第一章工程材料类型及金属的晶体结构
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第一章金属的晶体结构作业答案
第⼀章⾦属的晶体结构作业答案第⼀章⾦属的晶体结构1、试⽤⾦属键的结合⽅式，解释⾦属具有良好的导电性、正的电阻温度系数、导热性、塑性和⾦属光泽等基本特性.答：(1)导电性：在外电场的作⽤下，⾃由电⼦沿电场⽅向作定向运动。
(2)正的电阻温度系数：随着温度升⾼，正离⼦振动的振幅要加⼤，对⾃由电⼦通过的阻碍作⽤也加⼤，即⾦属的电阻是随温度的升⾼⽽增加的。
(3)导热性：⾃由电⼦的运动和正离⼦的振动可以传递热能。
(4) 延展性：⾦属键没有饱和性和⽅向性，经变形不断裂。
(5)⾦属光泽：⾃由电⼦易吸收可见光能量，被激发到较⾼能量级，当跳回到原位时辐射所吸收能量，从⽽使⾦属不透明具有⾦属光泽。
2、填空：1)⾦属常见的晶格类型是⾯⼼⽴⽅、体⼼⽴⽅、密排六⽅。
2)⾦属具有良好的导电性、导热性、塑性和⾦属光泽主要是因为⾦属原⼦具有⾦属键的结合⽅式。
3)物质的原⼦间结合键主要包括⾦属键、离⼦键和共价键三种。
4)⼤部分陶瓷材料的结合键为共价键。
5)⾼分⼦材料的结合键是范德⽡尔键。
6)在⽴⽅晶系中，某晶⾯在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平⾏，则该晶⾯指数为（（ 140 ））.7)在⽴⽅晶格中，各点坐标为：A (1，0，1)，B (0，1，1)，C (1，1，1/2)，D(1/2，1，1/2)，那么AB晶向指数为（ī10），OC晶向指数为（221），OD晶向指数为（121）。
8)铜是（⾯⼼）结构的⾦属，它的最密排⾯是（111 ）。
9) α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn中属于体⼼⽴⽅晶格的有（α-Fe 、 Cr、V ），属于⾯⼼⽴⽅晶格的有（γ-Fe、Al、Cu、Ni ），属于密排六⽅晶格的有（ Mg、Zn ）。
3、判断1)正的电阻温度系数就是指电阻随温度的升⾼⽽增⼤。
（√）2)⾦属具有美丽的⾦属光泽，⽽⾮⾦属则⽆此光泽，这是⾦属与⾮⾦属的根本区别。
（×）3) 晶体中原⼦偏离平衡位置，就会使晶体的能量升⾼，因此能增加晶体的强度。
金属学与热处理第一章 金属的晶体结构
金属：Zn、Mg、Be、α -Ti、α -Co等
晶体结构特征：
点阵参数： a1=a2=a3=a，
α 1=α 2=α 3=1200
平面轴X1、X2、X3和Z轴的夹角=90 ——四轴坐标系
O
Z轴的单位长度=c，用a、c两个量来度量
点阵参数：α=β=90º, γ=120º; a1=a2=a3≠c， 理想状态：c/a＝1.633
第一章 金属的晶体结构
本章教学目的
建立金属晶体结构的理想模型 揭示金属的实际晶体结构
§1-1 金属
一. 金属的特性和概念
1. 特性
金属通常表现出的特性：良好的导电性、导 热性、塑性、金属光泽、不透明。
2. 概念
(1) 传统意义上的概念。 (2) 严格意义上的概念：具有正的电阻温度系 数的物质，即电阻随温度的升高而增加的物质。
晶向─晶体点阵中，由阵点组成的任一直线，代 表晶体空间内的一个方向，称为晶向。 晶面─晶体点阵中，由阵点所组成的任一平面， 代表晶体的原子平面，称为晶面。
1.晶向指数的标定
晶向指数─用数字符号定量地表示晶向，这种数字符 号称为晶向指数。 以晶胞为基础建立三维坐标体系： z C′ O′ A′ c
γ O β α
晶体有各向异性， 非晶体则各向同性。
各向异性：不同方向上的性能有差异。
3.晶体与非晶体的相互转化性
玻璃
长时间保温
金属 极快速凝固
“晶态玻璃”
“金属玻璃”
非晶新材料的发展：光、电、磁、耐蚀 性、高强度等方面的高性能等。
二.晶体学简介
1.晶体结构模型的建立
（1） 假设：原子为固定不动的刚性小球，每个原子 具有相同的环境。
O′
z B′
C′
晶体结构特征：
点阵参数： a1=a2=a3=a，
α 1=α 2=α 3=1200
平面轴X1、X2、X3和Z轴的夹角=90 ——四轴坐标系
O
Z轴的单位长度=c，用a、c两个量来度量
点阵参数：α=β=90º, γ=120º; a1=a2=a3≠c， 理想状态：c/a＝1.633
第一章 金属的晶体结构
本章教学目的
建立金属晶体结构的理想模型 揭示金属的实际晶体结构
§1-1 金属
一. 金属的特性和概念
1. 特性
金属通常表现出的特性：良好的导电性、导 热性、塑性、金属光泽、不透明。
2. 概念
(1) 传统意义上的概念。 (2) 严格意义上的概念：具有正的电阻温度系 数的物质，即电阻随温度的升高而增加的物质。
晶向─晶体点阵中，由阵点组成的任一直线，代 表晶体空间内的一个方向，称为晶向。 晶面─晶体点阵中，由阵点所组成的任一平面， 代表晶体的原子平面，称为晶面。
1.晶向指数的标定
晶向指数─用数字符号定量地表示晶向，这种数字符 号称为晶向指数。 以晶胞为基础建立三维坐标体系： z C′ O′ A′ c
γ O β α
晶体有各向异性， 非晶体则各向同性。
各向异性：不同方向上的性能有差异。
3.晶体与非晶体的相互转化性
玻璃
长时间保温
金属 极快速凝固
“晶态玻璃”
“金属玻璃”
非晶新材料的发展：光、电、磁、耐蚀 性、高强度等方面的高性能等。
二.晶体学简介
1.晶体结构模型的建立
（1） 假设：原子为固定不动的刚性小球，每个原子 具有相同的环境。
O′
z B′
C′
工程材料及热加工—金属及合金的晶体结构
晶胞： 晶胞
从晶格中取出一个能保持点阵几何特征的基本单元叫晶胞。显然 晶胞作三维堆砌就构成了晶格。晶格的最小单元。
晶格常数： 晶格常数
晶胞各棱边的长度。
3、典型的金属晶体结构 典型的金属晶体结构： 典型的金属晶体结构 金属元素除了少数具有复杂的晶体结构外，绝大多数都具 有比较简单的晶体结构，其中最典型、最常见的晶体结构 有三种类型: 体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。
3.1体心立方晶格
bcc
结构：原子分布在立方晶胞的八个顶角及其体心位置。 举例：Cr、V、Mo、W和α-Fe等30多种。
3.2面心立方晶格 fcc 结构：原子分布在立方晶胞的八个顶角及六个侧面的中心。 举例：Al、Cu、Ni和γ-Fe等约20种。
3.3密排六方晶格 hcp 结构：原子分布在六方晶胞的十二个顶角，上下底面的中 心及晶胞体内两底面中间三个间隙里。 举例：Mg、Zn、Cd、Be等20多种。 不金属的强度通常较低，而合金在强度、硬度等力学性 能方面比纯金属高得多，所以工程上广泛应用的是合金。 1、合金 合金 1.1定义：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属 元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特 性的物质。 exp:钢，铸铁，黄铜，青铜 1.2组元：组成合金最基本的独立的物质称为组元。 元素、稳定的化合物 一元合金、二元合金等 1.3合金系：相同的组元所组成的一系列合金。
金属及合金的晶体结构
一、金属的晶体结构 二、合金的晶体结构 课时：2学时
一、金属的晶体结构
1、晶体 晶体：
定义：有规则的周期性重复排列。 例如：固态金属及合金。 特点：固定的熔点，规则的几何外形，各向异性。
非晶体：无序 非晶体
2、基本概念 晶体点阵： 晶体点阵： 阵点： 阵点： 晶格： 晶格
第一章 金属与合金的晶体结构
晶格－描述晶体中原子排列规律的空间格架。
晶胞－空间点阵中最小的几何单元。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际 排列。 特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有无限多种。
空间点阵相同，是否晶体结构相同？
2 晶胞
（1）晶胞：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则： a 能够充分反映空间点阵的对称性； b 相等的棱和角的数目最多； c 具有尽可能多的直角；
（c）
配位数＝12；致密度＝0.74
3、密排六方晶格：记为HCP 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长 方体的侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。 属于这种晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。
两个晶格常数：正六边形边长a；上下两底面之间的距离c。 轴比：c/a 配位数：12；致密度：0.74（与面心立方相同）
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
说明： a 指数意义：代表一组平行的晶面； b 0的意义：面与对应的轴平行； c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反； d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距 完全相同），空间位向不同的各组晶面。用{hkl}表示。 e 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0; f 若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。
金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延 展 性；有金属光泽等。
（4）分子键与分子晶体
原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
第一章金属的晶体结构
图2-6密排六方晶胞
第三节 晶体学概念
• • • • • • • 1.3.1 晶胞中的原子数 体心立方： 面心立方： 密排六方： 1.3.2 原子半径 1.3.3 配位数和致密度 配位数：指晶体结构中与任一个原子最近邻且等距离的原 子数目。 • 体心立方晶体8个，面心立方12个，密排六方12个，所以 面心立方和密排六方致密度高 • 致密度分别为0.68、0.74、0.74
图2-5
面心立方晶胞
• (3)密排六方晶胞(close packed lattice hexagonal)：密排六方晶体的晶胞如图1.6所示。 • 它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的 底面所组成的一个六方柱体。因此，需要用两个 晶格常数表示，一个是正六边形的边长a，另—个 是柱体的高c。在密排六方晶胞的每个角上和上、 下底面的小心都有一个原子，另外在中间还有三 个原子。因此，密排六方晶格的晶胞中所含的原 子数为：6×1／6×2+2×1／2+3=6个。 • 具有密排六方晶体结构的金属有Mg、Zn、Be、 Cd、α-Ti、α-Co等。
A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为 溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表 示, 亦可表示为Cu(Zn)。
• 固溶体特性：1固溶体成分可以在一定范围内变化， 在相图上表现为一个区域。2固溶体必须保持溶剂 组元的点阵类型。3纯金属结构有哪些类型，固溶 体也应有哪些类型，即固溶体本身没有独立的点 阵类型。4组元的原子尺寸不同会引起的点阵畸变， 原子尺寸相差越大，引起的畸变也越大。
• 1.3.4晶体中原子的排列方式（略） • 1.3.5 晶体结构中的间隙 • 三种典型晶体结构的四面体间隙、八面体间 隙（图1-13,1-14,1-15） • 间隙半径与原子半径之比rB/rA=?（见表1-2） • 可见面心立方结构八面体间隙比体心立方结 构四面体间隙还大，因此溶碳量大的分类 • 1.按溶剂分类 • (1)一次固溶体：以纯金属组元作为溶剂的 固溶体称为一次固溶体，也叫边际固溶体。 • (2)二次固溶体：以化合物为溶剂的固溶体 称二次固溶体，或叫中间固溶体。如电子 化合物、间隙相。 • 有的化合物和化合物之间，也可以相互溶 解而组成固溶体，如Fe3C和Mn3C，TiC和 TiN等。
机械工程材料 第1章 金属的晶体结构
常见的化学键
离子键 共价键 分子键 金属键
化学键的特性决定材料的组织结构和性能
第一节 材料的化学键
1.金属键
金属正离子和自由电子之间的相互吸引力而使金属原子结合的方式。
金属特性：导电、导热性，塑性，强度，金属光泽。
金属键模型
正离子与自由电子之间的吸引力
第一节 材料的化学键
2. 结合力和结合能
双原子作用模型
第四节 合金的相结构
(2) 按固溶度 有限固溶体、无限固溶体
(3) 按相对分布 有序固溶体、无序固溶体
无序分布
偏聚分布
短程有序分布
第四节 合金的相结构
2、固溶体的性能
溶入溶质原子形成固溶体而使金属强度、硬度升高而塑性、 韧性下降的现象。——固溶强化 溶质原子含量↑，σb、HB↑，ψ、αk↓ 固溶强化效果：间隙固溶体＞置换固溶体。
可影响合金相的类型。
第四节 合金的相结构
1、固溶体——固态下组元间相互溶解而形成的相。 溶剂：原子分数多者，其晶格保持不变的组元。 溶质：原子分数少者。
溶剂
溶质
特点：所形成的固相晶体结构仍然保持溶剂晶格类型
第四节 合金的相结构
固溶体的分类：(1) 按溶质原子在晶格中的位置
置换固溶体 、间隙固溶体
x
第二节 材料晶体结构的概念
4、晶格特征参数
晶格常数：描述晶胞几何形状与大小的参数。如立方晶胞： 三棱边a、b、c； 三棱边夹角α、β、γ
晶胞所占原子数： 指一个晶胞所占的原子总数
配位数： 指晶体结构中与任何一个原子最近领且等距离的原子数目
致密度： 晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比
其中配位数和致密度可衡量晶胞中原子排列的紧密程度
机械工程材料 第一章 材料的内部结构
第一章 材料的内部结构
原子结构
结 构
原子的空间排列
晶态和非晶态。晶体结构显 著影响材料的各种性能和功 能。
显微组织
第一章 材料的内部结构
原子结构
结 构
原子的空间排列
显微组织
晶粒（原子集团）的形态、大 小、合金相的种类、数量和分 布等参数 。
第一章 材料的内部结构
1.1 原子键合及其特性 1.2材料的原子排列 1.3 金属的典型晶体结构 1.4 合金相结构 1.5 陶瓷的相结构
1.2材料的原子排列
晶面及晶面指数
晶面是指晶体原子堆垛质心平面
晶面指数的确定方法 ①在以晶胞的边长作 为单位长度的右旋坐 标系中取该晶面在各 坐标轴上的截距。 ②取截距的倒数。 ③将倒数约成互质整 数，加一圆括号。
1.2材料的原子排列 六方晶系
第一章 材料的内部结构
1.1 原子键合及其特性 1.2材料的原子排列 1.3 金属的典型晶体结构 1.4 合金相结构 1.5 陶瓷的相结构
第一章 材料的内部结构
电子结构
结 构
原子的空间排 列
显微组织
本周，班长 或课代表到 空间材料实 验室9号楼 104室找肖 景东老师确 定试验时间
第一章 材料的内部结构
电子结构
结 构
原子的空间排列
显微组织
原子核外电子的排布 方式显著影响材料的 电、磁、光和热性能， 还影响到原子彼此结 合的方式，从而决定 材料的类型
1.1材料的原子键合及其特性
黑色金属： 铁和以铁为基的合金
金属材料
钢 铸铁 铁基合金
有色金属： 黑色金属以外的所有金属及其合金， 如铝（Al）、铜（Cu）等 （应用最广的是黑色金属，重点学习） • 简单金属原子之间的结合键完全为金属键； • 过渡族金属原子的结合键以金属键为主，但也有共价键成分； • 由于金属键没有方向性,原子之间也没有选择性,所以在受外力 作用而发生相对移动时金属键不会破坏； • 以金属为主体的工程金属材料不仅具有较高的弹性模量、硬度 和强度，而且具有很好的塑性、韧性、导电和导热性能。
吉林大学工程材料第1章 金属的晶体结构和结晶
由于金属键无方向性及饱和性，使得大部分金 属都具有紧密排列的趋向，以致其中绝大多数的金 属晶体都属于三种密排的晶格形式。
三、金属晶体中常见的三种晶格类型
度量晶体中原子排列的紧密程度的方法：
常用的有配位数、致密度。
A：配位数： 晶格中任一原子周围所紧邻的最近且 等距的原子数。 （定性的）
B：致密度：
表格 1-3 三种典型晶格的密排面和密排方向
晶格类型 体心立方 面心 密排六方
密排面 ｛１１０｝ ｛１１１｝ 底面
密排方向 〈１１1〉 〈１１0〉 底面对角线
以后我们将看到，金属晶格的密排面及密排方向 的确定，对我们研究金属的特性是有重要意义的。
五、晶体的各向异性
对于同一个完整的晶体，当我们从不同方向 上测量某些量时，(如弹性模量E、强度极限 b、 屈服极限 s 、电阻率、磁导率、线胀系数、耐蚀 性等)，将得到不同的数值。如铁(－Fe) 〈111〉方向E=2.80×105MN／m2 〈100〉方向E=1.30×105MN／m2 这就引出一个新的概念：
晶界这种晶体缺陷的存在，是晶体中不同晶格位向相 邻晶粒之间的过渡所形成的面缺陷（如图1-12a）。
（a）
（b）
图1－12 晶界（a）及亚晶界（b）示意图
而亚晶界这种晶体缺陷，是亚晶粒间所存在的微小 晶格位向差形成的面缺陷（如图1-12b）。可以把 它看作是一种位错的堆积或称“位错墙”。
三、晶体缺陷对金属性能的影响
{111}
1 3 0 . 58 6 a2 3 2 a 2
3a 0.29a 6
〈111〉 <111>
1 2 1 1.16 2 a 3a
6a 0.82a 3
规律 ： 原子间彼此相接触的晶面和晶向为最密排的晶面和晶
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引产生的化学结合力。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.1. 3 原子间键合 四、分子键：分子偶极间吸引力产生的化学结合力。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1. 1.3 原子间键合 五、氢键：氢原子因正负电子中心偏移产生的静电吸引
形成的化学结合力。
氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露 原子核 将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥
► 缺点：目前性能高的价贵。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1. 1. 3 原子间键合 一、离子键：正离子与负离子静电吸引产生的化
学结合力
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1. 1. 3 原子间键合 二、共价键：原子间共用电子对产生的化学结合力
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.1. 3 原子间键合 三、金属键：金属正离子与“自由电子气”静电吸
第一章
工程材料类型及金属的晶体结构
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
主要内容
1.1 工程材料类型 1.2 晶体的概念
1.2.1 短程有序与长程有序 1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 1.2.3 同素异构 1.3 晶体缺陷
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.1 工程材料类型 工程材料是指具有一定性能，在特定条件下，能够承
1.2.晶体概念 1.2.1．短程有序与长程有序 短程有序：
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.2.晶体概念 1.2.2 晶体结构的基本概念和类型
｛晶
固态物质
体
组成晶体的原子或离子、分子呈规则、周期性 重复排列的固体；例如：水晶、天然水晶石
非晶体 组成非晶体的原子或离子、分子呈无规则排列
的固体。例如：松香、石蜡和玻璃
思考题：实际晶体结构和布 拉菲”空间点阵有何区别？
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 5.常见的金属晶格类型 工业上使用的金属虽然有几十种，但除少数金 属具有复杂的晶体结构外，大多数金属均具有比较 简单的晶体结构。最常见的晶体结构只有三种，即 体心立方 （bcc） 面心立方 （fcc） 密排六方 （hcp） 前两种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1. 1.3 原子间键合 六、工程材料的键性 金属材料：金属键（绝大部分） 共价键（亚金属） 陶瓷材料：离子键、共价键 高分子材料：共价键、分子键
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.2.晶体概念 1.2.1．短程有序与长程有序 短程有序：原子在分子范围内按一定规律排列，而分
1.1 工程材料类型 ⑵ 按成分分类----四大类材料
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.1.2 材料特征（characteristic）
（1）金属材料（metals） ► 优点：兼有良好力学性能（较高强度、刚度、塑性、韧性）及某 些理化性能（良好导电、导热性等）和较好的工艺性，价格便宜或适 中。大量用作结构材料，部分用作功能材料。 ► 缺点：地球上资源有限；高温及特殊环境中不能胜任。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 1．晶格（点阵）
为了便于研究晶体中原 子排列的情况，通常用一个 小钢球代替一个原子，并把 不停振动的原子当作在它平 衡位置上静止不动，这样金 属晶体结构就可用许多小钢 球互相紧密接触的堆砌模型 来表示（刚球模型）。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 1．晶格（点阵）
• 进一步简化原子堆砌模型：可将一个 钢球原子视为一几何质点，用平行几 何线条在三维空间通过原子中心使其 相互连起来，这样就构成了一个几何 格架。
这种几何空间 置称为结点或阵点。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
担某种功能，被用来制取零件和元件的材料。 1.1.1 分类 ⑴ 按使用功能分类：
• 结构材料（structural material） 实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等）。
• 功能材料（functional material） 理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁盘、光纤等）。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
子之间则随机无规律的连接在一起，这种结合方式称 为短程有序。多数以共价键、范德华键结合的材料往 往是短程有序。
SiO2一个Si原子与4个O原子 结合，而SiO2单元体间则随 机连接。
长程有序：原子在整个材料内部都按一定规律排列， 则称为长程有序。原子长程有序，即构成了整个晶体。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.1.2 材料特征 （3）高分子材料（高聚物，Polymer）
► 优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量 轻，加工性好，原料丰富。
► 缺点：强度低；不耐高温（≤300℃）；易老化易燃。 （4）复合材料（Composites两种或多种材料复合而成）
► 优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要 进行人为设计、制造。
1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 2. 晶胞 晶胞是晶格中能代表原子排列的最小几何单元体，它 是一个简单的多面体结构。G:\VIDEO\晶胞.AVI
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 3．晶格常数 为研究晶胞的形状与大小， 通常用晶胞的三个棱边长度a、 b、c和棱边夹角α、β、γ六 个参数表示，棱边长度a、b、 c称为晶格常数，以nm（纳米） 为单位，1nm =10-9 m，以前用 Å度量，1Å=0.1nm。
（2）陶瓷材料（无机非金属材料，金属与非金属的化合物如 Al2O3、SiC）。
► 优点：优良理化性能（耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等） 及极好的耐高温特性，且原料来源广泛。主要用在特殊场合（特殊陶 瓷）及日常（传统陶瓷）。 ► 缺点：性脆、难加工，可靠性差。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
图1-1 晶格常数示意图
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 4．晶胞类型 晶胞一共有14种类型，分属于7个晶系。 实际晶体结构都可抽象的归属于14种晶胞中的一种，并
用其描述其原子排列规律。14种晶胞类型是由布拉菲 （Bravais）于1848年根据“每个阵点周围具有相同环 境”的要求，利用数学方法推算出来的，而且只能有14 种，因此也称为“布拉菲”空间点阵。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.1. 3 原子间键合 四、分子键：分子偶极间吸引力产生的化学结合力。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1. 1.3 原子间键合 五、氢键：氢原子因正负电子中心偏移产生的静电吸引
形成的化学结合力。
氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露 原子核 将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥
► 缺点：目前性能高的价贵。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1. 1. 3 原子间键合 一、离子键：正离子与负离子静电吸引产生的化
学结合力
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1. 1. 3 原子间键合 二、共价键：原子间共用电子对产生的化学结合力
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.1. 3 原子间键合 三、金属键：金属正离子与“自由电子气”静电吸
第一章
工程材料类型及金属的晶体结构
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
主要内容
1.1 工程材料类型 1.2 晶体的概念
1.2.1 短程有序与长程有序 1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 1.2.3 同素异构 1.3 晶体缺陷
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.1 工程材料类型 工程材料是指具有一定性能，在特定条件下，能够承
1.2.晶体概念 1.2.1．短程有序与长程有序 短程有序：
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.2.晶体概念 1.2.2 晶体结构的基本概念和类型
｛晶
固态物质
体
组成晶体的原子或离子、分子呈规则、周期性 重复排列的固体；例如：水晶、天然水晶石
非晶体 组成非晶体的原子或离子、分子呈无规则排列
的固体。例如：松香、石蜡和玻璃
思考题：实际晶体结构和布 拉菲”空间点阵有何区别？
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1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 5.常见的金属晶格类型 工业上使用的金属虽然有几十种，但除少数金 属具有复杂的晶体结构外，大多数金属均具有比较 简单的晶体结构。最常见的晶体结构只有三种，即 体心立方 （bcc） 面心立方 （fcc） 密排六方 （hcp） 前两种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。
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1. 1.3 原子间键合 六、工程材料的键性 金属材料：金属键（绝大部分） 共价键（亚金属） 陶瓷材料：离子键、共价键 高分子材料：共价键、分子键
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1.2.晶体概念 1.2.1．短程有序与长程有序 短程有序：原子在分子范围内按一定规律排列，而分
1.1 工程材料类型 ⑵ 按成分分类----四大类材料
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1.1.2 材料特征（characteristic）
（1）金属材料（metals） ► 优点：兼有良好力学性能（较高强度、刚度、塑性、韧性）及某 些理化性能（良好导电、导热性等）和较好的工艺性，价格便宜或适 中。大量用作结构材料，部分用作功能材料。 ► 缺点：地球上资源有限；高温及特殊环境中不能胜任。
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1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 1．晶格（点阵）
为了便于研究晶体中原 子排列的情况，通常用一个 小钢球代替一个原子，并把 不停振动的原子当作在它平 衡位置上静止不动，这样金 属晶体结构就可用许多小钢 球互相紧密接触的堆砌模型 来表示（刚球模型）。
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1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 1．晶格（点阵）
• 进一步简化原子堆砌模型：可将一个 钢球原子视为一几何质点，用平行几 何线条在三维空间通过原子中心使其 相互连起来，这样就构成了一个几何 格架。
这种几何空间 置称为结点或阵点。
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担某种功能，被用来制取零件和元件的材料。 1.1.1 分类 ⑴ 按使用功能分类：
• 结构材料（structural material） 实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等）。
• 功能材料（functional material） 理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁盘、光纤等）。
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子之间则随机无规律的连接在一起，这种结合方式称 为短程有序。多数以共价键、范德华键结合的材料往 往是短程有序。
SiO2一个Si原子与4个O原子 结合，而SiO2单元体间则随 机连接。
长程有序：原子在整个材料内部都按一定规律排列， 则称为长程有序。原子长程有序，即构成了整个晶体。
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1.1.2 材料特征 （3）高分子材料（高聚物，Polymer）
► 优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量 轻，加工性好，原料丰富。
► 缺点：强度低；不耐高温（≤300℃）；易老化易燃。 （4）复合材料（Composites两种或多种材料复合而成）
► 优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要 进行人为设计、制造。
1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 2. 晶胞 晶胞是晶格中能代表原子排列的最小几何单元体，它 是一个简单的多面体结构。G:\VIDEO\晶胞.AVI
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1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 3．晶格常数 为研究晶胞的形状与大小， 通常用晶胞的三个棱边长度a、 b、c和棱边夹角α、β、γ六 个参数表示，棱边长度a、b、 c称为晶格常数，以nm（纳米） 为单位，1nm =10-9 m，以前用 Å度量，1Å=0.1nm。
（2）陶瓷材料（无机非金属材料，金属与非金属的化合物如 Al2O3、SiC）。
► 优点：优良理化性能（耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等） 及极好的耐高温特性，且原料来源广泛。主要用在特殊场合（特殊陶 瓷）及日常（传统陶瓷）。 ► 缺点：性脆、难加工，可靠性差。
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图1-1 晶格常数示意图
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1.2.2 晶体结构的基本概念和类型 4．晶胞类型 晶胞一共有14种类型，分属于7个晶系。 实际晶体结构都可抽象的归属于14种晶胞中的一种，并
用其描述其原子排列规律。14种晶胞类型是由布拉菲 （Bravais）于1848年根据“每个阵点周围具有相同环 境”的要求，利用数学方法推算出来的，而且只能有14 种，因此也称为“布拉菲”空间点阵。