材料科学与工程基础知识

等。
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(3)密排六方晶格（hcp晶格） 1)原子排列特征 密排六方晶格的晶胞如图所示。
2)晶格常数 a b c, c 1.633, 90， 120. 3)原子半径 r 1 a a
2 4)晶胞所含原子数 6个原子。 5)配位数 12。 6)致密度 74%。 7)具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。 19
简单六方（角） Hexagonal
简单菱方（三角） Rhombohedral（Trigonal）
简单四方 Tetragonal
体心四方 15
Body-centered tetragonal
简单立方 Cubic
体心立方 Body-centered cubic
面心立方
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Face-centered cubic
4.晶体的各向异性 金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。
实际晶体结构
一块晶体内部晶格位向完全一致，称该晶体为单晶体。由多晶 粒构成的晶体称为多晶体。
实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以下三种：
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1.点缺陷 点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过几个原子直径的缺陷。 ⑴原子空位 ⑵间隙原子 ⑶置换原子，如图所示。 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲—晶格畸变， 使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生变化。
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十四种布拉菲晶胞：
简单三斜 简单单斜
底心ห้องสมุดไป่ตู้斜
triclinic Simple monoclinic Base-centered
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简单正交 Simple Orthorhombic
体心正交 Body-centered Orthorhombic
底心正交 Base-centered
面心正交 14
Face-centered
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材料的结合键类型不同，则其性能不同。常见结合 键的特性见表1-1。
表2-1 结合键的特性
结构特点 力学性能 热力性质 电学性质 光学性质
离子键
共价键
无方向性或方向性不明显， 方向性明显，
配位数大
配位数小，密度小
金属键
无方向性，配位 数大，密度大
强度高，劈裂性良好，硬度大 强度高，硬度大
有各种强度，有 塑性
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2.线缺陷 线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。它包括各 种类型的位错。所谓位错是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体 发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。第一个图为刃型位错， 第二个图为螺型位错。
1. 离子键 2. 共价键 3. 金属键 4. 分子间作用力
3
离子键
形成：正、负离子 靠静电引力结合在一起 而形成的结合键称为离 子键。
特性：离子键没有 方向性，无饱和性。 NaCl晶体结构如图所示。
性能特点：离子晶体的硬度高、热膨胀系数小，但脆
性大，具有很好的绝缘性。典型的离子晶体是无色透
明的。
所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一 类物质。晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向 异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。
1.晶体的基本概念 (1) 晶格与晶胞 晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。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，称为晶胞。晶胞各棱边 的尺寸称为晶格常数。
第2章 材料科学与工程基础知识
一、材料的分类
1
二、 材料的结构
固体材料的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺 过程。所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。
使用性能
组
成
与
（工程）
结
性质
构 （化学）
（物理学）
合成与制备过程
2
材料的化学键
组成物质的质点（原子、分子 或离子）间的相互作用力称为 结合键。
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(2) 晶系 按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系，见表 1-2。
表1-2 晶系
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(3) 原子半径 原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的 一半。 (4) 晶胞中所含原子数 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。 (5) 配位数和致密度 配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子 数。 致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，即K = n v′/ V 。 式中，n为晶胞所含原子数、v′为单个原子体积、V为晶胞体积。
(2)面心立方晶格（fcc晶格） 1)原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。
2)晶格常数 a=b=c,α=β=γ=90°。
3)原子半径 r 2 a 。
4
4)晶胞所含原子数 4个原子。
5)配位数 12。
6)致密度 74%。
7)具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag
2 .常见金属的晶格类型
(1)体心立方晶格（bcc晶格） 1)原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示。
2)晶格常数 a=b=c,α=β=γ=90°。 3)原子半径 r 3。a
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4)晶胞所含原子数 2个原子。 5)配位数 8。 6)致密度 68%。 7)具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、 17 b等30余种金属。
4
共价键
形成：元素周期表中的ⅣA、 ⅤA、ⅥA族大多数元素或电负 性不大的原子相互结合时，原 子间不产生电子的转移，以共 价电子形成稳定的电子满壳层 的方式实现结合。这种由共用 电子对产生的结合键称为共价 键。氧化硅中硅氧原子间共价 键，其结构如图所示。
性能特点：共价键结合力 很大，所以共价晶体具有高强 度、高硬度、高熔点、脆性大。
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金属键
形成：由金属正离子与 自由电子之间相互作用而 结合的方式称为金属键。 如图所示。
性能特点： 1) 良好 的 导电性 及 导 热性； 2) 正 的 电 阻 温 度 系 数 ； 3) 良 好 的 强 度 及 塑 性 ； 4)特有的金属光泽。
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分子间作用力
形成：一个分子的正电荷部位与 另一分子的负电荷部位间以 微弱静电引力相引而结合在 一起称为范德华力（或分子 键）。 特性：分子晶体因其结合键 能很低，所以其熔点很低， 硬度也低。但其绝缘性良好。
熔点高，膨胀系数小，熔 体中有离子存在
熔点高，膨胀系
有各种熔点，
数小，熔体中有的 导热性好，液态的
含有分子
温度范围宽
绝缘体，熔体为导体
绝缘体，熔体为 非导体
导电体（自由电子）
与各构成离子的性质相同， 折射率大，同气
对红外线的吸收强，多是无色 体的吸收光谱很不
或浅色透明的
同
不透明，有金属 光泽
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晶体结构及其分类