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金属的晶体结构与结晶

第一节金属的晶体结构

固态物质按其原子排列规律的不同可分为晶体与非晶体两大类。原子呈规则排列的物质称为晶体，如金刚石、石墨和固态金属及合金等，晶体具有固定的熔点，呈现规则的外形，并具有各向异性特征；原子呈不规则排列的物质称为非晶体，如玻璃、松香、沥青、石蜡等，非晶体没有固定的熔点。

一、晶体结构的基本概念

在金属晶体中，原子是按一定的几何规律作周期性规则排列。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。

图2.1晶体、晶格与晶胞示意图

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子，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子称为晶格。晶体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。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2.1c)所示。晶胞的棱边长度称为晶格常数，以埃(?)为单位来表示(1?=10-8

当棱边长度a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°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。

二、常见金属的晶格类型

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，。每个晶胞中实际含有的原子数为(1/8)×8+1=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。

图2.2体心立方晶胞示意图

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，在立方体的八个角和立方体的六个面的中心各有一个原子。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。

图2.3面心立方晶胞示意图

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。在密排六方晶胞的十二个角上和上、下底面中心各有一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。每个晶胞中实际含有的原子数为（1/6）×12+（1/2）×2+3=6个。具有密排六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)等。

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图2.4密排六方晶胞示意图

三、晶格的致密度

晶体中原子排列的紧密程度与晶体结构的类型有关，通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常用数据。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，其次是体心立方晶格。

表2.1三种常见金属晶格的常用数据

晶格类型

晶胞中的原子数

原子半径

致密度

体心立方晶格

2

0.68

面心立方晶格

4

0.74

密排六方晶格

6

0.74

四、金属的实际晶体结构

1．多晶体结构

实际工程上用的金属材料都是由许多颗粒状的小晶体组成，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而各小晶体之间位向却不相同，这种不规则的、颗粒状的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，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。

图2.5金属的多晶体结构示意图

2．晶体缺陷

实际金属具有多晶体晶体，由于结晶条件等原因，会使晶体内部出现某些原子排列不规则的区域，这种区域被称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点，可将其分为以下三种类型：

（1）点缺陷：点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。最常见的点缺陷是晶格空位和间隙原子。在实际晶体结构中，晶格的某些结点往往未被原子占有，这种空着的结点位置称为晶格空位；处在晶格间隙中的原子称为间隙原子。在晶体中由于点缺陷的存在，将引起周围原子间的作用力失去平衡，使其周围原子向缺陷处靠拢或被撑开，从而晶格发生歪扭，这种现象称为晶格畸变。晶格畸变会使金属的强度和硬度提高。

图2-6晶格空位和间隙原子示意图

（2）线缺陷：线缺陷是指在一个方向上的尺寸很大，另两个方向上尺寸很小的一种缺陷，主要是各种类型的位错。所谓位错是晶体中某处有一列或若干列原子发