晶体的基本知识

一、晶体的基本知识

固态物质按其原子(或分子)的聚集状态，可分为晶体和非晶体两大类。所谓晶体是指其内部的原子(或分子)按一定的几何规律作周期性规则排列的物质。非晶体则无此特性，其内部这些质点呈混乱无规则的堆积状态。这是晶体与非晶体最根本的区别。

晶体与非晶体除结构上的区别外，在性能上也有很大的差异。晶体都具有固定的熔点(如铁为1538℃、铜为1083℃、铝为660℃等)，且在不同方向上具有不同的性能，表现出各向异性;而非晶体则没有固定的熔点，在各个方向上的性能大致相同，表现为各向同性等。

在自然界中，除了一些少数物质(如普通玻璃、松香、石蜡等)外，包括金属在内的绝大多数固体物质都是晶体。所以，研究金属材料应从了解其晶体结构开始。为此，首先介绍一些晶体的基本概念。

晶格为了便于研究各种晶体的内部结构，常需要把不同晶体中原子的排列方式直观地表示出来。在晶体学研究中，通常假设原子为刚性球体，这样就可将金属固体看成是由无数个小圆球按一定几何规则紧密堆积而成的，如图2-3(a)所示。然后再假想一些通过原子中心的线条，将晶体中各原子连接起来，进一步忽略原子的体积并以质点代之，这样便形成了一个能够反映晶体中原子几何排列形式的空间格架。这种人为抽象出来用于描述原子在晶体中排列方式的空间格架称为晶格，如图2-3(b)所示。晶格中各连线的交点称为结点，显然，结点就是原子在晶体中所处的位置中心。晶格模型显示，一种晶体中的原子是按照同一规律排列起来的，且这种排列具有重复性和周期性。

晶胞由于晶体中原子具有周期性重复排列的特点，为了便于研究，从晶格中任取一个能够反映其原子排列特征的最小的几何单元，用它来表示晶体中原子的排列方式。这种最小的、最基本的几何单元称为“晶胞”，如图2-3(c)所示。实际上整个晶格可看成是由许许多多大小、形状和位向相同的晶胞，在空间重复堆砌而成的。

图2-3　晶体中原子排列示意图

图2-4　晶格常数和轴间夹角表示法

晶格常数表征晶胞特征的参数称为晶格常数。主要有晶胞的棱边长度a、b、c，棱边夹角α、β、γ，如图2-4所示。晶胞的棱边长度以为计量单位(1=1×10^－8cm);当棱边长度a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°时，这种晶胞称为立方晶胞，由简单立方晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。简单立方晶格仅见于非金属晶体中。

各种晶体物质因其原子构造不同，原子间结合力不同，因而其晶格类型及晶格常数也不同，所以表现出不同的物理、化学和力学性能。