第3講-材料的結(jié)構(gòu)和性能

1、第一章、材料的結(jié)構(gòu)和性能第一章、材料的結(jié)構(gòu)和性能v 概述概述v 材料的結(jié)構(gòu)與組織材料的結(jié)構(gòu)與組織v 金屬材料的性能金屬材料的性能第一節(jié)、材料的結(jié)構(gòu)和組織第一節(jié)、材料的結(jié)構(gòu)和組織（一）材料的原子結(jié)構(gòu)（一）材料的原子結(jié)構(gòu) 材料的成分和結(jié)構(gòu)決定其性能和特性。研發(fā)展材料時(shí)必須弄清材料的原子結(jié)材料的成分和結(jié)構(gòu)決定其性能和特性。研發(fā)展材料時(shí)必須弄清材料的原子結(jié)構(gòu)。通過控制材料的成分和結(jié)構(gòu)，才能夠其性能，然后滿足特定用途的需要。構(gòu)。通過控制材料的成分和結(jié)構(gòu)，才能夠其性能，然后滿足特定用途的需要。1、原子的結(jié)構(gòu)、原子的結(jié)構(gòu) 大家知道，大家知道，原子由原子核和環(huán)繞原子核的電子組成。原子核包括中子和帶正原子由原子

2、核和環(huán)繞原子核的電子組成。原子核包括中子和帶正電荷的質(zhì)子。由于靜電吸引作用，帶負(fù)電荷的原子環(huán)繞在原子核周圍電荷的質(zhì)子。由于靜電吸引作用，帶負(fù)電荷的原子環(huán)繞在原子核周圍。 每個(gè)電子和質(zhì)子所帶的電荷為每個(gè)電子和質(zhì)子所帶的電荷為1.6010E(-19）庫(kù)侖。原子中的電子和質(zhì)子數(shù)）庫(kù)侖。原子中的電子和質(zhì)子數(shù)量相等，所以原子呈現(xiàn)電中性。量相等，所以原子呈現(xiàn)電中性。 每種元素的原子數(shù)等于其中的電子數(shù)或者質(zhì)子數(shù)。原子的大部分質(zhì)量集中在原每種元素的原子數(shù)等于其中的電子數(shù)或者質(zhì)子數(shù)。原子的大部分質(zhì)量集中在原子核內(nèi)。質(zhì)子和中子的質(zhì)量為子核內(nèi)。質(zhì)子和中子的質(zhì)量為1.6710E(-24）克，而電子的質(zhì)量只有）克，而電

3、子的質(zhì)量只有9.1110E(-28）克。）克。 原子質(zhì)量原子質(zhì)量等于原子中質(zhì)子和中子的平均數(shù)，也等于等于原子中質(zhì)子和中子的平均數(shù)，也等于1阿伏加德羅（阿伏加德羅（NA原原子的克質(zhì)量。子的克質(zhì)量。1NA=6.0210E(23)atoms/mol，即，即1摩爾原子或者分子的數(shù)摩爾原子或者分子的數(shù)量。因此，量。因此，原子質(zhì)量的單位是原子質(zhì)量的單位是g/mol。 原子質(zhì)量的另一單位是原子質(zhì)量的另一單位是相對(duì)原子質(zhì)量：相對(duì)原子質(zhì)量：amu (atomic mass unit) ，以，以原子核內(nèi)有原子核內(nèi)有12個(gè)質(zhì)子的一種碳原子個(gè)質(zhì)子的一種碳原子C-12質(zhì)量的質(zhì)量的1/12（約（約1.6610E(-27）

4、kg）作為標(biāo)準(zhǔn)，其它原子的質(zhì)量跟它的比值。）作為標(biāo)準(zhǔn)，其它原子的質(zhì)量跟它的比值。 一種原子（分子，離子）的摩爾質(zhì)量在數(shù)值上等于其相對(duì)原子質(zhì)量一種原子（分子，離子）的摩爾質(zhì)量在數(shù)值上等于其相對(duì)原子質(zhì)量（式量）。注意：只有當(dāng)該原子、分子、離子的摩爾質(zhì)量的單位為（式量）。注意：只有當(dāng)該原子、分子、離子的摩爾質(zhì)量的單位為g/mol時(shí)，才符合本規(guī)律時(shí)，才符合本規(guī)律. 例如，例如，1摩爾包含摩爾包含6.0210E(23)鐵原子的質(zhì)量為鐵原子的質(zhì)量為55.847g，或者為，或者為55.847amu。v原子的電子結(jié)構(gòu)原子的電子結(jié)構(gòu) 我們知道，原子內(nèi)的電子離散分布在不同的能級(jí)軌道，每個(gè)電子用有特定的能我們知道，

5、原子內(nèi)的電子離散分布在不同的能級(jí)軌道，每個(gè)電子用有特定的能量，沒有相同能級(jí)的兩個(gè)電子。這說明任何兩個(gè)能級(jí)間存在著離散的能量差別。量，沒有相同能級(jí)的兩個(gè)電子。這說明任何兩個(gè)能級(jí)間存在著離散的能量差別。 每個(gè)電子的能級(jí)有四個(gè)量子數(shù)確定每個(gè)電子的能級(jí)有四個(gè)量子數(shù)確定。量子數(shù)是規(guī)定一個(gè)原子中電子的不連續(xù)能。量子數(shù)是規(guī)定一個(gè)原子中電子的不連續(xù)能級(jí)的系列數(shù)字。這四個(gè)量子數(shù)是主量子數(shù)級(jí)的系列數(shù)字。這四個(gè)量子數(shù)是主量子數(shù)n，角量子數(shù)，角量子數(shù)l，磁量子數(shù)，磁量子數(shù)ml，以及自旋量，以及自旋量子數(shù)子數(shù)ms。角量子數(shù)描述每個(gè)量子殼的能級(jí)，自旋量子數(shù)的數(shù)值為。角量子數(shù)描述每個(gè)量子殼的能級(jí)，自旋量子數(shù)的數(shù)值為-1/2

6、和和+1/2，代表，代表了電子的不同旋轉(zhuǎn)方向。前三個(gè)量子數(shù)可以確定電子的能級(jí)水平。了電子的不同旋轉(zhuǎn)方向。前三個(gè)量子數(shù)可以確定電子的能級(jí)水平。 原子的電子結(jié)構(gòu)經(jīng)常用簡(jiǎn)寫的符號(hào)標(biāo)志結(jié)合主量子數(shù)來表述，如原子的電子結(jié)構(gòu)經(jīng)常用簡(jiǎn)寫的符號(hào)標(biāo)志結(jié)合主量子數(shù)來表述，如Ge的外層電的外層電子結(jié)構(gòu)可以寫為：子結(jié)構(gòu)可以寫為： 其中，下標(biāo)為角量子數(shù)，上標(biāo)為為每個(gè)軌道的電子數(shù)。其中，下標(biāo)為角量子數(shù)，上標(biāo)為為每個(gè)軌道的電子數(shù)。 22106262244333221psdpspss 原子的價(jià)電子原子的價(jià)電子是原子參與鍵合或者化學(xué)反應(yīng)時(shí)的電子數(shù)量。通常價(jià)電子數(shù)就是是原子參與鍵合或者化學(xué)反應(yīng)時(shí)的電子數(shù)量。通常價(jià)電子數(shù)就是外層外

7、層s或者或者p能級(jí)的電子數(shù)。如能級(jí)的電子數(shù)。如Ge的價(jià)電子數(shù)為的價(jià)電子數(shù)為4。 如果一個(gè)原子的價(jià)電子數(shù)為如果一個(gè)原子的價(jià)電子數(shù)為0，則該原子是惰性的（無反應(yīng)性），如，則該原子是惰性的（無反應(yīng)性），如Ar原子。原子。 而一些原子如而一些原子如Al，其外層，其外層s，p能級(jí)只有三個(gè)電子，易于失去，所以其價(jià)電子為能級(jí)只有三個(gè)電子，易于失去，所以其價(jià)電子為3。 而另一些原子如而另一些原子如Cl，其外層，其外層3s,3p能級(jí)有能級(jí)有7個(gè)電子，只要一個(gè)個(gè)電子，只要一個(gè)電子就可以填滿外層軌道，所以電子就可以填滿外層軌道，所以價(jià)電子數(shù)為價(jià)電子數(shù)為-1。 電負(fù)性電負(fù)性指一個(gè)原子獲得電子指一個(gè)原子獲得電子的傾向。

8、對(duì)具有幾乎就要充滿外的傾向。對(duì)具有幾乎就要充滿外層能級(jí)的原子層能級(jí)的原子Cl，就具有極強(qiáng)的，就具有極強(qiáng)的電負(fù)性，易于得到電子。而對(duì)于電負(fù)性，易于得到電子。而對(duì)于外層能級(jí)幾乎快空的原子如外層能級(jí)幾乎快空的原子如Na，電負(fù)性就很小，極易失去電子。圖電負(fù)性就很小，極易失去電子。圖2-8給出了一些元素的電負(fù)性。給出了一些元素的電負(fù)性。v原子鍵原子鍵 在工程材料中，有在工程材料中，有四種重要的原子鍵合方式四種重要的原子鍵合方式： 1）金屬鍵）金屬鍵 2）共價(jià)鍵）共價(jià)鍵 3）離子鍵）離子鍵 4）范德瓦爾鍵（分子鍵）范德瓦爾鍵（分子鍵） 對(duì)于前三種結(jié)合鍵，主要是通過原子外層軌道（對(duì)于前三種結(jié)合鍵，主要是通過

9、原子外層軌道（s, p)電子的轉(zhuǎn)移或者共電子的轉(zhuǎn)移或者共享在相鄰原子間形成相對(duì)較強(qiáng)的鍵合，它們叫做享在相鄰原子間形成相對(duì)較強(qiáng)的鍵合，它們叫做主鍵主鍵。而。而范德瓦爾鍵則相范德瓦爾鍵則相對(duì)較弱，形成機(jī)制不同，叫做對(duì)較弱，形成機(jī)制不同，叫做次鍵次鍵。 1） 金金 屬屬 鍵鍵 金屬大約占了元素周期表的三分之二。金屬原子凝聚而形成晶體時(shí)，金屬大約占了元素周期表的三分之二。金屬原子凝聚而形成晶體時(shí)，外外層電子脫離原來的原子，失去價(jià)電子的原子形成離子層電子脫離原來的原子，失去價(jià)電子的原子形成離子。離子占據(jù)晶體的點(diǎn)。離子占據(jù)晶體的點(diǎn)陣，不停地振動(dòng)；價(jià)電子為整個(gè)晶體公有，在離子間運(yùn)動(dòng)，形成陣，不停地振動(dòng)；價(jià)電

10、子為整個(gè)晶體公有，在離子間運(yùn)動(dòng)，形成電子云電子云。 這種公有化的電子云能夠?qū)щ?，所以金屬是良好的?dǎo)體；金屬間的結(jié)這種公有化的電子云能夠?qū)щ姡越饘偈橇己玫膶?dǎo)體；金屬間的結(jié)合是由于公有化電子和離子之間的靜電吸引力。合是由于公有化電子和離子之間的靜電吸引力。 正是有電子公有化的特點(diǎn)，金屬鍵便沒有方向性正是有電子公有化的特點(diǎn)，金屬鍵便沒有方向性；為了增加晶體的穩(wěn)定；為了增加晶體的穩(wěn)定性，降低體系的內(nèi)能性，降低體系的內(nèi)能U，一般都是選擇密堆程度高、對(duì)稱性高、配位數(shù)大，一般都是選擇密堆程度高、對(duì)稱性高、配位數(shù)大的晶體結(jié)構(gòu)。的晶體結(jié)構(gòu)。金屬晶體金屬原子自由電子2）共共 價(jià)價(jià) 鍵鍵 典型的共價(jià)鍵如典型的共

11、價(jià)鍵如H2，每一個(gè)每一個(gè)H原子貢獻(xiàn)出一個(gè)價(jià)電子，原子貢獻(xiàn)出一個(gè)價(jià)電子，它們圍繞這兩個(gè)氫核運(yùn)它們圍繞這兩個(gè)氫核運(yùn)動(dòng)，動(dòng)，形成所謂電子云形成所謂電子云。電子云在兩個(gè)氫核之間的密度最大，因而可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為兩。電子云在兩個(gè)氫核之間的密度最大，因而可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為兩個(gè)價(jià)電子集中在兩個(gè)原子核之間，為兩個(gè)原子核共有，形成一個(gè)共價(jià)鍵。個(gè)價(jià)電子集中在兩個(gè)原子核之間，為兩個(gè)原子核共有，形成一個(gè)共價(jià)鍵。用電子式表示為：用電子式表示為：v共價(jià)鍵有如下重要性質(zhì)：共價(jià)鍵有如下重要性質(zhì)： 1）鍵長(zhǎng)：指組成鍵的兩個(gè)原子核之間的距離，隨著雜化軌道的狀態(tài)而變化。）鍵長(zhǎng)：指組成鍵的兩個(gè)原子核之間的距離，隨著雜化軌道的狀態(tài)而變化。 2

12、）鍵能：將組成共價(jià)鍵的原子分開所需要的能量。）鍵能：將組成共價(jià)鍵的原子分開所需要的能量。 3）極性鍵：各元素電負(fù)性不同，因而電子云的分布不均勻，電子云偏向電負(fù)性）極性鍵：各元素電負(fù)性不同，因而電子云的分布不均勻，電子云偏向電負(fù)性高的元素，形成極性鍵。高的元素，形成極性鍵。 4）方向性：共價(jià)鍵間）方向性：共價(jià)鍵間具有鍵角。如圖具有鍵角。如圖2-12HHHHHH: 3）離子鍵離子鍵 NaCl是典型的離子鍵晶體，是典型的離子鍵晶體，Na易于失去外層一個(gè)電子形成易于失去外層一個(gè)電子形成Na+，而鹵素，而鹵素Cl卻卻易接受鈉原子失去的電子形成易接受鈉原子失去的電子形成Cl-，正負(fù)離子之間的靜電的庫(kù)倫引力

13、作用便形成圖，正負(fù)離子之間的靜電的庫(kù)倫引力作用便形成圖示的晶體結(jié)構(gòu)。示的晶體結(jié)構(gòu)。離子鍵晶體結(jié)構(gòu)由如下因素定：離子鍵晶體結(jié)構(gòu)由如下因素定： 1）陽(yáng)離子和陰離子的含量必須滿足定比定律，才能保證電荷的中性。）陽(yáng)離子和陰離子的含量必須滿足定比定律，才能保證電荷的中性。 2）每一類粒子的周圍有盡可能多的異類離子，這樣可使結(jié)合鍵盡可能多，即內(nèi)）每一類粒子的周圍有盡可能多的異類離子，這樣可使結(jié)合鍵盡可能多，即內(nèi)能能U盡可能低，則晶體更穩(wěn)定。盡可能低，則晶體更穩(wěn)定。 3）同一類離子球不能相切，這種相切導(dǎo)致的斥力使晶體不穩(wěn)定。）同一類離子球不能相切，這種相切導(dǎo)致的斥力使晶體不穩(wěn)定。 4）范德瓦爾鍵）范德瓦爾鍵

14、(分子鍵分子鍵)：原子或分子間范德瓦爾作用力的產(chǎn)生本質(zhì)上是量子力原子或分子間范德瓦爾作用力的產(chǎn)生本質(zhì)上是量子力學(xué)的范疇。如兩個(gè)電荷學(xué)的范疇。如兩個(gè)電荷+q和和-q被隔開一定距離被隔開一定距離d，則，則偶極矩定義為偶極矩定義為qd。原子是電。原子是電中性的，即正電荷（原子核）中心和負(fù)電荷（電子云）中心是重合的。因此，中性的，即正電荷（原子核）中心和負(fù)電荷（電子云）中心是重合的。因此，中性中性原子沒有偶極矩原子沒有偶極矩。 當(dāng)一個(gè)中性原子被放在一個(gè)內(nèi)在或外在的電場(chǎng)時(shí)，原子會(huì)被當(dāng)一個(gè)中性原子被放在一個(gè)內(nèi)在或外在的電場(chǎng)時(shí)，原子會(huì)被極化極化(即正負(fù)電荷的即正負(fù)電荷的中心產(chǎn)生偏離中心產(chǎn)生偏離)。這會(huì)產(chǎn)生或

15、者說激發(fā)出一個(gè)。這會(huì)產(chǎn)生或者說激發(fā)出一個(gè)偶極矩偶極矩，如圖，如圖2-16示。一些分子產(chǎn)生示。一些分子產(chǎn)生偶極矩不需要激發(fā)，只是由于結(jié)合鍵的方向性和原子自身因素造成的，這些分子叫偶極矩不需要激發(fā)，只是由于結(jié)合鍵的方向性和原子自身因素造成的，這些分子叫做做有極分子有極分子。其中。其中, 水就是存在偶極矩的分子，如圖水就是存在偶極矩的分子，如圖2-17示。示。 范德瓦爾相互作用有三種類型：范德瓦爾相互作用有三種類型：London力，力，Keesom力和力和Debye力。力。 London力力是指是指兩個(gè)應(yīng)激偶極矩原子或者分子間的兩個(gè)應(yīng)激偶極矩原子或者分子間的相互作用力，如圖相互作用力，如圖2-16。

16、 Debye相互作用相互作用是指是指一個(gè)應(yīng)激偶極矩原子或者分子與有極分子間一個(gè)應(yīng)激偶極矩原子或者分子與有極分子間的相互作用。的相互作用。其中一個(gè)例子就是水分子和四氯化碳間的相互作用。其中一個(gè)例子就是水分子和四氯化碳間的相互作用。 Keesom相互作用相互作用則是則是兩個(gè)有極分子間兩個(gè)有極分子間的相互作用，如水分子間的相互作用。的相互作用，如水分子間的相互作用。如圖如圖2-17所示。所示。 Keesom力經(jīng)常也叫做力經(jīng)常也叫做氫鍵氫鍵。 范德瓦爾鍵是范德瓦爾鍵是次鍵次鍵，但其分子或原子團(tuán)內(nèi)部則是靠強(qiáng)大的共價(jià)鍵或離子間結(jié)，但其分子或原子團(tuán)內(nèi)部則是靠強(qiáng)大的共價(jià)鍵或離子間結(jié)合。如水加熱到沸點(diǎn)，范德瓦爾

17、鍵破裂，水變?yōu)檎羝?。但如要使水分子中結(jié)合氧和合。如水加熱到沸點(diǎn)，范德瓦爾鍵破裂，水變?yōu)檎羝５缫顾肿又薪Y(jié)合氧和氫原子的共價(jià)鍵斷裂，則需要比這高得多的溫度。氫原子的共價(jià)鍵斷裂，則需要比這高得多的溫度。 盡管范德瓦爾鍵是次鍵，但它盡管范德瓦爾鍵是次鍵，但它直接影響著材料的表面張力和液體的沸點(diǎn)直接影響著材料的表面張力和液體的沸點(diǎn)。 范德瓦爾鍵能夠直接影響一些材料的性能范德瓦爾鍵能夠直接影響一些材料的性能，如石墨和金剛石的力學(xué)性能就差，如石墨和金剛石的力學(xué)性能就差別很大。塑別很大。塑性材料分子性材料分子中含極性部中含極性部分或側(cè)鏈，分或側(cè)鏈，范德瓦爾鍵范德瓦爾鍵會(huì)在聚合物會(huì)在聚合物鏈間產(chǎn)生額鏈間

18、產(chǎn)生額外的鍵合作外的鍵合作用。用。v混合鍵混合鍵：多數(shù)材料中，原子間鍵合方式都是兩個(gè)或者兩個(gè)以上類型的混合鍵。：多數(shù)材料中，原子間鍵合方式都是兩個(gè)或者兩個(gè)以上類型的混合鍵。 許多過渡族金屬許多過渡族金屬如如Ni, Cr, Co, Mo, W, Fe等為金屬鍵和共價(jià)鍵混合的鍵合方式。等為金屬鍵和共價(jià)鍵混合的鍵合方式。 金屬間化合物金屬間化合物(兩種或兩種以上金屬形成的化合物兩種或兩種以上金屬形成的化合物)可能是金屬鍵和離子鍵混可能是金屬鍵和離子鍵混合的鍵合方式合的鍵合方式，尤其是兩個(gè)元素間的電負(fù)性差別較大時(shí)。如，尤其是兩個(gè)元素間的電負(fù)性差別較大時(shí)。如Li的電負(fù)性是的電負(fù)性是1.0，而，而Al的電

19、負(fù)性的電負(fù)性1.5，我們就能預(yù)期它是金屬鍵和離子鍵的混合鍵。另一方面，我們就能預(yù)期它是金屬鍵和離子鍵的混合鍵。另一方面，Al和和V的電負(fù)性都為的電負(fù)性都為1.5，所以，所以Al3V則主要依靠金屬鍵結(jié)合。則主要依靠金屬鍵結(jié)合。 許多陶瓷和半導(dǎo)體化合物，主要由金屬和非金屬元素結(jié)合而成，它們具有共價(jià)許多陶瓷和半導(dǎo)體化合物，主要由金屬和非金屬元素結(jié)合而成，它們具有共價(jià)鍵和離子鍵的混合鍵鍵和離子鍵的混合鍵。隨著原子間電負(fù)性的差別加大，鍵合方式會(huì)傾向于離子鍵。隨著原子間電負(fù)性的差別加大，鍵合方式會(huì)傾向于離子鍵。其中共價(jià)鍵的比例可以通過以下方程估算：其中共價(jià)鍵的比例可以通過以下方程估算：式中，式中，E是元素

20、間電負(fù)性差值。是元素間電負(fù)性差值。 石墨晶體也同時(shí)含有共價(jià)鍵和范德華鍵，如鍵合方式下圖所示。石墨晶體也同時(shí)含有共價(jià)鍵和范德華鍵，如鍵合方式下圖所示。)0.25-exp2E（共價(jià)鍵比例石墨晶體結(jié)構(gòu)示意圖C原子正六邊形結(jié)構(gòu)單元v鍵能和原子間距鍵能和原子間距 原子間距原子間距：當(dāng)引力和斥力達(dá)到平衡時(shí)，原子間處于平衡距離。對(duì)于金屬鍵，電：當(dāng)引力和斥力達(dá)到平衡時(shí)，原子間處于平衡距離。對(duì)于金屬鍵，電子和離子核間的引力依靠離子核間的斥力來平衡。當(dāng)一對(duì)原子間總的相互作用子和離子核間的引力依靠離子核間的斥力來平衡。當(dāng)一對(duì)原子間總的相互作用（IAE）最小時(shí)，即原子間的凈相互）最小時(shí)，即原子間的凈相互作用力為零時(shí)，

21、則為原子間平衡距離。作用力為零時(shí)，則為原子間平衡距離。如圖如圖2-19。固體金屬的原子間距近似固體金屬的原子間距近似等于原子直徑等于原子直徑。但離子鍵材料不適用，但離子鍵材料不適用，其間距是兩種不同離子間的半徑和其間距是兩種不同離子間的半徑和。 圖圖2-19中中最小的原子間相互作用最小的原子間相互作用能（能（IAE）就是就是鍵合能鍵合能，或者說是，或者說是需需要生成或破壞一種鍵所需要的能量要生成或破壞一種鍵所需要的能量。因此，具有高鍵合能的材料強(qiáng)度和熔因此，具有高鍵合能的材料強(qiáng)度和熔點(diǎn)就高。離子鍵結(jié)合的離子間電負(fù)性高，鍵合能很大。而金屬鍵的鍵合能就較低。點(diǎn)就高。離子鍵結(jié)合的離子間電負(fù)性高，鍵合

22、能很大。而金屬鍵的鍵合能就較低。v原子間作用力原子間作用力-原子間距和原子間作用能原子間距和原子間作用能-原子間距的關(guān)系式原子間距的關(guān)系式如圖如圖2-20所示。所示。 彈性模量（楊氏模量）就和原子間作用力彈性模量（楊氏模量）就和原子間作用力-原子間距曲線的斜率相關(guān)。斜度較原子間距曲線的斜率相關(guān)。斜度較大的曲線，鍵合能較高，熔點(diǎn)高，要破壞鍵合的力就大，因此彈性模量也相對(duì)較高。大的曲線，鍵合能較高，熔點(diǎn)高，要破壞鍵合的力就大，因此彈性模量也相對(duì)較高。 需要注意，并非材料的需要注意，并非材料的所有特性都受微觀組織的影所有特性都受微觀組織的影響，如材料彈性模量響，如材料彈性模量。取兩。取兩種鋁合金樣品

23、，其化學(xué)成分種鋁合金樣品，其化學(xué)成分相同但晶粒尺寸不同，這兩相同但晶粒尺寸不同，這兩個(gè)樣品的彈性模量幾乎相同，個(gè)樣品的彈性模量幾乎相同，但其屈服強(qiáng)度則差別較大。但其屈服強(qiáng)度則差別較大。 材料的彈性模量直接和原子間的鍵合強(qiáng)度相關(guān)，而和材料的微觀組織關(guān)系不材料的彈性模量直接和原子間的鍵合強(qiáng)度相關(guān)，而和材料的微觀組織關(guān)系不大。因此，彈性模量主要取決于組成材料的原子大。因此，彈性模量主要取決于組成材料的原子。 另一個(gè)另一個(gè)和鍵合能強(qiáng)烈相關(guān)的材料特性是熱膨脹系數(shù)和鍵合能強(qiáng)烈相關(guān)的材料特性是熱膨脹系數(shù)，鍵合能大的材料其熱膨脹，鍵合能大的材料其熱膨脹系數(shù)則相對(duì)較小。系數(shù)則相對(duì)較小。2、原子和離子的排列方式、

24、原子和離子的排列方式 原子和離子排列方式在決定材料的顯微組織和性能方面起著重要作用原子和離子排列方式在決定材料的顯微組織和性能方面起著重要作用.重點(diǎn)介紹：基于原子排列的材料分類；固態(tài)晶體的晶體結(jié)構(gòu)重點(diǎn)介紹：基于原子排列的材料分類；固態(tài)晶體的晶體結(jié)構(gòu)。 (1) 對(duì)不同狀態(tài)的物對(duì)不同狀態(tài)的物質(zhì)，有四種原子或離子質(zhì)，有四種原子或離子的排列方式，如圖示：的排列方式，如圖示： 無序狀態(tài)；無序狀態(tài)； 短程有序（短程有序（SRO）；）； 長(zhǎng)程有序（長(zhǎng)程有序（LRO）；）； 液晶（液晶（LCs）。）。v無序狀態(tài)無序狀態(tài) 單原子氣體如氬氣或者熒光燈管中的單原子氣體如氬氣或者熒光燈管中的等離子體，其原子或者離子呈

25、現(xiàn)無序排列等離子體，其原子或者離子呈現(xiàn)無序排列狀態(tài)，這些材料可以在其空間任意充填。狀態(tài)，這些材料可以在其空間任意充填。v短程有序（短程有序（SRO） 如果如果原子的特殊排列只能擴(kuò)展到原子的最近鄰原子的特殊排列只能擴(kuò)展到原子的最近鄰，那么這種材料則呈現(xiàn)短程有序，那么這種材料則呈現(xiàn)短程有序狀態(tài)。狀態(tài)。蒸汽中的每個(gè)水分子蒸汽中的每個(gè)水分子，其氧原子和氫原子間采用共價(jià)鍵結(jié)合，所以水蒸氣呈，其氧原子和氫原子間采用共價(jià)鍵結(jié)合，所以水蒸氣呈現(xiàn)短程有序，也就是說，每個(gè)氧原子與兩個(gè)氫原子鍵合，其鍵夾角為現(xiàn)短程有序，也就是說，每個(gè)氧原子與兩個(gè)氫原子鍵合，其鍵夾角為104.5。而。而蒸汽中的水分子間的排列則是無序的

26、。蒸汽中的水分子間的排列則是無序的。 相類似的例子還有相類似的例子還有無機(jī)玻璃無機(jī)玻璃，其四面體結(jié)構(gòu)中每個(gè)，其四面體結(jié)構(gòu)中每個(gè)Si離子和離子和4個(gè)個(gè)O離子鍵合成離子鍵合成 四面體，如圖四面體，如圖3-2。而這些。而這些 四面體的排列沒有周期性。四面體的排列沒有周期性。 相反，在石英或者其它硅晶體中，相反，在石英或者其它硅晶體中， 四面體的排列具有周期性。四面體的排列具有周期性。 許多高聚物也像硅玻璃一樣呈現(xiàn)原子的短程有序排列。許多高聚物也像硅玻璃一樣呈現(xiàn)原子的短程有序排列。44)(SiO44)(SiO44)(SiOv長(zhǎng)程有序（長(zhǎng)程有序（LRO） 大多數(shù)金屬和合金、半導(dǎo)體、陶瓷、以及一些高聚物是

27、晶體結(jié)構(gòu)，其大多數(shù)金屬和合金、半導(dǎo)體、陶瓷、以及一些高聚物是晶體結(jié)構(gòu)，其原子或者原子或者離子呈現(xiàn)長(zhǎng)程有序離子呈現(xiàn)長(zhǎng)程有序。這種特定的。這種特定的長(zhǎng)程有序排列的擴(kuò)展尺度一般長(zhǎng)程有序排列的擴(kuò)展尺度一般100nm。這些材料。這些材料中的原子或者離子在三維方中的原子或者離子在三維方向形成一種規(guī)則的、重復(fù)的、向形成一種規(guī)則的、重復(fù)的、格狀的形式。我們把這種材格狀的形式。我們把這種材料叫做料叫做晶體材料晶體材料。 如果一種晶體材料僅由如果一種晶體材料僅由一個(gè)大的晶體組成，則稱其一個(gè)大的晶體組成，則稱其為為單晶材料單晶材料。單晶材料在光。單晶材料在光學(xué)和電子方面有許多用途。學(xué)和電子方面有許多用途。如計(jì)算機(jī)芯

28、片就是由硅單晶制造的，如圖如計(jì)算機(jī)芯片就是由硅單晶制造的，如圖3-3(a)。 多晶材料多晶材料由具有不同空間位相的小晶體組成。這些小晶體就叫做由具有不同空間位相的小晶體組成。這些小晶體就叫做晶粒晶粒。多晶材。多晶材料近似相當(dāng)于一些微小單晶的匯合。這些微晶之間的邊界，就叫做料近似相當(dāng)于一些微小單晶的匯合。這些微晶之間的邊界，就叫做晶界晶界，晶界上的，晶界上的晶體排列不規(guī)則。下圖是多晶不銹鋼材料的顯微組織。晶體排列不規(guī)則。下圖是多晶不銹鋼材料的顯微組織。 大多數(shù)工程材料都是多晶材料大多數(shù)工程材料都是多晶材料，如建筑鋼、航天飛機(jī)中的鋁合金等。如建筑鋼、航天飛機(jī)中的鋁合金等。多晶材料的許多特性都取決于

29、晶粒多晶材料的許多特性都取決于晶粒和晶界的物理和化學(xué)特性。而和晶界的物理和化學(xué)特性。而單晶單晶材料材料的特性則取決于化學(xué)成分和單的特性則取決于化學(xué)成分和單晶的結(jié)晶取向。晶的結(jié)晶取向。 晶體材料中的長(zhǎng)程有序可以通晶體材料中的長(zhǎng)程有序可以通過過X射線衍射或者電子衍射來測(cè)定。射線衍射或者電子衍射來測(cè)定。v液晶（液晶（LCs) 液晶是液晶是具有特定序的聚合物材料具有特定序的聚合物材料，在一種狀態(tài)時(shí)可以表現(xiàn)為非晶態(tài)在一種狀態(tài)時(shí)可以表現(xiàn)為非晶態(tài)(類似于液類似于液體體)，當(dāng)接受外界刺激，當(dāng)接受外界刺激(如一種電場(chǎng)或者溫度變化如一種電場(chǎng)或者溫度變化)時(shí)，一些高聚物分子會(huì)變得規(guī)則排時(shí)，一些高聚物分子會(huì)變得規(guī)則排

30、列，形成小區(qū)域的晶態(tài)列，形成小區(qū)域的晶態(tài)。 液晶電視：在兩張玻璃間的液晶內(nèi)，加入電壓，通過分子排列及曲折變化再現(xiàn)液晶電視：在兩張玻璃間的液晶內(nèi)，加入電壓，通過分子排列及曲折變化再現(xiàn)畫面，屏幕通過電子群的沖撞，制造畫面并通過外部光線的透視反射來形成畫面。畫面，屏幕通過電子群的沖撞，制造畫面并通過外部光線的透視反射來形成畫面。v玻色玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC -Bose-Einstein Condensates ） 早在早在1924年玻色和愛因斯坦就從理論上預(yù)言年玻色和愛因斯坦就從理論上預(yù)言存在另一種物質(zhì)狀態(tài)：玻色存在另一種物質(zhì)狀態(tài)：玻色-愛因斯坦冷凝態(tài)，愛因斯坦冷凝態(tài)，即即當(dāng)溫

31、度足夠低、原子運(yùn)動(dòng)速度足夠慢時(shí)，它們當(dāng)溫度足夠低、原子運(yùn)動(dòng)速度足夠慢時(shí)，它們將集聚到能量最低的同一量子態(tài)將集聚到能量最低的同一量子態(tài)。此時(shí)。此時(shí)所有原子所有原子具有完全相同的物理性質(zhì)。它是一種由微觀粒子具有完全相同的物理性質(zhì)。它是一種由微觀粒子的量子性質(zhì)所產(chǎn)生的宏觀現(xiàn)象。在理論提出的量子性質(zhì)所產(chǎn)生的宏觀現(xiàn)象。在理論提出70年年之后，之后，2001年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者從實(shí)驗(yàn)上年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者從實(shí)驗(yàn)上得以驗(yàn)證。得以驗(yàn)證。（2）固態(tài)晶體的晶體結(jié)構(gòu)固態(tài)晶體的晶體結(jié)構(gòu) 固態(tài)物質(zhì)按其原子固態(tài)物質(zhì)按其原子/離子離子/分子分子的聚集狀態(tài)分為兩大類：的聚集狀態(tài)分為兩大類：晶體晶體和非晶體和非晶體。

32、原子原子/離子離子/分子在三維空間有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物分子在三維空間有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物體，稱為晶體體，稱為晶體。如天然金剛石、水晶、氯化鈉、固態(tài)金屬等。如天然金剛石、水晶、氯化鈉、固態(tài)金屬等。 原子原子/離子離子/分子在空間無規(guī)則排列的物體，稱為非晶體。分子在空間無規(guī)則排列的物體，稱為非晶體。如如松香、石蠟、玻璃等。松香、石蠟、玻璃等。 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)是指晶體中原子是指晶體中原子/離子離子/分子規(guī)則排列的方式。分子規(guī)則排列的方式。 v晶格晶格: 假設(shè)通過金屬晶體中原子假設(shè)通過金屬晶體中原子/離子平衡位置的中心離子平衡位置的中心(晶格結(jié)點(diǎn)晶格結(jié)點(diǎn))劃出許多空間直劃出許多空間直線，

33、這些直線將形成空間格架，這種假想的格架就是晶格。線，這些直線將形成空間格架，這種假想的格架就是晶格。v晶胞晶胞: 把能夠反映某一種金屬晶格特征的最小組成單元叫做晶胞。把能夠反映某一種金屬晶格特征的最小組成單元叫做晶胞。晶胞在三維空晶胞在三維空間的重復(fù)排列就會(huì)構(gòu)成晶格，晶胞的基本特性反映了其晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)間的重復(fù)排列就會(huì)構(gòu)成晶格，晶胞的基本特性反映了其晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。v陣點(diǎn)坐標(biāo)系陣點(diǎn)坐標(biāo)系：以晶格內(nèi)的某一陣點(diǎn)（格點(diǎn)）為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿晶胞的：以晶格內(nèi)的某一陣點(diǎn)（格點(diǎn)）為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿晶胞的3個(gè)棱邊做作個(gè)棱邊做作為坐標(biāo)軸，建立圖為坐標(biāo)軸，建立圖1-1所示的順時(shí)針坐標(biāo)系。所示的順時(shí)針坐標(biāo)系。晶胞的幾何特征

34、表征（晶格參數(shù)）晶胞的幾何特征表征（晶格參數(shù)）用坐用坐標(biāo)系中的三條棱邊長(zhǎng)標(biāo)系中的三條棱邊長(zhǎng)a, b, c和棱邊之間的夾角和棱邊之間的夾角 ， ， 等六個(gè)參數(shù)來描述。把等六個(gè)參數(shù)來描述。把a(bǔ), b, c叫做叫做晶格常數(shù)晶格常數(shù)。各坐標(biāo)軸以晶格常數(shù)為基本測(cè)量單位，那么就可以在晶胞中確定某。各坐標(biāo)軸以晶格常數(shù)為基本測(cè)量單位，那么就可以在晶胞中確定某一陣點(diǎn)的位置，如（一陣點(diǎn)的位置，如（0，0，0）陣點(diǎn)、（）陣點(diǎn)、（1/2，1，0）陣點(diǎn)。如圖）陣點(diǎn)。如圖3-11示。示。 按照上述六個(gè)參數(shù)，將晶體分成表按照上述六個(gè)參數(shù)，將晶體分成表1-1所示的所示的7大晶系大晶系?？紤]到晶胞中質(zhì)點(diǎn)的排?？紤]到晶胞中質(zhì)點(diǎn)的

35、排列方式列方式(體心及面心位置有無質(zhì)點(diǎn)體心及面心位置有無質(zhì)點(diǎn))，可進(jìn)一步將，可進(jìn)一步將7大晶系分為大晶系分為14種布拉格點(diǎn)陣種布拉格點(diǎn)陣。v晶向晶向：通過晶體中原子中心的直線為原子列，其所代表的方向就叫晶：通過晶體中原子中心的直線為原子列，其所代表的方向就叫晶向。可以采用向?？梢圆捎妹桌罩笖?shù)米勒指數(shù)(晶向指數(shù)晶向指數(shù))法法表示。以圖表示。以圖3-12中晶向中晶向C為例，說明晶為例，說明晶向的確定：向的確定：1）確定晶向上的兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（如晶向）確定晶向上的兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（如晶向C: 0,0,1和和1/2,1,0）；）； 2）用）用“頭點(diǎn)頭點(diǎn)”坐標(biāo)減去坐標(biāo)減去“尾點(diǎn)尾點(diǎn)”坐標(biāo)坐標(biāo)(如：如：0,0,1-

36、1/2,1,0=-1/2,-1,1) ； 3）將結(jié)果化為最小整數(shù)（如：）將結(jié)果化為最小整數(shù)（如：2(=-1/2, -1, 1 ) = (-1,-2, 2)； 4）用方括弧括起來，這就是該晶向的晶向指數(shù)（如：）用方括弧括起來，這就是該晶向的晶向指數(shù)（如： ）。）。221注意：注意：晶向是矢量，晶向和其負(fù)方向不一樣，如晶向是矢量，晶向和其負(fù)方向不一樣，如100和和 不一樣。不一樣。 一個(gè)晶向和其倍數(shù)是一樣的，如一個(gè)晶向和其倍數(shù)是一樣的，如100和和200 就一樣。就一樣。 一個(gè)晶向族內(nèi)的晶向是等價(jià)的，如表一個(gè)晶向族內(nèi)的晶向是等價(jià)的，如表3-3所列的所列的。001 晶向常用來表示一種單晶體或者一定取

37、向多晶體材料的特晶向常用來表示一種單晶體或者一定取向多晶體材料的特定位向。在工程實(shí)際中，如何描述晶向十分有用。定位向。在工程實(shí)際中，如何描述晶向十分有用。 例如，例如，金屬材料會(huì)沿著其原子最密排方向更容易變形。又金屬材料會(huì)沿著其原子最密排方向更容易變形。又如，鐵及其它磁性材料在如，鐵及其它磁性材料在100方向要比方向要比111或者或者110方向更方向更易磁化。這就是為什么易磁化。這就是為什么Fe-Si合金在用作變壓器鐵芯時(shí)要取向合金在用作變壓器鐵芯時(shí)要取向100晶向或其等價(jià)晶向的原因。晶向或其等價(jià)晶向的原因。 對(duì)于用作記錄介質(zhì)的磁性材料對(duì)于用作記錄介質(zhì)的磁性材料，就必須使其晶粒沿著特定，就必須

38、使其晶粒沿著特定的晶向排列，這樣才能確保儲(chǔ)存信息不會(huì)輕易抹去。相似的情的晶向排列，這樣才能確保儲(chǔ)存信息不會(huì)輕易抹去。相似的情況是用于況是用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的晶體材料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的晶體材料應(yīng)使其沿著特定的晶向生應(yīng)使其沿著特定的晶向生長(zhǎng)，以獲得優(yōu)良的機(jī)械性能。長(zhǎng)，以獲得優(yōu)良的機(jī)械性能。v晶面晶面：通過晶體中原子中心的平面叫作晶面。晶面：通過晶體中原子中心的平面叫作晶面。晶面采用米勒指數(shù)法進(jìn)行采用米勒指數(shù)法進(jìn)行標(biāo)定標(biāo)定，以，以C面為例，其標(biāo)定程序如圖所示：面為例，其標(biāo)定程序如圖所示： 1）以晶格常數(shù)為長(zhǎng)度單位，寫出標(biāo)定晶面在三條坐標(biāo)軸上的截距，）以晶格常數(shù)為長(zhǎng)度單位，寫出標(biāo)定晶面在三條坐標(biāo)軸上的截

39、距，C面截距：面截距：x=, y=-1, z=；2）截距取倒數(shù)，）截距取倒數(shù)，1/x=0, 1/y=-1, 1/z=0；3）截）截距的倒數(shù)化為最小整數(shù)；距的倒數(shù)化為最小整數(shù)；4）將其放在圓括弧內(nèi)，）將其放在圓括弧內(nèi)，C的晶面指數(shù)為的晶面指數(shù)為 。 金屬易于沿原子最密排面發(fā)生變形。對(duì)于晶體生長(zhǎng)，在電子材料如金屬易于沿原子最密排面發(fā)生變形。對(duì)于晶體生長(zhǎng)，在電子材料如Si或或GaAs薄膜生長(zhǎng)時(shí)，就需要保證襯底定位在薄膜能夠生長(zhǎng)的特定晶面上。薄膜生長(zhǎng)時(shí)，就需要保證襯底定位在薄膜能夠生長(zhǎng)的特定晶面上。)010(幾點(diǎn)注意：幾點(diǎn)注意： 1）晶面和其負(fù)晶面是一樣的，如）晶面和其負(fù)晶面是一樣的，如 。這和晶向情

40、況不同。這和晶向情況不同。 2）晶面指數(shù)和其倍數(shù)的晶面指數(shù)不同，如圖）晶面指數(shù)和其倍數(shù)的晶面指數(shù)不同，如圖3-16所示。所示。 3）在晶胞中，存在原子排列相同但在空間位向不同（即不平行）的晶面，）在晶胞中，存在原子排列相同但在空間位向不同（即不平行）的晶面，這些晶面總稱為晶面族，用大括弧表示。如這些晶面總稱為晶面族，用大括弧表示。如110=（110）+（101）+（011）+ 。 4）立方晶系中，晶向指數(shù)和晶面指數(shù)相同表示該晶向和該晶面垂直。）立方晶系中，晶向指數(shù)和晶面指數(shù)相同表示該晶向和該晶面垂直。)020()020() 101() 110()011 (v六方晶系的米勒指數(shù)六方晶系的米勒指數(shù)

41、 由于六方晶胞獨(dú)特的對(duì)稱性，采用由于六方晶胞獨(dú)特的對(duì)稱性，采用Miller-Bravais指數(shù)法指數(shù)法(四指數(shù)法四指數(shù)法)更方便。水更方便。水平坐標(biāo)軸選取互相成平坐標(biāo)軸選取互相成120夾角的三坐標(biāo)軸夾角的三坐標(biāo)軸a1, a2, a3，垂直軸為，垂直軸為c軸，如圖示。晶軸，如圖示。晶面表示為（面表示為（hkil) ；晶向表示為；晶向表示為uvtw 。四指數(shù)中的前三個(gè)之間應(yīng)保持如下關(guān)系：四指數(shù)中的前三個(gè)之間應(yīng)保持如下關(guān)系： i=-(h+k), t=-(u+v)。求法示例：。求法示例：A晶面指數(shù)：晶面指數(shù)：1）a1=a2=a3=，c=1；2）1/a1 = 1/a2 = 1/a3 = 0；3）化為最小

42、整數(shù)；）化為最小整數(shù)；4）（）（0001）。）。 D晶向指數(shù)：晶向指數(shù)：1）頭點(diǎn)和尾點(diǎn)：）頭點(diǎn)和尾點(diǎn)：0, 1, 0和和1, 0, 0；2）頭點(diǎn)減尾點(diǎn)）頭點(diǎn)減尾點(diǎn): (0, 1, 0) (1, 0, 0)= (-1, 1, 0)； 3）化為最小整數(shù)；）化為最小整數(shù)；4） 。1001 101 or 晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù)：指：指每個(gè)晶格陣點(diǎn)上的原子數(shù)和每個(gè)晶胞的晶格數(shù)的乘積每個(gè)晶格陣點(diǎn)上的原子數(shù)和每個(gè)晶胞的晶格數(shù)的乘積。當(dāng)計(jì)算。當(dāng)計(jì)算每個(gè)晶胞的晶格陣點(diǎn)數(shù)時(shí)，必須注意每個(gè)晶格陣點(diǎn)可能被不止一個(gè)晶胞擁有，如立每個(gè)晶胞的晶格陣點(diǎn)數(shù)時(shí)，必須注意每個(gè)晶格陣點(diǎn)可能被不止一個(gè)晶胞擁有，如立方晶胞中每個(gè)角上的晶格

43、陣點(diǎn)同時(shí)還為周圍相鄰的方晶胞中每個(gè)角上的晶格陣點(diǎn)同時(shí)還為周圍相鄰的7個(gè)晶胞所擁有，因此只有個(gè)晶胞所擁有，因此只有1/8的的晶格點(diǎn)屬于該晶胞。對(duì)于簡(jiǎn)單立方、體心立方、面心立方晶格來說，其晶胞原子數(shù)晶格點(diǎn)屬于該晶胞。對(duì)于簡(jiǎn)單立方、體心立方、面心立方晶格來說，其晶胞原子數(shù)分別為分別為1、2、4。如圖。如圖3-7所示。所示。v原子半徑原子半徑：晶胞中原子連續(xù)接觸的方向就是：晶胞中原子連續(xù)接觸的方向就是原子的密排方向原子的密排方向。而原子的。而原子的半徑則是指在晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半，也就是晶胞中半徑則是指在晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半，也就是晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原

44、子之間距離的一半，記作原子密度最大的方向上相鄰兩原子之間距離的一半，記作 。 圖圖3-8給出了原子半徑和晶格參數(shù)間的關(guān)系。給出了原子半徑和晶格參數(shù)間的關(guān)系。atomrv配位數(shù)配位數(shù)：就是：就是晶格中與任一個(gè)原子相距最近且距離相等的原子數(shù)目晶格中與任一個(gè)原子相距最近且距離相等的原子數(shù)目。配位數(shù)越。配位數(shù)越大，原子排列的緊密程度就越大。大，原子排列的緊密程度就越大。 對(duì)于對(duì)于離子晶體，陽(yáng)離子的配位數(shù)就是最近鄰的陰離子數(shù)，而陰離子的配位數(shù)則離子晶體，陽(yáng)離子的配位數(shù)就是最近鄰的陰離子數(shù)，而陰離子的配位數(shù)則是指最近鄰的陽(yáng)離子數(shù)是指最近鄰的陽(yáng)離子數(shù)。圖。圖3-9是簡(jiǎn)單立方和體心立方晶體的配位數(shù)示意圖。是簡(jiǎn)

45、單立方和體心立方晶體的配位數(shù)示意圖。v致密度致密度：是指晶胞中所包含的原子所占有的體積與該晶胞體積之比。致密度越：是指晶胞中所包含的原子所占有的體積與該晶胞體積之比。致密度越大，原子排列緊密程度越大。大，原子排列緊密程度越大。 如面心立方晶胞的致密度為如面心立方晶胞的致密度為0.74。 一種材料的理論密度一種材料的理論密度可以利用材料的晶體結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行計(jì)算，公式如下：可以利用材料的晶體結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行計(jì)算，公式如下： 如具有體心立方結(jié)構(gòu)的鐵其理論密度為如具有體心立方結(jié)構(gòu)的鐵其理論密度為7.882g/cm3，而是測(cè)密度為，而是測(cè)密度為7.870g /cm3。這種差別主要是由于材料中存在缺陷所致。這種

46、差別主要是由于材料中存在缺陷所致。晶胞體積單個(gè)原子體積晶胞原子數(shù)致密度阿伏加德羅數(shù)晶胞體積原子質(zhì)量晶胞原子數(shù)理論密度v同素異型或者多晶型材料同素異型或者多晶型材料：是指具有多種晶體結(jié)構(gòu)的材料。：是指具有多種晶體結(jié)構(gòu)的材料。同素異型一同素異型一般是指般是指純?cè)丶冊(cè)?，而多晶性材料則是指化合物，而多晶性材料則是指化合物。 如鐵和鈦金屬就具有多種晶體結(jié)構(gòu)。鐵在低溫時(shí)具有如鐵和鈦金屬就具有多種晶體結(jié)構(gòu)。鐵在低溫時(shí)具有BCC結(jié)構(gòu)，而在結(jié)構(gòu)，而在高溫時(shí)則轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貢r(shí)則轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致材料性能發(fā)生變化，這也形成結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致材料性能發(fā)生變化，這也形成了鋼鐵材料的熱處理基礎(chǔ)。了鋼鐵材料

47、的熱處理基礎(chǔ)。 許多陶瓷材料，如許多陶瓷材料，如SiO2和和ZrO2頁(yè)具有多晶型，其及熱和冷卻過程中的頁(yè)具有多晶型，其及熱和冷卻過程中的相變伴隨著體積的變化，如果不能很好地進(jìn)行控制，則會(huì)引起陶瓷材料的相變伴隨著體積的變化，如果不能很好地進(jìn)行控制，則會(huì)引起陶瓷材料的裂紋和失效。裂紋和失效。 同時(shí)，一些功能材料，晶型轉(zhuǎn)變非常重要。如壓電材料同時(shí)，一些功能材料，晶型轉(zhuǎn)變非常重要。如壓電材料PZT和和BaTiO3的性能取決于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)。的性能取決于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)。v密排面和密排方向密排面和密排方向 前面在研究原子半徑和晶格參數(shù)的關(guān)系時(shí)，我們說前面在研究原子半徑和晶格參數(shù)的關(guān)系時(shí)，我們說原子的密

48、排方向就是原子連原子的密排方向就是原子連續(xù)緊密接觸的方向續(xù)緊密接觸的方向，表，表3-4采用米勒指數(shù)形式給出了四種晶體結(jié)構(gòu)的密排方向和密采用米勒指數(shù)形式給出了四種晶體結(jié)構(gòu)的密排方向和密排面。排面。 可以看到可以看到FCC和和HCP晶胞更加致密，至少有一個(gè)密排面。晶胞更加致密，至少有一個(gè)密排面。密排六方晶密排六方晶胞的密排面胞的密排面如圖如圖3-20所示所示, 原子的密排面原子的密排面為（為（0001）和（）和（0002）面）面，稱之，稱之為基面。為基面。HCP晶胞可以通過密排面的堆垛方式晶胞可以通過密排面的堆垛方式ABABAB來構(gòu)建來構(gòu)建。B面面（即（即（0002）面）上的原子放進(jìn)）面）上的原子

49、放進(jìn)A面（即（面（即（0001）底面）中的凹處，再把）底面）中的凹處，再把和和A面位向相同的密排面放進(jìn)面位向相同的密排面放進(jìn)B面的凹處，就構(gòu)建出面的凹處，就構(gòu)建出HCP晶胞。注意晶胞。注意HCP晶晶胞中所有密排面是平行的，只有基面（胞中所有密排面是平行的，只有基面（0001）和（）和（0002）是密排面。）是密排面。 可以可以看到看到, HCP晶胞晶胞的配位的配位數(shù)是數(shù)是12。 FCC晶胞的密排面是晶胞的密排面是111晶面族晶面族，如圖所示。當(dāng)平行的（，如圖所示。當(dāng)平行的（111）面進(jìn)）面進(jìn)行堆垛時(shí)，行堆垛時(shí)，B面上的原子堆在面上的原子堆在A面的凹處，而面的凹處，而C面上的原子則既堆在面上的原

50、子則既堆在A面的面的凹處也同時(shí)堆在凹處也同時(shí)堆在B面的凹處。因此，采用（面的凹處。因此，采用（111）面的堆垛次序）面的堆垛次序是是ABCABC。 同樣同樣FCC晶胞的配位數(shù)是晶胞的配位數(shù)是12。 不像不像HCP晶胞，晶胞，F(xiàn)CC晶胞有四個(gè)非平行的密排面：晶胞有四個(gè)非平行的密排面： )111 (),111 (),111(),111(v各向同性和各向異性：各向同性和各向異性： 由于晶體內(nèi)各晶向和晶面上原子排列的不同，因此晶體也表現(xiàn)出一些性能會(huì)隨由于晶體內(nèi)各晶向和晶面上原子排列的不同，因此晶體也表現(xiàn)出一些性能會(huì)隨晶向發(fā)生變化。如果晶向發(fā)生變化。如果材料的性能隨晶向發(fā)生變化，則說這種材料是各向異性的

51、材料的性能隨晶向發(fā)生變化，則說這種材料是各向異性的。如。如鋁在鋁在晶向的彈性模量是晶向的彈性模量是75.9GPa，而在，而在晶向上的彈性模量則只有晶向上的彈性模量則只有63.4GPa。 如果如果材料性能在各個(gè)方向上是相同的，我們說這種材料在晶體學(xué)上是各向同性材料性能在各個(gè)方向上是相同的，我們說這種材料在晶體學(xué)上是各向同性的的。注意一種材料如鋁，其晶體是各向異性的，但如果出于多晶狀態(tài)，則可能是各。注意一種材料如鋁，其晶體是各向異性的，但如果出于多晶狀態(tài)，則可能是各向同性的。這是因?yàn)樵诙嗑Р牧现校w的隨機(jī)位向?qū)е缕涓飨虍愋缘南?。向同性的。這是因?yàn)樵诙嗑Р牧现?，晶體的隨機(jī)位向?qū)е缕涓飨虍愋缘南?/p>

52、。v晶面間距：晶面間距：是是指兩個(gè)相鄰的具有相同米勒指數(shù)的平行原子面間的距離指兩個(gè)相鄰的具有相同米勒指數(shù)的平行原子面間的距離，就叫做，就叫做晶面間距（晶面間距（dhkl)。在立方晶系中，晶面間距計(jì)算式為，。在立方晶系中，晶面間距計(jì)算式為， 其中，其中，a0是晶格參數(shù)，是晶格參數(shù)，h, k, l是鄰近面的米勒指數(shù)。是鄰近面的米勒指數(shù)。2220lkhadhklv結(jié)點(diǎn)（陣點(diǎn)）空隙：在結(jié)點(diǎn)（陣點(diǎn)）空隙：在晶體晶體陣點(diǎn)原子間有一些可以放進(jìn)更小原子的空陣點(diǎn)原子間有一些可以放進(jìn)更小原子的空隙，這些位置就是結(jié)點(diǎn)空隙隙，這些位置就是結(jié)點(diǎn)空隙。把。把一個(gè)原子放進(jìn)空隙時(shí)，和它接觸的原子數(shù)一個(gè)原子放進(jìn)空隙時(shí)，和它接觸

53、的原子數(shù)就是空隙原子的配位數(shù)就是空隙原子的配位數(shù)。圖。圖3-22給出了給出了SC,BCC, FCC晶胞中的空隙位置。晶胞中的空隙位置。 SC中存在中存在立方空隙立方空隙，其配位數(shù)是，其配位數(shù)是8。八面體空隙八面體空隙的配位數(shù)是的配位數(shù)是6（而非（而非8）。所以叫八面體空隙是因?yàn)楹涂障对咏佑|的格點(diǎn)原子形成了一個(gè)八面）。所以叫八面體空隙是因?yàn)楹涂障对咏佑|的格點(diǎn)原子形成了一個(gè)八面體，其中體，其中可以放進(jìn)較大的空隙原子可以放進(jìn)較大的空隙原子。BCC中的八面體空隙中的八面體空隙的的配位數(shù)是配位數(shù)是6。FCC中的八面體間隙中的八面體間隙位于立方的每個(gè)棱邊中心，及晶胞中心位置。其位于立方的每個(gè)棱邊中心，

54、及晶胞中心位置。其四面四面體空隙體空隙的配位數(shù)是的配位數(shù)是4。 原子半徑略大于空隙半徑的空隙原子或離子可以將周圍原子擠開而進(jìn)入空隙位原子半徑略大于空隙半徑的空隙原子或離子可以將周圍原子擠開而進(jìn)入空隙位置。但置。但如果空隙原子半徑小于空隙半徑則其無法進(jìn)入空隙，因?yàn)榇藭r(shí)空隙原子可能如果空隙原子半徑小于空隙半徑則其無法進(jìn)入空隙，因?yàn)榇藭r(shí)空隙原子可能在空隙周圍在空隙周圍振顫振顫。如果空隙原子更大，它會(huì)優(yōu)先進(jìn)入配位數(shù)大的空隙，如表所。如果空隙原子更大，它會(huì)優(yōu)先進(jìn)入配位數(shù)大的空隙，如表所示。示。原子比率在原子比率在0.220.414間的空隙原子一般進(jìn)入四面體空隙；如原子比率大于間的空隙原子一般進(jìn)入四面體空

55、隙；如原子比率大于0.414，則進(jìn)入八面體間隙。如原子，則進(jìn)入八面體間隙。如原子尺寸相同如純金屬，原子比率為尺寸相同如純金屬，原子比率為1；配位數(shù)配位數(shù)12，那是，那是FCC和和BCC金屬金屬。 離子晶體可以看作是原子半徑離子晶體可以看作是原子半徑稍大的陰離子密排而成，陽(yáng)離子可稍大的陰離子密排而成，陽(yáng)離子可視作進(jìn)入密排陰離子空隙的小離子視作進(jìn)入密排陰離子空隙的小離子。因此，因此，表中的原子比率也可視為陰、表中的原子比率也可視為陰、陽(yáng)離子的比率。陽(yáng)離子的比率。離子晶體中的原子離子晶體中的原子堆垛密度低于堆垛密度低于FCC和和BCC晶胞。晶胞。v金屬鍵結(jié)構(gòu)的材料金屬鍵結(jié)構(gòu)的材料 在金屬晶體中，金屬

56、鍵使原子在金屬晶體中，金屬鍵使原子/離子的排列趨于盡可能地緊密，構(gòu)成離子的排列趨于盡可能地緊密，構(gòu)成高度對(duì)稱性的簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。高度對(duì)稱性的簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有三種典型，即最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有三種典型，即面心立方結(jié)構(gòu)（面心立方結(jié)構(gòu)（A1），體心立方結(jié)構(gòu)（），體心立方結(jié)構(gòu)（A2），密排六方結(jié)構(gòu)（），密排六方結(jié)構(gòu)（A3）。）。除少數(shù)例外，絕大多數(shù)僅數(shù)都趨于這三類結(jié)構(gòu)除少數(shù)例外，絕大多數(shù)僅數(shù)都趨于這三類結(jié)構(gòu)。 金屬原子金屬原子/離子的堆垛方式不同，離子的堆垛方式不同，就會(huì)產(chǎn)生不同的晶體結(jié)構(gòu)。面心立就會(huì)產(chǎn)生不同的晶體結(jié)構(gòu)。面心立方（方（A1）結(jié)構(gòu)原子最密排面是）結(jié)構(gòu)原子最密排面是1

57、11，密排六方結(jié)構(gòu)的最密排面是（密排六方結(jié)構(gòu)的最密排面是（0001）面，這兩個(gè)鏡面上的原子排列情況面，這兩個(gè)鏡面上的原子排列情況是一樣的，如右圖所示。是一樣的，如右圖所示。 A1 型最密堆積型最密堆積是將密堆積層的相對(duì)位置按照是將密堆積層的相對(duì)位置按照ABCAB C方式作方式作最密堆積，重復(fù)的周期為最密堆積，重復(fù)的周期為3層。這種堆積方式堆積出來的就是層。這種堆積方式堆積出來的就是面心立方面心立方晶晶胞。配位數(shù)胞。配位數(shù) ：12。 Al, Cu, Ag, Au等金屬就是面心立方結(jié)構(gòu)。等金屬就是面心立方結(jié)構(gòu)。 A2型體心立方堆積型體心立方堆積不是最密堆積形式。每個(gè)球有八個(gè)最近的配體（處不是最密堆

58、積形式。每個(gè)球有八個(gè)最近的配體（處于邊長(zhǎng)為于邊長(zhǎng)為a的立方體的的立方體的8個(gè)頂點(diǎn)）和個(gè)頂點(diǎn)）和6個(gè)稍遠(yuǎn)的配體，分別處于和這個(gè)立方個(gè)稍遠(yuǎn)的配體，分別處于和這個(gè)立方體晶胞相鄰的六個(gè)立方體中心。故其配位數(shù)是體晶胞相鄰的六個(gè)立方體中心。故其配位數(shù)是8，空間利用率為，空間利用率為68.02%.體體心立方結(jié)構(gòu)的金屬有：心立方結(jié)構(gòu)的金屬有：Mo、V等。等。A3型型密排六方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu)的金屬晶體是的金屬晶體是最密堆積排列。最密堆積排列。排列方式：排列方式：ABABAB配位數(shù)：配位數(shù)：12。 實(shí)例：實(shí)例： Mg 、 Zn、Ti等。等。v離子鍵結(jié)構(gòu)的材料離子鍵結(jié)構(gòu)的材料 許多陶瓷材料中包含相當(dāng)大比例的離子鍵。

59、這些離子鍵結(jié)構(gòu)的材料具有電中性許多陶瓷材料中包含相當(dāng)大比例的離子鍵。這些離子鍵結(jié)構(gòu)的材料具有電中性的電子結(jié)構(gòu)，并使不同尺寸的離子有效排列。如前所述，的電子結(jié)構(gòu)，并使不同尺寸的離子有效排列。如前所述，離子鍵晶體可以看作陰離離子鍵晶體可以看作陰離子的密排結(jié)構(gòu)，形成四面體或者八面體空隙，允許陽(yáng)離子進(jìn)入其適合的空隙位置子的密排結(jié)構(gòu)，形成四面體或者八面體空隙，允許陽(yáng)離子進(jìn)入其適合的空隙位置。 CsCl（氯化銫）結(jié)構(gòu)：（氯化銫）結(jié)構(gòu)：CsCl是簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)，其立方空隙被是簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)，其立方空隙被Cl陰離子占據(jù)。如陰離子占據(jù)。如圖圖3-23（a）所示。其原子比率，）所示。其原子比率， 這說明這說明CsCl

60、的配位數(shù)是的配位數(shù)是8?？梢浴？梢哉J(rèn)為其是具有兩個(gè)離子的簡(jiǎn)單立方認(rèn)為其是具有兩個(gè)離子的簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) - 一個(gè)銫陽(yáng)離子和一個(gè)氯陰一個(gè)銫陽(yáng)離子和一個(gè)氯陰離子。離子。92. 0181. 0167. 0nmnmrrClCs NaCl（氯化鈉）結(jié)構(gòu)（氯化鈉）結(jié)構(gòu)：鈉陽(yáng)離子半徑和氯陰離子半徑的比率為，：鈉陽(yáng)離子半徑和氯陰離子半徑的比率為， 鈉離子電荷為鈉離子電荷為=1，氯離子電荷為，氯離子電荷為-1。基于電荷平衡和原子比率考慮，每個(gè)陽(yáng)離。基于電荷平衡和原子比率考慮，每個(gè)陽(yáng)離子和每個(gè)陰離子的配位數(shù)是子和每個(gè)陰離子的配位數(shù)是6。具有。具有FCC結(jié)構(gòu)，氯陰離子占據(jù)結(jié)構(gòu)，氯陰離子占據(jù)FCC的晶格位置，而的晶格