工程材料/晶體結構

材料的性能依賴於材料本身的組織結構,而材料的組織結構又與材料的化學組成、鍵合方式及外部條件密切相關。金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料性能上的差異,本質上就是由材料的化學組成的不同、鍵合方式的不同和晶體結構及微觀組織的不同所造成的。

固體材料一般都是由具有一定晶體結構的晶粒構成的單晶或多晶體,而決定晶體結構的內在因素是原子或離子、分子間鍵合的類型及鍵的強弱。因此,欲了解材料的組織結構和性能,必須首先學習構成材料的元素原子間的鍵合方式,以及構成材料的晶格結構。

晶體與非晶體

材料的性能不僅與基本粒子間的鍵合特點有關,而且與其聚積方式或排列方式密切相關。通過長期的觀察和研究,人們發現可以把固體材料按其中原子或分子的排列狀態,分為晶體和非晶體兩大類。它們在結構和宏觀性質上均有很大差異。

非晶體又稱為無定形體或玻璃體,其組成質點(原子、離子或分子)在三維空間上的排列基本上是無規則的,處於所謂的短程有序長程無序狀態,即在只在許多極其微小的區域內呈有規則排列,而在更大的區域內呈無規則排列。非晶體材料沒有固定的熔點,只有一個逐漸軟化的溫度範圍,在物理、機械性能上表現出各向同性的特點。玻璃和塑料是典型的非晶體材料,木材、紙張也屬於非晶體材料。

晶體則相反,其組成質點在三維空間呈有規則的周期性重複排列,並且排列規則或排列方式可以各不相同。相對非晶體組成質點的長程無序排列,晶體的這種排列狀態又稱為長程有序。不同的鍵合方式和不同的組成質點排列方式,導致了各種晶體性能的差異。

與非晶體材料相比,晶體材料具有固定的熔點,在物理、機械性能上表現出各向異性的特點。

自然界中絕大多數固體材料是無數個晶粒聚集在一起而構成的多晶體。

晶格、晶胞和晶格常數

晶體中質點(原子或離子)在空間按一定規則排列構成晶體的結構。儘管實際晶體中的各類質點都是在不停的運動着,但是,通常在討論晶體結構時,常把構成晶體的原子看成是一個個靜止的剛性小球,這些剛性小球在空間按一定的幾何方式有序堆積。為了便於描述晶體內部原子排列的規律,將每個原子視為一個幾何結點,並用一些假想的直線將各結點連接起來,便形成一個空間格架,這種空間格架在晶體學上稱為晶格或晶格點陣。

由於晶體中原子作周期性規則排列,因此可以在晶格中選擇一個能夠完全反映晶格特徵的最小几何單元來表示原子排列規律,這個最小的幾何單元稱為晶胞。晶胞是晶體點陣中的最小排列周期單位。晶胞內的幾何特徵和質點空間位置通常用晶胞的三個棱長a、b、c和三個棱之間的夾角α、β、γ來描述,其中a、b、c稱為晶格常數。晶胞作周期性的重複堆積,便可得到所對應晶體的晶格。

根據晶胞自身的對稱性,可將晶體結構分為7個晶系,這7個晶系共包含14種晶格,稱為布拉菲格子。

大多數金屬材料的晶體結構屬於比較簡單的立方晶系和六方晶系。體心立方、面心立方和密排六方晶格是常見的幾種金屬晶體結構。