金属晶体的结构化特征

固态物质按其原子排列特征可分为晶体与非晶体两大类。晶体中原子在空间呈有规则的周期性重复排列，如金属、金刚石、食盐等；而非晶体中原子呈无规则排列，如塑料、橡胶、玻璃、木材等。金属及其合金在固态下一般都是晶体，结合键都是金属键。金属中原子规则排列的方式称为晶体结构。为了研究方便，可将各个原子抽象成空间几何阵点，然后用许多平行的直线将所有阵点连接起来构成空间格子，这种假想的空间格子称为晶格，能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞。晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。

1.常见晶体结构

不同元素组成的金属晶体因晶格形式的不同，表现出不同的物理、化学和力学性能。工程中常用的金属有几十种，其固态纯金属的晶格形式多样，但最常见和最典型的晶格类型有以下3种。

1）体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞模型如图8-1所示，8个金属原子分别位于立方体的8个顶角上，一个原子位于立方体的几何中心，角上8个原子与中心原子紧靠。具有体心立方晶格的金属有钼（Mo）、钨（W）、钒（V）和α-铁（α-Fe，<912℃）等。

图8-1　体心立方晶格

（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数

2）面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞模型如图8-2所示，8个金属原子分别处于立方体的8个顶角上，6个原子分别位于立方体6个面的几何中心。面中心的原子与该面4个顶角上的原子紧靠。具有这种晶格的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、金（Au）、银（Ag）和γ-铁（γ-Fe，912～1 394℃）等。

图8-2　面心立方晶格

（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数

3）密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞模型如图8-3所示，12个金属原子分别位于上下底面的正六边形的顶角上，2个原子分别位于上下底面的几何中心，3个原子均匀地分布在上下底面之间。具有这种晶格的金属有镁（Mg）、镉（Cd）、锌（Zn）、铍（Be）和α-钛（α-Ti，<882℃）等。

图8-3　密排六方晶格

（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数

面心立方晶格和密排六方晶格的晶胞不同，但其原子排列紧密程度完全相同，在空间上是排列最紧密的两种形式。与前两者相比，体心立方晶格中原子排列紧密程度要低些，所以Fe等金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时，将伴随着体积的膨胀。面心立方晶格中的空隙半径比体心立方晶格中的空隙半径大，表示容纳小直径原子的能力比容纳其他原子的能力要大，如γ-Fe中最多可容纳2.11%的碳原子，而α-Fe中最多只能容纳0.02%的碳原子。

金属的晶格类型和大小的区别将造成金属性能的不同，同一种晶格类型在不同方向上的性能也会有所不同，即具有各向异性。因此，在选用金属材料和制定塑性成形工艺过程中，要充分考虑这个特性，以保证成形零件的质量。

2.实际金属的晶体结构

实际金属中原子的排列并不像理想晶体那样整齐划一、完美无缺，而是存在一系列缺陷，这些晶体缺陷对金属的性能产生非常大的影响。图8-4是固态纯镁的二维金相显微组织照片，从中可以观察到许多由黑线划分的形状和大小不同的小区域，这些小区域称为晶粒。单个晶粒就是一个具有一定位向的单晶体，相邻晶粒位向不同，过渡区称为晶界。所以实际金属就是由许多处于不同位向的晶粒通过晶界结成的多晶体，其三维示意图如图8-5所示。晶粒的尺寸因材料而异，一般在1～100μm，肉眼难以观察到。晶界是一类晶体缺陷。

图8-4　固态纯镁金相组织(www.xing528.com)

图8-5　多晶体三维结构

晶体中的缺陷按其三维尺度的不同可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷3类。

1）点缺陷

点缺陷的长、宽、高三维尺寸都很小，常见的点缺陷包括空位、间隙原子和杂质原子。

图8-6（a）所示为空位与间隙原子示意图。在晶格空位和间隙原子附近，原子间作用力的平衡被破坏，晶格发生歪曲，即晶格发生畸变，使金属的强度提高、塑性降低。

图8-6　常见点缺陷结构

（a）空位与间隙原子；（b）杂质原子体积大；（c）杂质原子体积小

杂质原子是指金属中或多或少存在的其他元素。当杂质原子与金属原子的半径接近时，异质原子可能占据晶格的一些结点；当杂质原子的半径比金属原子的半径小得多时，则杂质原子位于晶格的空隙中，它们都会导致附近晶格的畸变。一般来说，间隙原子产生的晶格畸变比置换原子的剧烈。

2）线缺陷

线缺陷是指宽、高两维尺度很小，而第三维长度方向尺度很大的缺陷，亦称位错，是由晶体中原子平面的错动引起的。如图8-7所示是透射电镜下观察到的线缺陷，图中的黑色线段代表位错线。最简单的位错是刃型位错和螺型位错。

图8-7　透射电镜下观察到的线缺陷

刃型位错是在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面，如图8-8所示。这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线，故称为刃型位错。螺型位错是晶体的一部分相对另一部分错动一个原子间距，若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型管道状特征，故称螺型位错，如图8-9所示。螺型位错按螺旋方向有左、右旋之分。

图8-8　刃型位错示意图

图8-9　螺型位错示意图

3）面缺陷

面缺陷是指长、宽两维尺度很大，而第三维高度方向尺度很小而呈面状的缺陷。这类缺陷主要是指晶界和亚晶界，如图8-10（a）所示。晶界实际上是原子排列从一种位向过渡到另外一种位向的过渡层。晶界在空间上呈网状，晶界上原子呈不规则排列；晶界处有较高的强度和硬度，其对塑性变形影响较大。

图8-10　晶界与亚晶界

单个晶粒内部也不是完全理想的单晶体，而是由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的，如图8-10（b）所示。晶粒内的亚晶粒又叫晶块或镶嵌块。亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分，最多达1°～2°。亚晶粒之间的边界叫亚晶界，亚晶界是位错规则排列的结构，如亚晶界可由位错垂直排列的位错墙构成。亚晶界也是晶粒内的一种面缺陷。