1节晶体结构的原子排列

1.2.1 理想的晶体结构
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。
(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
(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。
7.晶向(crystal direction): 在晶格中,任 意两原子之间的连线所指的方向。
8.晶向指数: 用密勒(Miller)指数对晶格 中某一原子排列在空间的位向进行标 定。
使用方法:
①建立以晶胞的边长作 为单位长度的右旋坐标 系（选定坐标系）。 • ②过坐标原点做平行于 待求晶向的直线。 • ③求出该直线上任意一 点的空间坐标值。 • ④将此空间坐标的三个 值按比例划为最小整数 ，加一方括号，记为： [u v w]。 •
强度高，硬度大
熔点高，膨胀系数小，熔 体中有离子存在 绝缘体，熔体为导体
强度高，硬度大
有各种强度，有 塑性
热力性质
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 导电体（自由电子） 非导体
电学性质
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1.2 晶体材料的原子排列
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。
2)晶格常数
a b c,
1 a 2 4)晶胞所含原子数 6个原子。
c 1.633, 90， 120 . a
3)原子半径 r
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。
5.晶面(crystal face): 在晶格中由一系 列原子所构成的平面称为晶面。
1.1.2 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，所以共价晶体的强度、硬度 高、脆性大，熔点、沸点高，挥 发度低。
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。
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1-1 结合键的特性
离子键 结构特点 共价键 金属键 无方向性，配位 数大，密度大
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
力学性能
第一章 材料的结构与性能
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。
1.1 材料的相互作用
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。主要有共价键、离子键、金属键、分子键。 1.1.1 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。 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。
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1.1.3 金属键
形成：由金属正离子与 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。
1.1.4 分子键
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 一起称为范德华键 （或分子 键）。
2)晶格常数 a=b=c,α =β =γ =90°。 3)原子半径 r
3 a。 4
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、 Nb等30余种金属。
(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。
6.晶面指数(indices of crystallographic plane):用密勒(Miller)指数对晶格中 某一晶面进行标定。
使用方法:
①在以晶胞的边 长作为单位长 度的右旋坐标 系中取该晶面 在各坐标轴上 的截距。 ②取截距的倒数 ③将三个截距的 倒数划为最小 整数，加一圆 括号，记为： （h k l）。
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 等。
(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。
(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 .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。