文档介绍：第一章晶体学基础及材料结构
无论是金属材料还是非金属材料,通常都是晶体。因此,作为材料科学工作
者,首先要熟悉晶体的特征及其描述方法。本章将扼要的介绍晶体学的基础知识,
并了解材料结构。
1-1 晶体
一、晶体与非晶体
固态物质按其原子(或分子)的聚集状态而分为两大类:晶体与非晶体。虽
然我们看到自然界的许多晶体具有规则的外形(例如:天然金刚石、结晶盐、水
晶等等),但是,晶体的外形不一定都是规则的,这与晶体的形成条件有关,如
果条件不具备,其外形也就变得不规则。所以,区分晶体还是非晶体,不能根据
它们的外观,而应从其内部的原子排列情况来确定。在晶体中,原子(或分子)
在三维空间作有规则的周期性重复排列,而非晶体就不具有这一特点,这是两者
的根本区别。应用 X 射线衍射、电子衍射等实验方法不仅可以证实这个区别,
还能确定各种晶体中原子排列的具体方式(即晶体结构的类型)、原子间距以及
关于晶体的其他许多重要情况。
显然,气体和液体都是非晶体。在液体中,原子亦处于紧密聚集的状态,但
不存长程的周期性排列。固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体,只是其物
理性质不同于通常的液体而已。玻璃就是一个典型的例子,故往往将非晶态的固
体称为玻璃体。从液态到非晶态固体的转变是逐渐过渡的,没有明显的凝固点(反
之亦然,无明显的熔点)。而液体转变为晶体则是突变的,有一定的凝固点和熔
点。非晶体的另一特点是沿任何方向测定其性能,所得结果都是一致的,不因方
向而异,称为各向同性或等向性;晶体就不是这样,沿着一个晶体的不同方向所
测得的性能并不相同(如导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学数据以
及外表面的化学性质等等),表现出或大或小的差异,称为各向异性或异向性。
晶体的异向性是因其原子的规则排列而造成的。
非晶体在一定条件下可转化为晶体。例如:玻璃经高温长时间加热后能形成
晶态玻璃;而通常呈晶体的物质,如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶
体。金属因其晶体结构比较简单,很难阻止其结晶过程,故通常得不到非晶态固
体,但近些年来采用了特殊的制备方法,已能获得非晶态的金属和合金。
由一个核心(称为晶核)生长而成的晶体称为单晶体。在单晶体中,原子都
是按同一取向排列的。一些天然晶体如金刚石、水晶等都是单晶体;现在也能够
人工培育制造出多种单晶体,如半导体工业用的单晶硅和锗。激光技术中用的红
宝石和镱铝石榴石,以及金属或合金单晶等。但是金属材料通常是由许多不同位
向的小晶体所组成,称为多晶体。这些小晶体往往呈颗粒状,不具有规则的外形,
故称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界,图 为纯铁的显微组织,可看
到晶粒和晶界。多晶体材料一般不显示出各向异性,这是因为它包含大量的彼此
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位向不同的晶粒,虽然每个晶粒有异向性,但整块金属的性能则是它们性能的平
均值,故表现为各向同性,这种情况称为伪各向同性或假等向性。在某些条件下,
如定向凝固、特定的轧制退火等,使各晶粒的位向趋于一致。则其异向性又会显
示出来。
晶粒
夹杂物
晶界
图 工业纯铁的显微镜组织图 各晶粒位向示意图
二、晶体结构的基本概念
如前所述,所谓晶体,是指其内部原子(分子或离子)在三维空间作有规则
的周期性重复排列的物体。晶体中原子(分子或离子)在空间的具体排列方式称
为晶体结构(crystal structure)。材料的许多特性都与晶体中原子(分子或离子)
的排列方式有关,因此分析材料的晶体结构是研究材料的一个重要方面。
为了便于研究和描述晶体内原子(分子或离子)的排列规律,通常把原子(分
子或离子)视为刚性小球,并把不停地热振动的原子(分子或离子)看成在其平
衡位置上静止不动,且处在振动中心,如图 (a)所示。把晶体中的原子(分子
或离子)抽象为规则排列于空间的几何点,即可得到一个由无数几何点在三维空
间排列而成的规整的阵列,这种阵列称为空间点阵(如图 (b)所示),这些几
何点称为阵点或结点(lattice point)。这些阵点可以是原子(分子或离子)的中
心,也可以是彼此等同的原子群或分子群的中心,但各阵点的周围环境都必须相
同。用一系列平行直线将阵点连接起来,形成一个三维的空间格架,称为晶格
(crystalline lattice)或空间格子,如图 (b)所示。
(a)原子堆积模型(b)晶格(c)单位晶胞
图 晶体中的原子排列示意图
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由图 (b)可见,晶体中原子排列具有周期性的特点,因此,