金属晶体结构的实际情况

前面讨论的金属晶体结构是把晶体内部原子排列的位向看成是完全一致时理想的单晶体结构。实际上金属材料不都是这样的理想结构，而是一个多晶体结构，并存在有很多缺陷。

2.1.3.1　多晶体结构

工业上使用的金属材料除专门制作外，即使体积很小，其内部仍包含许多不同晶格位向及形状的小晶体，每个小晶体的内部晶格位向基本一致，如图2-7所示。每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。

图2-7　多晶体结构示意图

在钢铁材料中，晶粒的尺寸一般为10-3～10-1 mm，故必须在显微镜下才能观察到。通常把在显微镜下所观察到的金属晶粒的大小、形态和分布称为“显微组织”。非铁金属的晶粒一般都比钢铁材料的晶粒大些，有时甚至不用显微镜就能直接观察到，如镀锌钢板表面的锌晶粒，其尺寸通常达到几毫米至十几毫米。

2.1.3.2　晶体缺陷

金属实际的晶体结构不仅是多晶体结构，而且其内部还存在着各种晶体缺陷。金属实际晶体结构中，局部原子排列的不规则性，统称晶体缺陷。这些缺陷对金属的性能会产生很大影响。根据缺陷的几何形态特征，晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。

（1）点缺陷

点缺陷是指晶体中呈点状的缺陷。最常见的点缺陷是空位和间隙原子，如图2-8所示。当晶格中的某些原子由于某种原因（热振动的偶然偏差）脱离其晶格结点，其结点未被其他原子所占有时，这种空着的位置就称为“空位”；同时又有个别原子出现在晶格间隙处，这种不占有正常晶格位置的原子称为“间隙原子”。

在空位和间隙原子附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的其他原子发生靠拢或撑开的现象称为晶格畸变。晶格畸变将使晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻的增加等。

（2）线缺陷(www.xing528.com)

线缺陷是指晶体中呈线状分布的缺陷。常见的线缺陷是各种类型的位错。位错实际上就是在晶体中有一列或若干列原子发生了某种有规律错排的现象。其中比较简单的一种位错形式是刃型位错，如图2-9所示。刃型位错是在规则排列的晶体中间多出了一层多余的原子面，这个多余的原子面像刀刃一样切入晶体，使晶体中上下两部分的原子产生了错排现象，因而称为“刃型位错”。在刃型位错线附近，由于原子错排而产生了晶格畸变，故会影响金属的性能。

图2-8　空位和间隙原子示意图

图2-9　刃型位错示意图

（3）面缺陷

面缺陷是指晶体中呈面状分布的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。晶界是两相邻晶粒间相互接触的边界。由于各晶粒的位向不同，相邻晶粒间存在30°～40°的位向差，故晶界是不同位向晶粒之间原子无规则排列的过渡层，如图2-10（a）所示。晶界处原子的不规则排列，使晶格处于畸变状态，当金属进行塑性变形时晶界起到一定的阻碍作用，表现出强度、硬度升高的现象。晶界越多，晶粒越细，常温下金属的强度、硬度和塑性越高。

在实际金属的每个晶粒内部，其晶格位向并不像理想晶体那样完全一致，而存在许多尺寸很小、位向也相差很小的小晶块，这些小晶块称为“亚晶粒”，两个相邻亚晶粒的界面称为“亚晶界”，如图2-10（b）所示。亚晶界实际上是由一系列刃型位错组成的小角度晶界，其原子排列不规则，因此也会产生晶格畸变。

图2-10　晶界与亚晶界示意图

（a）晶界；（b）亚晶界

由上述点、线、面缺陷可知，各种晶体缺陷处晶格均处于畸变状态，引起晶格内部产生内应力，导致材料塑性变形抗力增大，从而使金属材料在常温下的强度、硬度提高。例如，生产中常用的压力加工工艺就是通过金属材料的塑性变形使晶体产生缺陷，达到强化金属的目的的。用产生塑性变形使金属得到强化的方法称为形变强化。