第2章材料的内部结构

例1、硅钢片:
[100]方向易磁化， [111]方向难磁化；
例2、α- Fe铁： E
E
[111] [100]
=
=
2 284000MN/m 2 132000MN/m
七、多晶型

当外部的温度和压强改变时，金 属由一种晶体结构向另一种晶体 结构转变，称之为多晶型转变， 又称为同素异构转变。

Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几 种晶体结构，即具有多晶型性。

3、典型材料：高分子材料。
例、聚氯乙烯(PVC塑料)：

是由C、H、Cl构成的链状大分子；

由每个分子内原子是以共价键结合的
→

很脆；×
但是由于链与链之间形成范德瓦尔键
→
分子链彼此发生滑动导致产生很
大变形
→
很高的塑性。 √
总

结
大多数工程材料是以混合键方 式结合的。


金属材料以金属键为主；
Y X
五、金属的典型晶体结构

最典型、最常见的晶体结构有三 种类型:
体心立方结构；
面心立方结构； 密排六方结构。


1、体心立方结构(bcc)

具有这种晶体结构的金属有Cr、V 、Mo、W和α-Fe等30多种。
2、面心立方结构(fcc)

具有这种晶体结构的金属有Al、 Cu、Ni和γ-Fe等约20种。
3、密排六方结构(hcp)

具有这种晶体结构的金属有Mg、 Zn、Cd、Be等20多种。
六、晶胞特征

由于金属的晶体结构类型不同， 导致金属的性能也不相同。

而具有相同晶胞类型的不同金属 ，其性能亦不相同，这主要是由 晶胞特征不同决定的。
晶胞特征参数:
1、晶胞原子数

一个晶胞内所包含的原子数目。
2、性能

它没有饱和性和方向性；
良好的导电性、导热性、正的 电阻温度系数；

具有良好的塑性。
3、典型材料：各种金属。
四、范德瓦尔键 1、定义

一个分子的正电荷部位和另一 个分子的负电荷部位间的微弱 静电吸引力将两个分子结合在 一起的方式。也称为分子键。
2、性能

键合较弱，在外力作用下键易 断裂；可在很大程度上改变材 料的性能； 低熔点、高塑性。

位于晶胞六面体的面中心及棱 边中点，即由六个原子所组成 的八面体中心。

rA/rB = 0.15。
（2）四面体间隙 由四个原子所组成的四面体。 rA/rB = 0.29。
6、各向异性

由于不同晶型的晶体或同一晶 格中，相应晶面和晶向原子的 排列的情况不同，导致其机械 性能及相应的其它性能有很大 的差异。
第一节

原子结合键及特性
分类：离子键、共价键、金属 键、分子键等。
一、离子键 1、定义

由于正、负离子间的库仑引力 而形成的。
2、特点
1）正负离子相间排列，正负电 荷数相等；
2）键能最高，结合力很大；
3）性能： 硬度高、强度大； 热膨胀系数小，在常温下的 导电性很差；

脆性较大。
3、典型材料：陶瓷材料。

位于晶胞中心及棱边中点， 即由六个原子所组成的八面 体中心。

设原子半径为rA, 间隙中能容纳的最 大圆球半径为rB，则有rA/rB = 0.414
（2）四面体间隙 位于晶胞体对角线上靠结点1/4处 ，由四个原子所组成的四面体。 rA/rB = 0.225。
2）体心立方晶格中的间隙
（1）八面体间隙

四、晶面与晶向
1、晶面：晶体中
由一系列原子所 组成的平面。
2、晶向：原子在
空间排列的方向 称为晶向。
3、晶向指数

求法：
1）确定坐标系； 2）过坐标原点，作直线与待求 晶向平行；
3）在该直线上任取一点，并确 定该点的坐标（x，y，z）
4）将此值化成最小整数u，v，w 并加以方括号[u v w]即是。
结构无序；
各向同性； 无固定熔点；
热导率和热膨胀性小；
塑性变形大；

组成的变化范围大。
3、典型材料：大多数聚合物。
二、晶体
1、定义

原子呈长程有序排列的物质。
3、晶体的特点

结构有序；
各向异性； 有固定的熔点。 金属； 许多陶瓷和部分高分子材料。
3）典型材料：

三、晶体结构
1、晶体结构

是指构成晶体的原子在三维空 间具体的规律排列方式。
基元
①是晶体中最基本的单元；
③晶体是由基元在空间按一定的 规则重复排列得到的。
③基元可以是单个原子，也可以 是彼此等同的原子群或分子群
点阵（空间点阵）
①是一个几何概念，晶体结构由 一维、二维或三维规则排列的 阵点组成。 ②晶体结构 = 空间点阵 + 基元
陶瓷材料以离子键为主； 高分子材料以共价键为主。
第二节

晶体结构（原子排列）
原子排列可分为：
①无序排列、短程有序和长程有序；
②晶体与非晶体。
晶态
非晶态
金属的结构
SiO2的结构
一、非晶体 1、定义：

若构成材料的原子在三维空间 呈无序或短程有序排列，则称 此材料为非晶态材料。
2、特点


简单正交 底心正交 体心正交 面心正交
立方 Cubic a=b=c， α=β=γ＝90º
简单三斜
简单单斜
底心单斜
简单正交
体心正交
底心正交
面心正交
简单立方
体心立方
面心立方
简单六方
简单菱方
简单四方
体心四方

可用点阵参数来描述晶胞的尺 寸和形状；
各边长度：a、b、c； 各边之间夹角：α、β、γ。
(hkl)与[uvw]分别表示的是一组 平行的晶向和晶面。 指数虽然不同，但原子排列完全 相同的晶向和晶面称作晶向族或 晶面族。 分别用{hkl}和<uvw>表示。


{110}晶面族
Z （110） （011） （011） （101）
（101） Y （110）
X
<111>晶向族
[111] [111] Z [111] [111]

代表一组互相平行，方向一致 的晶向。
4、晶面指数
（110）

求法：
顶点为原点O，三棱边为三坐
1）在所求晶面外取晶胞的某一
标轴x，y，z； 2）以棱边长a为单位，量出待定
晶面在三个坐标轴上的截距；
3）取截距之倒数，并化为最小 整数h，k，l，

并加以圆括号（h k l）即是。

晶面族与晶向族
二、共价键
1、定义

是由于相邻原子共用其外部价 电子，形成稳定的电子满壳层
结构而形成。
2、共价键性能

结合力很大，硬度高、强度大 、熔点高，延展性和导电性都 很差，具有很好的绝缘性能。
3、典型材料：

金刚石、陶瓷和聚合物材料。
三、金属键 1、定义

贡献出价电子的原子成为正离
子，与公有化的自由电子间产 生静电作用而结合的方式。
晶胞 配 晶格 最密原 内原 位 致密 子面 子数 数 度 体心立 方结构
2 8Байду номын сангаас0.68 {110}
最密原 子方向
<111>
面心立 方结构 密排六 方结构
4
12
0.74
{111}
<110>
6
12
0.74
{0001}
<1120>

晶向密度的计算

晶面密度的计算
5、晶胞中的间隙
1）面心立方晶格中的间隙 （1）八面体间隙
四方（正方）Tetragonal a=b≠c, α=β=γ＝90º
布拉菲 点阵
简单六方
三斜Triclinic a≠b≠c ， α≠β≠γ 单斜 Monoclinic a≠b≠c， α=γ=90º ≠β
简单单斜 底心单斜
简单菱方
简单四方 体心四方 简单立方 体心立方 面心立方
正交 a≠b≠c， α=β=γ＝90º
2、晶格

将晶体的原子几何化成一点， 用一系列平行直线连接起来， 构成一空间格架叫晶格。
3、晶胞

从晶格中取出一个能保持点阵几 何特征的基本单元叫晶胞。

14种空间点阵称为布拉菲点阵
晶系 布拉菲 点阵
简单三斜
晶系
六方 Hexagonal a1=a2＝a3≠c，α=β＝90º， γ=120º 菱方 Rhombohedral a=b=c, α=β=γ≠90º
2、原子半径r

晶胞中原子密度最大的方向上相 邻两原子之间距离的一半。
3、配位数

晶格中任一原子最邻近、等距离 的原子数。
4、致密度（K）

体密度：是指晶胞中所含全部 原子的体积总和与该晶胞体积 之比； 面密度：是指某晶面上所含原 子的个数；


线密度：指某晶向上所含原
子的个数；

作用：对晶体原子排列紧密 程度进行定量比较，说明结 合力的大小。
第二章 材料的内部结构
重点：材料内部结构与性能的
关系。
难点：晶体学（晶体结构与缺陷） 学习方法： 应用原子间结合力和
位错理论解释材料的性能。
一、原子的结合键
1、显著影响材料的电、 磁、光和热性能；
2、决定材料的类型。
二、原子的空间排列