纯金属晶体结构

例如玻璃经高温长期加热能形成所谓的晶态玻璃璃，而液态金属快速冷却的可获 得非晶态的固态金属（也就是所说的金属玻璃）。
晶态和非晶态的转变，物质的性能也会发生极大的改变。 例如非晶态金属的强度、硬度会有很大提高，因此人们利用（晶态和非晶态的转 变，物质的性能也会发生极大的改变），这一性质开发出了具有特殊用途的材料满足 特殊场合的应用。 金属是由金属键结合，其内部的金属离子在空间有规则的排列，因此固态金属一 般情况下是晶体。
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提示：
由于原子排列紧密程度不一样，当金属从面心立方晶格向体心立方晶 格转变时，体积会发生变化；这就是钢在淬火时因相变而发生体积变化的 原因； 面心立方晶格中的空隙半径比体心立方晶格空隙半径大,对于具有同素 异构转变的金属其意义重大,如化学热处理中增大碳的固溶度； 不同晶体结构中原子排列的方式不同, 将会使它们的形变能力不同；
两个晶面一般用一个晶面指数(111)来表示。 2.晶面族
在立方晶系中, 由于原子的排列具有高度的对称性, 往往 存在许多原子排列完全相同但在空间位向不同(即不平行)的晶
zz
(111) D
C
(1 1 1)
A
B
(110)
面, 这些晶面总称为晶面族, 用大括号表示, 即{hkl}。
E
Hy
在立方晶胞中 (111), (1 11), (1 1 1), (11 1) 同属{111}晶面族。 可用下式表示： {111} (111) (1 11) (1 1 1) (11 1)
(11 1) o
F
x
Hy
(1 11) 24
G
常见晶面的晶面指数
zz
1
(234) C 4 1
o3
1
B
y
2
A
x
zz
D (110)
A
C B
o
F
x
Hy
G
zz
D (001) A
(100) o
C
B (010)
Hy
F
G
x
zz
D (111)
A
C
B (1 1 1)
o
Hy
F
G
x
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二. 立方晶系的晶向表示方法
立方晶系的晶向指数采用几何学中由方向指数表示直线方向的方法来表示。
对立方晶系： {hkl} (hkl) (h kl) (hkl) (hkl ) (hlk) (h lk) (hl k) (hlk )
F
x
(100)
G
zz
(111) D
C (1 1 1)
(khl) (khl) (kh l) (khl )
A
B
(klh) (klh) (kl h) (klh ) (lhk) (l hk) (lh k) (lhk ) (lkh) (l kh) (lkh) (lkh )
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23
1.平行晶面
晶面指数的一般标记为(hkl)。(hkl)实际表示一组原子排列相同的平行晶面。晶面的截距
可以为负数, 在指数上加负号, 如 (111) 。若某个晶面(hkl)的指数都乘以-1, 则得到晶
面 (h kl ) , 则晶面(hkl)与(h kl ) 属于一组平行晶面, 如晶面DFH（111）与晶面ACG (1 1 1), 这
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2. 面心立方晶胞（格） （F.C.C.晶格）（原子如何排列） 金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该
面四个角上的原子紧靠。具有这种晶格的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍 （Ni）、金（Au）、银（Ag）、γ-铁（γ-Fe，912℃～1394 ℃）等。
面心立方晶胞
晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。 晶胞的基本特性即反映该晶体结构（晶格）的 特点。 晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、 c和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来 描述。其中a、b、c 、α、β、γ 为晶格常数。 金属的晶格常数一般为: 1×10-10 m～7×10-10 m。
晶体 晶格
距离c来表达, 两相邻侧面之间的夹角为120°, 侧面与底
面之间的夹角为90°。
（2）晶胞原子数（个） 1 12 1 2 3 6
6
2
（3）原子半径
r原子

1 2
a
密排六方晶胞
（4）致密度 0.74 (74%) （5）空隙半径
四面体空隙半径为: r四=0.225r原子，八面体空隙半径为: r八=0.414r原子 （6）配位数 12
以图中的晶向为例, 说明晶向指数的标定过程:
zz
（1）设定一空间坐标系, 原点在待定晶向的一结点上。
4 3
r原3 子

4
（5）空隙半径 a3

4( 3
2 a)3 4 4 a3
74%
四面体空隙半径为: 八面体空隙半径为: （6）配位数 12
r四=0.225r原子 r八=0.414r原子
配位数为晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。配位数越大, 原子排列紧
密程度就越大。面心立方晶格的配位数为12。
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3. 密排六方晶胞（格） （H.C.P.晶格） （原子如何排列）
十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, 在上下底面的中心
各分布一个原子, 上下底面之间均匀分布三个原子。具有这种晶格的
金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。
密排六方晶胞的特征：
（1）晶格常数 用底面正六边形的边长a和两底面之间的
4 3
r原3 子

2
a3

4 （ 3
3 a）3 2 4 a3
0.68 68%
（5）空隙半径 若在晶胞空隙中放入刚性球，则能放入球的最大半径为空隙半径。体心立方
晶胞中有两种空隙。
四面体空隙半径为: r四=0.29r原子 八面体空隙半径为: r八=0.15r原子
（6）配位数 配位数为晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。配位数越大, 原 子排列紧密程度就越大。体心立方晶格的配位数为8。
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面心立方晶=β=γ=90°
（2）晶胞原子数 (个)
18 1 6 4
82
（3）原子半径
r原子
2a 4
（4）致密度 0.74 (74%)晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度（也 称密排系数）。致密度越大, 原子排列紧密程度越大。
体心立方晶格的晶胞中，八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中 心，角上八个原子与中心原子紧靠。具有体心立方晶格的金属有钼（Mo）、钨（W）、 钒（V）、α-铁（α-Fe，<912℃）等。
体心立方晶胞
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体心立方晶胞特征：
（1）晶格常数 a=b=c, α=β=γ=90°
（2）晶胞原子数 在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞，因 而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶胞 ，所以一个 体心立方晶胞所含的原子数为2个。
质点在空间有周期性的重复排列。 相同的指点在空间周期性地重复出现称为长程有序排列； 非晶体内部的质点排列不规则，至多有些局部的短程有序排列。
液体中的原子处于紧密排列状态，但不存在长程的周期排列，从物质的质点排列 是否规则而言，固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体，只是其物理性质与通常 意义上的液体不同。
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晶体与非晶体内部结构的不同，造成两者性能上的一些重要差异。 （1）冷却或熔化时晶体有一定的凝固点或熔点（即固体和液体之间转变的临界温
度） （2）晶体和非晶体另一个重要的差异是：单晶体具有各向异性，（多晶体由于晶
粒之间原子排列具有一定的位向差因此宏观上表现出各向同性），而非晶体的性能则 不因方向而异。 晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化，
正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合 力就叫做金属键。
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晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为 晶体结构。 通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直 线，这些直线将形成空间格架。这种格架称为晶格。 晶格的结点为金属原子(或离子)平衡中心的位置。 能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞。
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材料加工工艺
化学成分
组织结构 材料结构
性能
应用
原子内部结构 原子聚集状态
材料的多相结构
纤维组织
单纯依据材料结构某一方面（如结合键）不足以完全预测或说明材料的性能， 要全面解读材料性能与结构间的关系，必须从以上四方面深入研究
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晶体与非晶体
固态物质按其内部的原子（离子或分子）的聚集状态分为晶体和非晶体两大类。 其根本区别是晶体的质点（原子、离子、分子）在空间成规则的排列，即相同的
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1.1.3 晶体中的晶面和晶向 不同晶面晶向上原子排列不同，因此在不同晶面和不同晶向上材料特性不同。 在分析、研究有关晶体的生长、变形、相变以及性能等方面的问题时，常常涉及到晶体中
某些原子所构成的方向和平面。 在晶体学中通过晶体中原子中心的平面叫做晶面， 通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫做晶向。
第1章 材料的结构与性能 内容提要：
本章介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构、金属材 料的组织。
介绍金属材料的工艺性能、机械性能和理化性能。 学习目标：
本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。 学习建议：
1．晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结构及其特点，应充分发挥空间想象力。 2．晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到困难。应掌握常见的晶面和晶向的表示方法， 需要多练多画。