金属晶体结构in钢结构设计原理

金属内所有原子排列的形式和方位都完全一致的结构，称为单晶体。具有单晶体结构的金属，其性能表现出明显的方向性，但其获得非常困难。而实际固体金属是由许多小晶体所组成的，称为多晶体。图2.4（a）纯铁的显微组织，是由许多类似多边形的颗粒组成，这些小颗粒称为晶粒。晶粒之间的界面称为晶界，每一晶粒相当于一个单晶体。晶体金属中各个晶粒的原子排列虽然相同，但每个晶粒原子排列的位向是不相同的，如图2.4（b）所示。

图2.4 金属实际的晶体结构

多晶体金属的性能在各个方向上基本上是一致的，这是由于在多晶体中，虽然每个晶体都是各向异性的，但它们是任意分布的，晶体的性能在各个方向相互补充和抵消，再加上晶界的作用，就掩盖了每个晶粒的各向异性。

实际上使用的金属，其内部结构的原子排列并非完全完整无缺的，而是在每个晶体的某些部位，铸造、变形等一系列原因使原子排列受到破坏，从而存在着各种各样的缺陷。实际金属晶体的结构如图2.5所示，存在有空位、间隙原子、位错、晶界等缺陷。

图2.5　实际金属晶体的结构

1．点缺陷

实际金属的晶格中并非所有原子都处在正常位置上。在外界条件的干扰下，某些原子会脱离其平衡位置，使该处成为空位状态。同时，在晶格的间隙中也可以滞留多余原子［见图2.6（a）］。这些情况都使晶格的规则性受到破坏，形成晶格的缺陷。

晶格中有空位和间隙原子时，使其周围原子间的作用力不再平衡，这些原子也将被迫偏离原平衡位置，致使该局部晶格的形状和晶格常数都发生改变，即产生了晶格畸变。其结果使金属屈服点增高，影响金属的许多物理、化学性能。(www.xing528.com)

图2.6　金属缺陷

2．线缺陷

线缺陷是指晶格中某一列或若干列原子出现有规律的错排（称为位错），破坏了晶格的规则性而形成的缺陷［见图 2.6（b）］。位错是金属的一种更重要的缺陷。位错类型有许多种，图2.6（b）所示刃型位错是最简单的一种。图中的 EF 线称为位错线。

位错的特点是原子易动，对金属的塑性变形、强度、扩散、相变、疲劳、腐蚀等物理、化学性能都起重要作用。

3．面缺陷

由于实际金属是多晶体结构，故有晶界存在。晶界有一定的厚度，它是不同位向晶粒间原子不规则排列的过渡层。晶界的存在就是晶体面缺陷的一种形式。晶界厚度的不同，晶界处的状态不同，都直接改变着金属的性能。

4．体缺陷

在实际金属的晶体结构中，还会存在非金属氧化物等颗粒状物质，也可能有微细裂纹或孔洞类缺陷，这些可视为晶体的体缺陷。

实际金属的强度比理想金属晶体强度约低 1 000 倍，其原因就是实际金属中存在着缺陷，特别是位错。位错原子的易动性使晶体易于变形，以致局部断裂。不过，当大量缺陷存在时，由于缺陷本身彼此之间的相互作用，发生相互干扰，阻碍原子往某一方向运动，反而使金属强度提高。研究金属晶体结构缺陷的实际意义之一，在于认识增加缺陷数量是强化金属，控制金属构件品质的重要途径，从而制造出满足各种条件对结构构件性能要求的钢材。