工程材料网络课程 2.2 金属材料的结构 2.2.2 金属的实际晶体结构

2.2.2 金属的实际晶体结构

1多晶体

单晶体是指晶格位向(或方位)一致的晶体。而所谓的位向(方位)一致，是指晶体中原子(离子或分子)按一定几何形状作周期性排列的规律没有破坏，因此晶体中实际的晶面与晶向的位置和方向保持与晶体作假想的周期性延伸时的晶面与晶向一致。如天然钻石就是典型的单晶体。晶体中，由于各晶面和各晶向上的原子排列的密度不同，因而同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能不同，这种现象称为各向异性。例如体心立方晶格的α-Fe，由于它在不同晶向上的原子密度不同，所以在不同晶向上原子之间的结合力便不同，因而它们的弹性模量E不同。在α-Fe晶胞的体对角线方向上弹性模量E为2.9×105N/mm2，而在其晶胞的棱边方向上E为1.35×105 N/mm2，两者相差一倍多。

工程上实际应用的金属材料一般为多晶体材料，如图2-2-7所示。所谓多晶体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。这些外形不规则的的颗粒状小晶体称为晶粒。这种由许多晶粒组成的晶体结构称为多晶体结构。晶粒与晶粒间的界面就是晶界，如图2-2-8所示。一般晶粒尺寸都很小，如钢铁材料晶粒尺寸一般为10-1～10-3mm左右，必须通过显微镜放大几十倍乃至几百倍以上才能观察到。在显微镜下所观察到的金属材料各类晶粒的显微形态，即晶粒的形状、大小、数量和分布等情况，称为显微组织或金相组织，简称组织。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响如多晶体体心立方晶格的α-Fe在任何方向上的弹性模量E均为2.1×105 N/mm2。

图2-2-7多晶体

图2-2-8晶界

晶体的性能在各个方向基本上是一致的，这是由于多晶体中，虽然每个晶粒都是各向异性的，但它们的晶格位向彼此不同，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，因而表现出各向同性。

2晶体的缺陷

实际金属晶体内部，总是存在各式各样的缺陷，不象理想晶体那样规则和完整。实际应用的金属材料中，原子的排列总是不可避免地或多或少地存在一些原子偏离规则排列的区域，这些原子偏离规则排列的区域称为晶格缺陷。尽管偏离其规定位置的原子数目很少，晶格缺陷对金属的许多性能仍有着重要的影响，因此，研究晶体缺陷有着重要的实际意义。根据晶格缺陷的几何特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。

(1)点缺陷

点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。晶体点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空位对、空位团和空位-溶质原子对等。 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。材料中总存在着一些其它元素的杂质，它们可以形成间隙原子，也可能取代原来原子的位置，成为置换原子，空位、间隙原子和外来原子都是晶格的点缺陷。它们破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称为晶格畸变。