纯金属晶体的结构特征

自然界的固态物质，根据原子内部的排列特征可分为晶体和非晶体两大类。晶体的原子是按一定几何形状有规律排列的，如金刚石、石墨及一切固态的金属和合金；而非晶体的原子是无规则地堆积在一起的，如玻璃、石蜡、松香等。晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定的熔点，且各向同性。

2.1.1.1　晶体结构基本知识

资源2-1　晶格

（1）晶格

在金属晶体中，原子是按一定的几何规律周期性排列的，如图2-1（a）所示。为了便于分析，把金属晶体中的原子近似看作固定不动的刚性小球，用一些假想的线条将各球中心连接起来，形成一个空间格子，简称为晶格，如图2-1（b）所示。

（2）晶胞

根据晶体中原子排列具有周期性的特点，通常从晶格中选取一个能充分反映晶体特征的最小几何单元来分析原子的排列规律，这个最小几何单元称为晶胞，如图2-1（c）所示。

图2-1　晶格与晶胞

（a）晶体中原子排列；（b）晶格；（c）晶胞

（3）晶格常数

晶胞的大小用晶胞各棱边长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ表示。其中a、b、c称为晶格常数，单位是纳米（1 nm=10-9 m）。棱边a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°的晶胞称为简单立方晶胞。

2.1.1.2　常见的金属晶格类型

不同金属具有不同的性能，主要是由于它们具有不同的晶格类型。金属的晶格类型很多，但最常见的晶格类型有以下三种。

（1）体心立方晶格

如图2-2所示，体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在立方体的中心和八个顶角上各有一个原子。晶胞顶角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，因此每个晶胞中的原子数为1/8×8+1=2（个）。具有体心立方晶格的金属有α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb等约30种，这些金属都具有较高的强度和较好的塑性。

资源2-2　体心立方晶格

图2-2　体心立方晶格

（2）面心立方晶格

如图2-3所示，面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体六个面的中心和八个顶角上各有一个原子。晶胞顶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所共有，因此每个晶胞中的原子数为1/8×8+1/2×6=4（个）。具有面心立方晶格的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等约20种，这些金属都具有较好的塑性。(www.xing528.com)

资源2-3　面心立方晶格

图2-3　面心立方晶格

（3）密排六方晶格

如图2-4所示，密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，在六方柱体的十二个顶角和上下底面中心各有一个原子，在晶胞的中间还有三个原子。晶胞顶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晶胞所共有，因此每个密排六方晶胞中的原子数为1/6×12+1/2×2+3=6（个）。具有面心立方晶格的金属有α-Ti、Mg、Be、Cd、Zn等，这类金属通常较脆。

资源2-4　密排六方晶格

图2-4　密排六方晶格

晶格类型不同，原子在晶格中排列的紧密程度也不相同，通常用致密度（晶胞中原子所占体积与晶胞体积的比值）来比较。在常见晶格类型中，体心立方晶格的致密度为68%，而面心立方晶格和密排六方晶格的致密度均为74%。同一种金属在晶格类型发生变化时，其体积和性能也将发生相应的变化。

2.1.1.3　金属的同素异构转变

有些金属在固态下，其晶体结构会随着温度的变化而发生改变。这种金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。一般常温下的同素异构体用α表示，较高温度下的同素异构体依次用β、γ、δ等表示。

图2-5　纯铁的冷却曲线

图2-5所示为纯铁的冷却曲线，由图可见，液态纯铁冷却到1 538℃时，结晶成具有体心立方晶格的δ-Fe，在1 394℃和912℃发生同素异构转变，分别转变成具有面心立方晶格的γ-Fe和具有体心立方晶格的α-Fe，这些转变可用下式表示：

金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，也遵循晶核形成和晶核长大的结晶规律，故称为二次结晶或重结晶。由于不同晶格类型原子排列紧密程度不同，晶格变化将导致金属的体积发生变化，因此，同素异构转变时会产生较大的内应力。例如γ-Fe转变为α-Fe时，铁的体积会膨胀约1%，它可以引起钢淬火时产生内应力，严重时会导致工件变形和开裂。

纯铁的同素异构转变是钢铁材料能通过热处理方法改变其内部组织结构，从而改变其性能的依据。