实际金属的晶体结构与缺陷特征

1.实际金属的晶体结构

金属内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体，如图2-10 (a)所示。单晶体在自然界几乎不存在，但可用人工方法制成某些单晶体(如单晶硅、冰糖)。单晶体具有各向异性的特点，但工业上实际使用的金属材料，一般不具有各向异性，这是因为实际应用的金属材料通常是多晶体材料。多晶体材料是指一块金属材料中包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位向是一致的，而各小晶体之间彼此方位不同。这种由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶体结构，如图2-10 (b)所示。

图2-9　纯铁的冷却曲线

图2-10　金属的晶体结构示意图

(a)单晶体； (b)多晶体

在多晶体中，由于每个晶粒的晶格位向不同，所以晶界上原子的排列总是不规则的。多晶体金属之所以测不出各向异性，就是因为其每个晶粒虽然具有各向异性的特点，但由于多晶体内各晶粒的晶格位向互不一致，它们自身的各向异性相互抵消，故表现出各向同性，称为“伪各向同性”。

2.晶体缺陷

在实际金属晶体中，由于结晶条件不理想以及晶体受到外力的作用等，原子的排列情况并不是绝对规则的。晶体中原子排列不规则的区域，称为晶体缺陷。按缺陷的几何形态，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从而提高材料的强度和硬度。

(1)点缺陷(空位、间隙原子、置换原子)

晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位； 某个晶格间隙挤进了原子，则此原子称为间隙原子； 当异类原子占据晶格的位置时，则此异类原子称为置换原子。空位、间隙原子和置换原子使周围的晶格偏离了理想晶格，即发生了“晶格畸变”，点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度。点缺陷是动态变化着的，它是造成金属中物质扩散的原因，如图2-11 所示。

图2-11　点缺陷(www.xing528.com)

(2)线缺陷(位错)

线缺陷是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中最普通的线缺陷就是位错，位错的主要类型有螺型位错和刃型位错。

图2-12 所示为刃型位错的几何模型，在这个晶体的某一水平面(ABCD)的上方多出一个原子面(EFGH)，中断于ABCD 面上的EF 处，这个原子面如同刀刃一样插入晶体，使晶体中以EF 为中心线附近一定区域内原子位置都发生错动。位错线中心的原子错动最大，晶格畸变严重，离位错线越远，晶格畸变越小，直至恢复正常。

图2-12　刃型位错的几何模型

(a)立体； (b)平面

位错很容易在晶体中移动，对金属的塑性变形、强度、扩散和相变等力学性能和物理化学性能都起着重要的作用。位错的产生会使金属的强度提高，但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量位错，生产中还可通过冷变形使金属位错增多，能有效地提高金属强度。

(3)面缺陷(晶界、亚晶界)

实际上金属多是由大量外形不规则的晶粒组成的多晶体。晶界可以被看成是两个邻近晶粒间具有一定宽度的过渡地带，晶界处的原子排列是不规则的，处于不稳定的状态，如图2-13 (a)所示。在电子显微镜下观察晶粒可以看出，每个晶粒都是由一些小晶块组成的，这些小晶块称为亚晶粒。两个亚晶粒的边界是由一系列刃型位错构成的角度特别小的晶界，称为亚晶界，如图2-13 (b)所示。

图2-13　面缺陷示意图

(a)晶界； (b)亚晶界

面缺陷主要是指晶界与亚晶界。面缺陷同样会使晶格产生畸变，能提高金属材料的强度。通过细化晶粒可增加晶界的数量，是强化金属的有效手段，同时，细化晶粒也可以使金属的塑性和韧性得到改善。

综上所述，纯金属的晶体结构不仅是多晶体的，而且还存在许多晶体缺陷，尽管从晶体的整体性来看，这些缺陷是局部的、少量的，但对金属的性能却有重大的影响。例如，由于晶体缺陷引起的晶格畸变，可提高常温下金属材料的强度和硬度； 同时晶体缺陷也能对金属的塑性变形和热处理产生影响。