第二章_材料的晶体结构
2). 单斜晶系 3). 正交晶系 4). 六方晶系 5). 菱方晶系 6). 正方晶系 a=b=c, a=b=c, a=b=c, a=b=c, a=b=c, α = γ = 90 = β; α = β = γ = 90° ; α=β= 90°,γ=120°; α = β = γ = 90°; ° α = β = γ = 90 ;
晶系晶向与晶面指数
三、六方晶系晶面与晶向指数
2、晶向指数
标定方法：
1. 平移晶向(或坐标)，让原 点为晶向上一点，取另一 点的坐标，有:
2. 并满足p＋q＋r＝0 ； 3. 化成最小、整数比 u：v：t：w 4. 放在方方括号[uvtw]，不加逗号，负号记在上方 。
六方晶系中，三轴指数和四轴指数 的相互转化
则
三个晶轴同在一个晶面上
晶带定律的应用（4）
晶面1 (h1 k1 l1) 晶面2 (h2 k2 l2) 晶面3 (h3 k3 l3) 若
h1 h 2 h3
k1 k2 k3
l1 l2 0 l3
则
三个晶面同属一个晶带
三、其他晶体学概念
4.晶面间距：指相邻两个平行晶面之间 的距离 • 晶面间的距离越的原子排列方式相同，它们 的晶面间的间距也相同。
三轴晶向指数(U V W) 四轴晶向指数(u v t w)
三轴晶面指数(h k l) 四轴晶面指数(h k i l) i ＝－ ( h + k ) 。
晶系晶向与晶面指数
三、六方晶系晶面与晶向指数
3、晶向族与晶面族
1) 同一族的晶向或晶面 也具有等同的效果；
2) 三个水平方向具有等 同的效果，指数的交 换只能在他们之间进 行，Z轴只能改变符 号 ；
晶面间距（3）
正交晶系
d hkl
1 h k l a b c
2 2 2
立方晶系
d hkl
d hkl
a h k l
2 2 2
六方晶系
1 4 h hk k l 2 3 a c
晶胞：空间点阵中能代表 原子排列规律的最小的几 何单元称之为晶胞，是构 成空间点阵的最基本单 元。——能表达晶体结构 的最小重复单位。 换言之：晶胞在三维空 间有规则地重复排列组成 了晶体。
晶胞
c c
β α b a γ β α a γ
b
图 空间点阵
选取的原则晶胞
同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞
•任何晶体的晶胞都可以看成是平行六面体，不同晶
体的区别在于：
•（1）不同晶体的晶胞其大小和形状不同
•（2）围绕每个接点的原子种类、数量及分布不同。
1855年,法国学者布拉维(Bravais)用数学方法证 明了空间点阵共有且只 能有十四种,并归纳为七个晶系:
二、.晶系与布拉菲点阵
1). 三斜晶系 a = b = c , α = β = γ = 90 ;
第二章 材料的晶体结构
本章的主要内容 晶体学基础 纯金属的晶体结构 离子晶体的晶体结构 共价晶体的晶体结构
第一节 晶体学基础
一、晶体结构、空间点阵和晶胞
晶体结构：晶体中原子（分子、离子） 在三维空间的具体排列方式。
空间点阵：由几何点做周期性的规则排 列所形成的三维阵列。 空间点阵中的点 －阵点。它是纯粹的几何点，各点周围 环境相同。 晶格：描述晶体中原子排列规律的空间 格架称之为晶格。
°
°
7). 立方晶系 a = b = c , α = β = γ = 90 ;
°
布 拉 菲 空 间 点 阵 晶 胞
三斜：简单三斜 a b c,
90o
单斜：简单单斜 a b c, 底心单斜
90o
正交：简单正交 底心正交 体心正交 面心正交
构基元抽象成一个点，晶体结构就抽象成空间点阵。
一个晶体结构抽象成空间点阵的基本规则是：每一个点各
自的物理和几何环境应该完全相同，这些点称为等同点。
图1-5 几种晶体点阵的平面图(a、b、c)和它们的空间点阵(d)
（a）刚性球堆积
（b）晶格及晶胞
点阵中的晶胞选取
（ c）晶胞及点阵参数
三、晶面指数和晶相指数 .晶面(crystal face): 在晶格中由一系列原子所构成的平
上图是金属中常见的密排六方晶体结构，但它不能看作一种 空间点阵，这是因为位于晶胞内的原子与晶胞角上的原子具 有不同的周围环境，这样的晶体结构应属简单六方点阵。
晶体结构和空间点阵的区别
图 几种晶体结构的点阵分析 (a) γ-Fe (b) NaCl (c) CaF2 (d) ZnS 尽管它们的晶体结构完全不同，但是它们的点阵类型相同，都是面心立方。
正交点阵中一些晶面的面指数
晶向(crystal direction): 在晶格中,任意两原子 之间的连线所指的方向。代表了晶体中原子列的 方向。
晶向指数：表示晶向方位 符号。 标定方法：
1. 2. 建立坐标系 结点为原点，三 棱为方向，点阵常数为单位 ； 在晶向上任两点的坐标 (x1,y1,z1) (x2,y2,z2)。(若 平移晶向或坐标，让第一点在 原点则下一步更简单)； 计算x2-x1 ： y2-y1 ： z2z1 ； 化成最小、整数比u：v：w ； 放在方括号[uvw]中，不加逗 号，负号记在上方 。
2. 3.
4.
5.
晶面指数特征：与原点位置无关；每一指数对应 一组平行的晶面。平行晶面的晶面指数相同，或 数字相同，符号相反。
晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同 的一组晶面的集合。 表示方法：用花括号{hkl}表示。例如：
可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有 结果都是该族的范围。
晶面指数的例子
三、其他晶体学概念
5.两晶向之间的夹角： 在立方晶系中按矢量关系，晶向[u1v1w1]与[u2v2w2] 之间的夹角满足关系：
在立方晶系，晶面之间的夹角也就是为其法线的夹角， 用对应的晶向同样可以求出。
晶面(hkl)和其晶带轴[uvw]的 指数之间满足关系：
晶带定律的应用（1）
晶面1 (h1 k1 l1) 晶带轴 (u v w) 晶面2 (h2 k2 l2)
u:v:w
k1
l1
k2 l2 l2
:
l1
h1
h2 h2
:
h1
k1 k2
u h1 h2
v k1 k2
w l1 l2
晶带定律的应用（2）
晶向1 (u1 v1 w1) 晶面 (h k l) 晶向2 (u2 v2 w2)
3.
4. 5.
晶向指数的例子
正交晶系一些重要晶向的晶向指数
一、晶向与立方晶系晶向指数
晶向指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组 平行方向一致的晶向。若晶体中两晶向相互平行 但方向相反，则晶向指数中数字相同而符号相反。 晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组 晶向的集合。 表示方法：用尖括号<uvw>表示 。 举例：
2 2 2 2
• 不同晶面族的晶面间距也不相同。
在简单立方晶胞中 复杂立方晶胞
其中fcc和bcc晶体中m一般为2，但要具 体分析。
晶面间距（4）
复杂晶胞
体心立方
面心立方 密排六方
附加面 Dhkl/2
h + k + l = 奇数
h k l不全为奇数或者不全为偶数 h + 2k = 3n (n=1,2,3….), l为奇数
晶胞选取的原则
•选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性； •平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；
•当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目 应最多； •当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体 积。
•晶轴：晶胞的三条棱的长度就是点阵沿这些方向的周期，这三体棱 就叫晶轴。 •晶胞棱边长度a、b、c，其单位为nm ,棱间夹角α、β、γ。这六个 参数叫做点阵常数。 •晶胞的大小由三条棱的长度决定，晶胞的形状取决于这些棱的夹角。
1、晶面指数：
1) 建立坐标系：在六方晶系中，为了 明确的表示晶体底面的(六次)对称 性，底面用互成120度的三个坐标 轴x1、x2、x3，其单位为晶格常数 a，加上垂直于底面的方向Z，其单 位为高度方向的晶格常数c。注意 x1、x2、x3三个坐标值不是独立的 变量。 2) 方法同立方晶系， (hkil)为在四个 坐标轴的截距倒数的化简，自然可 保证关系式h＋k＋I＝0。底面指数 为(0001),侧面的指数为(1010)。
面称为晶面。
晶面指数：表示晶面方位 的符号。
1. 建立坐标系 结点为 原点，三棱为方向， 点阵常数为单位 （原 点在标定面以外，可 以采用平移法）； 晶面在三个坐标上的 截距a1 a2 a3 ； 计算其倒数 b1 b2 b3 ； 化成最小、整数比h： k ：l ； 放在圆方括号(hkl)， 不加逗号，负号记在 上方 。
添加结点后是否形成一个新的
c a
ba
点阵——底心六方点阵，如果 它满足六方晶系的对称性，那 它就是一个新的点阵。
但是所形成的点阵不再具有6次旋转对称，因而不再是六方晶 系，而带心点阵可以连成简单单斜点阵，因而不是新点阵。
为什么没有底心四方和面心四方？ 如果存在，从上图可以看出，底心四方可以连成体积更小
3) 改变符号时，前三项要满足p＋q＋r＝0的相关性 要求。
三、其他晶体学概念
1.晶向的原子密度（线密 度）：该晶向单位长度上的
节点(原子)数。
2.晶面的原子密度（面 密度） ：该晶面单位
面积上的节点(原子)数。
3.晶带和晶带轴：相交和平行于某一晶向的所有晶面 的组合称为晶带，此直线叫做它们的晶带轴。晶带 用晶带轴的晶向指数表示。 在立方晶系中有：
晶系晶向与晶面指数
三、六方晶系晶面与晶向指数
2、晶向指数
标定方法：
1. 平移晶向(或坐标)，让原 点为晶向上一点，取另一 点的坐标，有:
2. 并满足p＋q＋r＝0 ； 3. 化成最小、整数比 u：v：t：w 4. 放在方方括号[uvtw]，不加逗号，负号记在上方 。
六方晶系中，三轴指数和四轴指数 的相互转化
则
三个晶轴同在一个晶面上
晶带定律的应用（4）
晶面1 (h1 k1 l1) 晶面2 (h2 k2 l2) 晶面3 (h3 k3 l3) 若
h1 h 2 h3
k1 k2 k3
l1 l2 0 l3
则
三个晶面同属一个晶带
三、其他晶体学概念
4.晶面间距：指相邻两个平行晶面之间 的距离 • 晶面间的距离越的原子排列方式相同，它们 的晶面间的间距也相同。
三轴晶向指数(U V W) 四轴晶向指数(u v t w)
三轴晶面指数(h k l) 四轴晶面指数(h k i l) i ＝－ ( h + k ) 。
晶系晶向与晶面指数
三、六方晶系晶面与晶向指数
3、晶向族与晶面族
1) 同一族的晶向或晶面 也具有等同的效果；
2) 三个水平方向具有等 同的效果，指数的交 换只能在他们之间进 行，Z轴只能改变符 号 ；
晶面间距（3）
正交晶系
d hkl
1 h k l a b c
2 2 2
立方晶系
d hkl
d hkl
a h k l
2 2 2
六方晶系
1 4 h hk k l 2 3 a c
晶胞：空间点阵中能代表 原子排列规律的最小的几 何单元称之为晶胞，是构 成空间点阵的最基本单 元。——能表达晶体结构 的最小重复单位。 换言之：晶胞在三维空 间有规则地重复排列组成 了晶体。
晶胞
c c
β α b a γ β α a γ
b
图 空间点阵
选取的原则晶胞
同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞
•任何晶体的晶胞都可以看成是平行六面体，不同晶
体的区别在于：
•（1）不同晶体的晶胞其大小和形状不同
•（2）围绕每个接点的原子种类、数量及分布不同。
1855年,法国学者布拉维(Bravais)用数学方法证 明了空间点阵共有且只 能有十四种,并归纳为七个晶系:
二、.晶系与布拉菲点阵
1). 三斜晶系 a = b = c , α = β = γ = 90 ;
第二章 材料的晶体结构
本章的主要内容 晶体学基础 纯金属的晶体结构 离子晶体的晶体结构 共价晶体的晶体结构
第一节 晶体学基础
一、晶体结构、空间点阵和晶胞
晶体结构：晶体中原子（分子、离子） 在三维空间的具体排列方式。
空间点阵：由几何点做周期性的规则排 列所形成的三维阵列。 空间点阵中的点 －阵点。它是纯粹的几何点，各点周围 环境相同。 晶格：描述晶体中原子排列规律的空间 格架称之为晶格。
°
°
7). 立方晶系 a = b = c , α = β = γ = 90 ;
°
布 拉 菲 空 间 点 阵 晶 胞
三斜：简单三斜 a b c,
90o
单斜：简单单斜 a b c, 底心单斜
90o
正交：简单正交 底心正交 体心正交 面心正交
构基元抽象成一个点，晶体结构就抽象成空间点阵。
一个晶体结构抽象成空间点阵的基本规则是：每一个点各
自的物理和几何环境应该完全相同，这些点称为等同点。
图1-5 几种晶体点阵的平面图(a、b、c)和它们的空间点阵(d)
（a）刚性球堆积
（b）晶格及晶胞
点阵中的晶胞选取
（ c）晶胞及点阵参数
三、晶面指数和晶相指数 .晶面(crystal face): 在晶格中由一系列原子所构成的平
上图是金属中常见的密排六方晶体结构，但它不能看作一种 空间点阵，这是因为位于晶胞内的原子与晶胞角上的原子具 有不同的周围环境，这样的晶体结构应属简单六方点阵。
晶体结构和空间点阵的区别
图 几种晶体结构的点阵分析 (a) γ-Fe (b) NaCl (c) CaF2 (d) ZnS 尽管它们的晶体结构完全不同，但是它们的点阵类型相同，都是面心立方。
正交点阵中一些晶面的面指数
晶向(crystal direction): 在晶格中,任意两原子 之间的连线所指的方向。代表了晶体中原子列的 方向。
晶向指数：表示晶向方位 符号。 标定方法：
1. 2. 建立坐标系 结点为原点，三 棱为方向，点阵常数为单位 ； 在晶向上任两点的坐标 (x1,y1,z1) (x2,y2,z2)。(若 平移晶向或坐标，让第一点在 原点则下一步更简单)； 计算x2-x1 ： y2-y1 ： z2z1 ； 化成最小、整数比u：v：w ； 放在方括号[uvw]中，不加逗 号，负号记在上方 。
2. 3.
4.
5.
晶面指数特征：与原点位置无关；每一指数对应 一组平行的晶面。平行晶面的晶面指数相同，或 数字相同，符号相反。
晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同 的一组晶面的集合。 表示方法：用花括号{hkl}表示。例如：
可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有 结果都是该族的范围。
晶面指数的例子
三、其他晶体学概念
5.两晶向之间的夹角： 在立方晶系中按矢量关系，晶向[u1v1w1]与[u2v2w2] 之间的夹角满足关系：
在立方晶系，晶面之间的夹角也就是为其法线的夹角， 用对应的晶向同样可以求出。
晶面(hkl)和其晶带轴[uvw]的 指数之间满足关系：
晶带定律的应用（1）
晶面1 (h1 k1 l1) 晶带轴 (u v w) 晶面2 (h2 k2 l2)
u:v:w
k1
l1
k2 l2 l2
:
l1
h1
h2 h2
:
h1
k1 k2
u h1 h2
v k1 k2
w l1 l2
晶带定律的应用（2）
晶向1 (u1 v1 w1) 晶面 (h k l) 晶向2 (u2 v2 w2)
3.
4. 5.
晶向指数的例子
正交晶系一些重要晶向的晶向指数
一、晶向与立方晶系晶向指数
晶向指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组 平行方向一致的晶向。若晶体中两晶向相互平行 但方向相反，则晶向指数中数字相同而符号相反。 晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组 晶向的集合。 表示方法：用尖括号<uvw>表示 。 举例：
2 2 2 2
• 不同晶面族的晶面间距也不相同。
在简单立方晶胞中 复杂立方晶胞
其中fcc和bcc晶体中m一般为2，但要具 体分析。
晶面间距（4）
复杂晶胞
体心立方
面心立方 密排六方
附加面 Dhkl/2
h + k + l = 奇数
h k l不全为奇数或者不全为偶数 h + 2k = 3n (n=1,2,3….), l为奇数
晶胞选取的原则
•选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性； •平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；
•当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目 应最多； •当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体 积。
•晶轴：晶胞的三条棱的长度就是点阵沿这些方向的周期，这三体棱 就叫晶轴。 •晶胞棱边长度a、b、c，其单位为nm ,棱间夹角α、β、γ。这六个 参数叫做点阵常数。 •晶胞的大小由三条棱的长度决定，晶胞的形状取决于这些棱的夹角。
1、晶面指数：
1) 建立坐标系：在六方晶系中，为了 明确的表示晶体底面的(六次)对称 性，底面用互成120度的三个坐标 轴x1、x2、x3，其单位为晶格常数 a，加上垂直于底面的方向Z，其单 位为高度方向的晶格常数c。注意 x1、x2、x3三个坐标值不是独立的 变量。 2) 方法同立方晶系， (hkil)为在四个 坐标轴的截距倒数的化简，自然可 保证关系式h＋k＋I＝0。底面指数 为(0001),侧面的指数为(1010)。
面称为晶面。
晶面指数：表示晶面方位 的符号。
1. 建立坐标系 结点为 原点，三棱为方向， 点阵常数为单位 （原 点在标定面以外，可 以采用平移法）； 晶面在三个坐标上的 截距a1 a2 a3 ； 计算其倒数 b1 b2 b3 ； 化成最小、整数比h： k ：l ； 放在圆方括号(hkl)， 不加逗号，负号记在 上方 。
添加结点后是否形成一个新的
c a
ba
点阵——底心六方点阵，如果 它满足六方晶系的对称性，那 它就是一个新的点阵。
但是所形成的点阵不再具有6次旋转对称，因而不再是六方晶 系，而带心点阵可以连成简单单斜点阵，因而不是新点阵。
为什么没有底心四方和面心四方？ 如果存在，从上图可以看出，底心四方可以连成体积更小
3) 改变符号时，前三项要满足p＋q＋r＝0的相关性 要求。
三、其他晶体学概念
1.晶向的原子密度（线密 度）：该晶向单位长度上的
节点(原子)数。
2.晶面的原子密度（面 密度） ：该晶面单位
面积上的节点(原子)数。
3.晶带和晶带轴：相交和平行于某一晶向的所有晶面 的组合称为晶带，此直线叫做它们的晶带轴。晶带 用晶带轴的晶向指数表示。 在立方晶系中有：
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晶体学基础
图 六方晶系的一些晶向指数与晶面指数
4.晶带
相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带， 此直线称为晶带轴 设晶带轴的指数为[uvw]，则晶带中任何一个晶面的指数 （hkl）都必须满足：hu+kv+lw=0，满足此关系的晶面都属 于以[uvw]为晶带轴的晶带。→晶带定律 （a） 由两晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶带轴[uvw]：
简单晶胞计算公式
正交晶系
dhkl
1 h k l a b c
2 2 2
立方晶系
d hkl
d hkl
a h k l
2 2 2
六方晶系
1 4 h hk k l 2 3 a c
2 2 2 2
的一组晶向，用<uvw>表示。数字相同，但排列顺序不
同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。
eg： 立方晶系中
[111 ], [1 11], [1 1 1], [11 1][11 1], [1 11][1 1 1], [111 ] 八个晶向是立方体中
四个体对角线的方向，其原子排列完全相同，属同一晶向族，故用<111>表示。
六方晶系的晶向指数和晶面指
数同样可以应用上述方法标定，
这时取a1，a2，c为晶轴，而 a1轴与a2轴的夹角为120度，c 轴与a1，a2轴相垂直。但这种 方法标定的晶面指数和晶向指 数，不能显示六方晶系的对称 性，同类型 晶面和晶向，其指 数却不相雷同，往往看不出他 们的等同关系。
根据六方晶系的对称特点，对六 方晶系采用a1，a2，a3及c四个
§2.2.2 晶系和布拉菲点阵
1.七个晶系
2. 十四种布拉菲点阵 按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，最先是布拉菲 （A. Bravais）用数学方法证明了只能有14种空间点阵。通 常人们所说的点阵就是指布拉菲点阵。
无机材料典型晶体结构
尖晶石结构可分为正型和反型两类：
正型尖晶石：A2+都填充在四面体空隙中(8个)， B3+ 都填充在八面体空隙中(16个) ，
记作 [A2+]t[B3+B3+]oO4
反型尖晶石：A2+ 占据在八面体空隙中(8个)， B3+ 占据在八面体空隙中(8个), 占据在四面体空隙中(8个)。
记作 [B3+]t[A2+B3+]oO4
举例：
正型尖晶石: Mn3O4，可表示为 [Mn2+]t[Mn3+Mn3+]oO4。 及 FeAl2O4、ZnAl2O4、MnAl2O4等。
反型尖晶石： Fe3O4 ，可表示为 [Fe3+]t[Fe2+Fe3+]oO4。 及MgFe2O4 等。
属于尖晶石型结构的化合物还有：
A4+B22+O4型，如 [Co2+]t[Sn4+Co2+]oO4（反型尖晶石）； A6+B1+2O4型，如 Na2WO4、Na2MoO4，其中Na+占据八面
由过渡金属元素和原子半径小的 H、N、C、B等元素形成 的氢化物、氮化物、碳化物和硼化物等中，金属原子作密 堆积，而非金属元素填入密堆积形成的空隙中，这类化合 物称为间隙化合物或间隙相。
（1）当非金属原子和金属原子半径比 rx/rm＜ 0.59时，可形成 简单晶体结构的化合物，称为间隙相，其型式有MX、M2X、 MX2及M4X，其中金属原子多采取面心立方或密积六方结构堆 积，而非金属原子规则地分布在晶格间隙中。 （2）当 rx/rm ＞0.59时，则形成复杂晶体结构的化合物，称为 间隙化合物。
静电键强度:
s z n
正型尖晶石：A2+都填充在四面体空隙中(8个)， B3+ 都填充在八面体空隙中(16个) ，
记作 [A2+]t[B3+B3+]oO4
反型尖晶石：A2+ 占据在八面体空隙中(8个)， B3+ 占据在八面体空隙中(8个), 占据在四面体空隙中(8个)。
记作 [B3+]t[A2+B3+]oO4
举例：
正型尖晶石: Mn3O4，可表示为 [Mn2+]t[Mn3+Mn3+]oO4。 及 FeAl2O4、ZnAl2O4、MnAl2O4等。
反型尖晶石： Fe3O4 ，可表示为 [Fe3+]t[Fe2+Fe3+]oO4。 及MgFe2O4 等。
属于尖晶石型结构的化合物还有：
A4+B22+O4型，如 [Co2+]t[Sn4+Co2+]oO4（反型尖晶石）； A6+B1+2O4型，如 Na2WO4、Na2MoO4，其中Na+占据八面
由过渡金属元素和原子半径小的 H、N、C、B等元素形成 的氢化物、氮化物、碳化物和硼化物等中，金属原子作密 堆积，而非金属元素填入密堆积形成的空隙中，这类化合 物称为间隙化合物或间隙相。
（1）当非金属原子和金属原子半径比 rx/rm＜ 0.59时，可形成 简单晶体结构的化合物，称为间隙相，其型式有MX、M2X、 MX2及M4X，其中金属原子多采取面心立方或密积六方结构堆 积，而非金属原子规则地分布在晶格间隙中。 （2）当 rx/rm ＞0.59时，则形成复杂晶体结构的化合物，称为 间隙化合物。
静电键强度:
s z n
无机材料科学基础___第二章晶体结构
第 2 章结晶结构一、名词解释1．晶体：晶体是内部质点在三维空间内周期性重复排列，具有格子构造的固体2．空间点阵与晶胞：空间点阵是几何点在三维空间内周期性的重复排列晶胞：反应晶体周期性和对称性的最小单元3．配位数与配位多面体：化合物中中心原子周围的配位原子个数成配位关系的原子或离子连线所构成的几何多面体4．离子极化：在离子化合物中，正、负离子的电子云分布在对方离子的电场作用下，发生变形的现象5．同质多晶与类质同晶：同一物质在不同的热力学条件下具有不同的晶体结构化学成分相类似物质的在相同的热力学条件下具有相同的晶体结构6．正尖晶石与反尖晶石：正尖晶石是指2价阳离子全部填充于四面体空隙中，3价阳离子全部填充于八面体空隙中。
反尖晶石是指2价阳离子全部填充于八面体空隙中，3价阳离子一半填充于八面体空隙中，一半填充于四面体空隙。
二、填空与选择1．晶体的基本性质有五种：对称性，异相性，均一性，自限性和稳定性（最小内能性）。
2．空间点阵是由 C 在空间作有规律的重复排列。
（ A 原子 B离子 C几何点 D分子）3．在等大球体的最紧密堆积中有面心立方密堆积和六方密堆积二种排列方式，前者的堆积方式是以（111）面进行堆积，后者的堆积方式是以（001）面进行堆积。
4．如晶体按立方紧密堆积，单位晶胞中原子的个数为 4 ，八面体空隙数为 4 ，四面体空隙数为 8 ；如按六方紧密堆积，单位晶胞中原子的个数为 6 ，八面体空隙数为6 ，四面体空隙数为 12 ；如按体心立方近似密堆积，单位晶胞中原子的个数为 2 ，八面体空隙数为 12 ，四面体空隙数为 6 。
5．等径球体最紧密堆积的空隙有两种：四面体空隙和八面体空隙。
一个球的周围有 8个四面体空隙、 6 个八面体空隙；n个等径球体做最紧密堆积时可形成 2n 个四面体空隙、 n 个八面体空隙。
不等径球体进行堆积时，大球做最紧密堆积或近似密堆积，小球填充于空隙中。
6．在离子晶体中，配置于正离子周围的负离子数（即负离子配位数），决定于正、负离子半径比（r ＋/r －）。
第二章晶体结构
为6个晶胞所共有，上下底面中心的原子为2个晶胞所共有，
所以六方柱晶胞所包含的原子数为：
12
1 6
2
1 2
3 6
二、非金属元素单质的晶体结构
1.惰性气体元素的晶体 惰性气体在低温下形成的晶体为A1（面心立方）型 或A3（六方密堆）型结构。由于惰性气体原子外层为满 电子构型，它们之间并不形成化学键，低温时形成的晶 体是靠微弱的没有方向性的范德华力直接凝聚成最紧密 堆积的A1型或A3型分子晶体。
－填充在八个小立方体的体心。
Ca2+的配位数是8，形成立方配位多面体[CaF8]。F－的配位数
是4，形成[FCa4]四面体，F－占据Ca2+离子堆积形成的四面体
空隙的100%。 或F－作简单立方堆积，Ca2+占据立方体空隙的一半。 晶胞分子数为4。 由一套Ca2+离子的面心立方格子和2套F－离子的面心立方格子
金
红
石
0 .4 1 4 ~ 0 .7 3 2
TeO 2 C oF2 SnO 2 O sO 2 VO2 M nO 2
（ T iO 2 ） 型
-方 石 英 型
0 .2 2 5 ~ 0 .4 1 4
S iO 2
1.萤石（CaF2）型结构及反萤石型结构
立方晶系，点群m3m，空间群Fm3m，如图2-10所示。 Ca2+位于立方晶胞的顶点及面心位置，形成面心立方堆积，F
（a）面心立方 （A1型）
（b）体心立方 （A2型）
（c）密排六方 （A3型）
图2-1 常见金属晶体的晶胞结构
面心立方结构
常见面心立方的金属有Au、Ag、Cu、Al、-Fe 等，晶格结构中原子坐标分别为[0,0,0]，[0,1/2,1/2]，
第二章 晶体结构
晶胞
• 有实在的具体质点所 组成
平行六面体
• 由不具有任何物理、化学 特性的几何点构成。
是指能够充分反映整个晶体结构特征的最小结构单位， 其形状大小与对应的单位平行六面体完全一致，并可用 晶胞参数来表征，其数值等同于对应的单位平行六面体 参数。
晶胞棱边长度a、b、c，其单位为nm ,棱间夹角α、β、 γ。这六个参数叫做点阵常数或晶格常数。
面网密度：面网上单位面积内结点的数目； 面网间距：任意两个相邻面网的垂直距离。
相互平行的面网的面网密度
和面网间距相等； 面网密度大的面网其面网间 距越大。
空间格子―――连接分布在三维空间的结点构成空 间格子。由三个不共面的行列就决定一个空间格子。
空间格子由一系列 平行叠放的平行六 面体构成
2-1 结晶学基础
一、空间点阵
1.晶体的基本概念 人们对晶体的认识，是从石英开始的。 人们把外形上具有规则的几何多面体形态的 固体称为晶体。 1912年劳厄（德国的物理学家）第一次成功 获得晶体对X射线的衍射线的图案，才使研究 深入到晶体的内部结构，才从本质上认识了 晶体，证实了晶体内部质点空间是按一定方 式有规律地周期性排列的。
第二章 晶体结构
第二章 晶体结构
1
结晶学基础 晶体化学基本原理 非金属单质晶体结构
2
3 4 5
无机化合物晶体结构
硅酸盐晶体结构
重点：重点为结晶学指数，晶体中质点的堆 积，氯化钠型结构，闪锌矿型结构，萤石型 （反萤石型）结构，钙钛矿型结构，鲍林规 则，硅酸盐晶体结构分类方法。 难点：晶体中质点的堆积，典型的晶体结构 分析。
• 结点分布在平行六面
体的顶角； •平行六面体的三组棱长 就是相应三组行列的结 点间距。
第二章 晶体结构与结晶
α-Fe
γ-Fe
2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部 位发生（如晶界、 位发生（如晶界、晶内 缺陷、特定晶面等）。 缺陷、特定晶面等）。
锡 疫
固态相变的晶界形核
⑵由于固态下扩散困难，因 由于固态下扩散困难， 而过冷倾向大。 而过冷倾向大。 ⑶固态转变伴随着体积变化， 固态转变伴随着体积变化，
（2）细化晶粒的方法 ）细化晶粒的方法
1）增大过冷度——提高液体金属的冷却速 增大过冷度 过冷度——提高液体金属的冷却速 度。 2）变质处理——在金属中加入能非自发形 变质处理——在金属中加入能非自发形 核的物质，增加晶核的数量或者阻碍晶核长 核的物质， 大。 3）振动或搅拌——造成枝晶破碎细化（增 振动或搅拌——造成枝晶破碎细化 造成枝晶破碎细化（ 加新生晶核）。 加新生晶核）。
(2)晶核长大 (2)晶核长大
晶核长大：即金属结晶时， 晶核长大：即金属结晶时，晶粒长大成为 晶体的过程。 晶体的过程。 两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长 树枝 状生 长 平面生长
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶 冰 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
枝晶形成的原因： 枝晶形成的原因：
式中 ΔT——过冷度（℃）； ΔT——过冷度 过冷度（ ——金属的理论结晶温度 金属的理论结晶温度（ T0 ——金属的理论结晶温度（℃）； ——金属的实际结晶温度 金属的实际结晶温度（ Tn ——金属的实际结晶温度（℃）。
金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。 金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。
（4）铸锭的缺陷 ）
1、缩孔（集中缩孔） 、缩孔（集中缩孔） --最后凝固的地方 最后凝固的地方 2、缩松（分散缩孔） 、缩松（分散缩孔） --枝晶间和枝晶内 枝晶间和枝晶内 3、气孔（皮下气孔） 、气孔（皮下气孔）
材料科学基础第二章
y
[111]
x
[111]
例：画出晶向
[112 ]
2.立方晶系晶面指数
晶面指数的确定方法
（a)建立坐标系，结点为原点， 三棱为方向，点阵常数为单位 （原点在标定面以外，可以采 用平移法）； (b)晶面在三个坐标上的截距a1 a2 a3 ； (c)计算其倒数 b1 b2 b3 ； (d)化成最小、整数比h：k：l ； 放在圆方括号(hkl)，不加逗号， 负号记在上方 。
3.六方晶系晶面和晶向指数
三指数表示六方晶系晶面和晶向的缺点：晶体学上等价的 晶面和晶向不具有类似的指数。 例：
晶面指数
(11 0)
（100）
[010] [100]
从晶面指数上不能明确表示等同晶面，为了克服这一缺点， 采用a1、a2、a3及c四个晶轴， a1、a2、a3之间的夹角均 为120º ，晶面指数以（hkil）表示。 根据立体几何，在三维空间中独立的坐标轴不会超过三 个可证明 ： i= - (h+k) 或 h+k+i=0
六方晶系
d hkl
h k l a b c
2 2 2
d hkl
a h2 k 2 l 2
1 l c
2
4 h 2 hk k 2 3 a2
注：以上公式是针对简单晶胞而言的，如为复杂晶胞， 例如体心、面心，在计算时应考虑晶面层数增加的影 响，如体心立方、面心立方、上下底（001）之间还有 一层同类型晶面，实际
[1 00 ]
[0 1 0]
[010]
[1 00]
y
[100]
x
[00 1]
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
第2章 材料中的晶体结构
b. 已知两不平行晶向[u1v1w1]和[u2v2w2 ]，由其决定的 晶面指数(hkl)为：
h v1 w 2 v 2 w 1 , k w 1u 2 w 2 u 1, l u 1 v 2 u 2 v1
补充
cos
2
(对于立方晶系)
两个晶面（h1k1l1）与（h2k2l2）之间的夹角φ
h h
1 2
k k
1 2
2
2
ll
1
2 2 2
(h1
k
2 1
l1 )
(h 2
k
l
2 2
)
两个晶向[u1v1w1]与[u2v2w2]之间的夹角θ
cos
2
u u
1
2
vv
1 2
2
w w
1 2
2
(u 1
v
2 1
w1)
(u 2
v
2 2
w
2 2
)
晶面（hkl）与晶向[uvw]之间的夹角ψ
晶向指数用[uvtw] 来表示。其中 t =－（u＋v）
120° 120°
晶面指数的标定
1.求晶面与四个轴的截距
2.取倒数
3.再化成简单整数
4.用圆括号括起来（h k i l）
六方系六个侧面的指数分别为：
(1 1 00),(01 1 0),(10 1 0),(1 100),(0 1 10),(1 010)
(210)
(012)
(362)
注意
选坐标原点时，应使其位于待定晶面以外，防止 出现零截距。 已知截距求晶面指数，则指数是唯一的；而已知 晶面指数，画晶面时，这个晶面就不是唯一的。
机械工程材料：第二章 金属的晶体结构与结晶
处原子排列不一致，存在一个过渡层，即晶界；
亚晶界:实际金属晶体内部，晶粒内原子排列也不完全理想 的规则排列，也存在很小位向差的小晶块，即亚晶 粒，亚晶粒的交界即亚晶界。
在实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产 生、发展，也可消失，对材料性能有很大影响。
常见的利用增加材料的缺陷，提高强度的方法
第二章 金属的晶体结构与结晶
金属特性与金属键 金属的晶体结构 实际金属结构 金属的结晶 金属铸锭组织
一、金属特性与金属键
原子的构造
①金属原子的最外层轨道电子少。 ②金属原子易失去电子而成为正离子。 ③金属键
金属正离子与自由电子间的静电作用， 使金属原子结合起来形成金属整体。
金属特性
关系
①优良的导电性和导热性。 ①导电：在电势作用下，自由
②不透明和具有金属光泽。
电子定向移动；
③较高的强度和较好的塑性。②正的电阻温度系数：
④正的电阻温度系Βιβλιοθήκη 。T↗，离子振动↗，电子运动阻力↗ ③塑性：金属中离子与电子间能保
持一定的相对关系。
二、金属的晶体结构
1. 晶体的基本知识
晶体与非晶体 晶体：内部原子在空间呈一定的有规则排列，具有固定熔 点和各向异性。(金刚石、盐) 非晶体：内部原子是无规则堆积在一起的。没有固定的熔 点，具有各向同性。(玻璃、石蜡)
晶格(点阵) 表示晶体中的原子(正离子)排列方式的空间几何体。 假设：A.金属中的原子(正离子)都是刚性小球； B.金属中的原子都缩小为一个点，线将点连 接起来，线与线的交点为节点。
晶胞：表示晶格几何特征的最小几何单元。 (1)晶格常数: 棱边长度 (a,b,c)，单位A0(10-10m) ; 轴间夹角 (α、β、γ ） (2)晶面、晶向 : 晶面：在晶体中通过原子中心的平面,用晶面指数表示。
亚晶界:实际金属晶体内部，晶粒内原子排列也不完全理想 的规则排列，也存在很小位向差的小晶块，即亚晶 粒，亚晶粒的交界即亚晶界。
在实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产 生、发展，也可消失，对材料性能有很大影响。
常见的利用增加材料的缺陷，提高强度的方法
第二章 金属的晶体结构与结晶
金属特性与金属键 金属的晶体结构 实际金属结构 金属的结晶 金属铸锭组织
一、金属特性与金属键
原子的构造
①金属原子的最外层轨道电子少。 ②金属原子易失去电子而成为正离子。 ③金属键
金属正离子与自由电子间的静电作用， 使金属原子结合起来形成金属整体。
金属特性
关系
①优良的导电性和导热性。 ①导电：在电势作用下，自由
②不透明和具有金属光泽。
电子定向移动；
③较高的强度和较好的塑性。②正的电阻温度系数：
④正的电阻温度系Βιβλιοθήκη 。T↗，离子振动↗，电子运动阻力↗ ③塑性：金属中离子与电子间能保
持一定的相对关系。
二、金属的晶体结构
1. 晶体的基本知识
晶体与非晶体 晶体：内部原子在空间呈一定的有规则排列，具有固定熔 点和各向异性。(金刚石、盐) 非晶体：内部原子是无规则堆积在一起的。没有固定的熔 点，具有各向同性。(玻璃、石蜡)
晶格(点阵) 表示晶体中的原子(正离子)排列方式的空间几何体。 假设：A.金属中的原子(正离子)都是刚性小球； B.金属中的原子都缩小为一个点，线将点连 接起来，线与线的交点为节点。
晶胞：表示晶格几何特征的最小几何单元。 (1)晶格常数: 棱边长度 (a,b,c)，单位A0(10-10m) ; 轴间夹角 (α、β、γ ） (2)晶面、晶向 : 晶面：在晶体中通过原子中心的平面,用晶面指数表示。