晶体范性变形特征与物理本质
高中化学选修3之知识讲解_晶体的常识 分子晶体与原子晶体_基础-
晶体的常识分子晶体与原子晶体【学习目标】1、初步了解晶体的知识，知道晶体与非晶体的本质差异，学会识别晶体与非晶体的结构示意图；2、知道晶胞的概念，了解晶胞与晶体的关系，学会通过分析晶胞得出晶体的组成；3、了解分子晶体和原子晶体的特征，能以典型的物质为例描述分子晶体和原子晶体的结构与性质的关系；4、知道分子晶体与原子晶体的结构粒子、粒子间作用力的区别。
【要点梳理】要点一、晶体与非晶体【分子晶体与原子晶体#晶体与非晶体】1、概念：①晶体：质点（分子、离子、原子）在空间有规则地排列成的、具有整齐外型、以多面体出现的固体物质。
晶体具有的规则的几何外形源于组成晶体的微粒按一定规律周期性的重复排列。
②非晶体：非晶态物质内部结构没有周期性特点，而是杂乱无章地排列，如：玻璃、松香、明胶等。
非晶体不具有晶体物质的共性，某些非晶态物质具有优良的性质要点诠释：晶体与非晶体的区分：晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。
周期性是晶体结构最基本的特征。
许多固体的粉末用肉眼是看不见晶体的，但我们可以借助于显微镜观察，这也证明固体粉末仍是晶体，只不过晶粒太小了。
晶体的熔点较固定，而非晶体则没有固定的熔点。
区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是对固体，进行X—射线衍射实验，X射线透过晶体时发生衍射现象。
特别注意：一种物质是否晶体，是由其内部结构决定的，而非由外观判断。
2、分类：说明：①自范性：晶体能自发性地呈现多面体外形的性质。
所谓自范性即“自发”进行，但这里要注意，“自发”过程的实现仍需一定的条件。
例如：水能自发地从高处流向低处，但若不打开拦截水流的闸门，水库里的水不能下泻；②晶体自范性的条件之一：生长速率适当；③晶体自范性的本质:是晶体中粒子微观空间里呈现周期性的有序排列的宏观表象。
4、晶体形成的途径：①熔融态物质凝固，例：熔融态的二氧化硅，快速冷却得到玛瑙，而缓慢冷却得到水晶。
②气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)；③溶质从溶液中析出。
晶体的形变
弹性模量是应力－应变曲线上弹性变形段的斜率，在拉 伸变形中通常称它为杨氏模量。
E＝
低应变区的应力应变关系
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弹性变形的特征和弹性模量
E＝
即弹性模量相当于发生单位弹性变形所需的应力，换言 之，在给定应力下E大的材料只发生很小的弹性应变，而E小 的材料则弹性应变大。
从微观的角度看，晶体在外力作用下， 发生弹性变形对应着原子间距的变化…… 这种性质与弹簧很相似，故可把原子结合 比喻成很多小弹簧的连接。结合键能是影
响弹性模量的主要因素，结合键能越大，
则“弹簧”越“硬”，原子之间距离的移 动所
需的外力就越大，则弹性模量越大。
弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是 表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。
三种典型金属晶格的滑移系
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想想这是为什么？ 15
3.2 滑移、滑移系和Schmid定律
二. 滑移系
3. 滑移的分类：
多滑移：在多个（>2）滑移系上同时或交替进行的滑移。 双滑移： 单滑移：
4. 在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，滑移过程 可能采取的空间取向便愈多，滑移容易进行，它的塑性 便愈好。 5. 滑移系首先取决于晶体结构，也和温度、合金元素等 因素有关。
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3.2 滑移、滑移系和Schmid定律
三. Schmid定律
c
根据取向因子的大小，滑移方向可分为：软位向和硬 位向； 在加载过程中首先发生滑移的必然为取向因子大的滑 移系，如果有两个或多个滑移系具有相同的取向因子， 则它们都时开动，称为多滑移，否则叫单滑移；
现代材料学第03章晶体的范性变形分析
在基体中的指数[um vm wm]的关系为：
ut
um um
vt
(DT
)1 vm
Dvm
wt
wm wm
2a
2 21
1
其中D＝
2a21a22
2a21a23
2a21a22 2a 222 1
2a 22 a 23
2a21a23 2a 22 a 23
2a 2 23 1
3.2孪生
注：矩阵D只取决于孪生面法线与基体的晶轴
由上式可见，a值越大，τp越小，故滑移面应该是晶面间距最大，即原子 最密排的晶面。b值越小，则τp越小，故滑移方向应该是原子最密排的晶向。
3滑.移1.的1S动c力hm：i分d 切定应律力3.1滑移
由图可得作用在滑移面上沿着滑移方向的分切应力为：
F cos F cos cos cos cos
孪生前晶体是半径为1的球体，其方程为：
x2+y2+z2=1
孪生将三个正交基i，j，k变为
i, j, k
且 ＝ii， j j ，i k＝k ，所以孪生后方程变为：
(x’)2+(1 + γ 2)(y’)2+(z’)2-2 γ来自x’y’=13.2孪生
3.2.3孪生时长度变化规律 从图易看出，位于K1和K2面相交成锐
位移的 量
宏观上看，二者都是在剪（切）应力作用下发生的均匀剪切应变
微观上看，二者都是晶体范性变形的基本方式，是晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向平 移。 二者都不改变晶体结构类型
晶体中已滑移部分和未滑移部分的 位向相同
已孪生部分（孪晶）和未孪生部分（基体）的 位向不同，且两部分之间具有特定的位向关系 （镜面对称）
晶体的特征
原子晶体
原子
共价键
金刚石.SiC
分子晶体
金属晶体
分子
原子.离子
分子间力
金属键
CO2.NH3
W.Ag.Cu
【练习】 1.从我们熟悉的食盐.金属.冰到贵重的钻石等都是 晶体，而同样透明的玻璃却是非晶体。下列关于 晶体 和非晶体的本质区别的叙述中，正确的是（ D） A.是否具有规则的几何外形的固体 B.是否具有固定组成的物质 C.是否具有美观对称的外形 D.内部基本构成微粒是否按一定规律做周期性重 复排列
ห้องสมุดไป่ตู้
导 电 性 差
导电性强
热的铁针 涂有石蜡 的水晶片 热的铁针 涂有石蜡 的玻璃片
晶体的内部 微粒排列
非晶体的内 部微粒排列
3. 晶体的分类
根据晶体内部微粒的种类和微粒间相互作用。
离子晶体
晶体类型
分子晶体 原子晶体
金属晶体
晶体类型
离子晶体
组成微粒
阴.阳离子
微粒间作用 力
离子键
实 例
NaCl.MgO
一.晶体的特性
1.晶体与非晶体的本质区别 自范型 有 没有 微观结构 原子在三维空间里呈周 期性有序排列 原子排列相对无序
晶体
非晶体
2. 晶体的特征
自范性： 在适宜条件下，晶体能自发呈现封闭 的.规则的多面体外形---自范性。 各向异性： 在不同的方向上表现不同的物理 性质（如导电）----向异性 对称性： 具有特定的对称性---对称性
2.下列物质中属于晶体的是（ CD ） A.橡胶 B.玻璃 C.食盐 D.水晶 B 3. 关于晶体的自范性，下列叙述正确的是（ ） A.破损的晶体能够在固态时自动变成规则的多面体 B.缺角的氯化钠晶体在饱和的NaCl溶液中慢慢变为完美 的立方块 C.圆形容器中结出的冰是圆形的 D.由玻璃制成的圆形的玻璃球 D ） 4.下列物质具有固定熔点的是（ A.橡胶 B.玻璃 C.水玻璃 D.CuSO4•5H2O
范性形变
谢谢观看
分子组成的物质，其溶解性遵守“相似相溶”原理，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性的 有机溶剂，例如NH3、HCl极易溶于水，难溶于CCl4和苯；而Br2、I2难溶于水，易溶于CCl4、苯等有机溶剂。根 据此性质，可用CCl4、苯等溶剂将Br2和I2从它们的水溶液中萃取、分离出来。
相邻原子间以共价键结合而形成的空间状结构的晶体。例如金刚石晶体，是以一个碳原子为中心，通过共价 键连接4个碳原子，形成正四面体的空间结构，每个碳环有6个碳原子组成，所有的C－C键键长为1.55×10-10米， 键角为109°28′，键能也都相等，金刚石是典型的原子晶体，熔点高达3550℃，是硬度最大的单质。原子晶体 中，组成晶体的微粒是原子，原子间的相互作用是共价键，共价键结合牢固，原子晶体的熔、沸点高，硬度大， 不溶于一般的溶剂，多数原子晶体为绝缘体，有些如硅、锗等是优良的半导体材料。原子晶体中不存在分子，用 化学式表示物质的组成，单质的化学式直接用元素符号表示，两种以上元素组成的原子晶体，按各原子数目的最 简比写化学式。常见的原子晶体是周期系第ⅣA族元素的一些单质和某些化合物，例如金刚石、硅晶体、SiO2、 SiC等。对不同的原子晶体，组成晶体的原子半径越小，共价键的键长越短，即共价键越牢固，晶体的熔，沸点 越高，例如金刚石、碳化硅、硅晶体的熔沸点依次降低。
单晶体的滑移：研究金属材料范性形变的微观过程，常借助于单晶体拉伸实验。金属晶体范性形变最主要的 方式是滑移，也就是晶体的相邻部分在切应力作用下沿着一定的晶面和一定的晶体方向相对移动（图2a），这些 晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。滑移时在晶体表面出现一些线状痕迹，称为滑移线。实际上它们是滑移 面两侧晶体相对移动在晶体表面上造成的台阶（图2b）。滑移面经常是原子的最密排面，滑移方向总是原子的最 密排方向。一个滑移面和该面上的一个滑移方向合起来称为一个滑移系统。面心立方金属有四种等价的滑移面 {111},每种滑移面包含三个不同的滑移方向<110>,共组成12个滑移系统（见晶体结构）。
材料科学基础第三章多晶体的范性形变
金属弯曲后，在伸长的一侧残留 压应力，在压缩侧残留拉应力
总之，形变量较小（或受压）的部分，最终受残留张应力 形变量较大（或受拉）的部分，最终受残留压应力 17
微观内应力 Bauschinger effect (包辛格效应) 预加应力会降低随后的反向加载屈服应力 不均匀冷却引起的内应力
• 微观内应力－－晶粒或晶胞范围内产生的内应力（微观 范围内）
15
4、例子－－宏观内应力 例：金属圆棒的弯曲试验
16
宏观内应力：
• 轧制：Roll compaction
轧材表面层形变（延伸）量大 于内部时，表面残留压应力，内部 残留拉应力。
• 挤制：Extrusion
金属丝在挤制（拔丝）时，外 圆形变量小于心部，外圆残留张应 力，内部残留压应力。
d-1/2
Hall-Petch公式：
ys
o
k
d
1 2
解释：晶粒度主要影响了晶界的数量和体积，晶界效应
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3、晶界在多晶体范性形变中的作用
3) 促进作用 Induce deformation
高温下，晶界滑动 晶界迁移
A
A
A
1
2
O
B
3
C
A A’
1
2OO’B源自3CC’A
1
2
O
O’
B
3
C
B’
C’
1
2
1
2
O
O
§3-10 多晶体的范性形变（I）
－－基本特征
一、单晶和多晶（Single crystal and polycrystal） 1、定义：
单晶－－晶体中的取向（晶向和晶面）在各处是一致的。 多晶－－晶体中的取向（晶向和晶面）在各处是混乱分布的。
晶体结构与性质知识总结(完善)
3—1、晶体的常识一、晶体和非晶体1、概述——自然界中绝大多数物质是固体，固体分为和两大类.＊自范性——晶体能自发地呈现多面体外形的性质.本质上，晶体的自范性是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性有序排列的宏观表象。
＊晶体不因颗粒大小而改变，许多固体粉末用肉眼看不到规则的晶体外形,但在显微镜下仍可看到。
* 晶体呈现自范性的条件之一是晶体生长的速率适当，熔融态物质凝固速率过快常得到粉末或没有规则外形的块状物。
＊各向异性——晶体的许多物理性质如强度、热导性和光导性等存在各向异性即在各个方向上的性质是不同的二、晶胞1、定义——描述晶体结构的基本单元.2、特征-—（1）习惯采用的晶胞都是体，同种晶体所有的晶胞大小形状及内部的原子种类、个数和几何排列完全相同。
（2）整个晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置"而成。
<1〉所谓“无隙”是指相邻晶胞之间没有任何间隙；〈2> 所谓“并置”是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。
3、确定晶胞所含粒子数和晶体的化学式——均摊法分析晶胞与粒子数值的关系(1）处于内部的粒子，属于晶胞，有几个算几个均属于某一晶胞。
（2）处于面上的粒子,同时为个晶胞共有，每个粒子有属于晶胞.（3)处于90度棱上的粒子，同时为个晶胞共有,每个粒子有属于晶胞.（4）处于90度顶点的粒子,同时为个晶胞共有，每个粒子有属于晶胞；处于60度垂面顶点的粒子，同时为个晶胞共有，每个粒子有属于晶胞;处于120度垂面顶点的粒子，同时为个晶胞共有，每个粒子有属于晶胞。
4、例举三、分类晶体根据组成粒子和粒子之间的作用分为分子晶体、原子晶体、金属晶体和离子晶体四种类型。
3—2、分子晶体和原子晶体一、分子晶体1、定义——只含分子的晶体。
2、组成粒子——。
3、存在作用—-组成粒子间的作用为（）,多原子分子内部原子间的作用为。
＊分子晶体中定含有分子间作用力，定含有共价键。
＊分子间作用力于化学键.4、物理性质（1）熔沸点与硬度-—融化和变形只需要克服，所以熔沸点、硬度,部分分子晶体还可以升华。
晶体的基本性质
晶体的基本性质一晶体的基本性质定义——为一切晶体所共有的，并能以此与其他性质的物质相区别的性质。
本质——晶体的格子构造所决定的。
1.自限性（自范性）晶体在生长过程中，在适当的条件下，可以自发地形成几何凸多面体外形的性质。
晶体的多面体形态是其格子构造在外形上的直接反映。
晶面、晶棱和角顶分别与格子构造中的面网、行列和结点相对应。
布拉维法则实际晶体通常由面网密度大的面网所包围——晶体上的实际晶面平行于对应空间格子中面网密度大的面网，且面网密度越大，相应晶面的重要性越大。
1855（1866，1885）年，布拉维（法国）根据晶体上不同晶面的相对生长速度与面网上结点的密度成反比的推论导出的。
该法则阐明了晶面发育的基本规律。
晶面生长速度（growth velocity）¡ª¡ª单位时间内晶面在其垂直方向上增长的厚度。
当晶面上结点密度大时，面网间距也大，面网对外来质点的引力小，生长速度慢，晶面横向扩展，最终保留在晶体上；而晶面上结点密度小时，面网间距也小。
面网对外来质点引力大，生长速度快，横向逐渐缩小以致于晶面最终消失。
2.均一性指晶体中各个部分的物理性质和化学性质是相同的。
由于质点周期性重复排列，晶体的任何一部分在结构上都是相同的，由此，由结构决定的一切物理性质，如密度、导热性、膨胀性等也都具有均一性。
非晶体、液体和气体具有统计均一性晶体取决于其格子构造，称为结晶均一性3.异向性（各向异性）同一格子构造中，在不同方向上质点排列一般是不一样的，因此，晶体的性质也随方向的不同而有所差异这就是晶体的异向性。
例：蓝晶石的硬度。
矿物的解理Z(AA)＝4-5Y(BB)＝6.5-74.对称性晶体相同的性质在不同方向或位置上作有规律的重复。
宏观对称——晶体相同部位能够在不同的方向或位置上有规律重复出现的特性，宏观对称是晶体分类的基础。
微观结构对称——格子状构造本身就是质点在三维空间呈周期性重复的体现，从这个意义上说，所以的晶体都是对称的。
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晶体的范性变形特征和物理本质
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真应力-真应变曲线（p171）
➢ 真应力是指σ=P/A，A是试样受
拉力p作用时，试样最细处的横
截面；
真
➢ 真距应长变，l为 受力dllp,时l其n的l中l0 标l0距是长原。标
应 力
真应变
晶体的范性变形特征和物理本质
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拉伸试验机
电液伺服万能材料试验机 SHT4605型
及断裂过程。
晶体的范性变形特征和物理本质
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基本观点
➢ 应用
性能
结构
成分、工艺 设备
宏观规律 内在变化及原因 影响因素
市场
晶体的范性变形特征和物理本质
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研究方法
➢ 黑箱法：从输入和输出的实验关系定义和理解性能， 如 Hook定律：σ=Eε
➢ 相关法：建立性能与结构的相关关系， 如 Hall-petch关系：σs=σ0+kd1/2 （p172）
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取向因子的讨论(p163)
➢取向因子是由滑移系决定的； ➢取向因子大，滑移系的分切应力也大； ➢当滑移面法线、滑移方向及外力作用方向三
者共面时，取向因子可能获得最大值0.5.
晶体的范性变形特征和物理本质
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滑移的机理
➢ 实验证明，滑移是位错在切应力作用下运动的结果 ➢ 滑移线是位错运动到晶体表面所产生的台阶。
退火低碳钢应力-应变曲线
晶体的范性变形特征和物理本质
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➢ 断裂：当外力达到σb之后，试样开始发生不均匀塑性变形 ，产生缩颈，变形量迅速增大，最终发生断裂。
b k
s e
退火低碳钢应力-应变曲线
晶体的范性变形特征和物理本质
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材料常用性能指标
➢ 屈服强度： σs ➢ 抗拉强度： σb ➢ 屈强比：σs/σb
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➢ 单滑移：只有一个滑移系统开动。 ➢ 多滑移：有两个以上滑移系统开动。 ➢ 交叉滑移：在不同的面沿共同的方向同时或交替进行滑移。 ➢ 滑移线：若干位错线在晶体表面形成的台阶。 ➢ 滑移带：若干滑移线组成。
晶体的范性变形特征和物理本质
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临界切应力定律（p163）
➢ 设试棒横截面积为A； ➢ 轴向拉力为P； ➢ 滑移面法线与外力P之间的夹角为φ， ➢ 滑移方向与外力P之间的夹角为λ ➢ P在滑移方向上切向分力Pτ=Pcosλ ➢ 滑移面面积
单晶体的滑移
晶体的范性变形特征和物理本质
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金属晶体的滑移系（p162）
➢ fcc ：{111}、<110>, 12个滑移系； ➢ bcc：{110}、<111>； 12个滑移系
{112}、<111>； 12个滑移系 {123}、<111>； 24个滑移系，共48 个滑移系；
➢ hcp：若c/a>1.633 {0001}、<2110>； 3个滑移系 若c/a<1.633 {0001}、 {1010}、 {1011} <1120>； 3个滑
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应力应变曲线
P/A0=σ（应力）
（l-l0）/l0=ε（应变）
s
P： 作用在试样上的载荷
e
A0：试样的原始界面面积 L0：试样的原始标距长度 L： 试样变形后标距长度
b k
σ=Eε或τ=Gγ
σ、τ为正应力，切应力； ε、γ为正应变，切应变
E、G分别为正弹性模量和切弹性模量
弹性模量是表征材料中原子间结合力强弱的物理量
微机控制电子万能试验机 WDW—200
晶体的极限(σe)时,σ和ε之间保持线性 关系: σ =Eε
➢ 其特点是外力去除后，变形可以完全恢复。
退火低碳钢应力-应变曲线
晶体的范性变形特征和物理本质
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➢ 弹塑变形：当外力大于σe后，除了弹性变形外，开始发生 均匀塑性变形。这时若去掉外力，弹性变形部分恢复，但 留下了永久变形，即塑性变形。
➢ 过程法：通过内因与外因的关系研究，回答“为什么”的问题 。 如对于σs=σ0+kd1/2 ，应用屈服过程的位错理论，导出实 验系数的表达式： σ0 =mτ0；k=m2τ*r1/2 m：取向因子； τ0：基体对位错运动的摩擦阻力； τ*：启动位错所需的切应力；r：位错源与位错塞积处的距离。
晶体的范性变形特征和物理本质
晶体的范性变形特征和物理本质
晶体的范性变形特征和物理本质
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研究内容
➢ 材料力学性能的基本特征 ➢ 研究这些性能的变化规律 ➢ 引起这些性能变化的物理本质
晶体的范性变形特征和物理本质
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研究范围
➢
宏观性能 组织结构
原子结构
材料学
材料物理 固体物理
➢ 从研究应力-应变曲线开始，到用位错理论研究材料的变形
移系.
晶体的范性变形特征和物理本质
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滑移线和滑移带
如果把经过抛光的单晶体试样进行塑性变形，则在显微 镜下可以看到抛光表面上出现平行的黑线，称为滑移带（见 图）；在电子显微镜下，滑移带是一组更细的线组成，这更 细的线条称为滑移线。
滑移带（铜）×5晶0体0的范性变形特征滑和物移理带本质与滑移线（示意图）
➢ 故滑移系上的分切应力
晶体的范性变形特征和物理本质
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临界分切应力
➢ Schmid用同种材料但不同取向的单晶试棒进行拉伸试 验，发现尽管不同试棒的m值不同，但开始滑移时的分切 应力都相同，等于某一确定值（τk），即晶体开始滑移所 需的分切应力
τk就称为临界分切应力，它是一个材料常数。
晶体的范性变形特征和物理本质
晶体通过刃型位错移动造成滑移的示意图
晶体的范性变形特征和物理本质
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滑移时晶体的转动
➢ 晶体借滑移发生塑性变形时，往往伴随着取向的改变
自由滑移变形
受夹具限制时的变形
晶体在拉伸时的转动
晶体的范性变形特征和物理本质
移系统。 ➢ 一般情况下，滑移面是原子的密排面或较密排的面，滑移
方向是原子的密排方向。
晶体的范性变形特征和物理本质
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滑移系
➢ 滑移总是沿着一定的晶面和该面上一定的晶向进行，这种 晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向；一个滑移面与其 面上的一个滑移方向组成一个滑移系。
➢ 一个滑移系就是滑移时的一种空间取向或一种可能性。因 此，滑移系越多，金属变形能力越大
σs/σb大，变形余量小，不能过载； σs/σb小，变形余量大，但承载能力低。
延伸率:δ 断面收缩率:ψ
晶体的范性变形特征和物理本质
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单晶体的滑移变形（p161）
➢ 滑移：相邻的晶体部分沿着一定的结晶面和一点的结晶方 向所发生的平移。
➢ 滑移要素：滑移面与滑移方向称为滑移要素。 ➢ 滑移系统：一个滑移面和一个相应的滑移方向构成一个滑