第二章 材料的结构
材料科学基础_第2章_固体材料的结构
4
共价键
原子间不产生电子的转移，借共用电子对产生的力结合， 如金刚石，单质硅，SiC 特点： 1.饱和性：电子必须由（8－N）个邻近原子共有；
2.具有方向性：氧化硅四面体中硅氧键为109°
3. 脆性：外力作用，原子间发生相对位移，键将被 破坏
配位数与致密度 配位数 CN=12 致密度 k=0.74
25
体心立方结构(特征）
体心立方晶格密排面
26
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
体心立方晶格（间隙及堆垛方式）
间隙: 也是两种，为八面体和四面体间隙， 八面体间隙位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的 中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原围成， 即数量为6。大小为rB=0.154R(在<100>) 或rB=0.633R (在<110>) 。
配位数： CN=8 致密度： k=0.68
31
密排六方晶格原子位置
32
密排六方晶格晶胞原子数
33
密排六方晶格密排面
34
密排六方晶格原子配位数
35
密排六方晶格(间隙及堆垛方式）
• 间隙: 较为复杂，如图2.34 八面体间隙rB=0.414R 有 6 个 四面体间隙rB=0.225R 有 12 个
图1 Cl和Na离子保持r0的距离
图2 NaCl 晶体
9
•
分子键（范德华力)
以若静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的。
特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性， 无方向性。
氢键： 分子间特殊作用力
表达为：X—H—Y 特点：具有饱和性和方 向性，可存在于分子内 或分子间。氢键主要存 在于高分子材料内。
材料科学基础第二章+材料的结构
a
b
（200）、（333）等是否存在？ 具有公因子的晶面不存在
过坐标原点O
c
a
O
b
O’
截距 -1 1/4 （01-4）
c
a （100）
b
c
a
（200） b
（3）晶面族和晶向族
(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。
[110]
(100)
简单立方(12) 体心立方(13) 面心立方(14)
Fe, Cr, Cu, Ag, V
14种Bravais点阵
1. 三斜Triclinic ：简单三斜(1)
a b c, 90o
2. 单斜Monoclinic ： 简单单斜(2) 底心单斜(3)
a b c, 90o
dhkl2[(h/a)2+(k/b)2+(l/c)2] =cos2+cos2+cos2 直角坐标系
cos2+cos2+cos2 =1
对于常见晶系，晶面间距dhkl为：
dhkl dhkl dhkl
1 (h)2 (k )2 ( l )2 abc
abc 90
abc 90
简单六方(8)
简单菱方(9) 简单四方(10) 体心四方(11)
Mg, Zn
Cd, Ni, As 90%以上的 金属具有立
As, Sb, Bi 方晶系和六 方晶系
-Sn, TiO2
abc 90
Draw the plane （100）
c
a （100）
b
材料科学基础 第二章 固体材料的结构
第二章固体材料的结构固体材料的各种性质主要取决于它的晶体结构。
原子之间的作用结合键与晶体结构密切相关。
通过研究固体材料的结构可以最直接、最有效地确定结合键的类型和特征。
固体材料主要包括：金属、合金、非金属、离子晶体、陶瓷研究方法：X光、电子、中子衍射——最重要、应用最多§2-1 结合键结合键——原子结合成分子或固体的结合键决定了物质的物理、化学、力学性质。
一切原子之间的结合力都起源于原子核与电子间的静电交互作用（库仑力）。
不同的结合键代表了实现结构）的不同方式。
一、离子键典型的金属与典型的非金属元素就是通过离子键而化合的。
从而形成离子化合物或离子晶体由共价键方向性特点决定了的SiO2四面体晶体结构极性共价键非极性共价键五、氢键含有氢的分子都是通过极性共价键结合，极性分子之间结合成晶体时，通过氢键结合。
例如：H 2O ，HF ，NH 3等固态冰液态水§2-2 金属原子间的结合能一、原子作用模型固态金属相邻二个原子之间存在两种相互作用：a) 相互吸引——自由电子吸引金属正离子，长程力；b) 相互排斥——金属正离子之间的相互排斥，短程力。
平衡时这二个力相互抵消，原子受力为0，原子处于能量最低状态。
此时原子间的距离为r0。
§2-3 合金相结构基本概念♦合金——由两种或两种以上的金属或金属非金属元素通过化学键结合而组成的具有金属特性的材料。
♦组元、元——组成合金的元素。
♦相——具有相同的成分或连续变化、结构和性能的区域。
♦组织——合金发生转变（反应）的结果，可以包含若干个不同的相，一般只有一到二个相。
♦合金成分表示法：(1) 重量（质量）百分数A-B二元合金为例m B——元素B的重量(质量m A——元素A的重量(质量合金中的相分为：固溶体，化合物两大类。
固溶体金属晶体(溶剂)中溶入了其它元素(溶质)后，就称为固溶体。
一、固溶体的分类：♦按溶质原子在溶剂中的位置分为：置换固溶体，间隙固溶体♦按溶解度分为：有限固溶体，无限固溶体♦按溶质原子在溶剂中的分布规律分为：有序固溶体，无序固溶体置换固溶体：溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。
材料科学基础第2章
晶胞示意图
晶胞大小和形状表示方法
晶胞大小和形状表示方法为：
晶胞的棱边长度ａ、ｂ、ｃ（称为点阵常数、晶格常 数(lattice constants/parameters))； 棱边的夹角为α、β、γ（称为晶轴间夹角）。 选取晶胞的原则： 1、应反映出点阵的高度对称性 2、棱和角相等的数目最多 3、棱边夹角为直角时，直角数目最多 4、晶胞体积最小
晶面指数（hkil）其中i=-（h+k）
晶向指数 [uvtw] 其中t=-（u+v）
六方晶系按两种晶轴系所得的晶面指数和晶向 指数可相互转化：
六方晶系的晶向（面）指数示意图
六方晶系的一些晶向（面）指数
4.晶带
晶带——所有平行或相交于同一直线的晶面构成一个 晶带，此直线称为晶带轴。属此晶带的晶面称为共 带面。 晶带定理：同一晶带上晶带轴[uvw]和晶带面（hkl） 之间存在以下关系：hu+kv+lw=0 通过晶带定理可以求晶向指数或晶面指数。 a) 求两不平行的晶面（h1k1l1）和（h2k2l2）的晶 带轴。 b) 求两个不平行的晶向[u1v1w1]和[u2v2w2]所决定 的晶面。
面心立方八面体间隙面心立方Biblioteka 面体间隙面心立方四面体间隙
面心立方四面体间隙
面心立方原子堆垛顺序
面心立方晶体的 ABCABC 顺序密堆结构
2.体心立方晶格(特征）
原子排列:晶胞八个顶角和晶胞体心各有一个原子 点阵参数:a=b=c，α=β=γ=90º 晶胞中原子数:n=8×1/8＋1=2个 3 原子半径: 4R 3a, R a
三种典型金属晶体结构刚球模型
三种典型金属晶体结构晶胞原子数
原子半径与晶格常数
三种典型金属晶格密排面的堆垛方式
第二章 材料的结构(含答案)
第二章材料的结构(含答案)一、填空题（在空白处填上正确的内容）1、内部原子按一定规律排列的物质叫________。
答案：晶体2、金属晶体在不同方向上具有不同性能的现象叫________。
答案：各向异性3、常见的金属晶格类型有________、________、________三种。
答案：体心立方、面心立方、密排六方4、常见的金属晶格类型有三种，α-Fe、Cr、W、Mo、V的晶格属于________。
答案：体心立方5、表示晶体中原子排列的空间格子叫做________，组成空间格子的最基本的几何单元叫做________。
答案：晶格、晶胞6、实际金属结构中的点缺陷包括________、________和________；它们可使金属的强度________。
答案：间隙原子、置换原子、空位、提高7、工程材料的结合键有________、________、________和________四种。
答案：离子键、共价键、金属键、分子键8、三种常见金属晶格类型为________、________和________。
答案：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；9、按溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体可分为________和________两种。
答案：置换固溶体、间隙固溶体10、面心立方晶格中，晶胞的原子数为________，致密度为________。
答案：4、0.7411、位错分为两种，它们是________和________；多余半排原子面的是________位错。
答案：刃型位错、螺型位错、刃型位错12、相是指金属或合金中成分________，结构________，并由________与其它部分分开的均匀组成部分。
答案：相同、相同、界面13、合金中成分、结构和性能相同的组成部分称为________。
答案：相14、按其几何形式的特点，晶格缺陷可分为________、________和________。
答案：点缺陷、线缺陷、面缺陷15、体心立方晶格中，晶胞的原子数为________，原子半径与晶格常数的关系为________，致密度为________。
材料的结构
一、晶向指数的确定
确定用三指数表示晶向指数[uvw]的步骤： (1)以某一结点为原点，建立以晶轴a，b，c 为坐标轴的坐标系，各轴上的坐标长度单位 分别是晶胞边长a，b，c，确定待标晶向上任 意两点的坐标。 (2)末点坐标减去始点坐标，得到沿该坐标系 各轴方向移动的点阵参数的数目x,y,z。 (3)将这三个值x，y，z化成一组互质整数， 加上方括号即为所求得的晶向指数[uvw]，如 某一数为负值，则将负号标 所有相互平行的晶面在三个晶轴上的截距 虽然不同，但它们是成比例的，其倒数也仍 然是成比例的，经简化可以得到相应的最小 整数。因此，所有相互平行的晶面，其晶面 指数相同，或者三个符号均相反。可见，晶 面指数所代表的不仅是某一晶面，而且代表 着一组相互平行的晶面。
三、晶面族和晶向族的表示 在晶体中，具有等同条件而只是空间位向 不同的各组晶面（即这些晶面的原子排列情 况和晶面间距等完全相同），可归并为一个 晶面族，用{hkl}表示。例如，立方晶体中某 些晶面族所包括的等价晶面为： {100}=(100)+(010)+(001) 3个等价面 {110}=（110）+（110）+（101）+（101） +（011）+（011） 共6个等价面 {111}=（111）+（111）+（111）+（111） 共4个等价面
bcc
2.面心立方结构（fcc）
面心立方结构的缩写为fcc（face-centered cubic）， 其晶胞结构如图2-13所示。属于此类结构的金属有： Al，-Fe，Ni，Pb，Pd，Pt，贵金属以及奥氏体不锈 钢等。
图2-13 fcc晶胞结构
fcc
3.密排六方结构（hcp）
材料化学第2章高分子材料的结构
X
CH2
C n
H
有不对称碳原子，所以有旋光异构。
注：对高分子来说，关心不是具体构型（左旋或 右旋），而是构型在分子链中的异同，即：
全同（等规）、间同或无规。
34
c
aC b
高分子链上有 取代基的碳原子 可以看成是不对
d
R RR R R
称碳原子
HHHH
将锯齿形碳链 H 排在一个平面上，
RH
RH
取代基在空间有 不同的排列方式。
以大分子链中的重复单元数目表示，记作 DP
注：重复单元与结构单元的异同：
5
(1) 由一种结构单元组成的高分子
一个高分子如果是由一种单体聚合而成，其重复单 元与结构单元相同。
例如：聚苯乙烯
n CH2 CH 聚合
CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH
缩写成
CH2 CH n
n 表示重复单元数，也称为链节数, 在此等于聚合度
(6) 单体单元（monomer unit）: 与单体的化学组成完全相同只是化学结构不同的 结构单元。
4
(7) 聚合度(degree of polymerization): 聚合物分子中，结构单元的数目叫聚合度。 聚合度是衡量高分子大小的一个指标。
有两种表示法：
以大分子链中的结构单元数目表示，记作 xn
2.6 高分子材料的结构
前言 一、定义
1. 高分子化合物 是指分子量很高并由共价键连接的一类化合物 . 又称：高分子化合物、大分子化合物、高分子、
大分子、高聚物、聚合物 Macromolecules, High Polymer, Polymer
分子量：一般高达几万、几十万，甚至上百万， 范围在104～106
第二章 材料的组成结构与性能
r
续固溶体。
当
r1 r2 0.15 r1
时，溶质与溶剂之间可以形成连
r
形成有限型固溶体， 而不是充分必要条件。
当
r1 r2 15% ~ 30% 时，溶质与溶剂之间只能 r 这是形成连续固溶体的必要条件， 1
固 溶体或不能形成 固溶体，而容易形成中间相或化合 物。因此Δr愈大，则溶解度愈小。
铁、铬、锰三种金属属于黑色金属，其余的所有金
属都属于有色金属。有色金属又分为重金属、轻金
属、贵金属和稀有金属等四类。
（2）金属合金 金属合金是指由两种或两种以上的
金属元素或金属元素与非金属元素构成的具有金属
性质的物质。如青铜是铜和锡的合金，黄铜是铜和
锌的合金，硬铝是铝、铜、镁等组成的合金。二元
合金、三元合金。 2、无机非金属材料的化学组成 从化学的角度来看，无机非金属材料都是由金属元 素和非金属元素的化合物配合料经一定工艺过程制
长石的过渡，其密度及折光率均递增。通过测定未知组
成固溶体的性质进行对照，反推该固溶体的组成。
固溶体化学式的写法
以CaO加入到ZrO2中为例，以1mol为基准，掺入 xmolCaO。
形成置换式固溶体：
CaO Ca Oo V
ZrO 2 '' Zr
O
空位模型
x
x
x
则化学式为：CaxZrl~xO2-x 形成间隙式固溶体：
2、无限固溶体（连续固溶体、完全互溶固溶体），
是由两个 ( 或多个 ) 晶体机构相同的组元形成的，
任一组元的成分范围均为0～100%。
Cu-Ni 系、Cr-Mo 系、Mo-W系、Ti-Zr系等 在室温下都能无限互溶，形成连续固溶体。 MgO-CoO 系统， MgO 、 CoO 同属 NaCl 型结 构，rCo2+= 8nm ，rMg2+= 8nm ，形成无限固溶体，
第二章 材料的结构-2
atomic packing in HCP
31
密排堆垛结构 close-packed structures
FCC和HCP结构具有最致密的晶体结构(致密度0.74)
FCC晶格中(111)面的堆垛顺序为ABCABCABC… HCP晶格中(0001)面的堆垛顺序为ABABAB…
32
ABCABCABC…
配位数CN： 12 12
13
• 密排六方晶格HCP
配位数CN： 12 12
致密度K：
4 a 3 3 3 2 8 K 6* p ( ) / ( a * a) 0.74 3 2 2 3
常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
14
Summary
structur e SC a0 vs. r atoms per cell 1 coordination Number 6 packing factor 0.52 examples Polonium (Po),α-Mn Fe,Ti,W,Mo, Nb,Ta,K,Na, V,Zr,Cr Fe,Cu,Au,Pt Ag,Pb,Ni
BCC
FCC
HCP
23
体心立方
面心立方
密排六方
{110}密排面
{111}密排面
{0001}密排面
{111}非密排面
{110}非密排面
24 {1010}密排面
The atomic arrangement and linear density of the important direction in cubic crystal.
FCC和HCP结构具有最致密的晶体结构(致密度0.74)
FCC晶格中(111)面的堆垛顺序为ABCABCABC…
第2章 材料的结构-2.4
配位数：12 致密度：
4 3 4 4 2 a 4 rA 4 3 nv 0.74 3 K V a3 a3
3
原子密排面和密排方向
密排面：{111} 密排方向：<110>
原子堆垛方式
原子面的空隙是有三个原子所构成的,原子排 列较为紧密,原子堆垛方式为ABCABC…….
电子化合物以金属键为主，具有熔点高、硬度高、 脆性大的特点，是有色金属的重要强化相。
③ 间隙相与间隙化合物：由过渡族金属元素与C、N、 H、B等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。
当r非/r金＜0.59时，形成具有简单晶格的化合物， 称为间隙相。 间隙相可用化学式表示，并且一定化学式对应一 定晶体结构。如：M4X→FCC(Fe4N)，M2X →HCP(Fe2N)，MX →FCC(VC)、BCC(NbH)、 简单六方(WC)，MX2 →FCC(TiH2)。 间隙相具有极高的硬度和熔点，是合金工具钢及 硬质合金的主要强化相。
配位数：12 致密度：
K 0.74
密排六方晶格参数
原子半径——晶胞中 原子密度最大的方向 [111]上相邻原子间平 衡距离的一半
1 rA a 2
密排六方晶格参数
原子密排面和密排方向
密排面:{0001}
密排方向:
112 0
原子堆垛方式
原子堆垛方式为ABAB……
FCC与HCP密排面堆垛方式比较
①
正常价化合物：符合一般化合物原子价规律， 成分固定并可用分子式表示，如AB、A2B、 AB2、A2B3，主要受电负性控制的一种中间相。 常见于陶瓷材料，多为离子化合物。 ⅣA、ⅤA、ⅥA族的一些元素按照化学上的 原子价规律所形成的化合物。
大学材料科学基础第二章材料中的晶体结构
4．晶面间距（Interplanar crystal spacing）
两相邻近平行晶面间的垂直距离—晶面间 距，用dhkl表示,面间距计算公式见(1-6)。 通常，低指数的面间 距较大，而高指数的 晶面间距则较小 晶面间距愈大，该晶 面上的原子排列愈密 集；晶面间距愈小， 该晶面上的原子排列 愈稀疏。
晶体结构 = 空间点阵 + 结构单元
如：Cu, NaCl, CaF2有不同的晶体结构， 但都属于面心立方点阵。 思考题：空间点阵与布拉菲点阵。
三、 晶向指数与晶面指数
（Miller Indices of Crystallographic Directions and Planes） 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称 为晶面，原子在空间排列的方向称为晶向。 晶体的许多性能都与晶体中的特定晶面和晶 向有密切关系。为区分不同的晶面和晶向， 采用晶面和晶向指数来标定。
5．晶带 (Crystal zone) 所有平行或相交于同一直线的晶面构 成一个晶带，此直线称为晶带轴。
晶带轴[u v w]与该晶带的晶面（h k l） 之间存在以下关系： hu + kv + lw = 0 凡满足此关系的晶面都属于以[u v w]为 晶带轴的晶带，律应用举例
1 晶胞中原子数 (Number of Atoms in Unit Cell)
一个晶胞内所包含的原子数目。 体心立方晶胞：2个。 面心立方晶胞：4个。 密排六方晶胞：6个。
2 原子半径 r 与点阵常数 a 的关系
严格的说，原子半径并不是一个常数，它 随外界条件（温度）、原子结合键、配位数而 变，在理论上还不能精确地计算原子半径。 定义为晶胞中原子密排方向上相邻两原子 之间平衡距离的一半，用点阵常数表示。
第2章金属材料的组织结构
均匀长大
实际金属结晶主要以树枝状长
大。因为存在负温度梯度，且晶核
棱角处散热好，生长快，先形成一
次轴，一次轴产生二次轴…，树枝
间最后被填充。
负温度梯度
树枝状长大
树枝状长大的实际观察(定向凝固)
二、晶粒大小及其控制
1、晶粒度 表示晶粒大小的尺度
总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
金属的位错密度为104~1012/cm2；
位错对性能的影响：
金属的塑性变形主要由位错 运动引起，因此阻碍位错运动是 强化金属的主要途径。
减少或增加位错密度都可以
提高金属的强度。
金属晶须
退火态
(105-108/cm2)
加工硬化态
(1011-1012/cm2)
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
⑵ 晶体缺陷
晶格的不完整部位称晶体缺陷。
实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类,
即点、线、面缺陷。
① 点缺陷 ：空间三维方向上尺寸都很小的缺陷。
空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，
也可以是外来原子。 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。
中。因而高温下晶粒过大、过小都
不好。
的晶 关粒 系大
小 与 金 属 强 度
s= i+Kd-1/2
单晶叶片
2.1.3 金属的同素异构转变
物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异
构转变。 同素异构转变属于相变之一—
固态相变。
纯铁的同素异构转变
工程材料的组织结构
第二章工程材料的组织结构是什么因素影响材料的性能呢？如果掌握影响材料性能的因素，我们改变这些因素，不就能改变材料的性能了吗？那么，我们不就能更好的合理选材和使用材料了吗！实验研究表明，材料的性能主要取决于其化学成分和内部结构，材料的成分不同其性能也不同，同一成分的材料可通过改变内部结构和组织状态的方法，改变其性能。
因此，研究机械工程材料的结构及组织状态，对于生产、加工、使用现有材料和发展新型材料均具有重要意义。
§2-1 纯金属的晶体结构与结晶一、金属的晶体结构物质是由原子组成的，根据原子排列的特征，固体物质可分为晶体与非晶体两类。
晶体是指其内部的原子按一定几何形状作有规则的周期性排列，如金刚石、石墨及固态金属与合金都是晶体。
非晶体内部的原子无规则地排列在一起，如松香、沥青、玻璃等。
晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定熔点，且各向同性。
1、晶体结构的基本概念晶体结构就是晶体内部原子排列的方式及特征。
（1）晶格——抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列的空间几何图形。
晶格中直线的交点称为结点。
（2）晶胞——能代表晶格特征的最小几何单元。
（3）晶格常数——各种晶体由于其晶格类型与晶格常数不同，故呈现出不同的物理、化学及力学性能。
2、常见金属的晶格类型（1）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞为一立方体，立方体的八个顶角各排列一个原子，立方体中心有一个原子。
属于这种晶格类型的金属有α铁、Cr（铬）、W（钨）、Mo（钼）、V（钒）等。
（2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列着一个原子。
属于这种晶格类型的金属有γ铁、Al（铝）、Cu（铜）、Ni（镍）、Au（金）、Ag（银）等。
材料科学基础课件第二章 材料的结构第六节第七节
上述现象对不同玻璃，有一定普遍性。400-600℃为 玻璃的Tg、Tf温度。
二、玻璃的结构
(2)研究钠硅二元玻璃的x-射线散射强度，如下图：
与晶体石英 特征峰一致
二、玻璃的结构
玻璃结构学说： 晶子学说和无规则网络学说
1、晶子学说（在前苏联较流行) 基本观点：玻璃由无数“晶子”组成，它们分散
于无定形介质中，并且“晶子”部分到无定形部分过 渡是逐步完成的，两者无明显界线，是高分散晶子的 集合体。
二、玻璃的结构
1.1 实验 (1) 1921年列别捷夫在研究硅酸盐玻璃时发现，玻璃
组成
SiO2 P2O5 Na2O·SiO2 Na2O·P2O5
Y对玻璃性质的影响
Y 熔融温度℃
4
1523
3
1573
2
1323
2
1373
膨胀系数×107 146 140 220 220
四、金属玻璃
金属玻璃（也称非晶态合金）是Duwez等人在 1960年首先发现的，他们通过对熔融Au80Si20合金 快速冷淬获得了金属玻璃。
不足之处： 晶子尺寸太小，无法用x－射线检测， 晶子的含量、组成也无法得知。
二、玻璃的结构
2、无规则网络学说 2.1 学说要点 （德国学者扎哈里阿森在1933年提出）
玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样形成连 续的三维空间网络结构。但玻璃的网络与晶体的网络 不同，玻璃的网络是不规则的、非周期性的，因此玻 璃的内能比晶体的内能要大。由于玻璃的强度与晶体 的强度属于同一个数量级，玻璃的内能与相应晶体的 内能相差并不多，因此它们的结构单元（四面体或三 角体）应是相同的，不同之处在于排列的周期性。
第二章 材料的结构分析
2.4 离子晶体的结构
离子晶体(ionic crystal)：是由正负离子通过离子键按照一 定方式堆积起来而形成的。 陶瓷材料为无机非金属材料，其中的晶相大多属于离子晶体。 由于离子键的结合力很大，所以离子晶体的硬度高、强度大、 熔点和沸点较高、热膨胀系数小，但脆性大； 由于离子键中很难产生可以自由运动的电子，所以离子晶体 都是良好的绝缘体； 在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固地束缚在离 子的外围，可见光的能量一般不足以使其外层电子激发，因 而不吸收可见光，所以典型的离子晶体往往都是无色透明的。
2.3 合金相的晶体结构
合金（Alloy）：两种或两种以上金属元素，或金属
元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合
而成并具有金属特性的物质。
组元（Component）：就是组成合金的元素，也可以是稳定
的化合物——相。
相（Phase）：是合金中具有同一聚集状态、相 同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分 开的组成部分。 单相和多相
影响离子晶体结构的2个 主要因素： 1、晶体应表现为电中 性，即正离子（cations） 与负离子（ anions）的 电量相等； 2、正、负离子尺寸或 离子半径（rC、rA），通 常rC/rA<1。晶体稳定性可 用刚球模型解释。
典型离子晶体
1. NaCl-type
这类结构由负离子(Cl-)构成FCC lattice，而正离子(Na+)占据全部 octahedral interstices 。它属于 cubic system，FCC，正负离子 的CN=6。 在陶瓷中，如MgO、CaO、FeO 和NiO等均属此种晶型。
溶质所处位置不同
置换固溶体
溶质原子占据溶剂晶 格某些结点位置
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第二章材料的结构
2－1 关于组织结构的一般含义
结构：指材料在某一特定条件下内部组织在几何学上的构造或化学的分布。
1、原子结构
原子是物质的基本组成粒子。
由位于中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成。
核外电子构型，最层电子差异（离子键、供价键、金属键）等不同原子间的结合力是影响材料性最微小的微观结构层次。
2、分子结构
一些小的原子团在空间排列形成的不同结构，属有限数量原子组成的微观结构层次。
3、晶体结构
原子在空间呈规则而重复的排列。
以晶体方式形成的固体的结构，也属微观结构层次。
4、显微组织
工程材料内部组织的物理形貌。
该组织是化学元素在固态下以各种不同形式结合而成的。
在一定放大倍数的显微镜下观察才显示出这种组织。
属尺寸较大的微观结构层次。
5、宏观组织
这种组织也是内部组织。
量一般不用显微镜而是用放大镜或肉眼来观察分析组织形貌。
属尺寸较大组织结构。
二、材料中组织结构与性能间的关系
1、结构对材料机械和物理性能有很大的影响
对一定成分的工程材料，改变其原子核内的结构一般是较困难的。
但固态下原子的电子构型却随外界条件变化而明显变化，特别是最外层电子。
2、分子结构和晶体结构对材料性能也有很大影响
工程材料的性能（物理、力学性能）都受固体中原子排列的影响。
材料受力后，变形特性受分子结构和晶体结构影响。
3、宏观与材料性能有直接关系
影响微观和宏观组织因素较复杂、较多（如化学成分及均匀性、熔炼各种加工工艺）
均能改变微观和宏观组织，从而影响材料性能。
2-2 金属的晶体结构 一、晶体学基本知识 1、晶体与非晶体
固态物质按原子（分子）聚集状态不同分晶体和非晶体两类。
晶体：物质内部的原子（或分子）按一定规律排列的。
非晶体：物质内部的原子（分子）杂乱无张排列的。
晶体具有固定的熔点，具有各向异性。
非晶体无固定的熔点，表现出各向同性。
晶体与非晶体在一定条件是可相互转化。
2、晶格、晶胞和晶格常数
晶格：表示原子或分子在晶体中排列规律的几何空间格架。
如图2－1a 所示。
晶胞：每个单位格子代表晶体内部结构的基本重复最小单位。
在晶体学中规定用一些常数来表
示晶胞的
几何形状和尺寸。
晶胞由棱边长度a 、b 、c
和棱边夹角α、β、γ。
如图2－1b 所示。
晶格常数：晶胞的棱边长度。
单位︒
A （m 1010A 1－＝︒
）。
当a=b=c ，α＝β＝γ＝90°时，晶胞组成的晶格称简单立方晶格。
二、金属中常见的晶体结构
金属晶格类型很多（约14种），最常见的有三种：面心立方晶格、体心立方晶格和密排六方。
图2－1 简单立方晶格与晶胞示意图
a 晶格
1、 面心立方晶格
面心立方晶格的晶胞是一个立方体。
原子位于立方体的八个角和六个面的中心，如图2－2所示。
每个角上的原子均为相邻八个晶胞所共有，每个面上的原子均为相邻两个晶胞所共有。
故面心立方晶胞中原子数为8×1/8+6
×1/2=4个。
属于这种晶体结构的金属有20多种。
如Al 、Cu 、Ag 、Au 等。
2、体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞也是一个立方体。
原子位于八个角和立方体中心，如图2－3所示。
每个角上的原子均为相邻八个晶胞所共有而中心原子为该晶胞所独有，故体心立方晶格中的原子数为8×1/8＋1=2个。
具有这类晶格类型的金属有Cr 、Nb 、Mo 、V 、W 等约30多种，占金属元素一半左右。
3、排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体。
由六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面组成，如图2－4所示。
六方柱体的每个角上原子为相邻六个晶胞所共有。
上、下底面中心的原子为两个晶胞所独有。
故密排六方晶胞中原子数为：12×1/6＋2×1/2＋3＝6个。
具有这类
晶格类型的有Mg 、Zn 、Cd 、Be 等。
晶格的致密度：晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。
在体心立方晶格中，致密度为0.68。
同理在面心立方和密排立方的致密度为0.74。
致密度大，原子排列越紧密。
反之，越松。
这就是晶体从致密度大转变为致密度小时，体积膨胀的原因。
大量实验表明，金属晶格类型和晶格常数改变时，其性能也发生相应的变化。
图2－3 体心立方晶胞示意
图
图2－2 面心立方晶胞示意
图
图2－4 密排六方晶胞示意
图。