一、晶體結構的基本概念
1、晶體
組成固態物質的最基本的質點（如原子、分子或離子）在三維空間中，作有規則的週期性重複排列，即以長程有序方式排列。這樣的物質稱為晶體。如：金屬，天然金剛石，結晶鹽，水晶，冰等
2、非晶體
組成固態物質的最基本的質點，在三維空間中無規則堆砌。這樣的物質稱為非晶體。如：玻璃，松香等。
晶體通常又可分為金屬晶體和非金屬晶體，純金屬及合金都屬於金屬晶體，其原子間主要以金屬鍵結合，而非金屬晶體主要以離子鍵和共價鍵結合。如：食鹽nacl（離子鍵），金剛石（共價鍵）都是非金屬晶體。
圖1-1 晶體、晶格與晶胞示意圖
按晶體結構模型提出的先後，可將晶體結構模型分為幾何（球體）模型、晶格模型和晶胞模型。
3、晶體的球體模型
就是把組成晶體的物質質點，看作為靜止的剛性小球，他們在三維空間週期性規則堆垛而成。該模型雖然很直觀，立體感強，但不利於觀察晶體內部質點的排列方式。針對這一缺陷科技工作者進一步提出了晶體的晶格模型。
4、晶格
為了研究晶體中原子的排列規律，假定理想晶體中的原子都是固定不動的剛性球體，並用假想的線條將晶體中各原子中心連線起來，便形成了乙個空間格仔，這種抽象的、用於描述原子在晶體中規則排列方式的空間格仔稱為晶格。晶體中的每個點叫做結點。
5、晶胞
晶體中原子的排列具有週期性的特點，因此，通常只從晶格中選取乙個能夠完全反映晶格特徵的、最小的幾何單元來分析晶體中原子的排列規律，這個最小的幾何單元稱為晶胞。實際上整個晶格就是由許多大小、形狀和位向相同的晶胞在三維空間重複堆積排列而成的。
6、晶格常數
晶胞的大小和形狀常以晶胞的稜邊長度a、b、c及稜邊夾角α、β、γ來表示，如圖2.1 （c)所示。晶胞的稜邊長度稱為晶格常數，以埃()為單位來表示(1 =10-8cm)。
當稜邊長度a=b=c，稜邊夾角α=β=γ=90°時，這種晶胞稱為簡單立方晶胞。由簡單立方晶胞組成的晶格稱為簡單立方晶格。
二、金屬材料的特性
1、金屬材料
金屬材料是指金屬元素與金屬元素，或金屬元素與少量非金屬元素所構成的，具有一般金屬特性的材料，統稱為金屬材料。
金屬材料按其所含元素數目的不同，可分為純金屬（由乙個元素構成）和合金（由兩個或兩個以上元素構成）。合金按其所含元素數目的不同，又可分為二元合金、三元合金和多元合金。大家知道物質按其形態不同，可分為固體、液體和氣體。
而固體又可分晶體和非晶體。
2、金屬鍵
金屬鍵是金屬原子之間的結合鍵，它是大量金屬原子結合成固體時，彼此失去最外層子電子（過渡族元素也失去少數次外層電子），成為正離子，而失去的外層電子穿梭於正離子之間，成為公有化的自由電子雲或電子氣，而金屬正離子與自由電子雲之間的強烈靜電吸引力（庫侖引力），這種結合方式稱為金屬鍵。
3、金屬特徵
金屬材料主要以金屬鍵方式結合，從而使金屬材料具有以下特徵：
① 良好的導電、導熱性：
自由電子定向運動（在電場作用下）導電、（在熱場作用下）導熱。
②正的電阻溫度係數：
即隨溫度公升高，電阻增大，因為金屬正離子隨溫度的公升高，振幅增大，阻礙自由電子的定向運動，從而使電阻公升高。
③不透明，有光澤：
自由電子容易吸收可見光，使金屬不透明。自由電子吸收可見光後由低能軌道跳到高能軌道，當其從高能軌道跳回低能軌道時，將吸收的可見光能量輻射出來，產生金屬光澤。
④具有延展性：
金屬鍵沒有方向性和飽和性，所以當金屬的兩部分發生相對位移時，其結合鍵不會被破壞，從而具有延展性。
三、典型的金屬晶體結構
1．體心立方晶格
體心立方晶格的晶胞是乙個立方體，其晶格常數a=b=c，在立方體的八個角上和立方體的中心各有乙個原子，。每個晶胞中實際含有的原子數為(1/8)×8+1=2個。具有體心立方晶格的金屬有鉻(cr)、鎢(w)、鉬(mo)、釩(v)、α鐵(α-fe)等。
圖1-2 體心立方晶胞示意圖
2．麵心立方晶格
麵心立方晶格的晶胞也是乙個立方體，其晶格常數a=b=c，在立方體的八個角和立方體的六個面的中心各有乙個原子。每個晶胞中實際含有的原子數為（1/8）×8+6×（1/2）=4個。具有麵心立方晶格的金屬有鋁(al)、銅(cu)、鎳(ni)、金(au)、銀(ag)、γ鐵(γ-fe)等。
圖1-3 麵心立方晶胞示意圖
3．密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是個正六方柱體，它是由六個呈長方形的側面和兩個呈正六邊形的底面所組成。該晶胞要用兩個晶格常數表示，乙個是六邊形的邊長a，另乙個是柱體高度c。在密排六方晶胞的十二個角上和上、下底面中心各有乙個原子，另外在晶胞中間還有三個原子。
每個晶胞中實際含有的原子數為（1/6）×12+（1/2）×2+3=6個。具有密排六方晶格的金屬有鎂(mg)、鋅(zn)、鈹(be)等。
四、典型晶格的致密度和配位數
以用剛性球體模型，計算出其晶體結構中的下列重要引數。
1、單位晶胞原子數：即乙個晶胞所含的原子數目。
2、原子半徑：是利用晶格常數，算出晶胞中兩相切原子間距離的一半。
3、配位數：是晶體結構中任何一原子周圍最近鄰且等距離的原子數目，配位數越大，原子排列的越緊密。
4、致密度：是單位晶胞中原子所佔體積與晶胞體積之比，其表示式為 k=nv/v；k—致密度；n—單位晶胞原子數，v—每個原子的體積，v—晶胞體積，致密度越大，原子排列越緊密。
5、間隙半徑：指晶格空隙中能容納的最大球體半徑。因為相同尺寸的原子，既使按最緊密方式排也會存在空隙。
表1-1 三種典型晶體結構的重要引數小結
五、金屬晶體中晶面和晶向的表示
晶面是金屬晶體中原子在任何方位所組成的平面。
晶向是金屬晶體中原子在任何方向所組成的直線。
晶面指數表示晶面在晶體中方位的符號。
晶向指數表示晶向在晶體中方向的符號。
1、晶面指數的確定
①立座標,找出所求晶面的截距;(座標原點不可設在所求晶面上)所求晶面與座標軸平行時,截距為∞；
②取晶面與三個座標軸截距的倒數；
③將所得倒數按比例化為最小整數，放入圓括號內，即得所求晶面的晶面指數，一般用（hkl）表示。
以p7頁圖1-5立方晶系為例，畫圖說明晶面指數的具體確定方法。對於立方晶系由於其對稱性高，所以可將其原子排列情況相同，而空間位向不同的晶面歸為同乙個晶面族，用表示。如（100），（010），（001）就屬於晶面族。
而（110），（101），（011），（ī10），（ī01），（0ī1）就屬於晶面族。（111），（11ī），（1ī1），（ī11）就屬於晶面族。
2. 晶向指數的確定
①建立座標,將所求晶向的一端放在座標原點上(或從座標原點引一條平行所求晶向的直線)；
②求出所求晶向上任意結點的三個座標值；
③將所得座標值按比例化為最小整數，放入方括號內，即得所求晶向的晶向指數一般用[uvw]表示。以p7頁圖1-6為例，畫圖說明晶向指數的具體確定方法。對於立方晶系由於其對稱性高，也可將其原子排列情況相同，而空間位向不同的晶向歸為同乙個晶向族，用表示，如晶向[100]，[010]，[001]屬於<100>晶向族。
在立方晶系中，當晶面指數與晶向指數相同時，即h=u, k=v, l=w時（hkl）⊥[uvw]，如（111）⊥[111]。
由晶面指數和晶向指數的介紹，可以發現不同的晶面和晶向上，原子排列的緊密程度不同。晶面上原子排列的緊密程度，可用晶面的原子密度（單位面積上的原子數）表示；晶向上原子排列的緊密程度，可用晶向的原子密度（單位長度上的原子數）表示。以體心立方和麵心立方為例，畫圖說明晶面和晶向原子密度的具體計算方法。
見p8頁表1-2。通過計算和比較可以發現，在晶體中原子最密排晶面之間的距離最大，原子最密排晶向之間的距離最大；這是晶體在外力作用時，總是沿著原子最密排晶面和原子最密排晶向，首先發生相對位移的主要原因之一。
六、金屬晶體的各向異性
1、單晶體
由乙個晶核所長成的大晶體,它的原子排列方式和位向完全相同,這樣的晶體稱為單晶體。
2、各向異性
是單晶體沿各不同晶面或晶向具有不同效能的現象。
如體心立方結構α-fe單晶體的彈性模量e，在<111>方向e<111> =2.9×105 mpa，而在<100>方向e<100> =1.35×105 mpa，兩者相差兩倍多。
而且發現單晶體的屈服強度、導磁性、導電性等效能，也存在著明顯的各向異性。
單晶體具有各向異性的主要原因是，其晶體中原子在三維空間是規則排列的，造成各晶面和各晶向上原子排列的緊密程度不同（即晶面的原子密度和晶向的原子密度不同），使各晶面之間以及各晶向之間的距離不同，因此各不同晶面、不同晶向之間的原子結合力不同，從而導致其具有各向異性。
3、多晶體
實際應用的體心立方結構鐵的e =2.1×105 mpa。因為它是多晶體，由許多晶粒組成。
多晶體中各晶粒相當於乙個小的單晶體，它具有各向異性。由於各晶粒位向不同，因此它們的各向異性相互抵消，表現為各向同性，多晶體的這種現象稱為偽等向性（偽無向性）。下一節將詳細講解實際金屬的晶體結構。
非晶體由於原子排列無規則，所以沿各不同方向測得的效能相同，表現為各向同性。第二節實際金屬的晶體結構
理想晶體是指晶體中原子嚴格地成完全規則和完整的排列，在每個晶格結點上都有原子排列而成的晶體。如理想晶胞在三維空間重複堆砌就構成理想的單晶體。
實際晶體=多晶體+晶體缺陷
實際使用的金屬材料絕大多數都是多晶體，實際金屬材料的每個晶粒中，還存在著各種晶體缺陷。
1．多晶體結構和亞結構
實際工程上用的金屬材料都是由許多顆粒狀的小晶體組成，每個小晶體內部的晶格位向是一致的，而各小晶體之間位向卻不相同，這種不規則的、顆粒狀的小晶體稱為晶粒，晶粒與晶粒之間的介面稱為晶界，由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。一般金屬材料都是多晶體結構。
在多晶體的每個晶粒內部,也存在著許多尺寸更小位向差也很小的小晶塊。它們相互嵌鑲成一顆晶粒，這些在晶格位向中彼此有微小差別的晶內小區域稱為亞結構或嵌鑲塊。
第一章金屬的晶體結構與結晶教案
第一節金屬的晶體結構 一 晶體結構的基本概念 1 晶體 組成固態物質的最基本的質點 如原子 分子或離子 在三維空間中，作有規則的週期性重複排列，即以長程有序方式排列。這樣的物質稱為晶體。如 金屬，天然金剛石，結晶鹽，水晶，冰等 2 非晶體 組成固態物質的最基本的質點，在三維空間中無規則堆砌。這樣的物...
第一章金屬與合金的晶體結構
為什麼要研究金屬的晶體結構？使用 改善 發展金屬材料 效能 內部結構 決定金屬材料效能的重要因素 在固態下，金屬與合金是晶體結構 1.晶體中原子是如何相互作用的？2.原子排列方式和分布規律 3.各種晶體的特點及差異 1.1 金屬原子間的結合 金屬的定義 1.傳統的定義 是具有良好的導電性 導熱性 延...
第一章晶體結構
第一章p4問題對14種布拉菲點陣中的體心立方，說明其中每乙個陣點周圍環境完全相同 答 單看乙個結晶學單胞可知，各個頂點上的陣點等價，周圍環境相同。將單個結晶學單胞做週期性平移後可知，該結晶學單胞中的體心陣點亦可作為其他結晶學原胞的頂點陣點，即體心陣點與頂點陣點也等價，周圍環境也相同。綜上所述，體心立...