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大学材料科学基础第二章材料中的晶体结构

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上海交大-材料科学基础-第二章-2

上海交大-材料科学基础-第二章-2

体心立方八面体间隙
体心立方四面体间隙
八面体间隙： 由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原子围成， 位置： 位于晶胞每个面中心和每个棱边的中点；
➢数目：12/4 + 6/2 = 6 ➢大小rB：
4R 3a a 4 R
3
rB 2a/2 - R 0.633R 110
a / 2 - R 0.154R 001
n个。
4）空隙大小 四面体间隙大小：r=0.225R 八面体间隙大小：r=0.414R
n个球作体心立方堆积时，存在3n个八 面体空隙、6n个四面体空隙，空隙较多。
2.2.2 多晶型性
多晶型性指某些金属在不同温度和压力下具有 不同的晶体结构。
多晶型性转变指金属在外部条件 (如 T 和 P) 改变时，其内部从一种晶体结构向另一种晶体结构 的转变,又称同素异构（同素异性）转变，转变的 产物称为同素异构体 例如纯铁:
2R a
rB
3 4
a2 ( 2 a(sin60o ))2 -R 0.225R 3
密排六方晶格八面体间隙
密排六方晶格四面体间隙
空隙分布
每个球周围有8个 四面体空隙；
每个球周围有6个 八面体空隙
空隙数量
n个等径球最紧密堆积时，整个系统四面体空
隙数为
8n 4
2n个，八面体空隙数为
6n 6
✓ 晶粒：组成晶体的结晶颗粒。 ✓ 多晶体：凡由两颗以上晶粒组成的晶体一般金属都
是多晶体。。
晶粒
多相合金
本节的基本要求
需掌握如下的概念和术语： ▪ 各向异性、多晶型性，配位数、致密度 ▪ 三种典型晶体结构的特征（包括：原子的排
列方式、点阵参数、晶胞原子数、原子半径、 配位数、致密度、各类间隙尺寸与个数，最 密排面（滑移面）和最密排方向的指数，堆 垛）。 ▪ 多晶体与单晶体、晶粒、晶界；

《材料科学基础》第二版 (张联盟 著)课后习题答案 武汉理工大学出版社

《材料科学基础》第二版 (张联盟 著)课后习题答案 武汉理工大学出版社

2-13 根据半径比关系，说明下列离子与O2—配位时的配位数各是多少？已 知rO2－＝0.132nm，rSi4＋＝0.039nm，rK＋＝0.131nm，rAl3＋＝0.057nm，rMg2＋＝0.078nm。
2-14 为什么石英不同系列变体之间的转化温度比同系列变体之间的转化温度高得多？
2-15 有效离子半径可通过晶体结构测定算出。在下面NaCl型结构晶体中，测得MgS和MnS的晶胞参数均 为a＝0.520nm（在这两种结构中，阴离子是相互接触的）。
为NaCl型结构时，体积变化的百分数是多少？已
知CN＝6时，rMn
2＋＝0.08nm，rS2
－＝0.184nm；CN
＝4时，rMn
2＋＝0.073nm，r
2 S
－＝0.167nm。
2-25 钛酸钡是一种重要的铁电陶瓷，其晶型是钙钛矿结构，试问：（1）属于什么点阵？（2）这个结构 中离子的配位数为若干？（3）这个结构遵守鲍林规则吗？请作充分讨论。
2-5 依据结合力的本质不同，晶体中的键合作用分为哪几类？其特点是什么？
2-6 等径球最紧密堆积的空隙有哪两种？一个球的周围有多少个四面体空隙、多少个八面体空 隙？
2-7 n个等径球作最紧密堆积时可形成多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？不等径球是如何进行堆积 的？
2-8 写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
2-14 为什么石英不同系列变体之间的转化温度比同系列变体之间的转化温度高得多？
答： 石英同一系列之间的转变是位移性转变，不涉及晶体结构中键的破裂和重建，仅是键长、键角的调 整、需要能量较低，且转变迅速可逆；而不同系列之间的转变属于重建性转变，都涉及到旧键的破裂和新键 的重建，因而需要较的能量，且转变速度缓慢；所以石英不同系列之间的转化温度比同系列变体之间转化的 温度要高的多。

《材料科学基础》名词解释

《材料科学基础》名词解释

《材料科学基础》名词解释第一章材料结构的基本知识1、晶体材料的组织：指材料由几个相(或组织单元)组成，各个相的相对量、尺寸、形状及分布。

第二章材料的晶体结构1、空间点阵：将理想模型中每个原子或原子团抽象为纯几何点，无数几何点在三维空间规律排列的阵列2、同素异构：是指有些元素在温度和压力变化时，晶体结构发生变化的特性3、离子半径：从原子核中心到其最外层电子的平衡距离。

4、离子晶体配位数：在离子晶体中，与某一考察离子邻接的异号离子的数目称为该考察离子的配位数。

5、配位数：晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数6、致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分数；第三章高分子材料的结构1、聚合度：高分子化合物的大分子链是出大量锥告连成的。

大分子链中链节的重复次数叫聚合度2、官能度：指在一个单体上能和别的单体发生键合的位置数目3、加聚反应：由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应；4、缩聚反应：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出(缩去)某种低分子物质(如水、氨、醉、卤化氢等)的反应；5、共聚：由两种或两种以上的单休参加聚合而形成聚合物的反应。

第四章晶体缺陷1、晶体缺陷：实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域；2、位错密度：晶体中位错的数量，是单位体积晶体中所包含的位错线总长度；3、晶界：同一种相的晶粒与晶粒的边界；4、晶界内吸附：少量杂质或合金元素在晶体内部的分布是不均匀的，它们常偏聚于晶界，称这种现象为晶界内吸附；第五章材料的相结构及相图1、固溶体：当合金相的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种相就称为一次固溶体或端际固溶体，简称固溶体。

2、拓扑密堆积：如两种不同大小的原子堆积，利用拓扑学的配合规律，可得到全部或主要由四面体堆垛的复合相结构，形成空间利用率很高、配位数较大(12、14、15、16等)一类的中间相，称为拓扑密堆积。

3、电子浓度：固溶体中价电子数目e与原子数目之比。

4、间隙相：两组元间电负性相差大，且/1≤0.59具有简单的晶体结构的中间相5、间隙化合物：两组元间电负性相差大，且/≥0.59所形成化合物具有复杂的晶体结构。

无机材料科学基础___第二章晶体结构

无机材料科学基础___第二章晶体结构

第 2 章结晶结构一、名词解释1．晶体：晶体是内部质点在三维空间内周期性重复排列，具有格子构造的固体2．空间点阵与晶胞：空间点阵是几何点在三维空间内周期性的重复排列晶胞：反应晶体周期性和对称性的最小单元3．配位数与配位多面体：化合物中中心原子周围的配位原子个数成配位关系的原子或离子连线所构成的几何多面体4．离子极化：在离子化合物中，正、负离子的电子云分布在对方离子的电场作用下，发生变形的现象5．同质多晶与类质同晶：同一物质在不同的热力学条件下具有不同的晶体结构化学成分相类似物质的在相同的热力学条件下具有相同的晶体结构6．正尖晶石与反尖晶石：正尖晶石是指2价阳离子全部填充于四面体空隙中，3价阳离子全部填充于八面体空隙中。

反尖晶石是指2价阳离子全部填充于八面体空隙中，3价阳离子一半填充于八面体空隙中，一半填充于四面体空隙。

二、填空与选择1．晶体的基本性质有五种：对称性，异相性，均一性，自限性和稳定性（最小内能性）。

2．空间点阵是由 C 在空间作有规律的重复排列。

（ A 原子 B离子 C几何点 D分子）3．在等大球体的最紧密堆积中有面心立方密堆积和六方密堆积二种排列方式，前者的堆积方式是以（111）面进行堆积，后者的堆积方式是以（001）面进行堆积。

4．如晶体按立方紧密堆积，单位晶胞中原子的个数为 4 ，八面体空隙数为 4 ，四面体空隙数为 8 ；如按六方紧密堆积，单位晶胞中原子的个数为 6 ，八面体空隙数为6 ，四面体空隙数为 12 ；如按体心立方近似密堆积，单位晶胞中原子的个数为 2 ，八面体空隙数为 12 ，四面体空隙数为 6 。

5．等径球体最紧密堆积的空隙有两种：四面体空隙和八面体空隙。

一个球的周围有 8个四面体空隙、 6 个八面体空隙；n个等径球体做最紧密堆积时可形成 2n 个四面体空隙、 n 个八面体空隙。

不等径球体进行堆积时，大球做最紧密堆积或近似密堆积，小球填充于空隙中。

6．在离子晶体中，配置于正离子周围的负离子数（即负离子配位数），决定于正、负离子半径比（r ＋/r －）。

材料科学基础第二章晶体结构缺陷(三)

材料科学基础第二章晶体结构缺陷(三)
金属的强度与位错密度的关系
位错的观察
位错在晶体表面的露头 抛光后的 试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现 侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边 型且排列有一定规律。只能在晶粒 较大，位错较少时才有明显效果。
薄膜透射电镜观察 将试 样减薄到几十到数百个原 子层(500nm以下)，利用透 射电镜进行观察，可见到 位错线。
按照完整晶体滑移模型，使晶体滑移所需的临界切应力， 即使整个滑移面的原子从一个平衡位置移动到另一个平衡位 置时，克服能垒所需要的切应力，晶面间的滑移是滑移面上 所有原子整体协同移动的结果，这样可以把晶体的相对滑移
简化为两排原子间的滑移，晶体的理论切变强度m为： Gx/a=msin（2x/）=m2x/
2. 位 错 密 度 ： 单 位 体 积 内 位 错 线 的 总 长 度
ρ=L/V
nl n
S l S
式中 L为晶体长度，n为位错线数目，S晶 体截面积。
一般退火金属晶体中为104~108cm-2数量级， 经剧烈冷加工的金属晶体中，为
1012~1014cm-2
（三）、位错线的连续性及位错密度
图 2-13
（三）、混合位错
在外力作用下，两部分之间发生相对
滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的 交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢 量b），这样的位错称为混合位错。如图 2-14所示。
位错线上任意一点，经矢量分解后， 可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位 错线的形状可以是任意的，但位错线上各 点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺 型分量不同而已。
（一）完整晶体的塑性变形方式
1.晶体在外力作用下的滑移（图２－６） 滑移的定义 滑移的结果 滑移的可能性（滑移系统）：在最密排晶面（称为滑移 面）的最密排晶向（称为滑移方向）上进行 晶体滑移的临界分切应力（c） ：开动晶体滑移系统所需 的最小分切应力 2.晶体在外力作用下的孪生

上海交大-材料科学基础-第二章-1

上海交大-材料科学基础-第二章-1

晶面的位向
h : k : l cos : cos : cos
cos2 cos2 cos2 1 立方晶系
晶面间距
dhkl
a h
cos
b h
cos
c h
cos
d
2hkl [(
h a
)2
( h )2 b
( h )2 ] c
cos2
cos2
cos2
式中ｈ、ｋ、ｌ为晶面指数（ｈｋｌ），ａ、ｂ、ｃ为 点阵常数，α、β、γ为晶面法线方向与晶轴夹角。
每个原子周围的情况完全相同，则这种原子所组成的
网格称为简单晶格。
复式晶格：如果晶体由两种或两种以上原子组成，同 种原子各构成和格点相同的网格，网格的相对位移而 形成复式晶格。
cc
金刚石结构
2.1.2 晶向指数和晶面指数
晶列：布拉菲格子的格点可以看成是分布在一系列相 互平行的直线上，而无遗漏，这样直线称为晶列；
uvw 放入方括号内，写成[uvw],即为待标定晶向的晶 向指数。若为负值，则在指数上加一负号。（化整数， 列括号）
xa : yb : zc u :v : w abc
立方晶系中一些常用的晶向指数
例：如图在立方体中， a i , b j , c k
方法2
D是BC的中点，求BE,AD的晶列指数
第二章 固体结构
本章主要内容
❖ 2.1晶体学基础 ❖ 2.2金属的晶体结构 ❖ 2.3合金相结构 ❖ 2.4离子晶体结构 ❖ 2.5共价晶体结构
概述
❖ 物质按聚集状态分类: 气态、液态和固态； ❖ 按原子（或分子）排列特征分类：晶体和非晶体。
绝大部分陶瓷、少数高分子材料、金属及合金是晶体； 多数高分子材料、玻璃及结构复杂材料是非晶体。

材料科学基础第2章材料中的晶体结构

材料科学基础第2章材料中的晶体结构

材料科学基础第2章材料中的晶体结构晶体是由原子、离子或分子按照一定的规则排列而成的固体。

晶体结构是指晶体中原子，离子或分子的排列方式。

晶体结构的特点是重复性和周期性。

晶体结构可以通过晶体的晶胞来描述，晶胞是晶体中最小重复单元，是由若干个原子，离子或分子组成的。

晶体结构的分类可以根据晶体的对称性进行。

常见的晶体结构类型有立方晶系、四方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系、六角晶系和三角晶系。

立方晶系是最常见的晶体结构类型，它具有最高的对称性。

立方晶系包括体心立方晶体、面心立方晶体和简单立方晶体。

体心立方晶体每个晶胞中有一个原子位于立方体的中心，面心立方晶体每个晶胞中有一个原子位于每个立方体的面心，简单立方晶体每个晶胞中只有一个原子。

四方晶系的晶体中，晶胞的底面为矩形，其中一个边与底面垂直。

正交晶系的晶胞基本上和四方晶系相似，但它的底面为正方形。

单斜晶系的晶胞有一个倾斜的边，它是在不同轴上分别有两面成直角。

三斜晶系的晶体是最复杂的结构类型，它的晶胞没有任何对称性。

六角晶系的晶体结构可以看作是体心立方晶体和单斜晶体的组合，晶胞为底面呈六角形的棱柱。

三角晶系的晶体结构最特殊，晶胞为三角形。

晶体结构的研究对于材料科学非常重要。

通过了解晶体结构，我们可以预测和解释材料的物理性质，如硬度、热膨胀系数和电导率等。

晶体结构还对材料的合成和制备起到了指导作用。

例如，通过改变晶体结构，可以改变材料的性质，如增加或减少导电性。

总之，材料中的晶体结构是材料科学基础中的重要内容。

了解晶体结构有助于我们理解材料的性质和行为，并为材料设计和合成提供基础。

晶体结构的研究对于材料科学的发展非常重要，并在材料的合成和制备中起到了指导作用。

陆佩文材料科学基础名词解释(课后)-

陆佩文材料科学基础名词解释(课后)-

陆佩文材料科学基础名词解释（课后）-第二章晶体结构2.1名词解释晶体是由原子(或离子分子等)组成的固体物质晶体。

)在空间中周期性排列。

晶胞是能反映晶体结构特征的最小单位。

晶体可以看作是一堆无间隙的晶体单元。

晶体结构中的平行六面体单元晶格(空间晶格)是在三维空间中周期性排列的一系列几何点。

对称:物体的同一部分有规律地重复。

对称型:晶体结构中所有点对称元素(对称平面、对称中心、对称轴和旋转轴反向延伸)的集合，也称为点群。

空间群:指晶体结构中所有对称元素的集合brafi晶格以相同的方式将元素放置在每个晶格点上以获得实际晶体结构只有一个原子的晶格叫做布拉菲晶格范德华简分子间由于色散、诱导和取向而产生的吸引力的总配位数:晶体结构中任何原子周围的最近邻和等距原子数。

2.2试图从晶体结构的周期性讨论晶格结构不能有5个或6个以上的旋转对称？2.3金属镍具有最紧密堆积的立方结构。

一个晶胞中有多少个镍原子？如果已知镍原子的半径为0.125纳米，单位晶胞边长是多少？2.4金属铝属于立方晶系，边长为0.405纳米。

假设其质量密度为2.7g/m3，试确定其晶胞的Blavy晶格类型2.5晶体为四方结构，晶胞参数为a=b，c=a/2。

如果一个晶面在x y z 轴上的截距分别是2A3C6，试着给出晶面的米勒指数。

2.6尝试在立方晶体结构中绘制以下晶面(001)(110)(111)，并标记以下晶体方向[210] [111] [101]。

2.14氯化铯(CsCl)晶体属于简单的立方结构，假设铯+和氯-沿立方对角线接触。

计算了氯化铯晶体结构中离子的堆积密度，并结合致密堆积结构的堆积密度讨论了其堆积特性。

根据面心立方，2.15氧化锂(Li2O)的晶体结构可视为O2的致密堆积。

Li+占据四面体空间。

如果Li+的半径为0.074nm，O2-的半径为0.140nm，则尝试计算li2o的单元电池常数II O2-的密集堆积所形成的空隙的最大半径，以容纳正离子2.16氧化镁具有氯化钠晶体结构。

材料科学基础第二章

材料科学基础第二章


y

[111]
x
[111]

例：画出晶向
[112 ]
2.立方晶系晶面指数
晶面指数的确定方法
（a)建立坐标系，结点为原点， 三棱为方向，点阵常数为单位 （原点在标定面以外，可以采 用平移法）； (b)晶面在三个坐标上的截距a1 a2 a3 ； (c)计算其倒数 b1 b2 b3 ； (d)化成最小、整数比h：k：l ； 放在圆方括号(hkl)，不加逗号， 负号记在上方 。
3.六方晶系晶面和晶向指数
三指数表示六方晶系晶面和晶向的缺点：晶体学上等价的 晶面和晶向不具有类似的指数。 例：
晶面指数

(11 0)
（100）
[010] [100]
从晶面指数上不能明确表示等同晶面，为了克服这一缺点， 采用a1、a2、a3及c四个晶轴， a1、a2、a3之间的夹角均 为120º ，晶面指数以（hkil）表示。 根据立体几何，在三维空间中独立的坐标轴不会超过三 个可证明 ： i= - (h+k) 或 h+k+i=0
六方晶系
d hkl
h k l a b c
2 2 2
d hkl
a h2 k 2 l 2
1 l c
2
4 h 2 hk k 2 3 a2
注：以上公式是针对简单晶胞而言的，如为复杂晶胞， 例如体心、面心，在计算时应考虑晶面层数增加的影 响，如体心立方、面心立方、上下底（001）之间还有 一层同类型晶面，实际
[1 00 ]

[0 1 0]

[010]
[1 00]
y
[100]
x

[00 1]

材料科学基础,第2章,材料中的晶体结构

材料科学基础,第2章,材料中的晶体结构

晶面间距与晶面指数的关系： 晶面间距是现代测试中一个重要的
参数。在简单点阵中，通过晶面指数 （hkl）可以方便地计算出相互平行的一 组晶面之间的距离d。
晶系 晶面间距
立方
1 h2 k 2 l2
d2
a2
正方
1
h2 k2
l2
d2
a2
c2
六方
( ) 1
4 h2 hk k 2
l2
d2
3
a2
c2
1.晶面、晶向及其表征
1）晶面 （1）定义：晶体点阵在任何方向上可分
解为相互平行的结点平面，称为晶面。 （2）特征： 晶面上的结点在空间构成一个二维点阵。 同一取向上的晶面，不仅相互平行、间
距相等，而且结点的分布也相同。 不同取向的结点平面其特征各异。
（3）晶面指数：
结晶学中经常用（hkl）来表示一组平 行晶面，称为晶面指数。
不同方向的直线组，其质点分布不尽相同。
（3）晶向指数： 用[uvw]来表示。 其 中 u 、 v 、 w 三 个 数 字 是 晶 向 矢 量
在参考坐标系X、Y、Z轴上的矢量 分量经等比例化简而得出。
晶向指数求法：
①确定坐标系； ②过坐标原点，作直线与待求晶向
平行； ③在该直线上任取一点，并确定该
{110}晶面族
Z
（011）
（110） （011） （101）
（101）
Y （110）
X
2）晶向：
（1）定义：
点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组， 结点等距离地分布在直线上。位于一条直线上 的结点构成一个晶向。
（2）特征：
同一直线组中的各直线，其结点分布完全相同， 故其中任何一直线，可作为直线组的代表。

陆佩文材料科学基础 名词解释 -课后

陆佩文材料科学基础 名词解释 -课后

第二章晶体结构2.1名词解释晶体由原子(或离子分子等)在空间作周期性排列所构成的固态物质晶胞是能够反应晶体结构特征的最小单位, 晶体可看成晶胞的无间隙堆垛而成。

晶体结构中的平行六面体单位点阵(空间点阵) 一系列在三维空间按周期性排列的几何点.对称：物体相同部分作有规律的重复。

对称型：晶体结构中所有点对称要素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反伸轴）的集合,又叫点群.空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素的集合布拉菲格子把基元以相同的方式放置在每个格点上，就得到实际的晶体结构。

基元只有一个原子的晶格称为布拉菲格子。

范德华健分子间由于色散、诱导、取向作用而产生的吸引力的总和配位数:晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数.2.2试从晶体结构的周期性论述晶体点阵结构不可能有5次和大于6次的旋转对称?2.3金属Ni具有立方最紧密堆积的结构试问: I一个晶胞中有几个Ni原子？ II 若已知Ni原子的半径为0.125nm，其晶胞边长为多少？2.4金属铝属立方晶系，其边长为0.405nm，假定其质量密度为2.7g/m3试确定其晶胞的布拉维格子类型2.5某晶体具有四方结构，其晶胞参数为a=b,c=a/2,若一晶面在x y z轴上的截距分别为2a 3b 6c,试着给出该晶面的密勒指数。

2.6试着画出立方晶体结构中的下列晶面（001）（110）（111）并分别标出下列晶向[210] [111] [101].2.14氯化铯（CsCl）晶体属于简立方结构，假设Cs+和Cl-沿立方对角线接触，且Cs+的半径为0.170nm Cl-的半径为0.181nm，试计算氯化铯晶体结构中离子的堆积密度，并结合紧密堆积结构的堆积密度对其堆积特点进行讨论。

2.15氧化锂（Li2O）的晶体结构可看成由O2-按照面心立方密堆，Li+占据其四面体空隙中，若Li+半径为0.074nm，O2-半径为0.140nm试计算I Li2O的晶胞常数 II O2-密堆积所形成的空隙能容纳阳正离子的最大半径是多少。

大学材料科学基础第二章材料中的晶体结构

大学材料科学基础第二章材料中的晶体结构
反过来： U = u - t; V = v - t; W = w
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。

武汉理工大学材料科学基础各章节例题及答案

武汉理工大学材料科学基础各章节例题及答案

第二章晶体结构【例2-1】计算MgO和GaAs晶体中离子键成分的多少。

【解】查元素电负性数据得，则，，，MgO离子键％＝GaAs离子键％＝由此可见，MgO晶体的化学键以离子键为主，而GaAs则是典型的共价键晶体。

【提示】除了以离子键、共价键结合为主的混合键晶体外，还有以共价键、分子间键结合为主的混合键晶体。

且两种类型的键独立地存在。

如，大多数气体分子以共价键结合，在低温下形成的晶体则依靠分子间键结合在一起。

石墨的层状单元内共价结合，层间则类似于分子间键。

正是由于结合键的性质不同，才形成了材料结构和性质等方面的差异。

从而也满足了工程方面的不同需要。

【例2-2】 NaCl和MgO晶体同属于NaCl型结构，但MgO的熔点为2800℃, NaC1仅为80l℃，请通过晶格能计算说明这种差别的原因。

【解】根据：晶格能（1）NaCl晶体：N0＝6.023×1023 个/mol，A＝1.7476，z1＝z2＝1，e＝1.6×10－19 库仑，，r0＝＝＝0.110＋0.172＝0.282nm＝2.82×10－10 m，m/F，计算，得：EL＝752.48 kJ/mol （2）MgO晶体：N0＝6.023×1023 个/mol，A＝1.7476，z1＝z2＝2，e＝1.6×10－19库仑，r0＝＝0.080＋0.132＝0.212 nm＝2.12×10－10 m，m/F，计算，得：EL＝3922.06 kJ/mol则：MgO晶体的晶格能远大于NaC1晶体的晶格能，即相应MgO的熔点也远高于NaC1的熔点。

【例2-3】根据最紧密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，但是金刚石的空间利用率很低，只有34.01%，为什么它也很稳定？【解】最紧密堆积的原理只适用于离子晶体，而金刚石为原子晶体，由于C-C共价键很强，且晶体是在高温和极大的静压力下结晶形成，因而熔点高，硬度达，很稳定。

材料科学基础课后习题答案讲解

材料科学基础课后习题答案讲解

《材料科学基础》课后习题答案第一章材料结构的基本知识4. 简述一次键和二次键区别答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。

其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。

一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。

二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。

二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。

6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？答：材料的密度与结合键类型有关。

一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。

相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。

共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。

9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。

答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。

即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。

两相组织是指具有两相的组织。

单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。

晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。

单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。

等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。

对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。

如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。

如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。

陆佩文材料科学基础 名词解释 -课后汇总

陆佩文材料科学基础 名词解释 -课后汇总

第二章晶体结构2.1名词解释晶体由原子(或离子分子等)在空间作周期性排列所构成的固态物质晶胞是能够反应晶体结构特征的最小单位, 晶体可看成晶胞的无间隙堆垛而成。

晶体结构中的平行六面体单位点阵(空间点阵) 一系列在三维空间按周期性排列的几何点.对称：物体相同部分作有规律的重复。

对称型：晶体结构中所有点对称要素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反伸轴）的集合,又叫点群.空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素的集合布拉菲格子把基元以相同的方式放置在每个格点上，就得到实际的晶体结构。

基元只有一个原子的晶格称为布拉菲格子。

范德华健分子间由于色散、诱导、取向作用而产生的吸引力的总和配位数:晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数.2.2试从晶体结构的周期性论述晶体点阵结构不可能有5次和大于6次的旋转对称?2.3金属Ni具有立方最紧密堆积的结构试问: I一个晶胞中有几个Ni原子？ II 若已知Ni原子的半径为0.125nm，其晶胞边长为多少？2.4金属铝属立方晶系，其边长为0.405nm，假定其质量密度为2.7g/m3试确定其晶胞的布拉维格子类型2.5某晶体具有四方结构，其晶胞参数为a=b,c=a/2,若一晶面在x y z轴上的截距分别为2a 3b 6c,试着给出该晶面的密勒指数。

2.6试着画出立方晶体结构中的下列晶面（001）（110）（111）并分别标出下列晶向[210] [111] [101].2.14氯化铯（CsCl）晶体属于简立方结构，假设Cs+和Cl-沿立方对角线接触，且Cs+的半径为0.170nm Cl-的半径为0.181nm，试计算氯化铯晶体结构中离子的堆积密度，并结合紧密堆积结构的堆积密度对其堆积特点进行讨论。

2.15氧化锂（Li2O）的晶体结构可看成由O2-按照面心立方密堆，Li+占据其四面体空隙中，若Li+半径为0.074nm，O2-半径为0.140nm试计算I Li2O的晶胞常数 II O2-密堆积所形成的空隙能容纳阳正离子的最大半径是多少。

2 《材料科学基础》第二章 晶体结构(下)

2 《材料科学基础》第二章 晶体结构(下)

思考题
Ca2+：000，½ ½ 0，½ 0 ½ ，0 ½ ½ F
-
：¼ ¼ ¼, ¾ ¾ ¼, ¾ ¼ ¾, ¼ ¾ ¾, ¾ ¾ ¾, ¼ ¼ ¾, ¼ ¾ ¼, ¾ ¼ ¼
思考题：
据晶体结构简要解释:
•为什么CaF2比NaCl容易形成弗仑克尔缺陷？
•为什么萤石结构中一般存在着负离子扩散机制？
了解
Al3+的分布原则符合鲍林规则：在同一层
和层与层之间， Al3+之间的距离应保持
最远。
空隙
α－Al2O3中的氧与铝的排列次序可写成： OAAlDOBAlEOAAlFOBAlDOAAlEOBAlFOAAlD……6层一个周期
Al3+的CN＝6， Z=
O2-的CN＝ 4
2
属于刚玉型结构的晶体：
• 硅酸盐结构的特点：
2/3八面体间隙(A、B) 1/2八面体间隙(A) l/8四面体间隙(B) 全部立方体中心 1/2立方体中心
尖晶石
反尖晶石 纤锌矿 砷化镍 刚 玉 钛铁矿 橄榄石 氯化铯 萤 石 硅石型
二、硅酸盐晶体结构
1. 岛状结构
2. 组群状结构
3. 链状结构 4. 层状结构 5. 架状结构
•硅酸盐晶体的组成表征:
4：6：4AB2O4
4：6：4B（AB）O4 4：4MO 6：6MO 6：4M2O3 6：6：4ABO3 6：4：4A2BO4 8：8MO 8：4MO2 4：2MO2
1/8四面体间隙(A) 1/2八面体间隙(B) 1/8四面体间隙(B) 1/2八面体间隙(A、B) 1/2四面体间隙 全部八面体间隙 2/3八面体间隙
8
性质：硬度最高、极好的导热性、具半导体性能 与其结构相同的有硅、锗、灰锡、合成立方氮化硼等

材料科学基础-2

材料科学基础-2
[111 ]
[ 1 11]
[1 1 1]
[1 1 1]
[11 1 ]
[1 1 1]
[1 1 1]
[1 1 1]
例：在一个面心立方晶胞中画出[012]、[123] 晶向。
晶面：通过空间点阵中任一组阵点的平面代表晶 体中的原子平面，称为晶面 晶面指数：表示晶体中点阵平面的指数，由晶面 与三个坐标轴的截距值所决定。 晶面指数的标定步骤： 建坐标：所定晶面不应通过原点； 求截距：求出待定晶面在三个坐标轴上的截距， 如果该晶面与某坐标轴平行，则其截距为∞； 取倒数：取三个截距值的倒数； 化整并加圆括号：将三个截距的倒数化为最小 整数h、k、l，并加圆括号，即（hkl），如果截距 为负值，则在负号标注在相应指数的上方。
正交
三、晶向指数与晶面指数(Miller指数)
晶向：空间点阵中各阵点列的方向代表晶体中原子排列的 方向，称为晶向，即空间点阵中任意两阵点的连接矢量。 晶向指数：表示晶体中点阵方向的指数。 晶向指数的确定步骤：
z
[ 1 11]
[112] • 建立坐标系； • 确定坐标值：在待定晶向上确定 [1 1 1] [1 1 0] 距原点最近的一个阵点的三个坐标值； • 化整并加方括号：将三个坐标值化为最小 [001] [111] 整数u、v、w,并加方括号。如有负值，在 [010] o 该数值上方标负号。 [100] [110]
• 在立方晶系中，具有相同指数的晶面和晶向 必定相互垂直。不适合其它晶系。 如： [121] (121) 即：晶向 [121] 为晶面 (121)的法向量。 ★ 因此，晶面指数可作为向量进行运算。
例：在一个面心立方晶胞中画出(102)、 (223) 晶面。
六方晶系的晶向指数和晶面指数

814材料科学基础-第二章 固体结构例题讲解

814材料科学基础-第二章 固体结构例题讲解

北京科技大学材料科学与工程专业814 材料科学基础主讲人：薛老师第二章固体结构例题讲解1.什么是晶面族？立方晶系{111}晶面族包含哪些晶面？答：在晶体内凡是晶面间距和晶面上的原子分布完全相同，只是空间位向不同的晶面我们可以把它们归并为同一个晶面族中，即晶面族，用{hkl}表示。

立方晶系{111}包括：（111）（111）（111）（111）（111）（111）（111）（111），这八个晶面构成一个八面体，因此晶面族{111}也成为八面体的面。

2.面心立方结构（100）和（111）晶面的夹角是多少？{100}的面间距是多少？答：（1） 所以：222222321321332211,cos b b b a a a b a b a b a ba b a b a ++⨯++++=⨯⨯>=<31111001101011cos 222222=++++⨯+⨯+⨯=ϕ︒==7.5431cos arc ϕ晶面的位向表示方法！！（2）面心立方，晶面间距：晶面为{100}，则带入公式，得到d=a,（a 最好自己设一下）因为是立方晶系需要对晶面进行判断是否需要修复！！面心立方h 、k 、l 不全为奇数或者偶数时，需要修正，可知，该晶面需要修正所以：d=a/2.222)()()h (d l k a hkl ++=3.晶带定律的应用例：已知晶体中两个不平行的晶面(h1k1l1)(h2k2l2)，证明(h3k3l3)与这两个晶面属于同一晶带，其中h3=h2+h1,k3=k2+k1,l3=l2+l1.答：设两个不平行的晶面所属晶带的晶带轴为[uvw]。

根据晶带定律，带入已知条件得到：h1u+k1v+l1w=0，h2u+k2v+l2w=0移项相加，得：(h1+h2)u+(k1+k2)v+(l1+l2)w=0，带入题目中的已知条件，可以得到h3u+k3v+l3w=0所以，第三个晶面与前面两个晶面属于同一个晶带。

例：在体心立方晶胞中画出一个最密排方向，并标明晶向指数，再画出过该方向的两个不同的低指数晶面，写出对应的晶面指数，这两个晶面与晶向构成什么关系？xzy G FE DOCBA注意点：1.画图一定要清洗，最好分开类画2.选取晶向的时候一定要选择对后期选择晶面有利的晶向3.回答晶带时，最好加上什么是晶带定律？4.六方晶系晶面、晶向指数例：写出图中六方晶胞EFGHIJE的晶面指数，以及EF,FG,GH,HI,IJ,JE 各晶向的晶向指数。

材料科学基础课件第二章--晶体结构

材料科学基础课件第二章--晶体结构
16
小结
1. 晶体结构是指晶体中原子或分子的排列情况，由空间点阵 与结构基元构成，晶体结构的形式是无限多的。
2. 空间点阵是把晶体结构中原子或分子等结构基元抽象为周
围环境相同的阵点之后，描述晶体结构的周期性和对称性的
图像。
17
2.1.2 晶向指数和晶面指数
(1) 晶向指数 晶向（crystal directions）—通 过晶体中任意两个原子中心连 成直线来表示晶体结构的空间 的各个方向。
些晶向可归为一个晶向族，用〈ｕｖｗ〉表示。如
〈111〉 晶 向 族 包 括 [111] 、 [T11] 、 [1T1] 、 [11T] 、 [TT1]、[1TT]、[T1T]、[TTT]；〈100〉晶向族包括 [100]、[010]、[001]、[T00]、[0T0]、[00T] 。
(4)同一晶向族中晶向上原子排列因对称关系而等同。
范德华键的特点及典型的分子晶体的性质：
范德华键（分子键）是通过“分子力”而产生的键合。分子力 包括三种力：葛生力（Keesen force）──极性分子中的固有 偶极矩产生的力，德拜力（Debye force）──感应偶极矩产生 的力，即极性分子和非极性分子之间的作用力，伦敦力 （London force）──非极性分子中的瞬时偶极矩产生的力。 当分子力不是唯一的作用力时，它们可以忽略不计。
2 晶体结构
晶体：物质是由原子、分子或离子按一定的空间 结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具 有周期性和对称性，因而晶体具有规则的外形。
1
晶体的宏观特征
石英
硫
2
钠长石 Na[AlSi3O8]
绿柱石 Be3Al2(SiO3)6
3
祖母绿Be3Al2[Si6O18]
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注意： 1 阵点可以代表原子、离子、分子甚至原 子团，是这些质点的几何中心。 2 每个阵点在空间分布必须具有完全相同 的周围环境(surroundings)。 相同是指任一阵点周围的阵点数、阵点 排列方式、阵点间间距都一样。 只有满足上述两个条件的阵点组成的空间 阵列才能称为空间点阵。
2. 晶格
④ 将倒数约成互质整数，加一圆括号(hkl)。
Intercepts: a, a,∞ Reciprocals: a/a, a/a, a/∞ = 1, 1, 0 Miller index for this plane : (1 1 0)
Intercepts: 1/2a, a,∞ Reciprocals: 2a/a, a/a, a/∞ = 2, 1, 0 Miller index for this plane : (2 1 0)
要点： 1 晶体结构与空间点阵的区别；
2 晶胞的概念；
3 晶格常数。
晶体结构有多少种？ 1 空间点阵
将晶体中原子或原子团抽象为纯几何 点（阵点 lattice point），即可得到一个由 无数几何点在三维空间排列成规则的阵列 —空间点阵（space lattice）。
空间点阵是具体的晶体结构的几何抽象。
• 晶面指数意义的讨论
1 一个晶面指数所代表的不仅是某一晶 面，而是代表着 一组相互平行的晶面。
2 若两晶面指数相同，但符号相反，表示 两晶面平行，通常可认为是同一晶面。 晶面族：晶面性质一样的晶面，它们在 空间并不一定平行，用{hkl}表示。属于 同一晶面族的晶面指数特点是数字绝对 值相同，但排列顺序不同。 如{100}晶面族：代表晶胞中的3个表面， 分别为(100), (010), (001)。 {111}晶面族：4个。
例如晶胞的六个柱 面的晶面族 {100}：
• 六方晶系的坐标轴
六方晶系采用四轴 坐标标定，a1、a2、a3 之间的夹角均为120o。 晶面指数表示为(hkil)， 晶向指数表示为[uvtw]。 用这种标定方法， 晶面 族，晶向族就可以从指 数上反映出来。例如， 六个柱面的 晶面族指数 分别为：
在三维空间中独立的坐标轴只有三个。因 而应用此方法标定的指数形式上是四个，但前 三个指数中只有两个是独立的，它们之间有如 下关系：
布拉菲点阵： 1848年， Bravais根据“每个阵点 周围环境相同”的要求，在考虑了晶胞 中阵点的具体排列方式的基础上，从数 学上证明了空间点阵中阵点的排列方式 只有14种，这14种空间点阵就叫 Bravais点阵，它们分属7大晶系。
晶体结构与空间点阵
晶体结构是指实际晶体中的结构单元（原 子、离子、分子、分子团等）在三维空间的具 体的规律排列方式，种类数量几乎是无限。 它和空间点阵的关系为：
3 立方晶系中晶面的法线
在立方晶系中，晶面的面法线就
是与它数字相同的晶向指数。
如(hkl)晶面的面法线为[hkl]， 这条规则必须牢记，讨论晶体滑移 系、位错滑动和晶体塑性变形时要反复 使用。
3．六方晶系晶面和晶向指数标定
立方晶系的方法依 然适用。a1，a2，c晶 轴为单位长度建立坐 标系，但a1轴与a2轴的 夹角γ为120°，c轴与 a1，a2轴相垂直(α,β)。 用这种方法标定的 晶面族指数和晶向族 指数，数字不同，和 立方晶系不同，看不 出它们的等同关系。
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。
1 晶向指数的标定
①建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系。 ②将待定晶向平移至坐标原点。 ③求该晶向上离原点最近的节点在坐标上的投影。 ④所得结果约成互质整数，加一方括号[uvw]。
• 晶向指数意义的讨论 1 一个晶向指数表示着所有相互平行、 方向一致的晶向指向，并不是指一根直 线的指向； 2 若两个晶向指数的数字相同，但符号 相反，表示它们所指方向相反， 3 晶向族：立方晶系中因对称关系，有 些晶向虽不平行，但质点排列方式和间 距完全一样，它们属于同一晶向族，用 <u v w>表示
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。
图2—9 确定晶面
第二节、典型金属的晶体结构
（Crystal Structure of Metals）
绝大多数金属都具有比较简单、高对称性 的晶体结构，其中最典型、最常见的晶体结构 有三种类型: 体心立方结构、面心立方结构和 密排六方结构。
原因如下： - Typically, only one element is present, so all atomic radii are the same. - Metallic bonding is not directional. - Nearest neighbor distances tend to be small in order to lower bond energy.
(2) 两不平行晶向 [u1v1w1] 和 [u2v2w2] 所在的晶 面 (hkl) 为： h = v1w2－v2w1；k = w1u2－w2u1；l = u1v2－u2v1
6. 晶面间夹角
• 立方系
cos h1h2 k1k 2 l1l2
2 2 2 (h12 k12 l12 )( h2 k 2 l2 )
体心立方晶胞：体对角线[111]晶向上的原 子彼此相切，4r =√3a，r = √3a/4; 面心立方晶胞：面对角线[110]晶向上的原 子彼此相切，r = √2a/4 ;
密排六方晶胞：上下底面的中心原子与周 围六个角上的原子相切，r = a/2。
3. 配位数与致密度 配位数和致密度是定量反映晶体中原子 排列紧密程度的两个参数。 配位数(N)：晶体结构中与任一原子距离相 等且最近的原子数。 致密度(K)：晶胞中原子所占的体积分数。 这两个参数越大，表示晶体中原子排列 越紧密。
5．晶带 (Crystal zone) 所有平行或相交于同一直线的晶面构 成一个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，故此关系式也称作晶带 定律。
• 晶带定律应用举例
晶向族举例： <100> 代表晶胞六根棱边：[100], [010], [001], ………； <111> 代表晶胞中8根体对角线；
<110> 代表晶胞中12根面对角线。
属于同一晶向族的晶向指数特点？
数字相同，但绝对值和排列顺序不同。
2 晶面指数的标定
① 建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系 ② 求待定晶面在各坐标轴上的截距。 ③ 取截距的倒数。
将阵点用一系列平行直线连接， 构成一空间格架称晶格。
3．晶胞 (Unit Cell) 晶胞：从点阵中取出一个能保持点阵几何特征 的基本单元。显然晶胞作三维堆砌就构成了晶 格。同一空间点阵可因选取方式不同而得到不 同的晶胞。
选取晶胞的原则：
Ⅰ)晶胞形状应能充分反映点阵的对称 性； Ⅱ）晶胞体内的棱和角相等的数目应最 多；每个顶角上都要有一个阵点； Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时， 直角的数目应最多； Ⅳ）在满足上述条件下，晶胞应具有最 小的体积。
反过来： U = u - t; V = v - t; W = w
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。
三种典型金属晶体结构一览 体心立方结构 (bcc)
Body centered cube 在体心立方晶胞中，原 子分布在立方晶胞的八个顶 角及其体心位置。具有这种 晶体结构的金属有Cr、V、 Mo、W和α-Fe等30多种。 刚 球 模 型
阵 点 模 型
面心立方结构 (fcc) Face centered cube
4. 点阵常数（晶格常数）
按此原则选出的晶胞为一平行六面体， 它的尺寸和形状用点阵常数（晶格常数） 来描述，包括晶胞的各边长度和各边之间 的夹角。
二、晶系与布拉菲点阵 （Crystal System and Bravais Lattice）
晶系：不考虑晶胞中阵点的排列方式，只 考虑点阵参数的差异，晶胞就只有七种形 状。在晶体学中它们代表了七种晶体类型， 称为七大晶系。
(1) 已知两不平行的晶面(h1k1l1),（h2k2l2) 求晶带轴[uvw]。
h1u + k1v + l1w = 0 h2u + k2v + l2w = 0
u v w = = =C k1l1 l1h1 h1k1 k 2l2 l2 h2 h2 k 2
令C = 1，展开此式得书上式（2-7）。
注意，此式只适用于立方晶系。
在面心立方晶胞中， 原子分布在立方晶胞的八 个顶角及六个侧面的中心。 具有这种晶体结构的金属 有Al、Cu、Ni和γ-Fe等约 20种。