第二章 金的晶体结构与结晶

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1、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 第二节纯金属的结晶 第三节金属的同素异构转变第 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。晶体：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；非晶体：原子（或分子）无规则聚集在一起的物质则称为非晶体。自然界中，除少数物质

2、（如松香、普通玻璃、石蜡等）属于非晶体外， 大多数固态物质都是晶体。由于晶体内部原子（或分子）的排列是有规则的， 所以自然界中许多晶体都具有规则的外形，如结晶盐、水晶、天然金刚石等。但晶体的外形不一定都是有规则的，如金属和合金等，这与晶体的形 成条件有关。因此，晶体与非晶体的根本区别还在于其内部原子（或分子） 的排列是否有规则。晶体与非晶体的区别还表现在许多性能方面，如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。显然，气体和液体都是非晶体。特别是在液体中，虽然其原子（或分子） 也是处于紧密聚集的状态，但不存在周期性排列，所以固态

3、的非晶体可以 看成是一种过冷状态的液体，只是其物理性质不同于通常的液体而已，玻 璃就是一个典型的例子，故往往将非晶体称为玻璃体。非晶体在一定条件 下可以转化为晶体，如玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃。而通常 呈晶态的物质，如果将它从液态快速冷却下来，也可能成为非晶体，如金 属液的冷却速度超过10 C / s时，可得到非晶态金属。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。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问的结合方式有关。金属元素的原子结构有一个共同特点， 就是它的最外层电

4、子数目少， 而且与原子核的结合力较弱， 很容易摆脱原子核的束缚而变成自由电子。 当大量金属原子聚集在一起构成金属晶体时， 多数金属原子失去其最外层 电子而变 成正离子。 正 离子按一定几何规律作周期性排列， 并在 固定位置 上作高频率的热振动；脱离了原子核束缚的电子则在各离子间自由地运动 它们为整个金属所共有。 金属晶体就是依靠各正离子与共有自由电子之间 的引力结合起来的， 离子间及电子间的斥力则与这种引力保持平衡， 使金属处于稳定的晶体状态。 导电性：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；正的电阻温度系数：正离子的热振动对自由电子的运

5、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；导热性：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；塑性：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；光泽：自由电子能吸收可见光的能量，而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。Ll这样，金属

6、晶体就可以近似看成是由刚性小球按一定几何规则紧密堆砌而成的，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 22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。从晶格中可以看出，位于同一直线上的结点每隔一个相等的距离就重 复出现一次；位于同一平面上的结点构成了二维点阵平面，将点阵平面沿 一定方向平移一定的距离，其结点也具有重复

7、性。因此，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 中粗黑线标出的平行六面体所示。可见，将晶胞作三维的重复堆砌就构成 了整个空间点阵。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。规定在坐标原点的前、右、上方为坐标轴的正方 向，并以棱边长度a、b、c分别作为坐标轴的长度单位，如图2 3所示。 这样，晶胞的大小和形状完全可以由三个棱边长度和三个晶轴之间的夹角 a、B、Y来表示。其中棱边长度称为晶格常数。四、常见金属的晶格类型在金属晶体中， 由于原子问的结合方式， 决定了

8、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 格体心立方品格的晶胞如图24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 ,a=p=Y=90），所以只用一个晶格常数即可表示晶胞的大小和形状。 由于晶胞角上的原子同时属于相邻的八个晶胞所共有， 每个晶胞实际 上只占有该原子的 1/ 8， 而中心的原子为该晶胞所独有， 故体心立方晶格 晶胞中的原子数 n=8X1/ 8+1=2（ 个）。属于体心立方晶格类型的金属有a-Fe、Cr、W、Mo 、 V 等 。2面心立方晶格面心立方晶格的晶胞如图 25 所示。在晶胞的六个面的中心及八个角上各有一个原

9、子，它也是一个立方体，所以只用一个晶格常数。 即可表示晶胞的大小和形状。 由于晶胞角上的原 子同时属于相邻的八个晶胞所共有， 而每个面中心的原子为两个晶胞所共 有，故面心立方晶格晶胞中的原子数n=8 X 1 / 8+6 X 1 / 2=4（个）。属于面心立方晶格类型的金属有Y- Fe ,A1、Cu.Ni、 Au、 Ag 、 Pb 等。3密排六方晶格密排六方晶格的晶胞如图2二6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，由六个呈长方形韵侧面和两个呈正六边形的底面组成，所以要用两个晶格常数来表示晶胞的大小和形状，一个是六边形的边长a,另一个是六

10、方柱体的 高度c。由于晶胞角上的原子同时属于相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个晶胞所共有，而体内的三个原子为该晶胞所独有，故密排六方晶格晶胞中的原子数n=12 X 1 / 6+2 X 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

11、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这表明在体心立方晶格中有 68的体积被原子所占据， 其余为空隙。 显然， 晶格配位数与致密度的数值越大， 则原子排列得越紧密。五、晶体的备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。由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子间的结合力也就不同，从而在不同的 晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是具体具有各向异 性

12、的原因。然而，工业金属材料中通常见不到它们具有各向异性的特征， 这主要是因为上述所讨论的是理想状态的晶体结构，而实际金属的晶体结 构与理想晶体相差很大。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。在工业生产中，只有采用特殊方 法才能获得单晶 体。 如 单晶 硅、单晶锗等。 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财的颗粒状， 通常称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面 称为

13、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

14、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

15、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。由图可见，当刃型位错存在时，在晶体的某一晶 面。 ABCD 以 上 多 出 一 个 垂 直 方 向 的 原 子面 EFGH ， 它 中 断 于 晶 面 ABCD 上 EF 处。由 于这个原子面像刀刃一样切入晶体，使晶体中位于晶面 ABCD 上下两部分晶体产生了错排现象， 因而称为刃型位错。 EF 线称为刃型位错 线。 在位错线附近由于错排现象使晶格产生了畸变， 形成了一个应力集中 区。在晶面 ABCD 上方位错线附近区域内，晶体受到压应力；在晶面 ABCD 下方位错线附近区域内， 晶体受到拉应力。 离位错线越远， 晶格畸变的程 度越小， 应力 也越小。螺型位错如图2 13所示，BC线右侧上下两部分晶体沿ABCD晶面 发生了错动。 ab 线右侧上下层原子相对移动了一个原子间距；在 BC 线 和 ab 线之间形成了上下层原子不相吻合的过渡区， 晶面被扭成了螺旋面， 故称为螺型位错。 螺型位错附近区域的晶格也发生了畸变， 形成了一个应 力集中区。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