第一章-第一节 非晶体和晶体结构

1）建立坐标系，晶格常数分别作为相应三个坐标轴 的长度单位；
2）过坐标原点做平行 于待定晶向的直线；
[332]
Z
c a X b

2 3
3）求出直线上任意一点 的坐标值。1、1、2/3； 4）将三个坐标值按比例 化为最小整数，加方 括号，[332]。
c
Y
注意： 晶向组：[uvw]指原子排列规律相同，相互平行的 所有晶向。 晶向族：〈uvw〉指原子排列规律相同，但互不平 行的所有晶向。
二、非晶体结构
非晶体指原子（离子或分子）在空间无规则排列的 固体。 （一）非晶态金属
金属及合金极易结晶，传统的金属材料都以晶态形 式出现。但如将某些金属熔体，以极快的速率急剧冷 却，例如每秒钟冷却温度大于100万度，则可得到一 种崭新的材料。由于冷却极快，高温下液态时原子的 无序状态，被迅速“冻结”而形成无定形的固体，这 称为非晶态金属；因其内部结构与玻璃相似，故又称 金属玻璃。
（二）非晶态高分子 高分子是长链结构，这个长链是曲曲折折的蜷 曲形。有规则的蜷曲(折叠)形成晶态，无规则的蜷 曲形成非晶态；高分子的分子与分子堆砌在一起。 有规则的堆砌形成规整的晶态排列；无规则的堆
（c）非晶态
（三）非晶态陶瓷（玻璃相） 玻璃材料为经熔融、冷却、固化，具有无规则结 构的非晶态无机物，原子排列近似液体，近程有序， 形状又象固体那样保持一定的形状。玻璃相多为无规 则网络的硅酸盐结构，但其排列是无序的，因此整个 玻璃相是一个不存在对称性及周期性的体系。下图是 石英（SiO2）晶体与石英玻璃（SiO2）结构对比。
结合键可分为化学键和物理键两大类。化学键 即主价键，它包括金属键、离子键和共价键；物理 键即次价键，也称范德华力。此外，还有一种称为 氢键，其性质介于化学键和范德华力之间。 （一）金属键
由金属正离子与电 子气之间相互作用而结 合的方式称为 金属键 ， 如图所示。
金属键与金属的特性 金属键特性
1、加电场，电子定向加速运动 加热场，离子、自由电子热振动 2、自由电子能吸收并辐射大 部分投射到其表面的光能
应用：铁的单晶体在磁场中沿<100>方向的磁化比沿 <111>方向容易，所以，制造变压器铁心的硅钢片的 <100>晶向应平行于导磁方向，降低变压器的铁损。
织构的简介 在金属凝固、塑性变形、再结晶过程中，晶
粒取向会择优分布，形成织构。
晶格（点阵结构） ——是指描述晶体排列规律的空间格架。 阵点（结点） ——为了研究原子在空间排列的规律性，将 构成晶体的实际质点（原子、离子或分子）抽象成纯粹的几 何点，称之为阵点。 晶胞——从晶格中取出一个最能代表原子排列特征 的最基本的几何单元。 晶格常数——晶胞各棱边的尺寸。 棱间夹角——晶胞各棱边的夹角。
模型
晶胞 密排六方结构
晶胞原子数
面心立方晶格和密排六方晶格原子堆垛方式的比较
面心立方晶格原子堆垛方式
六、三种典型晶格的致密度与配位数
晶体中原子排列的紧密程度与晶体结构类型 有关，通常用致密度和配位数来表示。 致密度是指晶胞中所包含的原子所占有的体 积与该晶胞体积之比。 配位数是指晶格中与任一原子最临近且等距 离的原子数。 晶格的致密度高，配位数也大。 不同类型晶格的晶体中，原子排列紧密程度不同， 所以具有不同的比容（单位质量物质所占的体积）。 金属的晶格类型发生转变时，会带来体积的膨胀或 收缩，如果这种体积变化受到约束，金属内部将产 生内应力，引起工件的变形或开裂。
一般来说，某物质的范德华力越大，则它的熔点、 沸点就越高。对于组成和结构相似的物质，范德华 力一般随着相对分子质量的增大而增强。
（五）氢键
氢键是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子 同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子 O，F， N等，相结合而产生的具有比一般次价键大的键力， 又称氢桥。氢键具有饱和性和方向性。 氢键可以存在于分子内或分子间。氢键在高分子材 料中特别重要，纤维素、尼龙和蛋白质等分子有很 强的氢键，并显示出非常特殊的结晶结构和性能。
晶体--晶格
晶格--晶胞
晶胞
四、晶面指数和晶向指数
（一）晶面指数及确定方法 晶体学中，通过晶体中原子中心的平面称为晶面。 任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向 称为晶向。 表示晶面的符号称为晶面指数； 表示晶向的符号称为晶向指数。
例如：求下列晶面的晶面指数(a=b=c) 1）建立坐标系，如图。（原点不能在待定晶面上）
晶胞
晶胞原子数
体心立方结构
（二）面心立方晶格（fcc）
晶胞特征：晶胞是一个立方体，每个顶角上均有一 个原子，每个面的中心均有一个原子。 常见金属：-Fe、Au、Ag、Al、Cu、Pb、Ni等。
模型
晶胞
晶胞原子数
面心立方结构
（三）密排六方晶格（hpc） 晶胞特征：晶胞是一个正六方棱柱，原子分布在正六 方柱体的十二个结点和上、下底面的中心 处，另外三个原子排列在上、下底面之间。 常见金属： Mg、Zn、Be、Cd、 -Ti等。
在单晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不 同，原子间的结合力就不同，因而晶体在不同 方向上的性能各异，即晶体的各向异性。 原因：由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度 不同→原子间结合力不同→不同方向上的性能 （力学性能、物理性能、化学性能等）不同→晶 体的各向异性
各向异性的利用
在多晶体中，每个晶粒相当于一个单晶体，具有各 向异性，但各个晶粒在整块金属内的空间位向是任意 的，整个晶体各个方向上的性能则是大量位向各不相 同的晶粒性能的均值。因此，性能是均匀一致的，称 为“伪各向同性”。 取向——择优取向——织构
Z [101]
〈110〉指 [110]、[101]、[011]、
[110]
[110]、[101]、[011]、
X
Y
[110]
组和族的区别
晶面组：（hkl）指原子排列规律相同，相 互平行的一组晶面 晶面族：{hkl}指原子排列规律相同，但互 不平行的一族晶面 晶向组：[uvw]指原子排列规律相同，相互平行的 所有晶向。 晶向族：〈uvw〉指原子排列规律相同，但互不平 行的所有晶向。
第一章
第一节 第二节 第三节
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构 晶体缺陷 金属的结晶与铸锭
第一节
金属的晶体结构
一、原子的结合键及其特性 二、非晶体结构 三、晶体结构基本概念 四、晶面指数和晶向指数 五、三种常见的晶体结构 六、三种典型晶格的致密度与配位数 七、单晶体的各向异性与多晶体的伪各向同性
一、原子的结合键及其特性
（a）石英晶体 （b）石英玻璃
三、晶体结构基本概念
（一）晶体和非晶体
晶体
内部的原子（离子或 定 义 分子）呈有序、有规 则排列的固态物质。
非晶体
内部的原子（离子或 分子）呈无序、无规 则排列的固态物质。
特 有固定的熔点，具有 性 各向异性。
没有固定的熔点，具 有各向同性。
（二）晶体结构的基本概念
当晶体内部的原子都按同一规律同一位向排列， 即晶格位向完全一致时，此晶体称为单晶体。实际 使用的金属材料单晶体很少，基本上都是由许多位 向不同的单晶体所组成的多晶体。 晶粒—外形不规则的颗粒
状的小晶体。
晶界—晶粒与晶粒之间
的界面，简称晶界。
（a） （b）
单晶体（a）、多晶体示意图（b）
材料的各向异性
4加热时正离子振动增强电子运动受阻电阻增加金属键特性金属特性1加电场电子定向加速运动加热场离子自由电子热振动良好的导电性2自由电子能吸收并辐射大部分投射到其表面的光能良好的导热性不透明有金属光泽较高的强度3金属键合力强键没有方向性对原子没有选择性原子可不破坏键而移动良好的塑性有正的电阻温度系数金属键与金属的特性二离子键这种结合的实质是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带正电的正离子而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子这样正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起
（三）共价键 共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子 间通过共用电子对而形成的化学键。 具有的性能： 共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构 稳定、熔点高、质硬脆等特点。由于束缚在相邻原 子间的“共用电子对”不能自由地运动，共价键结 合形成的材料一般是绝缘体，其导电能力差。
（四）分子键 分子型物质能由气态转变为液态，由液态转变为 固态，这说明分子间存在着相互作用力，这种作用 力称为分子间力或范德华力。范德华力是存在于分 子间的一种吸引力，它比化学键弱得多。
(110)
{110}指 (110)、(101)、(011)、
(110)、(101)、(011)
(110)
(011)
练习：求出下面晶面的晶面指数
(111)
(110)
a)
b)
(120) (112) c) d)
（二）晶向指数及确定方法 建坐标系→做直线→求坐标值→化整数→加 [ ]
晶向指数确定方法
例如：求下列晶向的晶向指数(a=b=c)
五、三种常见的晶体结构
晶体中的晶体结构通常分为7个晶系，14种晶 格。绝大多数金属的晶体结构为体心立方、面心 立方和密排六方三种紧密而简单的结构。
（一）体心立方晶格（bcc） 晶胞特征：晶胞是一个立方体，原子分布在立方体 的八个结点和立方体的中心处。 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V等
模型
Z
c
（100）
2）求待定晶面在三个 坐标轴上的截距。 1、∞、 ∞
3）取三个截距的倒数 1、0、0
Y
a X
b
4）化为最小整数， 加圆括号，（100）
即：建坐标→求截距→取倒数→化整数→加（）
注意： 晶面组：（hkl）指原子排列规律相同，相 互平行的一组晶面 晶面族：{hkl}指原子排列规律相同，但互 不平行的一族晶面
三种晶格的原子排列说明
晶格 类型
体心 立方 面心 立方 密排 六方
每个晶胞 中原子数
2
原子 半径
2 a 4 3 a 4
致密度 配位数 68% 8
原子密 排方向
<111>
原子 密排面
{110}
4
6
74%
74%
12
12
<110>
1120
{111}
{0001}
1 a 2
七、单晶体的各向异性与多晶体的伪各向同性
金属特性 →良好的导电性 →良好的导热性 →不透明，有 金属光泽
3、金属键合力强 键没有方向性， →较高的强度 对原子没有选择性，原子可不破 →良好的塑性 坏键而移动 4、加热时，正离子振动增强， →有正的电阻 电子运动受阻，电阻增加 温度系数
（二）离子键
这种结合的实质是金属原子将自己最外层的价电 子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而 非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子， 这样，正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起。 具有的性能： 一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。 因此，其熔点和硬度均较高，具有高的高温强度和耐 磨性。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子， 因此，它们多数是良好的绝缘体。但当处在高温熔融 状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即 呈现离子导电性。