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金属的晶体结构
固态物质按其原子（离子、分子）的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。所谓晶体是指原子（离子、分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物体，其排列的方式称为晶体结构，如天然金刚石、水晶、氯化钠等。原子（离子、分子）在空间无规则排列的物体称为非晶体，如普通玻璃、松香、石蜡等。
金属的晶体结构
1.晶格、晶胞和晶格常数
在金属晶体中，原子是按一定的几何规律周期性规则排列的。为了便于研究、人们把金属晶体中的原子近似地设想为刚性小球，这样就可将金属看成是由刚性小球按一定的几何规则紧密堆积而成的晶体，如图2-1所示。
(1)晶格
为了研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚性球体，并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格架，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间格架称为晶格，如图2-2所示。晶格中的每个点叫做结点。
(2)晶胞
晶体中原子的排列具有周期性的特点，因此，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞，如图2—3所示。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在三维空间重复堆积排列而成的。
(3)晶格常数
晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ来表示，如图2-4所示。晶胞的棱边长度称为晶格常数， 当棱边长度a＝b＝c，棱边夹角α＝β＝γ＝ 时，这种晶胞称为简单立方晶胞，由简单立方晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。
(4)晶面、晶向和晶体的各向异性
金属晶体中通过原子中心所构成的不同方位上的原子面称为晶面。通过原子中心所构成的不同方向上的原子列，可以代表晶格空间的一定方向，称为晶向。
由于晶体中不同晶面和晶向上原子排列的紧密程度不同，原子间的结合力大小也就不同，从而在不同的晶面和晶向上会显示出不同的性能，即晶体的各向异性。晶体的这种特性在力学性能、物理性能和化学性能上都能表现出来，并在工业生产中有所应用。
2.常见金属的晶格类型
由于金属原子之间具有很强的结合力，所以金属晶体中的原子都趋向于紧密排列。但不同的金属具有不同的晶体结构，大多数金属的晶体结构都比较简单，其中常见的有以下三种：
(1)体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞是一个立方体。其晶格常数：a＝b＝c，在立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，如图2—5所示。每个晶胞中实际含有的原子数为1+8×1/8＝2个。具有体心立方晶格的金属有铬(Cr)、钨(w)、钼(Mo)、钒(V)、α铁(α—Fe)等。
(2)面心立方晶格
面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，其晶格常数：a=b＝c，在立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图2—6所示。每个晶胞中实际含有的原子数为(1/8)× 8+6×(1/2)
＝4个。具有面心立方晶格的金属有铝(Al）、铜(Cu）、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ铁(γ—Fe)等。
(3)密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是个正六方柱体，它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成。该晶胞要用两个晶格常数表示，一个是六边形的边长a，另一个是柱体高度c。在密排六方晶胞的12个角上和上、下底面中心各有一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子，如图2－7所示。每个晶胞中实际含有的原子数为(1/6)× 12+2×(1/2)+3＝6个。具有密排六方晶格的金属有：镁(Mg)、锌（Zn）、镉（Cd）等。
3．常见晶格的致密度
金属晶体的一个显著特点是其原子趋于最紧密的排列，因而金属晶格中原子排列的紧密程度是反映金属晶体结构特征的一个重要因素。晶体中原子排列的紧密程度也常用晶格的致密度表示。晶格的致密度是指晶胞中所含原子的体积与该晶胞的体积之比。
表2-1列出了三种常见金属晶格的特点。可以看出，在三种常见的晶体结构中，原子排列最致密的是面心立方晶格和密排六方晶格，而体心立方晶格要差些。
在不同晶格类型的晶体中，由于原子排列的紧密程度不同，因而具有不同的比容(即单位质量物质所占的容积)，当金属的晶格类型发生转变时，会引起金属体积的变化。若体积的变化受到约束，则会在金属内部产生内应力，从而引起工件的变形或开裂。
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晶格类型 |
晶胞中的原子数 |
原子半径 |
致密度 |
常见金属 |
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体心立方 |
2 |
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0.68 |
铬(Cr)、钨(w)、钼(Mo)、钒(v)、α铁 |
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面心立方 |
4 |
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0.74 |
铜(cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag) γ铁 |
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密排六方 |
6 |
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0.74 |
镁(Mg)、锌（Zn）、镉（Cd） |
表2-1 三种常见金属晶格的结构特点
2.1.2金属的实际晶体结构
如前所述，晶体具有各向异性。但是工业上实际应用的金属材料，一般不具备各向异性。例如对体心立方晶格的 -Fe(纯铁)进行测定，其任何方向上的弹性模量均为211GPa。原来工业上实际应用的金属材料通常是多晶体材料，而只有单晶体材料才具有各向异性。所谓单晶体是指晶格位向(或方位)—致的晶体。而所谓的位向(方位)一致，是指晶体中原子(或离子、或分子)按一定几何形状做周期性排列的规律没有破坏，因此晶体中实际的晶面与晶向的位置和方向保持与晶体所假想的周期性延伸时的晶面与晶向一致。
1.多晶体
工业上实际应用的金属材料一般是多晶体材料。所谓多晶体材料是指整块金属材料包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位向是一致的，而各小晶体之间彼此方位不同。这种由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶体结构，如图2-8所示。多晶体中每个外形不规则的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒间的界面就是晶界。由于晶界是两相邻晶粒之间不同晶格位向的过渡层，所以晶界上原子的排列总是不规则的。
多晶体结构之所以测不出像单晶体那样的各向异性，是因为大量微小的晶粒之间位向不同，因此在某一方向上的性能，只能表现出这些晶粒在各个方向上的平均性能。由于这种现象类似于非晶体的各向同性，故称为“伪各向同性”。这里顺便指出，若在多晶体材料中各晶粒的某一晶面或晶向的方位趋向一致，则多晶体材料也将具有各向异性。
多晶体结构中，一般晶粒尺寸小，如钢铁材料晶粒尺寸一般为10-1-10-3mm左右，必须通过显微镜放大几十倍乃至几百倍以上才能观察到。在显微镜下不能直接观察到这些小晶体的立体形态，而只能观察到所要研究的金属试样表面所截晶粒的平面图形。通过对所要观察试样表面的细磨和抛光，获得平整而没有磨痕的光洁表面，然后用腐蚀剂对试样表面进行腐蚀。由于晶粒的晶界容易被腐蚀成凹沟，所以在显微镜下呈现出暗色的晶界，而晶粒内部相对比较明亮，如图2-9所示。
这种在显微镜下所观察到的金属材料各种类晶粒的显微形态，即晶粒的形状、大小、数量和分布等情况，称为显微组织或金相组织，简称组织。金属材料的组织决定了金属材料的性能。实验和理论都证实，金属的晶粒越细，金属材料在室温时的强度、硬度就越高，塑件和韧性也越好。
2.晶体的缺陷
前面所介绍的金属晶体结构是理想情况下的，实际晶体中总是存在各式各样的缺陷，把这种晶体(晶格)中原子(或离子、或分子)周期性排列的规律有变化的现象就称为晶体的缺陷。按照几何特征，晶体的缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
(1)点缺陷
点缺陷是指晶体在三维方向上尺寸都很小(原子尺寸范围内)的缺陷。常见的点缺陷有空位、间隙原子、置换原子。空位是指在正常的晶格结点上没有原子，如图2-11(a)所示；间隙原子是指个别晶格空隙之间存在的多余原子，如图2-11(b)所示；置换原子是指晶格结点上的原子被其它元素的原子所取代，如图2-11(c)所示。由于点缺陷的出现，原子间作用力的平衡被破坏了，促使缺陷周围的原子发生靠拢或撑开，即产生了晶格的畸变，如图2-11(a)(b)(c)所示。这将会引起金属强度、硬度、电阻等的增加。
(2)线缺陷
线缺陷是指二维尺度很小，而第三维尺度很大的缺陷，也称为位错。位错分为两类，即刃型位错和螺型位错。刃型位错是比较简单的一种，如图2-12所示。这种缺陷的特点是：在晶体的某一个晶面的上下两部分的原子面产生错排，就好像沿着某方位的晶面插入的一个多余原子面，但又未插到底，犹如插入刀刃一般，故称为刃型位错，而多余原子面的底边称为刃型位错线。
晶体中位错的存在，对晶体力学性能将产生很大的影响。若金属为理想晶体或仅含极少量位错时，金属的屈服强度σS很高，当含有一定量的位错时，强度降低，当进行形变加工时，位错密度增加，屈服强度σS将会增高。
(3)面缺陷
面缺陷是指晶体的二维尺度很大，而另一维方向上的尺寸很小的缺陷。晶体的面缺陷主要有两种，即是晶界和亚晶界。实际金属材料一般为多晶体材料，其相邻两晶粒之间的位向差多数为30º-40º的大角度。晶界处原子的排列必须从一种晶粒的位向过渡到另一种晶粒的位向，因此晶界成为两晶粒之间原子无规则排列的过渡层。如图2-14(a)所示。在晶体中，每个晶粒内部的原子排列只是大体上符合晶体的规则排列。
在实际金属晶体中的晶粒内部，存在图2-14（b）所示的面缺陷，有许多尺寸的小晶块，它们之间的位向差很小，只有几分、几秒，一般小于1º～2º，它们相互镶嵌成一颗晶粒。在这些小晶块的内部原子排列的位向是一致的，这些小晶块称为亚晶粒(或亚结构，或镶嵌块)，相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界。
晶界有许多不同于晶粒内部的特性，如常温下晶界越多，即晶粒越细，则将使金属材料的强度、硬度越高，但在高温下则相反；又如晶界的熔点低，晶界容易被腐蚀等。亚晶界对金属性能的影响与晶界相似，如亚晶界越多，即亚晶越细，将使金属的屈服强度增大。
综合上所述，实际金属晶体一般不是单晶体，而是多晶体材料，且存在许多晶体缺陷。其特点、形式、对性能的影响见表2-2。
表2-2 实际金属晶体结构特征
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晶体缺陷的类别 |
主要形式 |
对材料性能的影响 |
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点缺陷 |
空位,间隙原子,置换原子 |
金属扩散的主要方式 |
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线缺陷 |
刃型位错,螺型位错 |
加工硬化,固溶强化,弥散强化 |
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面缺陷 |
晶界,亚晶界 |
易腐蚀,易扩散,熔点低,强度高,细晶强化 |
2.1.3合金的相结构
由于纯金属性能的局限性，不能满足各种使用要求。所以目前使用的金属材料绝大多数是合金。由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质称为合金，例如，最普通的碳钢和铸铁就是由铁和碳所组成的铁碳合金。组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元，组元通常是纯元素或稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分成二元合金或多元合金等。合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分称为相。合金在固态下可以形成均匀的单相合金，也可以是由几种不同的相组成多相合金，合金中的相之间由明显的界面分开。
虽然各种合金中的组成相是多种多样的、但它们可以归纳为固溶体和化合物这两种基本类型。
1．固溶体
固溶体是指溶质原子溶入溶剂中形成的均一的结晶相，固溶体的晶格类型与其中某一组元的晶格类型相同，而其他组元的晶格结构将消失。能保留住晶格结构的组元元素称为溶剂，晶格结构消失的组元元素称为溶质。因此，固溶体的晶格与溶剂的晶格相同，而溶质以原子状态分布在溶剂的晶格中。
按照溶质原子在溶剂中分布情况的不同，固溶体可分为以下两种类型。
(1)间隙固溶体 溶质原子处于溶剂晶格的间隙中的固溶体称为间隙固溶体，如图2-14a所示。实验证明：当溶质元素与溶剂元素的原子半径之比小于0.59时才能形成间隙固溶体，因此形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如H、C、O、N等。非金属元素的原子半径小、形成间隙固溶体的例子很多。如碳钢中碳原子溶入α-Fe晶格的间隙中，形成称为铁素体的间隙固溶体，碳原子溶入γ-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体称为奥氏体。溶质原子溶入溶剂的数量越多，溶剂的晶格畸变就越大，当溶质的溶入超过一定数量时，溶剂的晶格就会变得不稳定，于是溶质原子就不能继续溶解，所以间隙固溶体永远是有限固溶体。
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图2-14 固溶体的类型
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(2)置换固溶体 溶剂晶格中的某些结点位置被溶质原子取代的固溶体称为置换固溶体，如图2-14b所示。形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂中的溶解度主要取决于两者在元素周期表中位置、晶格类型和原子半径的大小。—般说来，溶质与溶剂原子在周期表中位置越靠近、晶格类型相同，原子半径差越小，其溶解度越大，甚至可以以任何比例互溶形成无限固溶体。例如，铜和镍都是面心立方晶格，铜的原子半径为 m．镍的原子半径为 m是处在同—周期并且相邻的两个元素，所以可以形成无限固溶体。由于溶质原子与溶剂原子的直径不可能完全相同，因此，形成置换固溶体时也会造成固溶体中的晶格常数的变化和晶格畸变，如图2-15所示。
固溶体的性能，由于溶质原子的溶人，使固溶体的晶格发生畸变，位错的移动受到了阻碍。结果使金属材料的强度、硬度升高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的变形抗力增大、强度、硬度升高的现象称为固溶强化，它是金属材料强化的重要途径之一。实践证明，适当掌握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。例如，向铜中加入19％的镍，可使纯铜的强度极限由220Map 提高到380MPa，硬度由44HBS提高到70HBS，而伸长率仍然保持在50％左右。所以对力学性能要求较高的结构材料，几乎都是以固溶体作为最基本的组成相。
2．金属化合物
合金中溶质含量超过溶剂的溶解度时将出现新相，这个新相可能是一种晶格类型和性能完全不同于任意合金组元的化合物，例如碳钢中的Fe3C (渗碳体)。金属化合物一般具有复杂的晶体结构。金属化合物的特点是熔点高、硬度高和脆性大。因此，当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会降低塑性和韧性。金属化合物是各类合金钢、硬质合金及许多有色合金的重要组成部分。
多数工业合金均为固溶体和少量化合物构成的混合物，通过调整固溶体的溶解度和其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的力学性能在—个相当大的范围内变动、从而满足不同的性能要求。
合金的相结构对合金的性能有很大的影响,表2-3归纳了合金相结构的特征。
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类别 |
分类 |
在合金中的位置及作用 |
力学性能特点 |
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固溶体 |
置换固溶体,间隙固溶体 |
基体相,提高塑性及韧性 |
塑、韧性好,强度比纯组元高 |
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金属化合物 |
正常价化合物,电子价化合物,间隙化合物 |
强化相,提高强度,硬度及耐磨性 |
熔点高,硬度高,脆性大 |
表2-3 合金的相结构特征
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