任务1　认识金属的晶体结构

【任务描述】

对于金属内部结构的研究通常把金属原子作为研究的基本对象，讨论金属原子间的相互结合以及原子排列规律等。金属在固态下通常都是晶体，要了解金属内部结构，首先要了解晶体的结构，其中包括晶体中原子之间的相互作用、结合方式、原子排列方式和分布规律、各种晶体的特点与差异等。

【知识链接】

知识点一　金属晶体结构的基本知识

1.晶体与非晶体

固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体如图2－1（a）和非晶体如图2－1（b）两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起（如松香、玻璃、沥青）。晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定熔点，且各向同性。

图2－1　晶体与非晶体

2.晶体结构的基本概念

（1）晶格

为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子近似的看成一个点，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格如图2－2（a）。晶格中直线的交点称为结点。

（2）晶胞

构成晶格的最基本单元如图2－2（b）。整个晶格都是由相同的晶胞周期性重复堆积而成的。

图2－2　晶体与晶胞示意图

（3）晶格常数

晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角α、β、γ是衡量晶胞大小和形状的六个参数，其中a、b、c称为晶格常数或点阵常数。其大小用7A来表示（17A=10^－8cm）。

若a=b=c，α=β=γ=90°这种晶胞就称为简单立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。

（4）晶面

点阵中的结点所构成的平面如图2－3（a）。

图2－3　晶面与晶向

（5）晶向

点阵中的结点所组成的直线所指的方向（如图2－3（b））。

3.常见金属的晶体结构类型

研究表明，在金属元素中，约有百分之九十以上的金属晶体都属于如下三种密排的晶体结构类型。

（1）体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1/8个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为8×1/8+1=2（个）（如图2－4）。属于这种体心立方晶格的金属有α－Fe、Cr、Mo、W、V等。

图2－4　体心立方晶格示意图

（2）面心立方晶格

面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8×1/8+6×1/2=4（个）（如图2－5）。属于这种晶格的金属有：Al、Cu、Ni、Pb、γ－Fe等

图2－5　面心立方晶格示意图

（3）密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。一个是柱体的高度c，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。

密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12×1/6+2×1/2+3=6（个）（如图2－6）。属于这种晶格的金属有铍（Be）、镁（Mg）、锌（Zn）、镉（Cd）等。

图2－6　密排六方晶格示意图

知识点二　金属的实际结构和晶体缺陷

1.单晶体与多晶体

如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体为单晶体（如图2－7（a））。以上我们讨论的情况都指这种单晶体的情况。

但在工业金属材料中，除非专门制作，否则都不是这样，即使在一块很小的金属中也含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。

这种小晶体的外形呈颗粒状，称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界处，原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，总是不规则的。

多晶体：实际上由多个晶粒组成的晶体称为“多晶体”（如图2－7（b））。

对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同，导致各个方向上的性能不同，即“各向异性”的特点；而多晶体对每个小晶粒具有“各向异性”的特点，而就多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能，不具备“各向异性”的特点。

图2－7　单晶体与多晶体示意图

2.晶体缺陷

随着科学技术的发展，人们发现，在金属中还存在着各种各样的晶体缺陷，按其几何形式的特点分为如下三类：(www.daowen.com)

（1）点缺陷

点缺陷即原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小的缺陷。晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷（如图2－8）。

图2－8　点缺陷示意图

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，如材料的屈服强度提高和电阻增加等。

（2）线缺陷

线缺陷即原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大的缺陷，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（如图2－9）。

图2－9　刃形位错示意图

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2－9为一种最简单的位错“刃型位错”。在ABCD晶面以上垂直插入一个原子面EFGH，像刀刃一样切到EF线上，使ABCD晶面上、下两部分晶体的原子排列数目不等，即原子产生了错排现象，故称“刃型位错”。

实际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：单位体积中位错线的总长度，或单位面积上位错线的根数，单位（cm－2）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。

大量的实验和理论研究表明，晶体的强度和位错密度有如图2－10的对应关系，理想晶体强度很高，位错的存在可降低强度，当位错数量大量产生以后，强度又提高。没有缺陷的晶体很难得到，所以生产中一般是采用增加位错的办法提高强度，但塑性随之降低。

图2－10　金属强度与位错密度的关系

（3）面缺陷

面缺陷即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，晶界和亚晶界（如图2－11）是晶体中典型的面缺陷，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2－11　面缺陷示意图

知识点三　合金的晶体结构

1.合金的基本概念

由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。

在纯金属或合金中，具有相同的化学成分、晶体结构和相同物理性能的组元称为“相”。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成的合金称为单相合金，由两个以上固相组成的合金称为多相合金。

合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况所决定的。

2.合金的相结构

由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。

（1）固溶体

合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。按照溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同，将固溶体分为以下两类：

①置换固溶体：当溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格中某些结点位置时，所形成的固溶体称为置换固溶体，如图2－12（a）。

②间隙固溶体：若溶质原子在溶剂晶格中并不占据结点的位置，而是处于各结点间的空隙中，则这种形式的固溶体称为间隙固溶体，如图2－12（b）。

不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，如图2－13，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。

图2－12　固溶体结构示意图

图2－13　固溶体中晶格畸变示意图

固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。

（2）金属化合物

金属化合物是指合金组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，一般可用分子式表示。根据形成条件及结构特点，常见的金属化合物有三种类型。

①正常价化合物是指严格遵守原子价规律的化合物，它们是由元素周期表中相距较远，电化学性质相差较大的元素组成的，如Mg₂Si、Mg₂Sn、Mg₂Pb、Cu₂Se等。

②电子化合物不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律。电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的比值。

电子浓度为3/2时，晶体结构为体心立方晶格，称β相，电子浓度为21/13时，晶体结构为复杂立方晶格，称为γ相；电子浓度为7/4时，晶体结构为密排六方晶格，称为ε相。合金中常见的电子化合物见表2－1。

表2－1　合金中常见的电子化合物

③间隙化合物是指由过渡族金属元素与原子半径较小的碳、氮、氢、硼等非金属元素形成的化合物。尺寸较大的金属元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属元素的原子则有规律地嵌入晶格的间隙中。按结构特点，间隙化合物分为间隙相和复杂晶体结构的间隙化合物。

当非金属元素的原子半径与金属元素的原子半径的比值＜0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相，如TiC、WC、VC等。

当非金属元素的原子半径与金属元素的原子半径的比值＞0.59时，形成具有复杂晶体结构的间隙化合物，如Fe₃C、Mn₃C、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆等。

Fe₃C是铁碳合金中的一种重要的间隙化合物，通常称为渗碳体，其碳原子与铁原子半径之比为0.61。Fe₃C的晶体结构为复杂的斜方晶格（图2－14），熔点约1227℃，硬度高（约1000HV），塑性和韧性很差。

图2－14　Fe₃C的晶体结构

金属化合物的晶格类型和性能不同于组成它的任一组元，一般熔点高、硬而脆，生产中很少使用单相金属化合物的合金。但当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称弥散强化。因此，金属化合物主要用来作为碳钢、低合金钢、合金钢、硬质合金及有色金属的重要组成相及强化相。