金属及合金的晶体结构ppt课件.ppt
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1、物理冶金学,第一章,金属及合金的晶体结构,高卫东,2006.12.12,1,内容提要,(,Outline),一、晶体学基础,晶体结构的对称性,-,从空间点阵到空间群,二、金属的晶体结构,三种典型的金属晶体结构,三、合金相结构,金属固溶体及其中间相,2,一、晶体学基础,晶体及其性质,晶体,是原子,(,包括离子,原子团,分子,),在三维空,间中,周期性,排列形成的,固体,物质。晶体除了内部,具有周期性的排列外,还有以下共同性质:,1.,均匀性,;,2.,各向异性,;,3.,自范性,;,4.,对称性,;,5.,稳定性。,3,一、晶体学基础,晶态,:,短程有序,长程有序,非晶态,:,短程有序,长程无序
2、,概念回顾:,单晶体、多晶体、晶粒、晶界、假等向性,4,一、晶体学基础,晶体学概念:,阵点、点阵及晶胞,5,一、晶体学基础,区分,点阵点,和,原子,1.,阵点是在空间中无穷小的点。,2.,原子是实在物体。,3.,阵点不必处于原子中心,。,晶格:,晶体是由完全相同的一种,原子所组成,则原子的排,列与点阵的阵点完全重合,,这种点阵就是晶格。,6,一、晶体学基础,晶体结构,=,结构基元,+,点阵,即,:,晶体结构是在每个点阵点上安放一个结构基元。,7,一、晶体学基础,晶体点阵与晶体对称性,在每个重复周期都选取一个代表点,就可以用三,维空间点阵来描述晶体的平移对称性。而,平移对,称性是晶体最为基本的对
3、称性,。整个点阵沿平移,矢量,t,=u,a,+v,b,+w,c,(,u,、,v,,,w,为任意整数,),平移,得到的新空间点阵与平移前一样,称,沿矢,量,t,的平移为,平移对称操作,。,8,一、晶体学基础,点阵常数及点阵矢量,:,点阵常数:,a,b,c,?,?,?,点阵矢量,a,b,c,9,一、晶体学基础,晶胞的选取,晶胞的选取可以有,多种方式,但在实,际确定晶胞时,要,尽可能选取对称性,高的初基单胞,还,要兼顾尽可能反映,晶体内部结构的对,称性,所以有时使,用对称性较高的非,初基胞,-,惯用晶胞。,10,一、晶体学基础,晶胞的选取原则,(,1,)符合整个空间点阵的对称性。,(,2,)晶轴之间
4、相交成的直角最多。,(,3,)体积最小。,(,4,)晶轴交角不为直角时,选最短的晶轴,且交角,接近直角。,初基晶胞:,初基点阵矢量定义的平行六面体,仅包,含一个,点阵点。,11,一、晶体学基础,三维晶胞的原子计数,晶胞不同位置的原子由不同数目的,晶胞分享:,1.,顶角原子,T,1/8,2.,棱上原子T 1/4,3.,面上原子T 1/2,4.,晶胞内部,T,1,12,一、晶体学基础,七大晶系、十四种布拉非点阵,13,一、晶体学基础,14,一、晶体学基础,晶向指数,在晶体中结点所组成直线的取向称为,晶向,晶向指数标定的方法,?,晶向指数用,u v w,表示,15,一、晶体学基础,晶面指数,晶面,-
5、,晶体内三个,非共线,结点组成的平面。,晶面指数的标定方法,晶面指数用(,h k l,)表示,16,一、晶体学基础,六方晶系指数标定,(h k i l)u v t w,存在关系:,h+k+i=0 u+v+t=0,17,一、晶体学基础,晶带及晶带轴,所有相交于某一晶向直线或平行于同一直线的晶面,都属于一个晶带,该直线称为晶带轴,u v w,。,晶带定律,:,晶带轴,u v w,与该,晶带的晶面,(h k l),满,足:,uh=vk=wl,=0,18,一、晶体学基础,晶面位向,19,一、晶体学基础,晶面间距,:,晶面间距公式的推导,20,一、晶体学基础,21,一、晶体学基础,对称性,的不同理解,a
6、.,物体的组成部分之间或不同物体之间特,征的对应等价或相等的关系。,b.,由于平衡或和谐的排列所显示的美。,c.,形态和(在中分平面、中心或一个轴两侧,的)组元的排列构型的精确对应。,22,一、晶体学基础,对称操作和对称元素,对称操作,(,对称变换,),:,一个物体运动或变换,得变,换后的物体与变换前不可区分(复原,重合)。,对称元素(对称要素),:对物体(图形)进行对称变,换时所借以参考的几何元素。,宏观对称变换:,仅从宏观晶体的外观上的对称点、线,或面进行的对称变换操作,.,宏观对称元素,:在宏观对称操作中保持不变的几何图,型:点、轴或面,微观对称变换及元素,:从晶体内部空间点阵中相应阵,
7、点的对称性进行考查而施行的对称变换,借以动作,的“几何元素”称为“微观对称元素”,23,一、晶体学基础,宏观对称元素及宏观对称性,1.,对称中心,(center of symmetry,国际符号,1,习惯,符号,C,),为一点,有时也叫倒反中心,由它联系,的两部分在其两侧,对应点的连线必须通过该中,心,且被等分。对应的对称动作就称,倒反或反演,24,一、晶体学基础,2.,对称面,(symmetry plane,国际符号,m,习惯,符号,P),也叫反映面,对称面的一侧与另,一侧成镜面像关系。对称动作称为,反映,-,25,一、晶体学基础,一个晶体中最多可能具有,9,个对称面,即立方,体的,3,个平
8、行于立方体表面的对称面,以及,6,个,通过立方体对立棱的对称面。,26,一、晶体学基础,3.,(旋转)对称轴,(symmetry axis,习惯符号,L,n,),当假想晶体中以一条直线为轴而旋转晶,体时,使晶体能恢复原始的状态,这条直线,就是旋转对称轴,旋转,n,次恢复原始状态,,也就是说旋转了,360,度,称该旋转轴为,n,次旋,转对称轴,因此,n,必须为整数,,?,能整除,360,.,27,一、晶体学基础,一次旋转对称轴,L1,国际符号,1,?,=360,二次旋转对称轴,L2,国际符号,2,?,=180,三次旋转对称轴,L3,国际符号,3,?,=120,四次旋转对称轴,L4,国际符号,4,
9、?,=90,六次旋转对称轴,L6,国际符号,6,?,=60,28,一、晶体学基础,?,旋转矩阵,x,2,?,x,1,?,cos,?,?,y,1,?,sin,?,y,2,?,y,1,?,cos,?,?,x,1,?,sin,?,?,x,2,?,?,cos,?,?,sin,?,0,?,?,x,1,?,?,y,?,?,?,sin,?,cos,?,0,?,?,y,?,?,2,?,?,?,?,1,?,?,0,1,?,?,0,?,?,?,z,2,?,?,?,?,z,1,?,?,?,cos,?,?,sin,?,0,?,?,?,R,z,(,?,),?,?,sin,?,cos,?,0,?,?,0,1,?,?,0,
10、?,x,1,?,r,?,cos,?,y,1,?,r,?,sin,?,x,2,?,r,?,cos(,?,?,?,),?,r,?,(cos,?,?,cos,?,?,sin,?,?,sin,?,),?,x,1,cos,?,?,y,1,sin,?,y,2,?,r,?,sin(,?,?,?,),?,r,?,(sin,?,?,cos,?,?,cos,?,?,sin,?,),?,y,1,cos,?,?,x,1,sin,?,29,一、晶体学基础,30,一、晶体学基础,31,一、晶体学基础,4.,旋转反演对称轴,(,反轴或反演轴,),国际符号,n,习惯用,L,i,n,是一种复合对称要素,由转动,一个确定的角度,
11、再加上通过转动轴上的一点的反演,构成。,32,一、晶体学基础,?,一次旋转反演对称轴:,33,一、晶体学基础,?,二次、三次旋转反演对称轴,:,34,一、晶体学基础,?,四次旋转反演对称轴:,35,一、晶体学基础,六次旋转反演对称轴,36,旋转反映轴:,一、晶体学基础,旋转反映轴的对称操作是绕,n,次对称轴旋转后,再经与,此旋转轴垂直并通过坐标系原点的一个假想平面施行,反映操作后的一种复合对称操作。,一次旋转反映轴,相当于反映对称操作,不是新的对称元,素。,二次旋转反映轴,相当于对称中心的操作,不是新的对称,元素。,三次旋转反映轴,相当于六次旋转反演轴对称操作,统一,用,6,表示。,四次旋转反
12、映轴,相当于四次旋转反演轴对称操作,不具,有新的对称操作,用,4,表示。,六次旋转反映轴,相当于三次旋转反演轴对称操作,不是,37,一种新的对称元素。用,3,表示。,一、晶体学基础,?,1,0,0,?,?,cos,?,?,sin,?,0,?,?,cos,?,?,sin,?,0,?,0,1,0,sin,?,cos,?,0,?,sin,?,cos,?,0,?,?,?,?,?,?,?,0,0,?,1,?,?,0,0,1,?,?,0,0,?,1,?,38,一、晶体学基础,宏观对称要素总结,39,一、晶体学基础,按照晶胞的特征对称元素对晶体分类:,晶系,特征对称元素,三斜,无或反演中心,单斜,唯一的,2
13、,次轴或镜面,正交,三个相互垂直的,2,次旋转轴,或反轴。,三方,唯一的,3,次旋转轴或反轴。,四方,唯一的,4,次旋转轴或反轴。,六方,唯一的,6,次旋转轴或反轴。,立方,沿晶胞体对角线的四个,3,次,旋转轴或反轴,40,一、晶体学基础,群的定义,假设,G,是由一些元素组成的集合,即,G=,,,g,,,。,在,G,中定义了一种,二元合成规则,(,操作、运算,群的乘法,),。,如果,G,对这种合成规则满足以下,四个条件:,a),封闭性:,G,中任意两个元素的乘积仍然属于,G,。,?,f,g,?,G,?,fg,?,h,?,G,?,(,fg,),h,?,f,(,gh,),b),结合律:,?,f,g
14、,h,?,G,f,?,G,c),单位元素。,集合,G,中存在一个单位元素,e,,对任意元素,,有,ef,?,fe,?,f,d),可逆性。,对任意元素,f,?,1,?,G,,使,f,?,G,,存在逆元素,f,?,1,f,?,ff,?,1,?,e,则称集合,G,为一个群。,41,一、晶体学基础,晶体学点群,(,point group,),:,?,?,晶体的几何外形是由若干个等同部分按照一定规律排列组成,,欲使等同部分重合必须通过晶体宏观对称元素的操作来完成,,总共有,32,种组合方式。,点群,是宏观对称元素操作的组合,当晶体具有一个以上对称,元素时,这些宏观对称元素通过一个公共点,将晶体中可能,存
15、在的各种宏观对称,元素通过一个公共点并按一切可能性,组合起来,将同样可得,32,种形式,这,32,种相应的对称操作群,称为,32,个晶体点群,因此,点群,和,晶体对称类型,是等同的。,42,一、晶体学基础,不管晶体本身是否具有对称中心,,X,射线对晶体的,衍射效应都呈现出对称中心,即在劳厄图上都,增加,了一个对称,中心。因此劳厄图谱无法区分晶体有无,对称中心。在,32,种点群中有,11,种有对称中心,,21,种,点群没有对称中心,因此劳厄群有,11,种。,?,32,点群有两种表示法:,A.,国际符号(,赫尔曼,-,毛古因,Hermann-Mauguin,符号,),B.,熊夫利斯(,Sch?,n
16、flies,)符号,43,一、晶体学基础,点群的,Sch,?,nflies,符号,C,n,:,具有一个,n,次旋转轴的点群。,C,nh,:,具有一个,n,次旋转轴和一个垂直于该轴的镜面的点群。,C,nv,:,具有一个,n,次旋转轴和,n,个通过该轴的镜面的点群。,D,n,:,具有一个,n,次旋转主轴和,n,个垂直该轴的二次轴的点群。,S,n,:,具有一个,n,次反轴的点群。,T:,具有,4,个,3,次轴和,4,个,2,次轴的正四面体点群。,O:,具有,3,个,4,次轴,4,个,3,次轴和,6,个,2,次轴的八面体点群。,44,一、晶体学基础,晶系和晶族,45,晶,体,点,群,的,熊,夫,利,斯
17、,和,国,际,符,号,46,一、晶体学基础,晶体的微观对称元素,晶态物质的微观内部结构是物质点在无限空间内作,周期性的排列,所以在晶体的微观结构中,为使此,无限对称的图中某一独立对称部分与另一对称等效,部分得以重合,除,固有与宏观相同的对称元素外还,存在带平移量的微观的对称元素。,1.,点阵,它的对称动作是平移。,沿平移矢量,t,=u,a,+v,b,+w,c,(,u,、,v,,,w,为任意整数,),平移,,得到的新空间点阵与平移前一样,,称沿矢量,t,的平移称为,平移对称操,作,。,47,一、晶体学基础,2.,螺旋轴,(n,s,),先绕轴进行逆时针方向,360/n,度的旋转,接着作平行,于该轴
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