文档介绍：第二章晶体结构 (Crystal Structure)
本章要讨论的主要问题是:
(1)原子是以何种聚集方式形成固体结构的?
(2)如何描述晶体中原子的排列?
(3)金属晶体有哪些常见的晶体结构
第一节晶体学(Crystallography)基础
一、晶体的特征固态物质按其原子或分子的聚集状态可分为两大类,一类是晶体,另一类是非晶体。
图2-101 晶体中原子在空间的排列
晶体(Crystal)就是原子(或离子、分子、原子集团)在三维空间呈有规律的周期性重复排列的固体。即不论沿晶体的哪个方向看去,总是相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离也称为周期。显然,沿不同的方向有不同的周期。
非晶体(Amorphous)不具有上述特征。在非晶体中原子(或分子、离子)无规则地堆积在一起。液体和气体都是非晶体。在液体中,原子也处于相对紧密聚集的状态,但不存在长程的周期性排列。对于金属液体的结构,我们在学****第六章时将会有进一步的了解。
固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体,只是它的物理性质不同于通常的液体。玻璃是一个典型的固态非晶体,所以,往往将非晶态称为玻璃态。几点说明: (1)绝大多数固体物质为晶体; (2)晶态与非晶态在一定的条件下可以相互转化; 如非晶态的玻璃经高温长时间加热后即可转变为晶态玻璃。 (3)晶体有固定的熔点,而非晶体只有一个软化温度范围; (4)晶体具有各向异性(Anisotropy),而非晶体却为各向同性(Isotropy)。
二、空间点阵(Space Lattice)
晶体中原子或原子集团排列的周期性规律,可以用一些在空间有规律分布的几何点来表示。并且,令沿任一方向上相邻点之间的距离就等于晶体沿该方向的周期。这样的几何点的集合就构成空间点阵(简称点阵),每个几何点称为点阵的结点或阵点。
既然点阵只是表示原子或原子集团分布规律的一种几何抽象,那么,每个结点就不一定代表一个原子。就是说,可能在每个结点处恰好有一个原子,也可能围绕每个结点有一群原子(原子集团)。但是,每个结点周围的环境(包括原子的种类和分布)必须相同,亦即点阵的结点都是等同点。
图2-103表示的是空间点阵和实际晶体结构之间的关系。图中的图2-103(a)和图2-103(b)都是二维正方点阵,但二者的晶体结构是不同的,因为围绕每个结点的原子分布不同。同样,图中的图2-103(c)和图2-103(d)都是长方点阵,但二者的结构也不同,图2-103(e)则是菱形点阵。
三、晶胞(Unit Cell)、晶系(Crystal System)和点阵类型
如前所述,空间点阵具有周期性和重复性,图2-102所示的空间点阵可以看成是由最小的单元——平行六面体沿三维方向重复堆积(或平移)而成。这样的平行六面体称为晶胞,如图2-104所示。晶胞的三条棱AB、AD和AE的长度就是点阵沿这些方向的周期,这三条棱就称晶轴。
事实上,采用三个点阵矢量a,b,c 来描述晶胞是很方便的。这三个矢量不仅确定了晶胞的形状和大小,而且完全确定了此空间点阵。只要任选一个结点为原点,以这三个矢量作平移(即平移的方向和单位距离由点阵矢量所规定),就可以确定空间点阵中任何一个结点的位置:
ruvw = ua + vb + wc (2-101 )
式中 ruvw为从原点到某一阵点的矢量,u,v,w 分别表示沿三个点阵矢量的平移量,亦即该阵点的坐标值。
既然任何晶体的晶胞都可看成是平行六面体,那么不同的晶体的差别在哪里?差别有两点:
(1)不同晶体的晶胞,其大小和形状可能不同。
(2)围绕每个结点的原子种类、数量及分布可能不同。 晶胞的大小显然取决于 AB,AD 和 AE 这三条棱的长度 a,b 和 c ,而晶胞的形状则取决于这些棱之间的夹角α,β和γ。我们把 a,b,c,α,β和γ这6个参量称为点阵常数(Lattice Parameter)或晶格常数。