金属的晶体结构和结晶优秀课件
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1.2金属的晶体结构与结晶PPT课件
（原子直径相近，结构相同）
2021
35
➢ 间隙固溶体：当溶质原子很 小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。
如图a所示。如C、H、N、 B、O等原子易形成间隙固 溶体。
➢ 溶解度大小取决于：
a 溶剂晶体结构
间隙大小，间隙↗，溶解↗
b 溶质尺寸
溶质尺寸↘，溶解度↗
2021
36
➢ 置换固溶体：当溶质和溶剂 的原子直径较接近时，只能 替代一部分溶剂原子而占据 溶剂晶格中的某些结点位置， 称为置换固溶体。
例如：钢中加入钛、硼、铝等；铸铁中加入硅、钙 等；铝-硅合金中加入钠或钠盐等。
3) 动力学方法 生产中还可以采用机械振动、超声波振动、电磁
搅拌等方法。使熔融金属在铸型中产生运动。打断 正在生长的树枝晶轴，破碎的细小晶体成为新的晶 核，增加了晶核数目，从而使晶粒细化。
例如：钢的连续铸造采用电磁搅拌来细化晶粒。
20晶21 界
亚晶界
19
1.2.2 金属的结晶过程
１.纯金属的结晶
➢ 即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成 晶体的过程。
纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温 度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8 所示。
2021
20
温度 ΔT
T0 Tn
➢ T0 ——理论结晶温度,即熔点 ➢ Tn——实际结晶温度
１.２金属的晶体结构与结晶
按原子排列的特征，可将固体物质 分为晶体和非晶体两大类。
晶体： 物质内部的原子是按一定的 次序有规律排列的。如金刚石、石 墨等，固态金属一般属于晶体。
非晶体：非晶体内部的原子则是无规 则排列的，如玻璃、松香和沥青等。 也称为 “过冷液体” 。
2021
35
➢ 间隙固溶体：当溶质原子很 小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。
如图a所示。如C、H、N、 B、O等原子易形成间隙固 溶体。
➢ 溶解度大小取决于：
a 溶剂晶体结构
间隙大小，间隙↗，溶解↗
b 溶质尺寸
溶质尺寸↘，溶解度↗
2021
36
➢ 置换固溶体：当溶质和溶剂 的原子直径较接近时，只能 替代一部分溶剂原子而占据 溶剂晶格中的某些结点位置， 称为置换固溶体。
例如：钢中加入钛、硼、铝等；铸铁中加入硅、钙 等；铝-硅合金中加入钠或钠盐等。
3) 动力学方法 生产中还可以采用机械振动、超声波振动、电磁
搅拌等方法。使熔融金属在铸型中产生运动。打断 正在生长的树枝晶轴，破碎的细小晶体成为新的晶 核，增加了晶核数目，从而使晶粒细化。
例如：钢的连续铸造采用电磁搅拌来细化晶粒。
20晶21 界
亚晶界
19
1.2.2 金属的结晶过程
１.纯金属的结晶
➢ 即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成 晶体的过程。
纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温 度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8 所示。
2021
20
温度 ΔT
T0 Tn
➢ T0 ——理论结晶温度,即熔点 ➢ Tn——实际结晶温度
１.２金属的晶体结构与结晶
按原子排列的特征，可将固体物质 分为晶体和非晶体两大类。
晶体： 物质内部的原子是按一定的 次序有规律排列的。如金刚石、石 墨等，固态金属一般属于晶体。
非晶体：非晶体内部的原子则是无规 则排列的，如玻璃、松香和沥青等。 也称为 “过冷液体” 。
金属结晶的
第6讲 金属的晶体结构
讨论2：金属结晶的条件？
➢ 金属要结晶，必须有动力，即金属必须处于理论结晶温 度以下。此时，液、固两相之间有一自由能差△G，这个 能量差就是金属液体结晶的驱动力。
➢ 实际结晶温度与理论温度之间的差称为金属结晶时的过 冷度。即△T=T0-T1，可以说一定的过冷度是金属结晶的 必要条件。
第2章 金属的晶体结构
第8讲 金、金属结晶的基本概念 二、金属的结晶过程
第8讲 金属的晶体结构
讨论1： 什么是结晶？ 金属与合金从液态冷却转变为固态的
过程，是原子由不规则排列的液体状态 逐步过渡到原子有规则排列的晶体状态 的过程，称之为结晶。
第6讲 金属的晶体结构
所示。
3、什么是过冷现象？ 4、的 过冷度（克服界面能）
T
过冷度
T= T0 - Tn
冷却曲线
理论结晶温度
}T 开始结晶温度
t
冷却速度越大，则过冷度越大。
第6讲 金属的晶体结构
结论
可以说，一定的过冷度是金属结晶的必 要条件。 一般情况下，冷却速度越快，过冷度△T越 大，结晶驱动力越大，结晶速度越快。
细化晶粒的措施 1. 提高过冷度 2. 变质处理 3. 振动结晶
第6讲 金属的晶体结构
谢谢
平面生长
树枝状生长
第6讲 金属的晶体结构
讨论．金属结晶时，需要控制晶粒的大小吗？ 如何控制晶粒大小？
在实际生产中，一般通过增大过冷度，也就是增大冷却速度、 进行和附加振动等工艺方法来获取细小的晶粒。
(a)液态金属 (b)形成晶核 (c)晶核长大 (d)部分结晶 (e)完全结晶
第6讲 金属的晶体结构
2. 纯金属的结晶过程
形核和晶核长大的过程
《金属的结构与结晶》PPT课件
§1.1 金属的特征
金属材料 以金属键方式结合，从而使金属材料具 有以下特征：
良好的导电、导热性： 自由电子定向运动〔在电场作用下〕导电、
〔在热场作用下〕导热。 正的电阻温度系数：
金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自 由电子的定向运动，从而使电阻升高。 不透明，有光泽：
自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自 由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道， 当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见 返回
非晶体
蜂蜡、玻璃 等。
液体
§1.2 金属的 晶体构造
扩大知识
• 微晶：快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要 小得多，仅为微米纳米级尺度，高强度高硬度；
• 准晶：在晶体内部的原子长程有序，介于晶体和 非晶体之间；
• 液晶：二维长程有序。
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§1.2 金属的 晶体构造
z
c
a
x
y b
d 晶胞
a 原子堆垛模型
《金属的结构与结晶》 PPT课件
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第一章 金属的构造与结晶
§1.1 金属的特征 §1.2 金属的晶体构造 §1.3 实际晶体中的缺陷 §1.4 金属的结晶过程 §1.5 晶粒大小控制
c
a
X
b
Y
§1.2 金属的 晶体构造
晶格常数：a=b=c； ===90
晶胞原子数： 4 原子半径： 致密度：0.74
返回
§1.2 金属的 晶体构造
晶格常数 密排六方晶格 C〔石墨〕、Mg、Zn 等 底面边长a
第二章金属的晶体结构与结晶PPT课件
❖ 密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6 （个）。密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。
二、实际金属的晶体结构
❖ （一）金属材料都是多晶体。
❖ 单晶体：晶格位向完全一致的晶体。晶粒， ❖ 亚晶界。亚晶界。
晶体
晶粒 晶界
亚晶界 亚晶界
多晶体示意图
多晶体示意图
（二）、晶体的缺陷
❖ 缺陷对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）有 很大的影响。
来表示晶胞的形状和大小。
（三）、金属中常见晶格
1、体心立方晶格(bcc)：如 aFe Cr
❖ 晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。
1/8
2、面心立方晶格(fcc)
❖ 面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。
面心立方晶格的金属有 rFe、Al等。
3、密排六方晶格(hcp)
冷变形加工后金属出现了强度 提高的现象（加工硬化），就 是由于位错密度的增加所致。
立体 模型
平面 模型
刃型位错示意图
a ) 刃晶 形格 立位体错模示型意b图) 平 面 图
3、面缺陷——晶界和亚晶界
晶界的过渡结构示意图
晶界结构
亚晶界结构示意图
亚晶界结构
第二节 纯金属的结晶
主要内容 ❖ 凝固与结晶的概念 ❖ 结晶的现象与规律 ❖ 同素异晶(构)转变
温
度
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
To
T1
实际冷却曲线
时间
2. 过冷现象与过冷度
❖过冷现象 ：T实际<T理论；
❖ 过冷度：过冷是结晶的必要条件。
ΔT = T0 – T1
二).结晶的一般规律(结晶过程)
纯金属的结晶课件
金属晶体结构的形成
金属原子通过相互作用形成稳定的晶 格结构，这种晶格结构决定了金属的 力学、电学和热学等性质。
晶体结构的测定方法
X射线衍射法
利用X射线在晶体中的衍射现象 ，通过分析衍射图谱确定晶体结
构。
中子衍射法
利用中子在晶体中的散射现象， 通过分析散射图谱确定晶体结构
。
电子显微镜法
利用电子显微镜观察晶体表面或 薄片的形貌和电子衍射花样，从
而确定晶体结构。
03
纯金属的结晶缺陷
点缺陷
定义
点缺陷是指晶体中一个或几个原子、分子或原子 团缺失或添加，导致周围晶格发生畸变。
形成原因
在结晶过程中，由于温度下降过快或杂质元素掺 入，导致晶格结构中原子排列不规整。
影响
点缺陷的存在会对金属的物理、化学性能产生影 响，如导电性、热导率等。
线缺陷
定义
科研领域中的应用
金属晶体结构研究
通过纯金属的结晶技术可以研究金属的晶体结构，深入了解金属材料的原子排列和晶体缺 陷等微观结构特征。
金属相变研究
结晶过程中金属会发生相变，通过纯金属的结晶技术可以研究金属相变的规律和机制，为 金属材料的性能优化提供理论支持。
金属材料热力学研究
利用纯金属的结晶技术可以研究金属材料的热力学性质，如熔点、沸点、熵等，为金属材 料的热处理和加工提供理论依据。
形成原因
02
在结晶过程中，由于温度变化或杂质元素分布不均导致晶格在
某一平面内的排列出现偏差。
影响
03
面缺陷的存在会对金属的物理性能产生影响，如电导率、热导
பைடு நூலகம்
率等。
04
纯金属的结晶性能
热学性能
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3.金属晶体：失去价电子的金属正离子与组成电子云的自由电 子之间产生的静电引力使金属原子结合在一起，从而形成了金属 晶体。
二、常见金属的晶体结构类型
体心立方晶格
面心立方晶格
密排六方晶格
常见金属的晶体结构（90％）
（1）体心立方晶格 bcc
铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和α-Fe(温度小于912℃纯铁)。
面和晶向中原子分布的特点，这样有必要给各种晶面和晶向定出一定的 符号，以表示出它们在晶体中的方向，从而便于分析，晶面和晶向的这 种符号分别叫“晶面指数”和“晶向指数”。
晶向：各个方向上的原子列。 晶面：原子面
（一）晶面指数的确定
⑴ 如图 设晶格中，某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、 OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量 单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距；
相指数[100]。
同理：OD晶向指数[010],OA为[001]。
同样 [100]代表方向相同的一组晶向,
晶向指数的确定
而<100>则代表方向不同但原子排列 相同的晶向
四、晶面和晶向原子密度
晶面
晶向
不同晶面或晶向上原子密度不同,引起性能 不同的现象称谓各向异性。
如体心立方晶格的铁晶体，在<111>方向的 E＝290000MN/m2，在<100>方向
2.金属晶体中的晶面和晶向
晶面
晶向
通过原子中心的平面 通过原子中心的直线所指的方向
Z Z
c
b a
c
Y
b a
Y
X
X
3.金属晶体的特性
（1）有确定的熔点
温 度
熔点
非晶体
晶体
时间
晶体和非晶体的熔化曲线
（2）各向异性
Z
Z
Y
Y
X
X
三、晶面及晶向指数
在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种晶
非晶体 —— 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。
晶体
金刚石、NaCl、冰 等。
非晶体 ： 蜂蜡、玻璃 等。
液体
二、晶格、晶胞和晶格常数
1．晶体结构 晶体中原子（离子或分子 ）在空间的具体排列。
2．阵点（结点） 把原子（离子或分子）抽 象为规则排列于空间的几何 点，称为阵点或结点。
晶体结构
● 晶体结构 原子（离子）的刚球模型
⑶ 将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求 的晶面指数，其
一般形式[uvw]。
如：AB的晶向指数：过O作一平行直线OP,
其上任一点的坐标（1，1，0）,这样所求
AB的晶向指数即为[110]；
OB：本身过原点不必作平行线，其上任一
点的坐标（111），其晶向指数[111]；
OC：其上任一点C的坐标（100），其晶
3．DBEG面：截距1，1，∞； 倒数 1，1，0，晶面指数（110）
4．DCFG面：截距1，∞，∞；倒数1，0，0， 晶面指数（100）
值得注意：晶面指数，并非仅指一晶格中的某一个晶面，而是泛指 该晶格中 所有那些与其相平行的位向相同的晶面。
在一种晶格中，如果某些晶面，虽然
它们的位向不同，但原子排列相同。
8．晶格常数
晶胞的棱边长度数，其中a、b 、c称为晶格常数或点阵常数。
其大小用A来表示（1A=10-8cm）
若a=b=c，α=β=γ=90°这种晶胞就称为简单 立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单 立方晶格。
晶
胞
Z
c
b
a
Y
X
晶格常数 a，b，c
⑵ 将所得三截距之值变为倒数；
⑶ 再将这三个倒数按比例化为最小整数并加
上一圆括号
即为晶面指数。
一般表示形式：（hkl) 。
晶面指数的确定
1．PBEQ面：在三坐标轴上的截距分别是1/2，1，∞；
截距倒数分别是：2，1，0；化为最小整数后的晶面指数（210）
2．AGE面： 截距1，1，1； 倒数1，1，1 ，晶面指数（111）
面心立方晶胞
Z
c
a
X
bY
晶格常数：a=b=c； ===90
晶胞原子数： 4 原子半径：
致密度：0.74
（3）密排六方晶格 hcp
C（石墨）、Mg、Zn 等
晶格常数 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90
晶胞原子数：6
原子半径：a/2
致密度：0. 74
铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)
体心立方晶胞 （体心立方晶格最 小单位）
Z
c
a a 2r
a
bY
X
晶格常数：a=b=c； ===90
晶胞原子数： 2
原子半径：
致密度：0.68 致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3
（2）面心立方晶格 fcc
铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和γ-Fe等（温度在1394℃～912℃纯 铁)。
9 晶格的致密度：是指其晶胞中所包含的原子所占有的 体积与该晶胞体积之比。
§2 金属晶体结构
一、金属的特性和金属键
1.金属键：金属原子间的结合键。特点是电子公有化。电子云
2.电子云：当金属原子结合成晶体时，价电子不再被束 缚在各个原子上，而是在整个晶体内运动， 从而形成电子云。导电，导热，高强度和塑 性，紧密排列和对称。
原子中心位置
点阵（晶格）模型
晶胞
3．点阵 在空间的排列方式称为空 间点阵（简称点阵）。
4．晶面 点阵中的结点所构成的平 面。
5．晶向 点阵中的结点所组成的直 线。
晶体结构
6．晶格
把点阵中的结点假想用一系列
平行直线连接起来构成空间格子称
为晶格。
晶胞
7．晶胞 构成晶格的最基本单元。 由于晶体中原子排列的规律 性，可以用晶胞来描述其排列 特征。
如（100）、（010）及 （001）等，这时
若不必要予以区别时，可把这些晶面统
用{100}表示。
即：（hkl)这类符号系指某一确定位向的
晶面指数；
而{hkl}则可指所有那些位向不同而原子排
晶面指数的确定
列相同的晶面指数。
（二） 晶向指数的确定
⑴ 通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；
⑵ 求出该直线上任意一点的三个坐标值；
金属的晶体结构和结晶优秀课 件
第三章
金属的晶体结 构与结晶
内容
§1晶体的基本知识 §2金属的晶体结构 §3合金的晶体结构 §4实际金属的晶体结构
§1 晶体与非晶体
一、晶体与非晶体的区别
(a) 是否具有周期性、对称性； (b) 是否长程有序； (c) 是否有确定的熔点； (d) 是否各向异性。
晶体 —— 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周 期性排列。
二、常见金属的晶体结构类型
体心立方晶格
面心立方晶格
密排六方晶格
常见金属的晶体结构（90％）
（1）体心立方晶格 bcc
铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和α-Fe(温度小于912℃纯铁)。
面和晶向中原子分布的特点，这样有必要给各种晶面和晶向定出一定的 符号，以表示出它们在晶体中的方向，从而便于分析，晶面和晶向的这 种符号分别叫“晶面指数”和“晶向指数”。
晶向：各个方向上的原子列。 晶面：原子面
（一）晶面指数的确定
⑴ 如图 设晶格中，某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、 OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量 单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距；
相指数[100]。
同理：OD晶向指数[010],OA为[001]。
同样 [100]代表方向相同的一组晶向,
晶向指数的确定
而<100>则代表方向不同但原子排列 相同的晶向
四、晶面和晶向原子密度
晶面
晶向
不同晶面或晶向上原子密度不同,引起性能 不同的现象称谓各向异性。
如体心立方晶格的铁晶体，在<111>方向的 E＝290000MN/m2，在<100>方向
2.金属晶体中的晶面和晶向
晶面
晶向
通过原子中心的平面 通过原子中心的直线所指的方向
Z Z
c
b a
c
Y
b a
Y
X
X
3.金属晶体的特性
（1）有确定的熔点
温 度
熔点
非晶体
晶体
时间
晶体和非晶体的熔化曲线
（2）各向异性
Z
Z
Y
Y
X
X
三、晶面及晶向指数
在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种晶
非晶体 —— 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。
晶体
金刚石、NaCl、冰 等。
非晶体 ： 蜂蜡、玻璃 等。
液体
二、晶格、晶胞和晶格常数
1．晶体结构 晶体中原子（离子或分子 ）在空间的具体排列。
2．阵点（结点） 把原子（离子或分子）抽 象为规则排列于空间的几何 点，称为阵点或结点。
晶体结构
● 晶体结构 原子（离子）的刚球模型
⑶ 将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求 的晶面指数，其
一般形式[uvw]。
如：AB的晶向指数：过O作一平行直线OP,
其上任一点的坐标（1，1，0）,这样所求
AB的晶向指数即为[110]；
OB：本身过原点不必作平行线，其上任一
点的坐标（111），其晶向指数[111]；
OC：其上任一点C的坐标（100），其晶
3．DBEG面：截距1，1，∞； 倒数 1，1，0，晶面指数（110）
4．DCFG面：截距1，∞，∞；倒数1，0，0， 晶面指数（100）
值得注意：晶面指数，并非仅指一晶格中的某一个晶面，而是泛指 该晶格中 所有那些与其相平行的位向相同的晶面。
在一种晶格中，如果某些晶面，虽然
它们的位向不同，但原子排列相同。
8．晶格常数
晶胞的棱边长度数，其中a、b 、c称为晶格常数或点阵常数。
其大小用A来表示（1A=10-8cm）
若a=b=c，α=β=γ=90°这种晶胞就称为简单 立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单 立方晶格。
晶
胞
Z
c
b
a
Y
X
晶格常数 a，b，c
⑵ 将所得三截距之值变为倒数；
⑶ 再将这三个倒数按比例化为最小整数并加
上一圆括号
即为晶面指数。
一般表示形式：（hkl) 。
晶面指数的确定
1．PBEQ面：在三坐标轴上的截距分别是1/2，1，∞；
截距倒数分别是：2，1，0；化为最小整数后的晶面指数（210）
2．AGE面： 截距1，1，1； 倒数1，1，1 ，晶面指数（111）
面心立方晶胞
Z
c
a
X
bY
晶格常数：a=b=c； ===90
晶胞原子数： 4 原子半径：
致密度：0.74
（3）密排六方晶格 hcp
C（石墨）、Mg、Zn 等
晶格常数 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90
晶胞原子数：6
原子半径：a/2
致密度：0. 74
铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)
体心立方晶胞 （体心立方晶格最 小单位）
Z
c
a a 2r
a
bY
X
晶格常数：a=b=c； ===90
晶胞原子数： 2
原子半径：
致密度：0.68 致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3
（2）面心立方晶格 fcc
铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和γ-Fe等（温度在1394℃～912℃纯 铁)。
9 晶格的致密度：是指其晶胞中所包含的原子所占有的 体积与该晶胞体积之比。
§2 金属晶体结构
一、金属的特性和金属键
1.金属键：金属原子间的结合键。特点是电子公有化。电子云
2.电子云：当金属原子结合成晶体时，价电子不再被束 缚在各个原子上，而是在整个晶体内运动， 从而形成电子云。导电，导热，高强度和塑 性，紧密排列和对称。
原子中心位置
点阵（晶格）模型
晶胞
3．点阵 在空间的排列方式称为空 间点阵（简称点阵）。
4．晶面 点阵中的结点所构成的平 面。
5．晶向 点阵中的结点所组成的直 线。
晶体结构
6．晶格
把点阵中的结点假想用一系列
平行直线连接起来构成空间格子称
为晶格。
晶胞
7．晶胞 构成晶格的最基本单元。 由于晶体中原子排列的规律 性，可以用晶胞来描述其排列 特征。
如（100）、（010）及 （001）等，这时
若不必要予以区别时，可把这些晶面统
用{100}表示。
即：（hkl)这类符号系指某一确定位向的
晶面指数；
而{hkl}则可指所有那些位向不同而原子排
晶面指数的确定
列相同的晶面指数。
（二） 晶向指数的确定
⑴ 通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；
⑵ 求出该直线上任意一点的三个坐标值；
金属的晶体结构和结晶优秀课 件
第三章
金属的晶体结 构与结晶
内容
§1晶体的基本知识 §2金属的晶体结构 §3合金的晶体结构 §4实际金属的晶体结构
§1 晶体与非晶体
一、晶体与非晶体的区别
(a) 是否具有周期性、对称性； (b) 是否长程有序； (c) 是否有确定的熔点； (d) 是否各向异性。
晶体 —— 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周 期性排列。