当前课程知识点：材料科学基础 > 第二章 晶体学基础 > 2.4 晶体结构与空间点阵 > 晶体结构与空间点阵
本小节我们来学习
晶体结构与空间点阵
晶体与非晶体之间的主要差别
在于它们是否具有点阵结构
即组成晶体的原子 离子
分子或配位离子等
都具有长程有序排列
玻璃 石蜡和沥青
虽然也是固体
但它们的结构基元仅具有
短程有序的排列
即一个结构基元
在微小范围之内
与其临近的几个结构基元之间
保持着有序的排列
但却没有长程有序的排列
因此石蜡 沥青这些固体均称为非晶体
晶体的各种性质
无论是物理化学方面的性质
或是几何形态方面的性质
都与其内部点阵结构紧密联系
晶体具有如下的主要特性
第一 各向异性
晶体中不同方向上具有不同的性质
第二 固定的熔点
规则结构向不规则结构的突变
具有固定的温度
第三 能够自发形成规则几何外形
第四 通常还有缺陷
完美的长程有序是难以实现的
晶体中存在不同的结构缺陷
所以长程有序中也存在着无序的部分
这些性能都与晶体中原子
离子 分子的规则排列相关
晶体与非晶体在一定的条件下可以相互转换
如玻璃调整其内部结构基元的排列方式
可以转换成晶体
称为退玻璃化或晶化
晶体内部结构基元
周期性排列遭到破坏时
也可以向非晶体转化成为玻璃化或非晶化
当晶体内部的结构为长程有序排列
且处于平衡位置时
其内能是最小的
对于同一物质的不同凝聚态来说
晶体是最稳定的
因此晶体玻璃化作用的发生
必然与能量的输入或物质成分的变化相关联
但晶化过程却完全可以自发产生
从而转向更加稳定的结晶态
晶体结构是指组成晶体的结构基元
如分子 原子 离子或原子集团
依靠一定的结合键结合之后
在三维空间
做有规律的周期性的重复排列而形成
由于组成晶体的结构基元不同
排列的规则不同或周期性不同
所以他们可以组成各种各样的晶体结构
即实际存在的晶体结构
可以有无限多种
应用X射线衍射分析法
我们可以测定各种晶体的结构
但由于晶体结构种类繁多
不便于对其规律进行全面系统性的研究
因而人为的引入一个几何模型
用科学的抽象建立一个二维空间的几何图形
即为空间点阵
以此来描述各种晶体结构的规律和特征
下面我们举例分析
如何将晶体结构抽象为空间点阵
并说明它们之间的关系
氯化钠是由钠离子和氯离子所组成
人们实际测定出在氯化钠晶体中
钠离子和氯离子是相间排列的
氯化钠晶体结构的立体图形如图所示
所有钠离子的上下前后
以及左右均为氯离子
而所有氯离子的上下前后左右
也同样是钠离子
可以发现每一个钠离子中心点
在晶体结构中
所处的几何环境和物质环境都是相同的
氯离子也同样如此
我们将这些在晶体结构中
占有相同几何位置
且具有相同物质环境的点
都称其为等同点
如果将晶体结构中
某一类等同点挑选出来
他们有规则的周期性重复排列
所形成的空间几何图形
即为空间点阵
简称点阵
构成空间点阵的每一个点
称之为节点或阵点
由此可知每一个阵点
都是具有等同环境的非物质性的单纯几何点
而空间点阵是从晶体结构中抽象出来的
非物质性的空间几何图形
它很明确的显示出
晶体结构中物质质点排列的周期性 规律性
我们还可以利用结构基元的概念
来理解晶体结构和空间点阵的关系
如果在空间点阵的每一个阵点处
都放上一个结构基元
这个结构基元
可以是由各种原子 离子
分子或原子集团所组成
则此时空间点阵就变成了晶体结构
二者关系可以表述为
空间点阵加结构基元等于晶体结构
例如在氯化钠空间点阵中
结构基元就是由钠离子和氯离子组成的离子集团
如图所示
如果将氯离子和钠离子的集团抽象为结构基元
氯化钠晶体结构
可以简化为面心立方空间点阵
需要注意的是由于结构基元可以是多种多样的
所以不同晶体结构可以属于同一空间点阵
而相似的晶体结构又可以分属于不同的空间点阵
例如铜 氯化钠 金刚石
为三种不同的晶体结构
但他们均属于同一种空间点阵类型
面心立方点阵
如图所示我们以金刚石为例
组成金刚石结构的虽然都是碳原子
但红色和蓝色两类碳原子不属于等同点
它们的几何环境并不相同
如果将一个红色碳原子和蓝色碳原子
看作是一个结构基元
在面心立方点阵的每个节点上
放上一个结构基元
则构成了金刚石的结构
我们再来看两个例子
如图所示虽然金属铬
与氯化铯的晶体结构十分类似
金属铬是体心立方点阵
但氯化铯属于简单立方点阵
这是由于Cr的晶体结构中
每一个原子都是等同点
因此可以将每一个原子
视为一个结构基元
从而形成了体心立方空间点阵
氯化铯中需要将氯离子和铯离子的集团
视为一个结构基元
因此氯化铯的空间点阵为简单立方点阵
由此看来
晶体结构和空间点阵
是两个完全不同的概念
晶体结构是指具体到物质粒子排列分布
它的种类有无限多种
而空间点阵只是一个
描述晶体结构规律性的几何图形
它的种类是有限的
这节课我们就学习到这里
-绪论
-绪论
-讨论1
-讨论2
-2.1 原子结构与原子轨道
--原子结构与轨道
-2.2 电子排布规律
--电子排布规律
--电子排布规律
-2.3 晶体中的结合键
--晶体中的结合键
--原子结构与键合
-2.4 晶体结构与空间点阵
-2.5 晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
-2.6 晶向指数与晶面指数
-2.7 晶面间距与晶面夹角
-2.8 晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
-讨论1
-讨论2
-习题-第2章
-3.1 金属的晶体结构
--金属的晶体结构
--金属的晶体结构
-3.2 金属晶体的堆垛与间隙
-3.3 合金基本概念
--合金的基本概念
--合金的基本概念
-3.4 固溶体
--固溶体
--固溶体
-3.5 化合物
--化合物
--化合物
-3.6 陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
-3.7 高分子的基本结构
--高分子的基本结构
--高分子的基本结构
-3.8 非晶、准晶和纳米晶
-讨论1
-讨论2
-习题-第3章
-4.1 扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
-4.2 扩散的微观机制
--扩散的微观机制
--扩散的微观机制
-4.3 扩散与原子的随机行走
-4.4 扩散系数与扩散激活能
-4.5 扩散的影响因素
--扩散的影响因素
--扩散的影响因素
-4.6 反应扩散
--反应扩散
--反应扩散
-讨论1
-讨论2
-习题-第4章
-5.1 纯金属的结晶
--纯金属的结晶
--纯金属的结晶
-5.2 金属结晶的基本条件
-5.3 液态金属的结构
--液态金属的结构
--液态金属的结构
-5.4 均匀形核
--均匀形核
--均匀形核
-5.5 非均匀形核
--非均匀形核
--非均匀形核
-5.6 晶体长大的动力学条件和液固界面微观结构
-5.7 阶梯的长大机制和生长形态
-讨论1
-讨论2
-习题-第5章
-6.1 匀晶相图
--匀晶相图
--匀晶相图
-6.2 共晶相图
--共晶相图
--共晶相图
-6.3 共析相图与包晶相图
-6.4 其他二元相图
--其他二元相图
--其它二元相图
-6.5 铁碳合金的组元及基本相
-6.6 Fe-Fe3C相图分析与工业纯铁结晶过程
-6.7 钢的结晶过程
--钢的结晶过程
--钢的结晶过程
-6.8 白口铸铁的结晶过程
-6.9 碳对铁碳合金平衡组织的影响
-6.10 碳对Fe-C合金机械性能的影响
-6.11 三元相图的表示方法
-6.12 直线法则与杠杆定律
-6.13 重心法则
--重心法则
--重心法则
-6.14 三元匀晶相图与等温截面图
-6.15 变温截面与投影图
--变温截面与投影图
--变温截面与投影图
-6.16 具有共晶三相平衡的三元系相图概况
-6.17 具有共晶三相平衡的三元系相图分析
-6.18 具有共晶三相平衡的三元系相图截面图与投影图
-讨论1
-讨论2
-习题-第6章
-7.1 固态相变的特点分类
-7.2 固态相变的形核与生长
-7.3 成分保持不变的(无扩散)相变
-7.4 过饱和固溶体的分解
-7.5 共析转变
--共析转变
--共析转变
-7.6 马氏体转变（一）
--马氏体转变（一）
--马氏体转变（一）
-7.7 马氏体转变（二）
--马氏体转变（二）
--马氏体相变（二）
-7.8 贝氏体相变
--贝氏体相变
--贝氏体转变
-讨论1
-讨论2
-习题-第7章
-8.1 点缺陷
--点缺陷
--点缺陷
-8.2 位错的基本概念
--位错的基本概念
--位错的基本概念
-8.3 柏氏矢量
--柏氏矢量
--柏氏矢量
-8.4 位错的运动
--位错的运动
--位错的运动
-8.5 位错的弹性性质
--位错的弹性性质
--位错的弹性性质
-8.6 位错的交互作用
--位错的交互作用
--位错的交互作用
-8.7 位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
-8.8 实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
-8.9 位错反应
--位错反应
--位错反应
-8.10 晶界与相界
--晶界与相界
--晶界与相界
-讨论1
-讨论2
-习题-第8章
-9.1 金属的应力-应变曲线
-9.2 单晶体的塑性变形-滑移
-9.3 单晶体的塑性变形-孪生
-9.4 多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
-9.5 多相合金的塑性变形
-9.6 聚合物与陶瓷的塑性变形
-9.7 变形后的组织与性能
-9.8 晶体的断裂
--晶体的断裂
--晶体的断裂
-9.9 回复和再结晶
--回复和再结晶
--回复和再结晶
-9.10 再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
-9.11 再结晶组织控制
--再结晶组织控制
--再结晶组织控制
-9.12 蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
-讨论1
-讨论2
-习题-第9章
