纯金属的晶体结构

纯金属的晶体结构

1．三种常见的金属晶体结构

固态物质按其原子的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体，晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列的物体，如金刚石、水晶、金属等。非晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体，如松香、石蜡、玻璃等。在一定的条件下晶体和非晶体可以互相转化（I2-1）。

晶体结构是晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。晶格是假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。能反映晶格特征的最小组成单元称为晶胞（I2-2）。晶格常数指的是晶胞的三个棱边的长度a,b,c。

常见的金属晶体结构有

⑴体心立方晶格（BCC—Body-Centered Cube），典型代表为钼（Mo）、钨、钒、铬、铌、α-Fe 等，八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，如图2所示。

⑵面心立方晶格（FCC—Face-Centered Cube），典型代表为铝、铜、镍、金、银、γ-Fe等，原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图1所示。

⑶密排六方晶格（HCP—Hexagonal Close-Packed）典型代表为镁、镉（Cd）、锌、铍（Be）等。12个原子分布在六方体的12个角上，上下底面中心各分布一个原子，上下底面之间均匀分布3个原子，如图3所示。

图1面心立方晶格图2体心立方晶格图3密排六方晶格原子半径指的是晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半，致密度指的是晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。

体心立方模型与晶胞示意图（I2-3）,在体心立方晶格中如图4：

图 4

晶格常数：a=b=c；a=b=g=90°

晶胞原子数：2

原子半径：

致密度：0.68

面心立方模型与晶胞示意图（I2-4），在面心立方晶格中如图5：

图 5

晶格常数：a=b=c；a=b=g=90°

晶胞原子数：4

原子半径：

致密度：0.74

密排六方模型与晶胞示意图（I2-5）,在密排六方晶格中如图1-6：

图 6

底面边长a

底面间距c

侧面间角120°

侧面与底面夹角90°

晶胞原子数：6

原子半径：a/2

致密度：0.74

三种晶胞类型的模型对比示意图（I 2-6）。

2. 金属晶体的特性

金属晶体区别于非晶体是其具有确定的熔点。在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而金属晶体不同方向上的性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性，而非晶体则是各向同性的。但是对于实际的金属，其内部是由许多的晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，因而在宏观上沿各个方向的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。

3. 实际金属中的晶体缺陷

实际金属的结构中存在许多不同类型的缺陷，按几何特征可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。

点缺陷如图7，指的是三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。它包括空位、间隙原子、异类原子。当晶格中某些原子由于某种原因，（如热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。

图7 点缺陷示意图

线缺陷指的是原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如：位错。

位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线，电子显微镜下的位错（I2-7）。由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，图8a为一种最简单的“刃型位错”。因为相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。图8b为一种“螺型位错”，晶体右边上部相对于下部晶面发生错动。

图8a刃型位错示意图图8b螺型位错示意图

刃型位错与螺型位错的形成动画（M2-1）。

晶体中存在大量的位错，一般用位错密度来表示位错的多少。位错密度指单位体积中

位错线的总长度或单位面积上位错线的根数，由于位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶

格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明：晶体的强度和位错密度

有如图9的对应关系，当晶体中位错密度很低时，晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很

高时，其强度也很高。但目前的技术，仅能制造出直径为几微米的晶须，不能满足使用上的

要求。而位错密度很高易实现，如剧烈的冷加工可使密度大大提高，这为材料强度的提高提

供途径。

图9 金属强度与位错密度的关系

面缺陷指的是原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小的缺陷，包括晶界（晶粒与晶粒之间的接触界面）和亚晶界（亚晶粒之间的边界）两种。如图10所示。显然在晶界处原子排列很不规则，亚晶界处原子排列不规则程度虽较晶界处小，但也是不规则的，可以看作是由无数刃型位错组成的位错墙。这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，且位错密度愈大，晶体的强度愈高。

图10面缺陷

合金的晶体结构

1.固溶体

一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成具有金属特性的物质叫合金，组成合金独立的、最基本的单元叫组元。

而相指的是化学成分和晶体结构相同，且有界面与其它部分分开的均匀组成部分。合金中有两类基本相——固溶体和化合物。

合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体，按溶质原子在溶剂晶格中的位置可分为置换固溶体和间隙固溶体，按溶质原子在溶剂中的溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体，按溶质原子在固溶体中分布是否规律可分为无序固溶体和有序固溶体。

由于溶质原子溶入固溶体导致晶格发生畸变，晶格畸变随着溶质原子浓度的增大而增大，位错运动的阻力也随之增大，使金属的滑移变形变得困难，从而提高合金的强度和硬度，这种现象就是固溶强化，是金属强化的一种重要形式。

2.金属化合物

合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相称为金属化合物，化合物类型包括正常价化合物、电子化合物、间隙化合物三种，间隙化合物按非金属原子半径与金属原子半径的比值可分为间隙相和复杂结构的间隙化合物。

正常价化合物——按化合价规律形成，如，Mg2Si 。

电子化合物——按电子浓度规律形成，如，Cu3Al 。

间隙化合物——过渡金属+小半径非金属元素。当r非/r金<0.59时，形成简单晶格的间隙相，如WC、TiC、VC；当r非/r金>0.59时，形成复杂结构的间隙化合物，如Fe3C、Cr23C6。间隙化合物熔点高、硬度高，脆性大。是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。

金属材料的组织

组织指的是在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌，与相是两个不同的概念。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相构成。

金属材料的性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的性能，如45钢经过不同的热处理可以获得珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体等组织，从而获得不