第1-2章++材料结构基础2014

第1章材料结构基础

材料结构的含义大致分为四个层次：原子结构、原子结合键、材料中原子的排列以及晶体材料的显微组织（细微组织指多晶体内各种晶粒的组合特征），这四个层次的结构从不同方面影晌着材料的性能。本章参考教材【1】石德珂《材料科学基础》机械工业出版社,1999

【2】WoléSoboyejo（PrincetonUniversity），MechanicalPropertiesofEngineeredMaterials，MarcelDekker,Inc.2003.1.1化学键(Chemicalbonding)（原子结构不讲）1.2材料中的晶体结构(Crystalstructuresofmaterials)1.3纯金属的晶体结构(Structureofpuremetals)1.4晶体中的缺陷（Defectsinsolids)Threemaintypesofprimarybonding（一次键）

(1)Ionic(I)离子键:metals-nonmetals;

(2)Covalent(C)共价键:nonmetals-nonmetals;

(3)Metallic(M)金属键:metals.

Secondarybonding（二次键）

(4)Temporarydipolar(D,偶极子)/VanderWaals’forces(VDW，范德华力);

(5)Hydrogen-Bonding(HB)氢键.

1.1化学键(Chemicalbonding)（6）固体中通常既存在一次键又存在二次键（又称为混合键）

1.1.1Ionic(I)bond离子键IonicbondsoccurasaresultofstrongelectrostaticCoulombattractiveforcesbetweenpositivelyandnegativelychargedions.Typicalionicbondstrengthsarebetween40and200kcal/mol.Also,duetotheirrelativelyhighbondstrengths,ionicallybondedmaterialshavehighmeltingpointssinceagreaterlevelofthermalagitationisneededtosheartheionsfromtheionicallybondedstructures.Theionicbondsarealsononsaturating(不饱和）andnondirectional（无方向性）.Suchbondsarerelativelydifficulttobreakduringslipprocessesthataftercontrolplasticbehavior(irreversibledeformation).Ionicallybondedsolidsare,therefore,relativelybrittlesincetheycanonlyundergolimitedplasticity.1.1.2Covalent(C)bond共价键

Covalentbondsareoftenfoundbetweenatomswithnearlycompleteoutershells.Theatomstypicallyachieveamorestableelectronicstructure(lowerenergystate)bysharingelectronsinoutershellstoformstructureswithcompletelyfilledoutershells[(Fig.1.3(a)].Theresultingbondstrengthsarebetween30and300kcal/mol.Awiderrangeofbondstrengthsis,therefore,associatedwithcovalentbondingwhichmayresultinmolecular,linearorthree-dimensionalstructures.（a)聚乙烯的链状结构（b)带支链的链状结构（c)金刚石的三维结构（d)富勒烯Duetoelectronsharing,covalentbondsaredirectionalincharacter.

Elasticityinpolymersisassociatedwiththestretchingandrotationofbonds.Thechainstructuresmayalsouncurlduringloading,whichgenerallygivesrisetoelasticdeformation.Inthecaseofelastomersandrubber-likematerials,thenonlinearelasticstrainsmaybeinexcessof100%.Theelasticmodulialsoincreasewithincreasingtemperatureduetochangesinentropy（熵）thatoccuronbondstretching.

Plasticityincovalentlybondedmaterialsisassociatedwiththeslidingofchainsconsistingofcovalentlybondedatoms(suchasthoseinpolymers)orcovalentlybondedlayers(suchasthoseingraphite)overeachother[Figs1.4(a)].Plasticdeformationofthree-dimensionalcovalentlybondedstructures[Figs1.4(c)and1.4(d)]isalsodifficultbecauseoftheinherentresistanceofsuchstructurestodeformation.Furthermore,chainslidingisrestrictedinbranchedstructures[Fig.1.4(b)]sincethebranchestendtorestrictchainmotion.1.1.3Metallic(M)bond金属键Metallicbondscanbeunderstoodastheoveralleffectofmultipleelectrostaticattractionsbetweenpositivelychargedmetallicionsanda‘‘sea’’or‘‘gas’’ofdelocalizedelectrons(electroncloud)thatsurroundthepositivelychargedions.Theelectrostaticforcesbetweenthepositivelychargedionsandtheseaofelectronsareverystrong.Thesestrongelectrostaticforcesgiverisetothehighstrengthsofmetallicallybondedmaterials.Metallicbondsarenonsaturatingandnondirectionalincharacter.Hence,linedefectswithinmetallicallybondedlatticescanmoveatrelativelylowstresses(belowthoserequiredtocauseatomicseparation)byslipprocessesatrelativelylowstresslevels.Thesegiverisetotheductilityofmetals,whichisanimportantpropertyformachiningandfabricationprocesses.1.1.4Temporarydipolar(D)/VanderWaals’forces(VDW);从统计的角度，电子的分布具有球形对称性，正、负电荷中心重合，并不具有偶极矩。然而，由于各种原因导致原子的负电荷中心与正电荷(原子核)中心并不一定重叠，这种分布产生一个偶极矩。此外，一些极性分子的正负电性位置不一致，也产生偶极矩。1.1.4Temporarydipolar(D)/VanderWaals’forces(VDW);当原子或分子互相靠近时，一个原子的偶极矩将会影响另—个原子内的电子分布，电子密度在靠近第一个原子的正电荷处更高些，这样使两个原子相互静电吸引，体系就处于较低的能量状态。众多原子(或分子)的结合情况如图。1.1.4Temporarydipolar(D)/VanderWaals’forces(VDW);Temporarydipoleattractionsresultintypicalbondstrengthsof0.24kcal/mol.Theyaremuchweakerthanprimarybonds.尽管较弱，但依靠它大部分气体才能聚合为液态甚至固态；工程材料中的塑料、石蜡等也是依靠它将大分子链结合为固体。氢键的本质与范德华力一样，靠原子(或分子、原子团)的偶极吸引力结合起来的。只是氢键中氢原子起了关键作用。氢原子只有一个电子，当氢原子与一个电负性很强的原子(或原子团)X结合成分子时，氢原子的一个电子转移至该原子壳层上，分子的氢离子实质上是一个裸露的质子。对另一个电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力，这样，氢原子便在两个电负性很强的原子(或原子团)之间形成一个桥梁，把两者结合起来，成为氢键。1.1.5Hydrogen-Bonding(HB)氢键

Suchhydrogenbondsarerelativelyweak(0.04–0.40kcal/mol).Nevertheless,theyarerequiredtokeepwaterintheliquidstateatroom-temperature.Theyalsoprovidetheadditionalbindingthatisneededtokeepseveralpolymersinthecrystallinestateatroomtemperature.1.1.6混合键固体中通常既存在一次键又存在二次键（又称为混合键），特别重要的是一些材料的力学性能是由较弱的二次键所控制。石墨就是这种情况。

石墨较低的强度归因于较低的切应力就会引起碳层的相对滑移。

*以上数据才自《材料科学基础》一书，与教材P192的数据略微不同。1.1.7化学键与材料力学性能的关系（1)结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键能越大，即弹性模量越大。金刚石具有较高的弹性模量值，为1000GPa；工程陶瓷如碳化物、氧化物、氮化物等结合键能也较高，弹性模量为250-600GPa。由金属键结合的金属材料，弹性模量略低一些，常用金属材料的弹性模量约为70-350GPa。而聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.7-35GPa。（2)工程材料的强度与结合键能有一定的联系，然而很大程度上还取决于材料的其他结构因素（如细微组织），因此强度将在更宽的幅度内变化，强度与键能的关系不如弹性模量明显。1.2晶体学中的若干概念固体材料按其原子(或离子、分子）的聚集状态，可分为晶体和非晶体两大类。晶体：Atomsarrangedinperiodicarraysoverlargeatomicdistance.i.e.Long-rangeorderexists(LRO);Forthosethatdonotcrystallize,LROisabsent---amorphous/non-crystalline空间点阵：指由几何点在三维空间作周期性的规则排列所形

成的三维阵列。构成空间点阵的每一个点称为阵点或结点。

晶格（Lattice)：为了表达空间点阵的几何规律，常人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形成空间格架，称之为晶格。晶胞（Unitcell)：构成晶格的最基本单元称为晶胞，可以是二维的平行四边形或三维的平行六面体。在同一空间点阵中可以选取多种不同形状和大小的平行六面体作为晶胞。

1.2.1空间点阵与晶胞石墨的2维晶胞（平行四变形OXAY)原子等径刚球密堆模型为描述晶胞的形状和大小，通常以晶胞角上的某一阵点为原点，以该晶胞上过原点点的三个棱边为坐标轴x,y,z(称为晶轴)，则晶胞的形状和大小即可由这三个棱边的长度a,b,c(称为点阵常数)及其夹角α，β，γ这六个参数表达，见图2-3。晶系与材料力学性能关系举例：氮化硼(BN)陶瓷存在着六方与立方晶系（教材P191）六方BN陶瓷：六方BN具有自润滑性，可用于机械密封、高温固体润滑剂。其耐热性非常好，可以在900℃以下的氧化气氛中和2800℃以下的氮气和惰性气氛中使用。BN既是热的良导体，又是电的绝缘体。它的击穿电压是氧化铝的4-5倍，介电常数是氧化铝的1/2，可用来做超高压电线的绝缘材料。BN对微波和红外线是透明的，可用作透红外和微波的窗口。BN在超高压下性能稳定，可以作为压力传递材料和容器。BN是最轻的陶瓷材料，可以用于飞机和宇宙飞行器的高温结构材料。此外，利用BN的发光性，可用作场致发光材料。涂有BN的无定形碳纤维可用于火箭的喷嘴等。

氮化硼(BN)陶瓷存在着六方与立方晶系（教材P191）立方BN陶瓷:化学稳定性高，导热及耐热性能好，其硬度与人造金刚石相近，是性能优良的研磨材料。与金刚石相比，其最突出的优点在于高温下不与铁系金属反应，并且可以在1400℃的温度使用。除了直接用作磨料外，还可以将其与某些金属或陶瓷混合，经烧结制成块状材料，作为各种高性能切削刀具。金刚石（左）和立方氮化硼(BN)原子排布（面心立方点阵）氧化锆陶瓷（教材P193）讨论有关晶体的生长、变形和相变时，要涉及到晶体中的某些方向（晶向）和某些平面（晶面）。空间点阵中各阵点的方向代表晶体中原子排列的方向，称为晶向。通过空间点阵中的任意一组阵点的平面代表晶体中的原子平面，称为晶面。国际上通用的是密勒指数（Millerindices)1.2.2晶向指数与晶面指数（教材P24)晶向指数确定步骤如下：(1)建立坐标系以晶胞中待定晶向上的某一阵点O为原点、以过原点的晶轴为坐标轴，以晶胞的点阵常数a,b,c为x,y,z坐标轴的长度单位；(2)确定坐标值在待定晶向OP上确定距原点最近的一个阵点P的三个坐标值。

(3)化整并加方括号将三个坐标值化为最小整数u,v,w，并加方括号，即得待定晶向OP的晶向指数[uvw]。如果为负值，则将负号标注在该数的上方。对于晶向指数作如下说明：①一个晶向指数代表着相互平行、方向一致的所有晶向;②晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向称为晶向族，用<UVW>表示,例如立方晶系中的这八个晶向是立方体中四个体对角线的方向，它们的原子排列情况完全相同，属于同一晶向族，故用<111>表示。例题在一个面心立方晶胞中画出晶面指数是表示晶体中点阵平面的指数，由晶面与三个坐标轴的截距值所决定。(1）建坐标：如图2-6，以晶胞的某一阵点()为原点，以过原点的晶轴为坐标轴（关键)，以点阵常数a,b,c为三个坐标轴的长度单位，建立坐标系。应注意，坐标原点的选取应便于确定截距。(2)求截距：求出待定晶面在三个坐标轴的截距，如果该晶面与某坐标轴平行，则为无穷大；(3)取倒数：取三个截距值的倒数。(4)化整并加圆括号将上述三个截距的倒数化为最小整数，并加圆括号，即得待定晶面的晶面指数(hkl)。如果晶面在坐标轴的截距为负值，则将负号标注在相应指数的上方。对于晶面指数需作如下说明：1）晶面指数(hkl)不是指一个晶面，而是代表着一组相互平行的晶面；2）平行晶面的晶面指数相同，或数字相同但正负号相反3）晶体中具有等同条件(即这些晶面上的原子排列情况和晶面间距完全相同)而只是空间位向不向的各组晶面称为晶面族，用{hkl}表示。晶面族{hkl}

中所有晶面的性质是等同的，并可以用h,k,l三个数字的排列组合方法求得。例如立方晶系中：作业：

作图题，在立方晶胞中作出{111}晶面族所包含的8个晶面，并写出对应的晶面指数？4）在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直，但此关系不适用于其他晶系。例如：1.2.3六方晶系的晶向指数与晶面指数(P24)六方晶系的晶向指数四轴系三轴系XY？作业：分别用三轴法和四轴法表示六方晶系中a1\a2\a3这3个方向的晶向指数，并验算两者表示的晶向指数的关系？所有固体都含有缺陷，固体材料的演化和塑性变形都由缺陷的运动所控制，了解缺陷的种类非常重要。1.3晶体中的缺陷(DefectsinCrystal)

（1）肖脱基(SchottkyVacancy)空位或(SchottkyDefects)：如果晶体中某结点上的原子空缺了，则称为空位(图a)．它是晶体中最重要的点缺陷，脱位原子一般进人其他空位或者逐渐迁移至晶界或表面，这样的空位通常称为~。（2）间隙原子（Interstitialatoms):偶而，晶体中的原子有可能挤入结点的间隙，则形成另一种类型的点缺陷--间隙原子(图b)。同时原来的结点位置也空缺了、产生一个空位，通常把这一对点缺陷(空位和间隙原子)称为弗兰克耳(Frenkel)缺陷。可以想象要在晶格间隙中挤人—‘个同样大小的本身原于是很困难的，一般晶体中产生弗兰克耳缺陷的数量要比肖脱基缺陷少得多。

1.3.1点缺陷（PointDefects）(3)外来原子也可视作晶体的点缺陷，因为它的原子尺寸或化学电负性与基体原子不一样，所以，它的引人必然导致周围晶格的畸变。如外来原子的尺寸很小，则可能挤人晶格间隙(图c)，原子尺寸若与基体原于相当，则会置换晶格的某些结点(图d)。间隙原子（Interstitialatoms)不来自外来原子。常温下，点缺陷对材料力学性能的影响并不大，但是在高温下空位的浓度很高（热激发），空位在材料变形时的作用就不能忽略了，空位的存在和运动是晶体高温下发生蠕变的重要原因之一。解：先确定1立方米体积内Cu原子总数

例题：Cu晶体的空位形成能uv为1.44×10-19J/atom,材料常数A取作1，玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K,计算：1）在500℃下，每立方米Cu中的空位数目；2）在500℃下空位浓度。空位总数：

空位浓度：

位错（Dislocation)是晶体的线性缺陷．它不像空位和间隙原于那样容易被人接受和理解，人们是从研究晶体的塑性变形中才认识到晶体中存在位错，位错对晶体的强度与断裂等力学性能起决定性的作用。同时，位错对晶体的扩散与相变等过程也有一定影响。

1.3.2线缺陷（LineDefects）(1）位错的引出：按晶体理想滑移模型（层间整体滑移），晶体理论剪切屈服强度=G/30例如，铁的切变模量G=100GPa,理论剪切屈服强度约为3000MPa,但是单晶体的实际屈服强度为1~10MPa。说明晶体内部一定存在着很多缺陷，即簿弱环节，使塑性变形过程在很低的应力下就开始进行，这种内部缺陷就是位错。(2）刃型位错(EdgeDislocations)

晶体中的刃位错的产生原因：主要通过局部滑移产生，晶体在冷却或者经受其他加工工艺时难免会受到各种外应力和内应力的作用(如两相间膨胀系数的差异或温度的不均匀都会产生内应力)、高温时原子间作用力又较弱。完全有可能在局部区域内使理想晶体在某一晶面上发生滑移（图4-9），于是就把一个半原子面挤入晶格中间（即晶格中出现不完整的1/2个原子面，图4-8），从而形成一个刃型位错。从这个角度来看，可以把位错定义为晶体中已滑移区和末滑移区的边界。单根刃位错在切应力作用下的运动过程如节肢动物的爬行(3）螺型位错(ScrewDislocations)

在刃位错中，晶体发生局部滑移的方向是与位错线垂直的，如果局部滑移是沿与位错线平行的方向移动一个原子间距，那么在滑移区与未滑移区的边界（BC，即位错线）上形成的位错，原子平面在位错线附近已扭曲为螺旋面，故称为螺型位错。螺位错在切应力作用下的位错运动方向位错运动方向两种类型位错的比较对比刃、螺位错的运动特征，它们的不同之处在于：（1）开动位错运动的切应力方向不同，使刃位错运动的切应力方向必须与位错线垂直；而使螺位错运动的切应力方向却是与螺位错平行的；（2）位错运动方向与晶体滑移方向两者之间的关系不同。刃位错或螺位错的运动方向总是与位错线垂直的，然而位错通过后，晶体所产生的滑移方向就不同了，刃位错时晶体的滑移方向与位错运动方向是一致的，但是螺位错所引起的晶体滑移方向却与位错运动方向垂直（如图4-18）。（3）刃位错只有唯一的滑移面；螺位错可以有多个滑移面，至于滑移究竟发生在哪个面，则取决于各个面上的切应力的大小和滑移阻力的强弱。（原因在柏氏矢量一节说明）例题图4-19中阴影面为晶体的滑移面，该晶体的表面有一个圆形标记，它与滑移面相交，在标记左侧有根位错线，试问当刃、螺位错滑移时，表面的标记发生什么变化?并指出使刃、螺位错滑移的切应力方向。(4）混合位错(MixedDislocations)

实际的位错常常介于刃型和螺型之间，如图4-11a所示，晶体在切应力作用下所发生的局部滑移只限于ABC区域内，此时滑移区与非滑移区的交界线AC弧线(即位错线)的结构如图4-11b所示，靠近A点处，位错线与滑移方向平行，为螺位错，而在C点处，位错线与滑移方向垂直，其结构为刃位错。在中间部分，位错线既不平行也不垂直于滑移方向，每一小段位错线都可分解为刃型和螺型两个分量。(5)位错密度晶体中位错的数量用位错密度ρ表示，即单位体积晶体中所包含的位错线总长度。式中V是晶体的体积，S为该晶体中位错线的总长度，单位为m/m3。用常规方法生产的金属都含有相当数量的位错。对于超纯金属，并经细心制备和充分退火后，内部的位错密度较低，约103~104m/cm3。使实际晶体的强度远比理想晶体为低。现代技术己能制备出不含位错或位错极少的晶体，它的强度极高，这样的晶体，但它的尺寸极细，直径仅为若干微米，人们称它为晶须（whisker)，其内部位错密度仅为10m/cm3，可作为复合材料的强化纤维。位错密度与材料力学性能的关系晶须增强Ti-6Al-4V复合材料金属经过冷变形或者引入第二相，会使位错密度大大升高，可达108~1010m/cm3以上，此时晶体的强度反而大幅度升高，这是由于位错数量增加至一定程度后，位错线之间互相缠结，以致使位错线难以移动。陶瓷晶体的位错密度远低于金属晶体，故要使陶瓷发生塑性变形很难。位错密度与材料力学性能的关系(7)柏氏矢量(BurgersVector)以上介绍了位错的原子模型，为了便于进一步分析位错的特征，同时又避免繁琐的原子模型，有必要建立一个简单的物理参量来描述它。位错是线性的点阵畸变，这个物理量就是柏氏矢量(BurgersVector)。

以刃位错为例，如图4-14a所示。从刃位错周围的M点出发，沿着点阵结点M→N→O→P→Q形成封闭回路MNOPQ。然后，在理想晶体中按同样次序作同样大小的回路(图4-14b)，它的终点和起点没有重合，需再作矢量QM才使回路闭合。矢量QM定义为柏氏矢量。柏氏矢量的确定柏氏矢量的意义柏氏矢量描述了位错线上原子的畸变特征，畸变发生在什么方向？有多大？（位错运动后，晶体上、下部产生相对滑移的方向和大小与柏氏矢量一致。）对于刃位错，位错线与b垂直,所以刃位错的滑移面是唯一的，位错只能在这个确定的面上滑移。而螺位错的情况就不同了，其位错线与柏氏矢量b平行，任何通过位错线的晶面都满足滑移面的条件，所以可以有多个滑移面。柏氏矢量的表示方法

柏氏矢量的表示方法与晶向指数相似，只不过晶向指数没有“大小”的概念，而柏氏矢量必须在晶向指数的基础上把矢量的模也表示出来。为此要同时标出该矢量在各个晶轴上的分量。如在立方晶系中，一般表示为：(8)位错应力场和应变能螺位错周围晶格处于纯剪切应力状态，而且应变具有径向对称性，只有切应力，其大小与离位错中心的距离r成反比,可简单地表达为：b为柏氏矢量。

为弹性力学空间问题，以下采用空间柱坐标表示的弹性力学基本方程证明。刃位错的应力场(平面应变问题）单位长度位错线的应变能可简化为：其中α=0.5-1.0，对螺位错取下限0.5；刃位错则取上限1.0。可知，位错的能量与切变模量成正比、与柏氏矢量的模的平方成正比。其中，R为位错应力场的最大作用半径，可取10-4cm。Ro可取5b;例题(1)试计算铜晶体内单位长度位错线的应变能。(2)试计算单位体积的严重变形铜晶体内储存的位错应变能。已知铜晶体的切变模量G＝40GPa，位错的柏氏矢量值等于一个原子间距，b=0.25nm，取α=0.75。严重变形铜晶体内位错密度为1011m/cm3。(9)位错的运动的阻力-派纳力Peierls(1940)\Nabarro(1947)教材P12(10)位错的分解与合成位错具有很高的能量，可以发生自发反应：—根位错分解成两根以上的位错，或者两根以上的位错合并为一根位错。这些统称为位错反应，位错反应的结果是降低体系的自由能。必须满足2个条件：（1）几何条件：反应前后位错在三维方向的分矢量之和必须相等；即：（2）能量条件：位错反应后应变能必须降低，即晶体材料中存在很多界面。例如：同一种相的晶粒与晶粒的边界(称为晶界，实际晶体材料都是多晶体)、不同相之间的边界(称为相界)以及晶体的外表面等。在这些界面上晶体的排列存在着不连续性，因此界面也是晶体缺陷，属于面缺陷。界面对晶体的性能起重要作用，例如：细化晶粒、增加晶界面积可以既提高强度又增加韧性。1.3.3面缺陷对称倾斜晶界是由一系列柏氏矢量为b的相互平行的刃位错排列而成.大角度晶界可看作：晶界相当于两晶粒之间的过渡层，是仅有2~3个原子厚度的薄层，总体来说，原子排列相对无序，比较稀疏。

作业7.刃位错和螺位错的不同之处表现在哪些方面？1.4纯金属的晶体结构(Structureofpuremetals)

典型金属通常具有面心立方（A1或FCC,FaceCenteredCubic),体心立方（A2或BCC,BodyCenteredCubic)和密排六方（A3或HCP,HexagonalClosePacked).如把金属原子看作刚性球，这三种结构的晶胞为：致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分数。如以一个晶胞来计算，就是晶胞中原子体积与晶胞体积之比值。（作业）晶体中原子排列最密的晶面和晶向称为原子密排面（close-packedplane)和密排方向(close-packeddirection);上表中有错误:配位数（Coordinationnumber)指晶体结构中任一原于周围最近邻且等距离的原子数，A2为8个；A3在c/a<1.633时为12个，不满足时不是12个；a为六方底边边长，c为晶胞高度。FCC堆垛方式BCC堆垛方式滑移系（slipsystems)：教材P8每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个滑移系。滑移面和滑移方向通常是晶体中原子密排的晶面和晶向。滑移面受诸多因素的影响，而滑移方向比较稳定。陶瓷材料大多属于离子晶体；在离子晶体中，与某一考察离子邻接的异号离子的数目称为该考察离子的配位数。在离子晶体中，由于正离子半径一般较小，负离子半径较大，所以离子晶体通常看成是由负离子堆积成骨架，正离子则按其自身的大小，居于相应的负离子空隙。负离子堆积方式主要有立方面心堆积、六方最密堆积、立方体心堆积和四面体堆积等。对二元离子晶体有6种基本的结构类型：1.5离子晶体的结构

1）NaCl晶型：以NaCl点阵结构为代表。可视为由负离子(氯离子)构成面心立方点阵，而正离子(Na离子)占据其全部八面体间隙。它属于立方晶系，面心立方点阵。正负离子的配位数均为6。在陶瓷中，如MgO，CaO。FeO和NiO等均为此种晶型。2．CsCl晶型以CsCl的点阵结构为代表。可视为由负离子构成简单立方点阵，而正离子占据其立方体间隙。它属于立方晶系，简单立方点阵，正负离子的配位数均为8。另外，CsBr，CsI等为此种晶型。3、闪锌矿（立方ZnS)晶型由负离子构成面心立方点阵，而正离子则交叉分布在其四面体间隙中。它属于立方晶系，面心立方点阵，正负离子的配位数均为4。IVA—VA族半导体化合物，如GaAs,AlP等。4、纤锌矿（六方ZnS)晶型上图只画出了六方晶胞的三分之一。由负离子和正离子各自形成的密排六方点阵穿插而成，其中一个点阵相对于另一个点阵沿C轴位移了三分之一的点阵矢量。属于六方晶系，简单六方点阵，正负离子的配位数均为4。ZnO,SiC等属此类。

5、萤石(CaF2)晶型可视作由正离子构成面心立方点阵，而8个负离子则位于该晶胞的8个四面体间隙的中心位置。它属于立方晶系、面心立方点阵。正负离子的配位数为8：4。在陶瓷中如Zr02，ThO2等，合金中如Mg2Si.

6、金红石(TiO2)晶型可视作由负离子构成稍有变形的密排立方点阵，而正离子则位于八面体间隙的一半中。它属于四方晶系、体心四方点阵。正负离子的配位效为6：3。如VO2，MnO2等1.6共价晶体的结构

共价晶体是由同种非金属元素的原子或异种元素的原子以共价键结合而成的无限大分子。由于共价晶体中的粒子为中性原子，所以也叫做原子晶体。典型的结构有：1、金刚石晶型（单质型）属立方晶系，面心立方点阵。每个碳原子形成四个共价键，一个碳原子在四面体的中心，与它共价的四个碳原子在四面体的四个顶角上。点阵参数a=0.3599nm;

2、氧化硅晶型：Si原子与金刚石中的碳原子排布方式相同，只是在相邻的硅原子之间有一个氧原子。第二章合金的结构与相图

纯金属因强度很低而很少使用，工程中使用的金属材料主要是合金(Alloy)。合金是内两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。例如，钢和铁主要是由Fe和C组成的合金，黄铜主要是由Cu和Zn组成的合金等。铝合金通常使用铜、锌、锰、硅、镁等合金元素，20世纪初由德国人AlfredWilm发明，对飞机发展帮助极大，一次大战后德国铝合金成分被列为国家机密。2.1合金概述1)组元（constituent)：组成材料最基本的、独立的物质称为组元，或简称元。组元可以是纯元素，如金属元素Cu、Ni、Al等,以及非金属元素C、N、O等；也可以是化合物如Fe3C、Al2O3,SiO2,TiC,BN,TiO2等。材料可由单一组元组成，如纯金属、Al2O3晶体等。也可以由多种组元组成，如Al-Cu-Mg金属材料、MgO-Al2O3-SiO2系陶瓷材料。2)合金：多组元组成的金属材料称为合金，是指由两种或两种以上的金属、或金属与非金属经熔炼或用其他方法制成的具有金属特性的物质。例如，应用最为广泛的铁和碳组成的合金（钢）、铜和锌组成的铜合金等。由于合金的强度高以及其他的性能特点，所以在工业上得到广泛地应用。由两个组元组成的合金，称为二元合全。三个组元组成的合金称为三元合金，依此类推，3)相(phase)：是合金中具有同一化学成分、同一聚集状态、同一晶体结构，并以界面相互隔开的、均匀的组成部分称为相。例如液固共存系统中的液相和固相。4)显微组织(Microstructure):合金的金相磨面经过适当的浸蚀剂浸蚀后，借助光学或电子显微镜所观察到的，涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的微观构造情况。固溶体：以合金中某一组元作为溶剂，其他组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构，晶格常数稍有变化的固相称为固溶体。分为置换固溶体和间隙固溶体。2.2合金的两种基本的相结构—固溶体和金属间化合物中间相：固溶体溶解度受两组元间的相对尺寸差、电子浓度及电负性差影响，溶解度都有一容限，当溶质原子的加入量超过此容限时便会形成一种新相，这种新相称为中间相。是晶体结构不同于此相中的任一组元的化合物，这种化合物可以用分子式表示，它除离子键和共价键外，金属键也在不同程度上参与作用，使这种化合物具有一定程度的金属性质(例如电导性)，所以亦称为金属间化合物(intermetalliccompound)。

例如，铁碳合金中的渗碳体——碳化三铁(Fe3C)

，是由75％的铁原子和25％的碳原子所组成的金属间化合物，它的晶格既不同于铁的晶格，也不同于碳的晶格，而是一种复杂的斜方结构。金属间化合物不单独构成合金，而是分布于固溶体或纯金属的基体上。中间相一般具有较高的熔点及硬度，可使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高，有些中间相还具有某些特殊的物理、化学性能。如性能远远优于硅的GaAs,形状记忆合金NiTi。合金状态图又称相图或平衡图，表示在平衡条件下合金的组织与温度及成分之间的关系。利用状态图，可以知道不同成分的合金在不同的温度下有哪些组织，以及温度改变时，可能发生的组织转变，掌握这些组织转变的基本规律，就可知道合金的组织状态，并能预测合金的性能，也可按要求来研制新的合金。2.3铁碳合金状态图同素异构转变：有些金属结晶后，它们的结构(晶格)不再发生变化。而有些如Fe、Co、Ti、Mn、Ca、Sn等结晶之后继续冷却过程中，还会发生晶格结构的变化，从一种晶格转变成另一种晶格。金属在固态下由一种晶格转变成另一种晶格的现象称为~。液态2.3.1铁碳合金中的基本相1）铁素体（Ferrite):

碳溶解于α-Fe中形成的间隙固溶体称~，用符号F表示。它的晶格类型是体心立方。不规则多边形晶粒。铁素体因溶碳甚微（0.008~0.0218%），一般把它看成纯铁。铁素体强度、硬度低，塑性、韧性好，在768℃以下有磁性。2)奥氏体(Austenite):碳溶解于γ-Fe中形成的间隙固溶体称~，用符号A表示。它的晶格类型是面心立方。不规则多面体晶粒，晶界较直。温度高低不同时，奥氏