金属的晶体结构与结晶

在外界条件固定的情况下，材料的性能取决于材料内部的构造。这种构造便是组成材料的原子种类和分量，以及它们的排列方式和空间分布。习惯上将前者叫做成分，后者叫做组织结构。了解金属的结构和结晶规律，对控制材料的性能、正确选用材料、开发新材料有重要指导意义。

一、金属的晶体结构

1．纯金属的晶体结构

（1）晶体与非晶体

固态物质按内部质点（原子或分子）排列的特点分为晶体与非晶体。自然界中除少数物质（如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等）外，绝大多数无机非金属物质都是晶体，一般情况下，金属及其合金多为晶体结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换，

[晶体]——内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列；

[非晶体]——内部质点是散乱排列的。

       

晶态金属中的原子排列                    非晶态金属中的原子排列

（2）晶格与晶胞

[金属中的原子堆垛]：为便于表述晶体内原子的排列规律，我们把原子看成刚性小球，金属晶体就是由这些刚性小球堆垛而成的

[晶格]：把原子看成一个结点，然后用假想的线条将这些结点连结起来，便构成了一个有规律性的空间格架称晶格

[晶胞]：晶格中能完全反映晶格特征的最小几何单元称晶胞。晶胞中各棱边的长度a、b、c称为晶格常数。

由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。

        

晶格与晶胞

（3）常见金属晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，如下图所示。

          

体心立方、面心立方、密排六方，晶格比较

[体心立方晶格]：如图1-13a所示，体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子。具有体心立方晶格的金属有：α-Fe（温度低于912℃的铁）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、β-Ti（温度在883~1668℃的钛）等。

体心立方晶格

[面心立方晶格]：如图1-13b所示，面心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子。属于面心立方的金属有：γ-Fe（温度在912~1394℃的铁）、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）、金（Au）、镍（Ni）等。

面心立方晶格

[密排六方晶格]：如图1-13c所示，密排六方晶格的晶胞是一个上下底面为正六边形的六柱体，在六柱体的十二个顶角和上、下底面的中心各有一个原子，六柱体的中间还有三个原子。具有密排六方晶格的金属有：镁（Mg）、锌（Zn）、α-Ti（温度低于883℃的钛）、镉（Cd）、铍（Be）等。

密排立方晶格

（4）晶格致密度

从原子堆垛可看出，上述三种晶格中原子排列的紧密程度不一样，面心立方和密排六方晶格中的原子排列较紧密，经计算，晶格中有74%的空间被原子所占据，即这两种晶格的致密度均为0.74，其余为晶格间隙；而体心立方晶格的原煤子排列较松散，其致密度为0.68。

（5）实际金属晶体结构

[晶体缺陷]：在实际金属晶体中，存在原子不规则排列的局部区域，这些区域称为晶体缺陷。按陷的几何形态，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、硬度。

点缺陷（空位、间隙原子）：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，称为间隙原子。

空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶格，即发生了“晶格畴变”，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。

(a)点缺陷的形成

(b)点缺陷造成的晶格畴变

线缺陷（刃型位错、螺型位错）：它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，这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以分别形成螺型位错和刃型位错。

在位错周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，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后使金属位错增多，能有效地提高金属强度。

螺型位错                                              刃型位错

面缺陷（晶界、亚晶界）：面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒之间的界面，另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。

晶界处的原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上。晶粒之间位向差较大（大于10°～15°）的晶界，称为大角度晶界；亚晶粒之间位向差较小。亚晶界是小角度晶界。

面缺陷同样使晶格产生畴变，能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加晶界的数量，是强化金属的有效手段，同时，细晶粒的金属塑性和韧性也得到改善。

      

面缺陷

2．合金的晶体结构

[合金]：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质称为合金。

[组元]：组成合金最基本的、独立的单元称为组元。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。

[相]：合金中的相是指有相同的结构，相同的物理、化学性能，并与该系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。固态下只有一个相的合金称为单相合金；由两个或两个以上相组成的合金称为多相合金。固溶体中的相结构主要有固溶体和金属化合物。

[显微组织]：在显微镜下观察到的组成相的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织，因此相是组成组织的基本物质。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。

(1)固溶体

[固溶体]：固态下合金中的组元间相互溶解形成的均匀相称为固溶体。固溶体中晶格保持不变的组元称为溶剂，因此固溶体的晶格与溶剂的晶格相同；其它组元称为溶质。

[分类]：根据溶质原子在晶格中占据位置的不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两类。

置换固溶体                                                                                  间隙固溶体

置换固溶体：溶质原子占据晶格的正常结点，这些结点上的溶剂原子被溶质原子所替换，当合金中的二组元的原子半径相近时，更易形成这种置换固溶体。有些置换固溶体的溶解度有限，称有限固溶体，但当溶剂与溶质原子的半径相当，并具有相同的晶格类型时，它们可以按任意比例溶解，这种置换固溶体称为无限固溶体。

间隙固溶体：溶质原子不占据正常的晶格结点，而是嵌入晶格间隙中，由于溶剂的间隙尺寸和数量有限，所以只有原子半径较小的溶质（如碳、氮、硼等非金属元素）才能溶入溶剂中形成间隙固溶体，且这种固溶体的溶解度有限。

[固溶体的性能]：固溶体与纯金属相比，不仅具有高的强度和硬度，还有良好的塑性与韧性。一般合金都是以固溶体作为基体相。

固溶体中的晶格畴变

固溶强化：无论形成哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸变，随着溶质原子数量的增加，晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、硬度，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之一。

(2)金属化合物

[金属化合物]：是合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，其晶体结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元素的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示，如铁碳合金中的Fe₃C（渗碳体）。

渗碳体的晶格

[金属化合物性能]：一般熔点高，性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一现象称为弥散强化，因此，合金中的金属化合物是不可缺少的强化相；但由于金属化合物的塑性、韧性差，当合金中的金属化合物数量多或呈粗大、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。

合金的组织可以是单相固溶体，但由于其强度不够高，其应用具有局限性；绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属化合物组成的混合物。通过调整固溶体中溶质原子的含量，以及控制金属化合物的数量、形态、分布状况，可以改变合金的力学性能，以满足不同的需要。

二、金属的结晶

[结晶]：金属由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。

1．纯金属的结晶

(1)冷却曲线与过冷度

冷却曲线：是温度与时间的关系曲线，可用来描述金属的结晶规律。可通过热分析法测量绘制，其方法是使熔化后的金属液缓慢冷却，每隔一定时间记录下温度值，将温度T和对应时间t绘制成T-t曲线。

曲线分析：随时间的增加，纯金属液的温度不断下降；当冷到某一温度时，在曲线上出现了一个恒温的水平线段，所对应的温度就是金属的结晶温度（或熔点），在结晶过程中，由于放出的结晶潜热补偿了散失的热量，使温度保持恒定不变；结晶结束后，由于金属继续散热，固态金属的温度开始下降。

纯金属的冷却曲线

[理论结晶温度]：纯金属在无限缓慢的冷却条件下（即平衡状态下）的结晶温度称为理论结晶温度，用To表示。

[实际结晶温度]：实际生产中金属的冷却速度不可能是极其缓慢的，实际测出的结晶温度称实际结晶温度，用Tn表示。

[过冷现象]：金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，即Tn

[与过冷度]：理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度，用ΔT表示。过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，实际结晶温度越低，过冷度也越大。

ΔT=To-Tn

(2)纯金属的结晶过程

结晶过程是金属内的原子从液态的无序的混乱排列转变成固态的有规律排列。经历了形核—长大—形核—长大...的过程。

晶核形成：自发形核与非自发形核

[自发形核]：金属在过冷的条件下，液态金属中某些局部微小的区域内的原子自发地聚集在一起，这种原子规则排列的细小聚合体称为晶核，这种形核方式称为自发形核；

[非自发形核]：当金属液中有细微的固态颗粒（自带或人工加入）时，也可以成为结晶的核心，这种形核方式称为非自发形核。

晶核长大：金属液中的原子不断向晶核表面迁移，使晶核不断长大，与此同时，不断有新的晶核产生并长大，直至金属液全部消失。

纯金属的结晶过程

以上是纯金属的结晶规律，合金的结晶与纯金属的结晶有相似之处，但要比纯金属的结晶要复杂，必须建立合金相图才能表达清楚，有关内容将在锪碳合金一章中，结合铁碳合金介绍。

2．晶粒大小与控制措施

纯金属结晶终了就得到由许多个外形不规则的晶粒所组成的多晶体。一般金属结晶后多获得这种多晶体的结构。如果控制结晶过程，使结晶后获得只有一个晶粒的金属，称为单晶体，但获得单晶体比较因难，只有当材料有特殊要求时才值得这样做。

晶粒大小对力学性能的影响很大，在室温下，一般情况是金属的晶粒越细，其强度、硬度越高；塑性、韧性越好，这种现象称为细晶强化。因此，细化晶粒是改善材料力学性能的重要措施。

纯金属的多晶体显微组织

工业上常用以下方法来细化晶粒：

（1）增加过冷度随着过冷度的增加，形核率和长大速度都会增加，但形核率增加比长大速度增加要快，所以产生的晶核数目增加。因此，通过加快冷却速度，即增加过冷度，可使晶粒细化。

（2）变质处理在金属液中加入变质剂（高熔点的固体微粒），以增加结晶核心的数目，从而细化晶粒，这种方法称变质处理，变质处理在生产中应用广泛，特别对体积大的金属很难获得大的过冷度时，采用变质处理可有效地细化晶粒。

（3）附加振动在金属结晶时、施以机械振动、电磁振动、超声波振动等方法，可使金属在结晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核数目，起到细化晶粒的目的。

3．金属的同素异晶转变

大多数金属结晶后，其晶格不再发生变化，但也有少数金属（如铁、铬、锡、钴、钛等）在固态时会发生晶格类型的转变，这种在固态下随温度的变化由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构晶变。同素异晶转变也是成核长大过程。

纯铁的同素异晶转变

纯铁在固态下会发生同素异构转变。液态铁结晶后是体心立方晶格，称为δ-Fe。在1394℃以下转变为面心立方晶格，称为γ-Fe，γ-Fe的晶核容易在δ-Fe的晶界上形成。γ-Fe冷却到912℃又要转变为体心立方晶格，称为α-Fe。