工程材料/晶体结构

材料的性能依赖于材料本身的组织结构,而材料的组织结构又与材料的化学组成、键合方式及外部条件密切相关。金属材料、无机非金属材料、高分子材料性能上的差异,本质上就是由材料的化学组成的不同、键合方式的不同和晶体结构及微观组织的不同所造成的。

固体材料一般都是由具有一定晶体结构的晶粒构成的单晶或多晶体,而决定晶体结构的内在因素是原子或离子、分子间键合的类型及键的强弱。因此,欲了解材料的组织结构和性能,必须首先学习构成材料的元素原子间的键合方式,以及构成材料的晶格结构。

晶体与非晶体

材料的性能不仅与基本粒子间的键合特点有关,而且与其聚积方式或排列方式密切相关。通过长期的观察和研究,人们发现可以把固体材料按其中原子或分子的排列状态,分为晶体和非晶体两大类。它们在结构和宏观性质上均有很大差异。

非晶体又称为无定形体或玻璃体,其组成质点(原子、离子或分子)在三维空间上的排列基本上是无规则的,处于所谓的短程有序长程无序状态,即在只在许多极其微小的区域内呈有规则排列,而在更大的区域内呈无规则排列。非晶体材料没有固定的熔点,只有一个逐渐软化的温度范围,在物理、机械性能上表现出各向同性的特点。玻璃和塑料是典型的非晶体材料,木材、纸张也属于非晶体材料。

晶体则相反,其组成质点在三维空间呈有规则的周期性重复排列,并且排列规则或排列方式可以各不相同。相对非晶体组成质点的长程无序排列,晶体的这种排列状态又称为长程有序。不同的键合方式和不同的组成质点排列方式,导致了各种晶体性能的差异。

与非晶体材料相比,晶体材料具有固定的熔点,在物理、机械性能上表现出各向异性的特点。

自然界中绝大多数固体材料是无数个晶粒聚集在一起而构成的多晶体。

晶格、晶胞和晶格常数

晶体中质点(原子或离子)在空间按一定规则排列构成晶体的结构。尽管实际晶体中的各类质点都是在不停的运动着,但是,通常在讨论晶体结构时,常把构成晶体的原子看成是一个个静止的刚性小球,这些刚性小球在空间按一定的几何方式有序堆积。为了便于描述晶体内部原子排列的规律,将每个原子视为一个几何结点,并用一些假想的直线将各结点连接起来,便形成一个空间格架,这种空间格架在晶体学上称为晶格或晶格点阵。

由于晶体中原子作周期性规则排列,因此可以在晶格中选择一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来表示原子排列规律,这个最小的几何单元称为晶胞。晶胞是晶体点阵中的最小排列周期单位。晶胞内的几何特征和质点空间位置通常用晶胞的三个棱长a、b、c和三个棱之间的夹角α、β、γ来描述,其中a、b、c称为晶格常数。晶胞作周期性的重复堆积,便可得到所对应晶体的晶格。

根据晶胞自身的对称性,可将晶体结构分为7个晶系,这7个晶系共包含14种晶格,称为布拉菲格子。

大多数金属材料的晶体结构属于比较简单的立方晶系和六方晶系。体心立方、面心立方和密排六方晶格是常见的几种金属晶体结构。