第一章晶体学基础及材料结构 无论是金属材料还是非金属材料,通常都是晶体。因此,作为材料科学工作 者,首先要熟悉晶体的特征及其描述方法。本章将扼要的介绍晶体学的基础知识, 并了解材料结构。 1-1晶体 晶体与非晶体 固态物质按其原子(或分子)的聚集状态而分为两大类:晶体与非晶体。虽 然我们看到自然界的许多晶体具有规则的外形(例如:天然金刚石、结晶盐、水 晶等等),但是,晶体的外形不一定都是规则的,这与晶体的形成条件有关,如 果条件不具备,其外形也就变得不规则。所以,区分晶体还是非晶体,不能根据 它们的外观,而应从其内部的原子排列情况来确定。在晶体中,原子(或分子) 在三维空间作有规则的周期性重复排列,而非晶体就不具有这一特点,这是两者 的根本区别。应用Ⅹ射线衍射、电子衍射等实验方法不仅可以证实这个区别 还能确定各种晶体中原子排列的具体方式(即晶体结构的类型)、原子间距以及 关于晶体的其他许多重要情况 显然,气体和液体都是非晶体。在液体中,原子亦处于紧密聚集的状态,但 不存长程的周期性排列。固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体,只是其物 理性质不同于通常的液体而已。玻璃就是一个典型的例子,故往往将非晶态的固 体称为玻璃体。从液态到非晶态固体的转变是逐渐过渡的,没有明显的凝固点(反 之亦然,无明显的熔点)。而液体转变为晶体则是突变的,有一定的凝固点和熔 点。非晶体的另一特点是沿任何方向测定其性能,所得结果都是一致的,不因方 向而异,称为各向同性或等向性:晶体就不是这样,沿着一个晶体的不同方向所 测得的性能并不相同(如导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学数据以 及外表面的化学性质等等),表现出或大或小的差异,称为各向异性或异向性 晶体的异向性是因其原子的规则排列而造成的 非晶体在一定条件下可转化为晶体。例如:玻璃经高温长时间加热后能形成 晶态玻璃;而通常呈晶体的物质,如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶 体。金属因其晶体结构比较简单,很难阻止其结晶过程,故通常得不到非晶态固 体,但近些年来采用了特殊的制备方法,已能获得非晶态的金属和合金。 由一个核心(称为晶核)生长而成的晶体称为单晶体。在单晶体中,原子都 是按同一取向排列的。一些天然晶体如金刚石、水晶等都是单晶体;现在也能够 人工培育制造出多种单晶体,如半导体工业用的单晶硅和锗。激光技术中用的红 宝石和镱铝石榴石,以及金属或合金单晶等。但是金属材料通常是由许多不同位 向的小晶体所组成,称为多晶体。这些小晶体往往呈颗粒状,不具有规则的外形, 故称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界,图2.9为纯铁的显微组织,可看 到晶粒和晶界。多晶体材料一般不显示出各向异性,这是因为它包含大量的彼此 页Chap1 第1页 第一章 晶体学基础及材料结构 无论是金属材料还是非金属材料，通常都是晶体。因此，作为材料科学工作 者，首先要熟悉晶体的特征及其描述方法。本章将扼要的介绍晶体学的基础知识， 并了解材料结构。 1-1 晶体 一、晶体与非晶体 固态物质按其原子（或分子）的聚集状态而分为两大类：晶体与非晶体。虽 然我们看到自然界的许多晶体具有规则的外形（例如：天然金刚石、结晶盐、水 晶等等），但是，晶体的外形不一定都是规则的，这与晶体的形成条件有关，如 果条件不具备，其外形也就变得不规则。所以，区分晶体还是非晶体，不能根据 它们的外观，而应从其内部的原子排列情况来确定。在晶体中，原子（或分子） 在三维空间作有规则的周期性重复排列，而非晶体就不具有这一特点，这是两者 的根本区别。应用 X 射线衍射、电子衍射等实验方法不仅可以证实这个区别， 还能确定各种晶体中原子排列的具体方式（即晶体结构的类型）、原子间距以及 关于晶体的其他许多重要情况。 显然，气体和液体都是非晶体。在液体中，原子亦处于紧密聚集的状态，但 不存长程的周期性排列。固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体，只是其物 理性质不同于通常的液体而已。玻璃就是一个典型的例子，故往往将非晶态的固 体称为玻璃体。从液态到非晶态固体的转变是逐渐过渡的，没有明显的凝固点（反 之亦然，无明显的熔点）。而液体转变为晶体则是突变的，有一定的凝固点和熔 点。非晶体的另一特点是沿任何方向测定其性能，所得结果都是一致的，不因方 向而异，称为各向同性或等向性；晶体就不是这样，沿着一个晶体的不同方向所 测得的性能并不相同（如导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学数据以 及外表面的化学性质等等），表现出或大或小的差异，称为各向异性或异向性。 晶体的异向性是因其原子的规则排列而造成的。 非晶体在一定条件下可转化为晶体。例如：玻璃经高温长时间加热后能形成 晶态玻璃；而通常呈晶体的物质，如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶 体。金属因其晶体结构比较简单，很难阻止其结晶过程，故通常得不到非晶态固 体，但近些年来采用了特殊的制备方法，已能获得非晶态的金属和合金。 由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体称为单晶体。在单晶体中，原子都 是按同一取向排列的。一些天然晶体如金刚石、水晶等都是单晶体；现在也能够 人工培育制造出多种单晶体，如半导体工业用的单晶硅和锗。激光技术中用的红 宝石和镱铝石榴石，以及金属或合金单晶等。但是金属材料通常是由许多不同位 向的小晶体所组成，称为多晶体。这些小晶体往往呈颗粒状，不具有规则的外形， 故称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，图 2.9 为纯铁的显微组织，可看 到晶粒和晶界。多晶体材料一般不显示出各向异性，这是因为它包含大量的彼此