第二章 金属的晶体结构与结晶

第二章金属的晶体结构与结晶

不同的金属材料具有不同的力学性能；同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的。金属性能的这些差异，完全是由金属内部的组织结构所决定的。因此，研究金属的晶体结构及其变化规律，是了解金属性能，正确选用金属材料，合理确定加工方法的基础。第一节金属的晶体结构

一、晶体与非晶体

固态物质按其原子（或分子）的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。凡原子（或分子）按一定的几何规律作规则的周期性重复排列的物质，称为晶体；而原子（或分子）无规则聚集在一起的物质则称为非晶体。

晶体具有固定的熔点（或凝固点）、具有各向异性的特征。而非晶体则没有固定的熔点（或凝固点），具有各向同性的特征。

晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化。

二、金属晶体的特性

晶体又分为金属晶体和非金属晶体两类。金属晶体除具有晶体所共有的特征外，还具有独特的性能，如金属具有金属光泽、良好的导电性和导热性、良好的塑性及正的电阻温度系数等。这主要与金属的原子结构及原子间的结合方式有关。

金属中的自由电子在外电场作用下会沿电场方向作定向运动，形成电流，使金属晶体显示出良好的导电性；正离子的热振动对自由电子的运动有阻碍作用，随温度升高，正离子热振动的幅度加大，对自由电子的阻碍作用增大，因此，金属晶体的电阻随温度升高而增大，即具有正的电阻温度系数；由于正离子的振动和自由电子的运动可以传递热能，从而使金属晶体具有良好的导热性；金属晶体中的原子发生相对位移后，正离子与自由电子之间仍保持原有的结合方式，使金属显示出良好的塑性；自由电子能吸收可见光的能量，跃迁到较高的能级上，当它返回原来低能级时，就把所吸收的能量以电磁波的形式辐射出来，宏观上显示金属晶体具有光泽。三、晶体结构的基本知识在研究金属的晶体结构时，为分析问题方便，通常将金属中的原子近似地看成是刚性小球。如图2–1所示。为了便于理解和描述晶体中原子的排列情况，可将刚性小球再抽象成为一个几何点，几何点位于刚性小球的中心。这种几何点的空间排列称为空间点阵，简称为点阵。点阵中的几何点称为结点或阵点。在表达点阵的几何图形时，为了观察方便，可作许多平行直线将结点连接起来，构成三维的几何格架，如图2–2所示。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称为晶格。为了说明点阵排列的规律和特点，可在点阵中取出一个具有代表性的基本几何单元来进行分析，这个点阵的组成单元称为晶胞，如图2–2所示。在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作坐标轴X、Y、Z，称为晶轴。如图2–3所示。

四、常见金属的晶格类型

在金属晶体中，由于原子间的结合方式，决定了金属晶体具有高度对称的简单的晶体结构。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如图2–4所示。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，它是一个立方体（a=b=c，α=β=γ=90º）。体心立方晶格晶胞中的原子数n=8×1/8+1=2（个）。属于体心立方晶格类型的金属有α-Fe、Cr、W、Mo、V等。

2．面心立方晶格面心立方晶格的晶胞如图2–5所示。在晶胞的六个面的中心及八个角上各有一个原子，它也是一个立方体。面心立方晶格晶胞中的原子数n=8×1/8+6×1/2=4（个）。属于面心立方晶格类型的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。

3．密排六方晶格密排六方晶格的晶胞如图2–6所示。在晶胞的每个角和上、下底面的中心上各有一个原子，晶胞的体内还有三个原子，它是一个六方柱体，由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面组成。密排六方晶格晶胞中的原子数n=12×1/6+2×1/2+3=6（个）。属于密排六方晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。

4．配位数与致密度晶体中原子排列的紧密程度与晶体结构类型有关。为了定量地表示晶体中原子排列的紧密程度，通常使用配位数和致密度这两个参数。配位数是指晶体结构中与任一原子最邻近且等距离的原子数，例如体心立方晶格的配位数是8。由于把晶格中原子看成是刚性小球，因此，晶体中原子排列的紧密程度可用晶胞中原子所占体积与该晶胞体积的比值来表示。例如在体心立方晶格中每个晶胞含有2个原子，原子直径与晶格常数之间的关系如图2–7所示，故体心立方晶格的致密度为：

===0.68五、晶体的各向异性在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。图2–8所示为简单立方晶格中的一些晶面。通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向，如图2–9所示。六、金属的实际晶体结构如果一个晶体内部其晶格位向（即原子排列的方向）是完全一致的，则这种晶体称为单晶体，如图2–10a所示。实际使用的金属材料即使体积很小，其内部仍包含了许许多多颗粒状的小晶体，每个小晶体的内部晶格位向是一致的，而各个小晶体彼此之间晶格位向不同，如图2–10b所示。小晶体的外形呈不规则的颗粒状，通常称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。一般金属材料都是多晶体结构。

由于实际金属材料是多晶体结构，其内部包含了大量彼此位向不同的晶粒，一个晶粒的各向异性在许多位向不同的晶粒之间可以互相抵消或补充，因此，整个金属的性能则是这些晶粒性能的平均值，故实际金属材料表现为各向同性，称为伪各向同性。

由于晶粒与晶粒之间存在着晶格位向上的差异，所以在晶界处原子的排列就不可能是规则的，这种原子排列不规则的区域称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，可将晶体缺陷分为以下三种：

1．点缺陷点缺陷是晶体中呈点状的缺陷，即在三维方向上的尺寸都很小的晶体缺陷。常见的点缺陷是空位和间隙原子，如图2–11所示。在实际晶体结构中，晶格的某些结点往往未被原子占据，这种原子空缺的位置称为空位。与此同时，在晶格的某些空隙处又会出现多余的原子，这种不占有正常结点位置而是处在晶格空隙之中的原子，称为间隙原子。

在空位和间隙原子的附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的原子都离开了原来的平衡位置，这种现象称为晶格畸变。点缺陷的存在对金属的性能有影响，如使金属的屈服点升高，塑性下降等。

2．线缺陷线缺陷是指在三维空间的一个方向上尺寸很大，其余两个方向上尺寸很小的一种晶体缺陷。晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。位错是指在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。晶体中的位错有刃型位错和螺型位错两种基本类型。刃型位错如图2–12所示。螺型位错如图2–13所示。

实验表明，在实际金属晶体中存在着大量的位错。晶体中位错数量的多少，可用单位体积内位错线的总长度来表示，称为位错密度。位错在晶体内的运动及位错密度的变化对金属的性能、塑性变形及相变有着极为重要的影响。

3．面缺陷面缺陷是指在两个方向上的尺寸很长，第三个方向上的尺寸很小，呈面状分布的一种晶体缺陷。通常是指晶界和亚晶界。晶界处原子排列的不规则，使晶格处于畸变状态，因而晶界与晶粒内部有着一系列不同的特性，如晶界在常温下的强度、硬度较高，而在高温下强度、硬度较低；晶界容易被腐蚀；晶界的熔点低等。实验证明，晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的，每个晶粒都是由尺寸更小、位向差也更小的小晶块组成的，这些小晶块称为亚晶粒或亚结构。亚晶粒与亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界是由一系列刃型位错组成的小角度晶界。亚晶界处同样产生晶格畸变，对金属的性能同样有重要影响。第二节纯金属的结晶

金属从液态经冷却转变为固态的过程，也就是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程，这一过程称为结晶过程。一、纯金属的冷却曲线和过冷现象纯金属都有一个固定的结晶温度（或称凝固点），所以纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下进行的。金属的结晶温度可用热分析实验法来测定。热分析实验的装置如图2–16所示。纯金属的冷却曲线，如图2–17所示。从冷却曲线上可以看出，在冷却曲线上出现了一个平台，这个平台所对应的温度就是纯金属进行结晶的温度。由于金属在结晶过程中会释放结晶潜热，它补偿了向外界散失的热量，使温度并不随时间增长而下降，因而在冷却曲线上出现了平台。直至金属结晶终了，温度又继续下降。纯金属在无限缓慢的冷却条件下（即平衡条件下）冷却，所测得的结晶温度称为理论结晶温度，用符号T0表示。在T0温度，晶体与液体处于平衡状态。实际情况下，由于冷却速度较快，金属液总是在理论结晶温度T0以下的某一温度Tn才开始结晶，Tn称为实际结晶温度。实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象称为过冷现象。理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn的差值ΔT称为过冷度。金属结晶时的冷却速度越快，过冷度越大。过冷是金属结晶的必要条件。二、纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经历的这段时间内发生的。它是不断形成晶核和晶核不断长大的过程，如图2–18所示。在晶核长大的初期，其外形是比较规则的。随着晶核的长大和晶体棱角的形成，由于棱边和尖角处的散热条件优越，晶粒在棱边和尖角处就优先长大，如图2–19所示。晶体的这种生长方式就象树枝一样，先长出干枝，然后再长出分枝，因此，所得到的晶体称为树枝状晶体，简称为枝晶。晶体在长大的过程中，由于金属液流动等原因而发生枝晶晶轴之间的相对转动，产生晶格位向差，于是，在晶粒内部就形成了亚晶粒。三、金属结晶后的晶粒大小

1．晶粒大小对金属力学性能的影响金属结晶后的晶粒大小可用单位体积内的晶粒数目来表示。实验证明，在常温下细晶粒金属的力学性能比粗晶粒金属高。表2–1说明了晶粒大小对纯铁力学性能的影响。表2–1晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒平均直径/μm抗拉强度/MPa伸长率（%）9716828．87018430．62521539．5226848．81．627050．7128450(单击图片播放)

2．细化晶粒的方法金属结晶后单位体积内晶粒的数目取决于结晶时的形核率和晶核的长大速度。形核率是指单位时间、单位体积金属液内形成的晶核数目。（1）增加过冷度即加快金属液的冷却速度能使晶粒细化。这种方法只适用于中、小型铸件。（2）变质处理即在浇注前向金属液中加入少量形核剂（又称变质剂或孕育剂），造成大量非自发形核，使晶粒细化。（3）振动处理金属结晶时，对金属液进行机械振动、超声波振动或电磁振动等，使生长中的枝晶破碎，提高形核率，达到细化晶粒的目的。第三节金属的同素异构转变

大多数金属结晶终了后，在继续冷却的过程中，其晶体结构不再发生变化。但有些金属如铁、钴、钛等，在固态下因所处温度不同而具有不同的晶格形式。金属在固态下随温度的改变由一种晶格变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变或同素异晶转变。由同素异构转变所得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体或同素异晶体。常温下的同素异构体一般用符号α表示，温度较高时的同素异构体依次用符号β、γ、δ表示。金属的