Аникина В.И. Основы кристаллографии и дефекты кристаллического строения - файл n1.doc
приобрестиАникина В.И. Основы кристаллографии и дефекты кристаллического строенияскачать (5224 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc
ФГОУ ВПО «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт цветных металлов и золота
Кафедра «Металловедение и термическая обработка металлов»
Автор: Аникина Валентина Ильинична,
доцент, кандидат технических наук
ОСНОВЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ И ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯКУРС ЛЕКЦИЙ
для студентов бакалаврского уровня высшего профессионального образования
Укрупненная группа: 150000 – «Металлургия, машиностроение и материалообработка».
Направление: 150100 – «Металлургия»
Красноярск, 2007
Лекция 1. Основные понятия о кристаллахПлан лекции 1. Распространенность кристаллических веществ.
2. Связь кристаллографии с другими науками.
3. Важнейшие свойства кристаллов.
4. Закон постоянства гранных углов.
Кристаллография – одна из главных фундаментальных наук о Земле, ее веществе. Это наука не только о кристаллах – о процессах их образования, об их внешней форме, внутреннем строении и физических свойствах, - но и о закономерностях развития Земли, ее формы, о процессах, происходящих в глубинах геосфер.
Во всем мире кристаллографические знания приобретают все большее значение. Практически все научные и технические достижения последнего времени (компьютерная техника, электронная микроскопия, квазикристаллы, высокотемпературные сверхпроводники и т. д.) непосредственно связаны с кристаллографией. Положение современной кристаллографии во многом напоминает ситуацию с математикой, методы которой используются в многочисленных и самых разнообразных дисциплинах. Следует подчеркнуть, что кристаллография - вполне самостоятельная наука. Как и каждая наука, она обладает уникальным, только ей присущим методом - применительно к кристаллографии это метод симметрии, который является общим методом познания закономерностей развития Земли, ее вещества.
Кристаллография может быть недоступной для непосредственного наблюдения. Но она существует в той или иной форме у всех материальных объектов! Таким образом, симметрия является главным свойством всякого кристалла. Применение законов симметрии составляет основу всех кристаллографических методов, что и делает кристаллографию самостоятельной наукой.
Что же такое кристалл? Это огромная совокупность одинаковых атомов, ионов или молекул, которые во всех трех измерениях расположены в строгом порядке. Таким образом, кристаллами называются твердые тела с упорядоченным внутренним строением на уровне атомов и молекул, т. е. тела, обладающие трехмерно-периодической пространственной атомной структурой и имеющие вследствие этого, при определенных условиях образования, форму многогранников.
Если бы можно было рассмотреть кристаллическое вещество при сверхувеличении в миллиарды раз, то мы бы увидели, что одинаковые атомы (или частицы) регулярно повторяются с одинаковым шагом в параллельных рядах и плоских параллельных слоях.
В кристаллическом многограннике и в вырезанной из него пластинке одинаково закономерное, симметричное, периодическое расположение частиц.
Частицы, из которых сложены кристаллы, т. е. атомы, ионы, молекулы, образуют правильные, симметричные ряды, сетки, решетки (рис. 1.1).

|
Рис. 1.1 Закономерное расположение атомов в кристалле золота. (Снято в электронном микроскопе). |
Эти решетки являются естественными трехмерными дифракционными решетками для рентгеновских лучей. Структуру кристаллов исследуют по дифракции рентгеновских лучей (рис. 1.2), дифракции электронов, нейтронов, с помощью электронного микроскопа, ионного проектора (рис. 1.3) и другими методами.
 |
Рис. 1.2 Рентгенограмма кристалла |
Отдельные, целостные кристаллы образуют монокристаллы; существуют также и поликристаллы - агрегаты многих, мелких кристаллов, иногда столь мелких монокристальных зерен, что у них уже нельзя различить характерных очертаний кристалла.
Камни, металлы, химические продукты - органические и неорганические, в том числе такие сложные, как волокна хлопка и искусственного шелка, кости человека и животных, и, наконец, такие сложно организованные объекты, как вирусы, гемоглобин, инсулин, дезоксирибонуклеиновая кислота и многие другие, имеют закономерное внутреннее строение. Каждому кристаллическому веществу присущи определенный порядок, характерный «узор» и симметрия в расположении частиц, установившиеся расстояния между частицами, причем, все эти закономерности можно определить качественно и количественно.
 |
Рис. 1.3 Симметричное расположение атомов в монокристалле платины, сфотографированное с помощью ионного проектора |
Расположение частиц (атомов, ионов, молекул), становится закономерным, упорядоченным, когда вещество переходит из аморфной фазы (газ, жидкость, стеклообразное состояние) в кристаллическую (рис. 1.4), соответствующую минимуму свободной энергии при данных условиях. Закономерность расположения частиц, их природа, их энергетический спектр и силы связи между ними определяют физические свойства кристалла.
Закономерность и симметрия структуры кристалла - следствие динамического равновесия многих сил или процессов. Внешние воздействия, как, например, электрическое или магнитное поле, механическое усилие или добавление чужеродных атомов в кристалл, могут нарушать это динамическое равновесие и соответственно менять свойства кристалла. Это открывает широкие возможности управления свойствами кристаллов, используемые в современной технике.
 |
Рис. 1.4 Модель расположения частиц в веществе: а - кристалл; б - жидкость; в – газ. |
Вследствие закономерности и симметрии структуры кристаллы однородны и анизотропны.
Кристалл называется однородным, если для любой точки, взятой внутри него, найдется такая, что свойства кристалла в обеих этих точках совершенно аналогичны, причем вторая точка отстоит от первой на некотором конечном расстоянии. Из экспериментальных данных известно, что в кристаллах неорганических веществ это расстояние обычно составляет несколько десятых долей нанометра. Такие «одинаковые», или эквивалентные, точки периодически повторяются в пространстве, образуя бесконечные ряды, сетки, решетки.
Уже с самого начала видна двойственность подхода к описанию кристаллического вещества: кристаллы можно рассматривать как дискретные (прерывные) и как сплошные (непрерывные) среды. Дискретность внутреннего строения означает, что свойства кристалла не могут быть одинаковыми там, где частица есть, и там, где частицы нет, или в местах, в которых расположены частицы разных сортов. Однако для описания многих свойств кристалла достаточно ограничиться рассмотрением объемов значительно больших, чем собственный объем частицы, и значительно меньших, чем объем кристалла в целом. Именно в таком понимании рассматривают кристалл как среду сплошную и однородную.
Вследствие того, что в структуре кристалла в разных направлениях различны расстояния и силы связи между частицами, большинство свойств кристалла анизотропно, т. е. различно в разных направлениях, но одинаково в направлениях, симметричных друг другу. Например, слюда легко расщепляется на параллельные листочки, но только вдоль плоскостей с одной определенной ориентацией, а вдоль других плоскостей расщепить ее не удается.
Анизотропной является и скорость роста кристалла. Если бы скорость роста была изотропной, кристалл вырастал бы в форме шара. Именно вследствие того, что скорости роста кристалла различны в разных направлениях и эти различия симметричны в пространстве, кристалл вырастает в форме симметричных правильных многогранников. Внешняя форма кристалла отражает анизотропию и симметрию его скоростей роста.
В свою очередь, анизотропия скоростей роста определяется структурой кристалла. Поэтому природная многогранная форма наглядно характеризует закономерность структуры кристалла и позволяет судить о симметрии его свойств.
Кристаллы способны самоограняться, т. е. при определенных условиях принимают естественную многогранную форму. Шарик, вырезанный из кристалла кварца или квасцов, в растворе этого же соединения покрывается гранями, в то время как шарик из кварцевого стекла остается неизменным. То же самое произойдет и с обломками этих веществ. Этот пример иллюстрирует не только способность кристаллов самоограняться, но и их анизотропию, проявляющуюся в различии скоростей роста по разным направлениям, а также симметрию. Процесс огранения - результат правильного внутреннего строения кристаллического вещества.
Грани кристаллов пересекаются по рёбрам, а последние же пересекаются в вершинах. Грани, рёбра и вершины кристалла являются элементами его огранения. Между ними устанавливается следующая зависимость, известная как формула Эйлера-Декарта:
грани + вершины = рёбра + 2
Еще одним свойством кристаллов является их симметрия - симметрия кристаллического пространства. Симметрия - наиболее общая закономерность, присущая строению и свойствам кристаллического вещества, - является одним из фундаментальных понятий физики и естествознания, лежащих в основе всей кристаллографии.
1.1. Закон постоянства гранных углов Когда кристалл растет, частицы выстраиваются в закономерные и симметричные ряды, сетки, решетки. Грани кристаллических многогранников соответствуют плоскостям, составленным из материальных частиц, ребра кристалла — линиям пересечения этих плоскостей, т. е. рядам материальных частиц. Кристалл растет так, что частицы вещества из окружающей среды отлагаются на его гранях. Грани нарастают параллельно самим себе (рис. 1.5). Меняются площади граней, их форма, какие-то грани могут вытесняться соседними и зарастать, но взаимный наклон граней остается неизменным. Поэтому углы между гранями тоже остаются постоянными.
В этом заключается количественный закон кристаллографии, открытый Николаем Стеноном (1669)—закон постоянства углов: во всех кристаллах данного вещества при одинаковых условиях углы между соответствующими гранями кристаллов постоянны.
В законе под одинаковыми условиями понимаются одинаковые температура и давление. Тем самым подразумевается, что, если у вещества есть несколько полиморфных модификаций, речь здесь идет об одной модификации.
Кристаллы разных веществ отличаются друг от друга внешней формой. У кристаллов одного и того же вещества облик может оказаться совсем различным, размеры, формы и даже число граней разные, но углы между соответствующими гранями кристаллов одного вещества всегда постоянны.

|
Рис 1.5.Схема параллельного нарастания граней кристалла. Стрелками изображены нормали к граням. |
Закон постоянства углов дает возможность свести все многообразие форм кристаллических многогранников к совокупности углов между гранями и изобразить их с помощью проекции.
Первые представления о структуре кристалла были сформулированы еще в XVIII и XIX вв., задолго до открытия дифракции рентгеновских лучей, только на основании изучения симметрии природных многогранников.
Итак, симметрия, периодичность и закономерность структуры - основные характеристики кристаллического состояния вещества.
Поэтому основным методом кристаллографии является установление симметрии явлений, свойств, структуры и внешней формы кристаллов.
Контрольные вопросы 1. Дайте определение кристаллического вещества.
2. Дайте определение кристаллической решетки.
3. Дайте определение кристаллической структуры.
4. Назовите основные свойства кристаллических тел и поясните, на чем они основаны.
5.Объясните, почему аморфные вещества рассматривают как переохлажденные жидкости.
6. Перечислите основные свойства кристаллических тел, связанные с их строением, и дайте их определения.
7. Дайте определение закона постоянства гранных углов.
8. Объясните, что такое ретикулярная плотность.
9. Как отличаются по строению кристаллическое вещество от некристаллического.
10. Объясните, что такое “ряд” в кристаллической решетке”.
Лекция 2. Структура кристаллов и пространственная решёткаПлан лекции 1. Элементарная ячейка, её выбор, метрика.
2. Кристаллическая структура материалов.
3. Ретикулярная плотность сетки.
4. Кристаллографические символы узлов, плоскостей и направлений в кристаллах кубической сингонии.
Расстояния между частицами в большинстве кристаллических веществ составляют несколько десятых долей нанометра, поэтому даже на длине в 1 мм в кристалле располагается ~10
7 частиц, что практически можно считать бесконечным числом.
Кратчайшее из возможных расстояний между одинаковыми точками в ряду называется элементарной (кратчайшей) трансляцией или периодом идентичности (рис. 2.1); иногда употребляют названия период трансляции или параметр ряда.
а
|
Рис 2.1. Симметричный бесконечный ряд с трансляцией а
|
Если сдвинуть точки бесконечного ряда на один период идентичности вдоль направления трансляции, то все одинаковые точки передвинутся на одинаковые расстояния, ряд совместится сам с собой, так что вид его не нарушится. Так производится симметричное преобразование: ряд симметрично сдвигается на один период трансляции а. Симметричное преобразование, с помощью которого точка повторяется в пространстве, называется преобразованием с помощью трансляции или просто трансляцией. Повторяя какую-либо точку с помощью трансляции, получим бесконечный периодический ряд идентичных точек на расстояниях а, 2а, За, ..., па. Характеристикой этого ряда является кратчайшая трансляция а. Одинаковые точки, связанные между собой трансляциями а в бесконечном ряду, называются узлами ряда.
2.1. Элементарная ячейка, её выбор, метрика Параллелограммы, вершины которых являются узлами, называются ячейками сетки. Плоскую сетку можно определить любой парой основных трансляций, не лежащих на одной прямой (рис. 2.2, а). Выбор такой пары основных параметров плоской сетки не однозначен. Принято выбирать элементарные трансляции именно те, которые лучше всего отражают симметрию сетки.
Выберем в плоской сетке элементарную ячейку; повторяя ее с помощью одинаковых трансляций, мы получим плоскую сетку, заполняющую всю плоскость без промежутков. Элементарную ячейку можно выбирать по-разному (рис. 2.2, б), но принято выбирать ее так. чтобы она удовлетворяла следующим условиям:
1)наилучшим образом отражала симметрию сетки;
2)имела бы прямые углы, если это можно;
3)обладала бы наименьшей площадью.
 а |
 б |
в  |
Рис. 2.2. Плоская сетка: а — различные основные трансляции; б — различные элементарные ячейки; в — примитивная элементарная ячейка, построенная на двух кратчайших трансляциях и хорошо отражающая симметрию сетки. |
Примитивной элементарной ячейкой называется ячейка, внутри которой нет узлов (рис. 2.2., в).
Число узлов на единицу площади называется ретикулярной плотностью сетки.
Таким образом, плоскую сетку можно определить тремя способами:
1) как пару элементарных неколлинеарных трансляций, или
2) как систему эквивалентных узлов, которые могут быть получены один из другого с помощью параллельных переносов, или
3)как систему одинаковых элементарных ячеек, прилегающих друг к другу, заполняющих плоскость без промежутков и совмещающихся друг с другом с помощью параллельных переносов.
Параллелепипед, построенный на трех элементарных трансляциях a, b, c называется элементарным параллелепипедом или элементарной ячейкой.
Набор элементарных углов ?, ?, ? и элементарных трансляций a, b, c называется метрикой (рис. 2.3)
x
y z ? ? ?
a b c  |
Рис. 2.3. Элементарный параллелепипед
|
Выбор основных трансляций в структуре кристалла очень важен, потому что ими определяются кристаллографические системы координат. Итак, пространственная решетка - это бесконечное трехмерное периодическое образование, или, точнее, это геометрическое построение, с помощью которого в кристаллическом пространстве выявляются одинаковые точки. Структура кристалла - это конкретное расположение частиц в пространстве.
Пространственная решетка – это способ представления периодичности повторения в пространстве отдельных материальных частиц или групп частиц (или «пустых мест» между частицами).
2.2. Кристаллическая структура Структура кристалла – это конкретное расположение частиц в пространстве. Описывая структуру, надо указать вид и размер частиц и расстояния между ними. Но так как многие структуры сходны, можно иногда указать лишь относительное расположение частиц атомов или атомных групп) в кристалле, а не абсолютные расстояния между ними. Так определяется структурный тип. Структуры кристаллов, принадлежащих к одному структурному типу, одинаковы с точностью до подобия.
2.3. Кристаллографические символы узлов, плоскостей и направлений в кристаллах кубической сингонии Для описания кристаллических многогранников и структур применяется метод кристаллографического индицирования, удобный для всех кристаллографических систем координат независимо от того, прямоугольны они или косоугольны, одинаковые у них масштабные отрезки по осям или разные.
2.4. Символы узлов Если один из узлов решетки выбрать за начало координат, то любой другой узел решетки определяется радиусом-вектором

, где m, n, p — три числа, которые называют индексами данного узла.
Совокупность чисел т, п, р, записанная в двойных квадратных скобках [[тпр]] как показано на рис. 2.4. называется символом узла. Числа в символе пишутся подряд, без запятых, читаются порознь. Запятые ставятся лишь в тех (редчайших) случаях, когда индекс двузначен. Знак минус пишется над цифрой. Например, [[

]] читается «один минус, три, ноль», [[023]] - «ноль, два, три».
2.5. Символы рядов (ребер, направлений) Ряд, или узловая прямая, а также ребро кристаллического многогранника характеризуются наклоном в выбранной системе координат. Если ряд не проходит через начало координат, мысленно сдвинем его параллельно самому себе так, чтобы он прошел через начало координат. Мы всегда имеем право на такой параллельный перенос, потому что все параллельные направления в кристалле равнозначны. Тогда направление ряда определится двумя точками: началом координат и любым узлом ряда. Грани кристалла, пересекающиеся по параллельным ребрам, образуют пояс, или зону, а общее направление этих ребер называется осью зоны. Символ [тпр] характеризует ось зоны.
За единицу измерения по каждой кристаллографической оси выбирают период решётки. Полученные значения координат точки приводят к отношения трёх наименьших целых чисел. Эти числа, заключённые в квадратные скобки, являются индексами одного направления и всего семейства параллельных направлений [uvw]. Например, кристаллографические оси имеют индексы [

], [

] и [

] (рис. 2.5). Отрицательное значение координат отмечают знаком минус над соответствующими индексами. При перемене знака всех индексов на обратный получаем направление, противоположное исходному, например [

] вместо [

] на рис. 2.5.
 |
Рис. 2.5. Символы рядов |
Совокупность непараллельных кристаллографически эквивалентных направлений обозначают индексами одного из направлений, заключёнными в ломанные скобки. Например, совокупность шести направлений рёбер куба [

], [

], [

], [

], [

], [

] обозначают индексами <100> или <001> и т.д. Совокупность всех направлений диагонали грани куба можно обозначить индексами <110>, а совокупность всех направлений пространственной диагонали куба – индексами <111>.
Для определения индексов направлений необходимо:
1) из семейства параллельных направлений выбрать направление, проходящее через начало координат, или перенести направление параллельно самому себе в начало координат;
2) определить координаты любой точки этого направления, приняв за единицу измерения период решётки;
3) привести отношение полученных величин к отношению трёх наименьших целых чисел;
4) заключить полученные три числа в квадратные скобки, если указывается определённое семейство параллельных направлений, или в ломаные скобки, если требуется обозначить совокупность всех кристаллографически эквивалентных направлений.
Грани кристалла, пересекающиеся по параллельным ребрам, образуют пояс, или зону, а общее направление этих ребер называется осью зоны. Символ [тпр] характеризует ось зоны.
2.6. Символы плоскостей (граней) Пространственную ориентацию кристаллографических плоскостей и направлений (атомных слоев и рядов) определяют по отношению к кристаллографическим осям. Начало координат помещают в одной из вершин элементарной ячейки; кристаллографические оси проходят через ее ребра. Ось +х принимают направленной из начала координат в сторону наблюдателя, ось + у - по горизонтали вправо, а ось +z - вертикально вверх (рис. 2.6).
Положение плоскости в пространстве однозначно определяется отрезками, отсекаемыми ею на координатных осях. За единицу измерения вдоль каждой кристаллографической оси принимают период решетки в направлении этой оси, т. е. длину ребра элементарной ячейки а (рис. 2.6, а). Например, заштрихованные плоскости отсекают по осям а:, у, z отрезка величиной 1, 1, 1 (рис. 2.6, а), 1, 1, ? (рис. 2.6, б), 1, ?, ? (рис. 2.6,в), 1, 1, 1/2
(рис. 2.6, г) и 1, 2, 1 (рис. 2.6, д).
Чтобы при математических операциях не иметь дела с бесконечностями, а также с дробными числами, используют величины, обратные отрезкам, отсекаемым плоскостью на кристаллографических осях, причем отношение этих величин приводят к отношению трех наименьших целых чисел. Совокупность трех таких чисел (hkl), заключенную в круглые скобки и характеризующую ориентацию данной плоскости по отношению к кристаллографическим осям, называют индексами плоскости (индексами Миллера). Заштрихованные плоскости на рис. 11 имеют следующие индексы:
(

)=(

), (

)=(

), (

)=(

),
(

)=(

) и (

)=(

).
Кристаллографические символы в скобках читают как «один, один, один», «один, один, ноль» и т.д.
Если плоскость пересекает кристаллографические оси в области отрицательных значений координат, то над соответствующими индексами ставят знак минус.
Определённый набор индексов, например (

), характеризует ориентировку в пространстве на единственной плоскости, а всего семейства параллельных плоскостей по одну сторону от начала координат. Например, если на рис. 2.6.,б параллельно заштрихованной плоскости (

) изобразить плоскости, отсекающие на осях x и y отрезки в два или три периода решётки, т.е. плоскости (

) и (

), то обе они будут относиться к семейству параллельных плоскостей (

).
Если у всех индексов переменить знак на обратный, например (

) вместо (110), то новые индексы будут характеризовать ориентировку того же семейства параллельных плоскостей, но расположенных по другую сторону от начала координат. Так как начало координат выбирают произвольно, то индексы (hkl) и (

) всегда относятся к одному и тому же семейству параллельных плоскостей. В том случае, когда плоскость проходит через выбранное начало координат, для определения её индексов следует перенести начало координат в другую вершину элементарной ячейки или рассмотреть соседнюю плоскость, параллельную первой.

Рис. 2.6. Примеры кристаллографических плоскостей в кубической решетке
Непараллельные плоскости, имеющие одинаковое атомное строение, кристаллографически эквивалентны. Например, кристаллографически эквивалентные параллельные плоскости (100), (010) и (001). Вместе с параллельными им плоскостями (

), (

) и (

) они образуют куб. Совокупность шести кристаллографически эквивалентных плоскостей (граней) куба обозначают индексами какой-нибудь одной плоскости (грани), заключенными в фигурные скобки, например индексами {100} или {001} и т.д.

Совокупность восьми кристаллографически эквивалентных плоскостей октаэдра – (111), (

), (

), (

), (

), (

), (

),(

) – обычно обозначают индексами {111}. Совокупность всех двенадцати плоскостей ромбического додекаэдра обычно обозначают индексами {110}.
Плоскости куба {100}, октаэдра {111} и ромбического додекаэдра обычно обозначают индексами {110}.
Плоскости куба {100}, октаэдра {111} и ромбического додекаэдра {110} все время встречаются при анализе дефектов в кубических решётках. Плоскости с большими численными значениями индексов имеют очень малую плотность упаковки атомов и очень малые межплоскостные расстояния. Плоскости, у которых численное значение индексов превышает 3, редко рассматривают.
Таким образом, для определения индексов плоскости необходимо:
1) найти отрезки, отсекаемые плоскостью на кристаллографических осях, приняв за единицу измерения период решётки;
2) взять обратные значения этих чисел;
3) привести отношение полученных величин к отношению трёх наименьших целых чисел;
4) заключить полученные три числа в круглые скобки, если указывается определённое семейство параллельных плоскостей, или в фигурные скобки, если требуется обозначить совокупность всех кристаллографических эквивалентных плоскостей.
111>110>001>100>