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金属材料钢铁材料的晶体结构基础知识

各种材料具有不同的物理、化学性能,这些性质主要是由材料的化学组成及结构状况(原子在固体中的排列方式、化学键的种类、固体中的电子态、实际晶体中的缺陷及显微结构状况等)所决定。影响材料各种性能的结构层次及类别是十分丰富多样的。从尺度上讲,运动范围从只有埃量级的核外电子结构到微米级的晶粒以至尺度更大的孔隙、裂纹等均对材料的不同性质起着不同的影响。毫无疑问,原子、离子的理想排列状况即晶体结构对材料性质有决定性的影响,所以掌握晶体结构方面的知识是非常重要的。

晶体结构.jpg

人们对晶体的认识,是从石英开始的。古代人们把外形上具有规则的几何多面体形态的石英(即水晶)称为晶体。后来,人们把凡是天然的具有几何多面体形态的固体,例如,食盐、方解石、磁铁矿等,都称为晶体。

随着生产的发展科学技术的进步,人们对晶体的认识不断深化。本世纪初,应用X射线分析的方法,研究了晶体的内部结构以后,发现一切晶体不论其外形如何,它的内部质点(原子、离子或分子)都是有规律排列的,即晶体内部相同质点在二维空间均成周期性重复,构成了格子构造。所以,严格说对晶体的定义是:晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体;或者说,晶体是具有格子构造的固体

  任何一种晶体,不管它有多少种类的质点,也不管它们在二维空间排布的具体形式如何复杂,其晶体内部结构的最基本的特征都是质点在三维空间作有规律的周期重复。空间点阵是表示晶体结构中质点重复规律的几何图形。

现以NaNO2晶体结构为例进行说明。图1—1a)是NaNO2晶体结构的二维图形,其中单位矢量长度:

b=0.556nm    c=0.538nm 

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1—l   NaNO2晶体结构的二维结构a)结构图(b)结构单元(c)空间点阵

    这个图形告诉我们,在晶体结构中有一个象图1—2b)中所示的那样一个基本单元,如果我们把整个晶体结构图形比拟成一块花布,这个基本单元就是花布中的一朵花。在晶体结构中,这个由质点(原子或离子)组成的基本单元称为结构单元(或称为基元)。这个结构单元可以是由一个原子(或离子,下同)或一个包含着几个原子的分子所组成,也可以由几个同种类的原子或包含着几个分子的复杂原子团所组成。在任何理想的晶体内,结构单元中所包含的质点间相互关系,在整个晶体中都是一样的。NaNO2的结构单元就由包含着两个氧原子,一个氮原子及一个钠原子四个质点的亚硝酸钠分子所组成的。结构单元应该包括这个晶体中所有的不等同的原子,但又不应该包括完全等同的原子。这里所说的等同,不仅是指属于同一种元素的原子,还包括其周围的物理化学环境及几何环境也应该相同。例如图1—1b)有两个氧原子,但在NaNO2晶体中它们所处的几何环境就不一样,一个氧原子在左上角有氮原子,但在右上角则没有氮原子与其相邻,而另一个氧原子的环境却为相反。因此这两个氧原子在晶体结构中是不等同的,所以应该把这两个氧原子都包括在同一个结构单元中。另一方面我们不应该把这个结构单元再扩大了,因为晶体中任何其他原子都是与图1—1b)这个图案中的某一个原子等同的。

这个结构单元在空间是以一定周期重复出现的。例如由图1—1a)可以着出来,在b轴及c轴方向上,各以0.556nm0.538nm为间隔作周期重复。这个重复周期的尺度与实际晶体尺寸比较是如此小,如对于边长为1厘米尺度的晶体来说,这种重复达10710数量级,因此把它看成是无限多次重复是可以的。这样在NaNO2晶体中,我们若把整个图形沿着b方向移动0.556nm或其整数倍,图形就和没有移动过以前一样,同样在c方向移动0.538nm或其整数倍,整个图形也可以复原,在垂直纸面的a方向,如以0.355nm或其整数倍移动也同样可以复原。按以上周期依次在两个或三个方向平移,当然也可以把图形复原。晶体中的这个特点称之为周期重复性,或说具有平移对称性。

    我们可以用数学矢量形式来表达这个周期重复的性质,即对整个图形作

=manbpc  (m,np0,±1,±2……任意整数)    1—1

的平移,图形可以复原,称为平移矢量。可以有一系列无限多的大小及方向不同的值。在晶体中一定有这样的性质:

    1)从晶体结构中任何一个原子(或其它任何点)出发,以矢量进行平移,一定会重合在另一个等同的原子上(或相应的等同点上)。

    2)任何两个等同原子(或其他等同点)的连线一定也是一个矢量。

    不符合这两条原则的固体结构就不属于晶体,或者把平移的单位矢量选错了。所以我们也可以说晶体就是有矢量的固体材料。

..........

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