心。彼此等同的原子群的中心。 阵点周围的物理环境和几何环境必阵点周围的物理环境和几何环境必 须相同。须相同。 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 晶胞晶胞（Unit Cell） 晶胞在三维空间平移，即可重构点阵或晶格。晶胞在三维空间平移，即可重构点阵或晶格。 晶胞晶胞 空间点阵空间点阵 晶胞：晶胞： 组

28、成晶格的最小几何单元体组成晶格的最小几何单元体。 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 晶胞的表示方法晶胞的表示方法 X Y Z c b a a、 b、 c 晶格常数（点阵常数）晶格常数（点阵常数） 、 、 夹角夹角 晶格常数晶格常数（Lattice Constant） 晶格常数：晶格常数： 晶胞的几何尺寸晶胞的几何尺寸。又称为点阵常数又称为点阵常数。 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 晶系晶系（Crystal System）和布拉菲点阵和布拉菲点阵（Bravais Lattice） 7 7种晶系种晶系 晶 系 棱边长度及夹角关系

29、 举 例 三斜 Triclinic a b c， 90 K2CrO7 单斜 Monoclinic a b c， 90 -Si，CaSO4 2H2O 正交 Orthorhombic a b c， 90 -S，Ga，Fe3C 六方 Hexagonal a1a2a3c， 90， 120 Zn，Cd，Mg，NiAs 菱方 Rhombohedral a b c， 90 As，Sb，Bi 四方 Tetragonal a b c， 90 -Sn，TiO2 立方 Cubic a b c， 90 Fe，Cr，Cu，Ag，Au 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 1414种点阵（布

30、拉菲点阵）种点阵（布拉菲点阵） 序号 点阵类型 晶系 右图 1 简单三斜 三斜 (a) 2 简单单斜 单斜 (b) 3 底心单斜 (c) 4 简单正交 正交 (d) 5 底心正交 (e) 6 体心正交 (f) 7 面心正交 (g) 8 简单六方 六方 (h) 9 简单菱方 菱方 (i) 10 简单四方 四方 (j) 11 体心四方 (k) 12 简单立方 立方 (l) 13 体心立方 (m) 14 面心立方 (n) 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 选取晶胞的原则：选取晶胞的原则： 充分反映晶体的对称性。充分反映晶体的对称性。 同一空间点阵可以选取出不同的晶胞

31、，但如果选取出的晶胞的高度对 称性得不到反映，则通常不采用这样的表示方法。 六方系和立方系中晶胞的不同取法六方系和立方系中晶胞的不同取法 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 晶体结构与空间点阵的区别：晶体结构与空间点阵的区别： 晶体结构：晶体结构： 晶体中原子在三维空间有规律的周期性的具体排列方式，它们能组成晶体中原子在三维空间有规律的周期性的具体排列方式，它们能组成 各种类型的排列，因此可能存在的晶体结构是无限的。各种类型的排列，因此可能存在的晶体结构是无限的。 空间点阵：空间点阵： 晶体中质点的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称晶体中质点的几何

32、学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称 性。由于各阵点的周围环境相同，只可能有性。由于各阵点的周围环境相同，只可能有1414种类型。种类型。 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 举例：举例： 晶体结构晶体结构 基元基元 空间点阵空间点阵 晶体结构晶体结构 基元基元 空间点阵空间点阵 举例：举例： 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 举例：举例： 举例：举例： 基元基元 基元基元 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 举例：举例： Cu Cl Na+ F Ca+ 点阵相同（面心立方点阵）而晶体结构

33、不同点阵相同（面心立方点阵）而晶体结构不同 Cu CaF2 NaCl Cu 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 举例：举例： 体心立方点阵体心立方点阵 简单立方点阵简单立方点阵 晶体结构相同（体心立方结构）而点阵不同晶体结构相同（体心立方结构）而点阵不同 Cl Cs + 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 晶体中由一些原子晶体中由一些原子 构成的原子列构成的原子列 晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数 晶向和晶面的概念：晶向和晶面的概念： 晶向晶向（Crystallographic Direction） ： 在晶体中，任意两原子之

34、间的连线所指在晶体中，任意两原子之间的连线所指 的方向，称为晶向。的方向，称为晶向。 晶面晶面（Crystallographic Plane） ： 在晶体中由一系列原子所构成的平面，在晶体中由一系列原子所构成的平面， 称为晶面。称为晶面。 为确定和区别晶体中不同方位的晶向和为确定和区别晶体中不同方位的晶向和 晶面，国际上通常用晶面，国际上通常用米勒指数米勒指数（MillerMiller IndicesIndices）来统一标定）来统一标定晶向指数晶向指数与与晶面指数晶面指数。 晶体中由一些原子晶体中由一些原子 构成的原子列构成的原子列 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的

35、晶体结构 晶向指数晶向指数（Indices of Crystallographic Direction） 确定晶向指数的步骤：确定晶向指数的步骤： 设定坐标系设定坐标系 以晶胞的三个棱边为坐标轴以晶胞的三个棱边为坐标轴X X，Y Y，Z Z，以晶格常数为坐标轴的长，以晶格常数为坐标轴的长 度单位。坐标系必须符合右手法则。度单位。坐标系必须符合右手法则。 引直线引直线 通过坐标原点引一条直线，使其平行于待求的晶向。通过坐标原点引一条直线，使其平行于待求的晶向。 求坐标值求坐标值 求出所引直线上任意一点的三个坐标值。求出所引直线上任意一点的三个坐标值。 化简并加方括号化简并加方括号 将三个坐标值按

36、比例化为最小整数，并加上一方括号。将三个坐标值按比例化为最小整数，并加上一方括号。 晶向指数的一般形式：晶向指数的一般形式： uvw 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 例例1 1 在一个立方晶胞中画出在一个立方晶胞中画出012和和 晶向。晶向。 解：解：(1)(1)将晶向指数的将晶向指数的3 3个数值分别除以个数值分别除以3 3个数中绝对值最大的一个正数。个数中绝对值最大的一个正数。 分别得到：分别得到：0 0、1/21/2、1 1和和1/31/3、- -2/32/3、1 1，其为坐标值。，其为坐标值。 (2)(2)根据坐标值的正负情况建立坐标系。根据坐标值的

37、正负情况建立坐标系。 012的坐标系原点选在的坐标系原点选在O1点，点， 的坐标系原点选在的坐标系原点选在O2点。点。 保证画出的晶向在晶胞内。保证画出的晶向在晶胞内。 (3)(3)在图中标出坐标点在图中标出坐标点P1和和P2，分别连接，分别连接 O1P1 ，O2 P2 。 (4)(4)在图中分别标出晶向指数。在图中分别标出晶向指数。 321 O1 O2 P1 P2 X Y Z 012 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 立方晶系中的一些重要晶向立方晶系中的一些重要晶向 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 晶面指数晶面指数（Ind

38、ices of Crystallographic Plane） 确定晶面指数的步骤：确定晶面指数的步骤： 设定坐标系设定坐标系 与确定晶向指数相同，但不能将坐标原点选在待定晶面上。与确定晶向指数相同，但不能将坐标原点选在待定晶面上。 求截距求截距 求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。 取倒数取倒数 将三个截距之值变为倒数。将三个截距之值变为倒数。 化简并加圆括号化简并加圆括号 将三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号。将三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号。 晶面指数的一般形式：晶面指数的一般形式： （hkl） 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属

39、的晶体结构纯金属的晶体结构 例例2 2 在一个立方晶胞中画出在一个立方晶胞中画出(012)和和 晶面。晶面。 解：解：(1)(1)将晶向指数的将晶向指数的3 3个数值分别取倒数。个数值分别取倒数。 分别得到：分别得到：、1 1、1/21/2和和1 1，- -1/21/2、1/31/3、其为晶面在三个坐标轴、其为晶面在三个坐标轴 上的截距。上的截距。 (2)(2)根据截距的正负情况建立坐标系。根据截距的正负情况建立坐标系。 (012)的坐标系原点选在的坐标系原点选在O1点，点， 的坐标系原点选在的坐标系原点选在O2点。点。 保证画出的晶面在晶胞内。保证画出的晶面在晶胞内。 (3)(3)根据截距确

40、定决定晶面的各坐标点，根据截距确定决定晶面的各坐标点， 并分别连接起来。并分别连接起来。 (4)(4)在图中分别标出晶面指数。在图中分别标出晶面指数。 3)2(1 O1 O2 X Y Z (012) 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 立方晶系中的三种重要晶面立方晶系中的三种重要晶面 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 关于立方晶系的晶向指数和晶面指数的几点说明：关于立方晶系的晶向指数和晶面指数的几点说明： 某一晶向指数并不仅代表某一具体的晶向，而是代表了一族平行线某一晶向指数并不仅代表某一具体的晶向，而是代表了一族平行线 的位向

41、。的位向。 所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。 原子排列情况完全相同的所有晶向同属于一个晶向族。原子排列情况完全相同的所有晶向同属于一个晶向族。 晶向族用晶向族用uvwuvw表示。表示。 某一晶面指数并不仅代表某一具体的晶面，而是代表一组相互平行某一晶面指数并不仅代表某一具体的晶面，而是代表一组相互平行 的晶面。的晶面。 所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。 原子排列情况完全相同的所有晶面同属于一个晶面族。原子排列情况完全相同的所有晶面同属于一个晶面族。 晶面族用晶面族用hklhkl表示。表示。 在立方晶

42、系中，相同指数的晶向和晶面相互垂直。在立方晶系中，相同指数的晶向和晶面相互垂直。 在立方晶系中，相互平行的晶向和晶面必满足以下关系：在立方晶系中，相互平行的晶向和晶面必满足以下关系： hu + kv + lw = 0 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 六方晶系的晶向指数和晶面指数六方晶系的晶向指数和晶面指数 六方晶系常采用四轴坐标系来标定晶向和晶面指数。六方晶系常采用四轴坐标系来标定晶向和晶面指数。 4 4个坐标轴：个坐标轴：a1，a2，a3和和c。a1、a2、a3之间的夹角为之间的夹角为120 。 a1 a2 a3 c -a1 -a2 -a3 晶面指数的标定

43、方法与前述晶面晶面指数的标定方法与前述晶面 指数的标定方法相同。指数的标定方法相同。 在四轴坐标系中，六方晶系的晶在四轴坐标系中，六方晶系的晶 面指数以面指数以（hkil）表示。表示。 等同的晶面可以从指数上反映出等同的晶面可以从指数上反映出 来。来。 四指数之间的关系：四指数之间的关系： i =( h + k ) 或或 h + k + i = 0 (0001) (1100) (1120) (1011) 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 a1 a2 a3 晶向指数的确定原则与前述相同。晶向指数的确定原则与前述相同。 在四轴坐标系中，六方晶系的晶在四轴坐标系中，

44、六方晶系的晶 向指数以向指数以（uvtw）表示。表示。 四指数之间的关系：四指数之间的关系： u + v = t 或或 u + v + t = 0 晶向指数的标定方法如下：晶向指数的标定方法如下： 从原点出发，沿着平行于四个坐标从原点出发，沿着平行于四个坐标 轴的方向依次移动，使之最后到达轴的方向依次移动，使之最后到达 要标定方向上的某一结点。要标定方向上的某一结点。 选择适当路线，使沿选择适当路线，使沿a2轴移动的距轴移动的距 离等于沿离等于沿a1 、a2轴移动距离之和的轴移动距离之和的 负值，即负值，即u + v = t 。 2110 1010 1210 六方晶系晶向指数的表示方法六方晶系

45、晶向指数的表示方法 （c轴与图面垂直）轴与图面垂直） 第一章 材料的结构1.2 1.2 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 关于六方晶系晶向指数和晶面指数的几点说明：关于六方晶系晶向指数和晶面指数的几点说明： 六方晶系的晶向和晶面可按三轴坐标系或四轴坐标系确定指数。六方晶系的晶向和晶面可按三轴坐标系或四轴坐标系确定指数。 六方晶系按两种坐标系所标定的晶面指数和晶向指数可相互转换：六方晶系按两种坐标系所标定的晶面指数和晶向指数可相互转换： 对晶面指数：对晶面指数： 从从（h k i l）转换成（）转换成（h k l）：）：（h k i l） （h k l） 从从（h k l） 转换成（转换成（h k i l）：）：（h k l） （h k -(h+k) l） 对晶向指数：对晶向指数： 从从（u v t w）转换成（）转换成（U V W）：）：U = ut，V = vt，W = w 从从（U V W）转换成（）转换成（u v t w）：）： ， ， ， 在四轴坐标系下，相同指数的晶向和晶面相互垂直。在四轴坐标系下，相同指数的晶向和晶面相互垂直。 )2( 3