第2章晶体结构和晶体

点缺陷示意图
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§2-2 实际金属结构 2.线缺陷
晶体中最普通的线缺陷就是位错，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。这种错徘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，可形成不同类型的位错，如图所示为常见的一种刃 型位错。由于该晶体的右上部分相对于右下部分局部滑移，结果在晶格的上 半部中挤出了一层多余的原子面EFGH，好象在晶格中额外插入了半层原子面 一样，该多余半原子面的边缘EF便是位错线。沿位错线的周围，晶格发生了 畸变。 化工学院
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§2-4 金属的结晶
三、金属的结晶过程
液态金属的结晶过程分为晶核形成和晶核的成长两个阶段 晶核的形成，一是由液态金属中一些原子自发地聚集在一起，按金属晶体 的固有规律排列起来称为自发晶核。二是由液态金属中一些外来的微细固态 质点而形成的，称为外来晶核 当液体冷却到结晶温度后，一些短程有序的原子团开始变得稳定，成为极 细小的晶体，称之为晶核。随后，液态金属的原子就以它为中心，按一定的 几何形状不断地排列起来，形成晶体。晶体在各个方向生长的速度是不一致 的，在长大初期，小晶体保持规则的几何外形，但随着晶核的长大，晶体逐 渐形成棱角，由于棱角处散热条件比其它部位好，晶体将沿棱角方向长大， 从而形成晶轴，称为一次晶轴；晶轴继续长大，且长出许多小晶轴，二次晶 轴、三次晶轴、…，成树枝状，当金属液体消耗完时，就形成晶粒。
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§2-2 实际金属结构
一、多晶体结构
单晶体的金属材料除专门制作外基本上不存在，如半导体工业中的单 晶硅。实际的金属结构包含许多小晶体，每个小晶体的晶格是一样的，但 各小晶体之间彼此方位不同。 每个小晶体具有不规则的颗粒状外形，即晶粒，两相邻晶粒之间之间 的界面不同晶格方位的过渡区，所以在晶界上原子排列总是不规则的，这 种多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。一般情况下，多晶体中不显各向异 性。为什么？
显微组织：在显微镜下看到的各种晶粒的形态、大小和分布情况。
有色金属，如铜、锡、铝、锌等晶粒，一般比钢铁的晶粒大些，通 常用肉眼可看见。例如镀锌板表面的锌晶粒，其尺寸通常达几毫米甚 至几十毫米。 晶粒的大小对材料的性能影响很大，在常温下，晶粒愈小，材料的 强度愈高，塑性、韧性愈好。
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§2-2 实际金属结构
金刚石晶体结构
硅酸盐也是一种具有代表性的共价晶体。他是由一个硅原子和4个氧 原子排列成的四面体。由于这些硅酸根四面体可以采用不同方法互相 连接，或与各种正离子连接，可以形成各种不同的硅酸盐结构。
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§2-3 非金属晶体
三、结晶性高分子聚合物
塑料、橡胶等是由很长的、卷曲的、并且缠结在一起的有机高分 子组成。然而，有些高分子聚合物却表现出一定的结晶性，在他们的 某些部分，长分子链是有规则的、互相平行的排列着。因此，对这类 高聚物虽然不具备前面所述的晶体定义，但也称为结晶。
二、晶体缺陷
实际上每个晶粒内部，其结构也不是那么理想，存在着一些原子偏离 规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。晶体缺陷的形式有点缺陷、 线缺陷、面缺陷。 1.点缺陷
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§2-2 实际金属结构 点缺陷的具体形式有如下三种。 (1) 空位 晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位。当 晶格中的某些原子由于某种原因（如热振动等）脱离其晶格节点将产生 此类点缺陷。这些点缺陷的存在会使其周围的晶格产生畸变。 (2) 间隙原子 在晶格节点以外存在的原子，称为间隙原子。在金属的晶 体结构中都存在者间隙，一些尺寸较少的原子容易进入晶格的间隙形成 间隙原子。 (3) 置换原子 杂质元素占据金属晶格的结点位置称为置换原子。当杂质 原子的直径与金属原子的半径相当或较大时，容易形成置换原子。
二、常见金属晶格
在金属元素中，除少数具有复杂的晶体结构外，大多数具有简单的 晶体结构，常见的晶格类型有三种： （1）体心立方晶格 （2）面心立方晶格 （3）密排立方晶格
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§2-1 金属的晶体结构
(1) 体心立方晶格(Body-centred cubic lattice，简称b.c.c)
体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和 中心处，如图2-2所示。因其晶格常数a=b=c，故只用一个常数a表示即 可。该晶胞在其立方体的对角线方向上原子是紧密排列的，故由对角线 长度（a）和对角线上分布的原子数量（2个），就可以计算出原子的半 3 径r为 4 a 。由于晶格顶点上的原子同时为相邻的8个晶胞所公有，所 1 8 以体心立方晶胞中的原子数目为1 2 个。属于这类晶格的金属有α 8 Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。
§2-2 实际金属结构 金属晶体中的位错很多，相互连结成网状分布。位错线的密度可用 单位体积内位错线的总长度表示，通常为104一1012cm／cm3之间。位错 密度愈大，塑性变形抗力愈大，因此，目前通过塑性变形，提高位错密 度，是强化金属的有效途径之一。 3.面缺陷 面缺陷包括晶界和亚晶界。 如前所述，晶界是晶粒与晶粒 之间的界面，由于晶界原子需 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（如图所示）。
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§2-3 非金属晶体
在晶体中，根据原子间的键合力不同，一般可以分为四类主要晶 体，即金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体。
一、离子晶体
常见的离子晶体结构基本上是面心立方晶格。以NaCl为例说明。 钠离子失去一个电子成为带正电荷的Na+， 氯离子获得一个电子成为带负电荷的Cl-。 晶体的键合力是由交替排列的Na+和Cl-之 间的静电引力产生。每个正离子周围有六 个最近的负离子。反之，每个负离子周围 也有六个最邻近的正离子。 NaCl的晶体结构
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§2-4 金属的结晶
对于固态金属和液态金属可将它们的自由能分别用Ｇ固（Ｇ固＝U 固-TS固）和Ｇ液（Ｇ液＝U液-TS液）来表示。由于液体与晶体的结 构不同，同一物质中它们在不同温度下的自由能变化是不同的，如图 1.2-10所示，因此它们便会在一定的温度下出现一个平衡点，即理论 结晶温度（T0）。低于理论结晶温度时，由于液相的自由能（Ｇ液） 高于固相晶体的自由能（Ｇ固），液体向晶体的转变便会使能量降低， 于是便发生结晶；高于理论结晶温度时，由于液相的自由能（Ｇ液） 低于固相晶体的自由能（Ｇ固），晶体将要熔化。换句话说，要使液 体进行结晶，就必须使其温度低于理论结晶温度，造成液体与晶体间 的自由能差（△Ｇ＝Ｇ液－Ｇ固＞０），即具有一定的结晶推动力才 行 可见过冷度是金属结晶的必要条件。
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§2-1 金属的晶体结构 晶胞的形状和大小是用晶粒的棱边长度a、b、c和棱边的夹角α 、 β 、γ 来表示的，见图2-1c 晶胞的棱边长度a、b、c称为晶格常数，其大小以Å（埃）为单位 （1Å=1×10-10m） 当晶格常数a=b=c，棱边夹角α =β =γ =90°时，这种晶胞称为简单 立方晶胞 具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。
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§2-4 金属的结晶
一、结晶的概念和过冷现象
金属由液态转变为固态的过程称为凝固。其中凝固形成晶体的过程， 称为结晶。 图中的T0为理论结晶温度，它是液 态金属在无限缓慢冷却条件下的结 晶温度。而实际生产中，液态金属 都是以较快的速度冷却的，液态金 属只能在理论结晶温度以下才开始 结晶，这种实际结晶温度低于理论 结晶温度的现象称为过冷，与T0之 差为过冷度△T，即△T＝T0－T1。 冷却速度越快，△T越大。特定金属 的过冷度不是一个定值，它随冷却 速度的变化而变化，冷却速度越大， 过冷度越大，金属的实际结晶温度 也就越低。 纯金属结晶时的冷却曲线
第二章 晶体结构与晶体
引言：
材料 （化学元素） 材料
（固体物质的原子 聚集状态）
金属
非金属
晶体
非晶体
非金属大多也具有 固态金属基本上 晶体结构，如金刚石、 都是晶体物质， 硅酸盐、 如钢铁、铜、铝等。 氧化镁等
常见的玻璃、 松香等
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§2-1 金属的晶体结构
一、晶体概念
晶体是指基原子具有规则排列的物体 晶体结构是指晶体内部原子规则排列的方式 晶体结构不同，其性能往往相差很大 为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象 为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架， 称为晶格，如图2-1a、b所示；晶格中各边线的交点称为结点；晶格中各种 不同方位的原子面，称为晶面。组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。晶 格可以看成由晶胞堆积而成
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§2-4 金属的结晶
二、结晶时的能量条件
为什么纯金属的结晶都具有 一个严格不变的平衡结晶温度 呢？这是因为它们的液体和晶 体两者之间的能量在该温度下 能够达到平衡的缘故。物质中 能够自动向外界释放出其多余 的或能够对外作功的这一部分 能量叫做“自由能（Ｇ）”。 自由能可表示为： G=U-TS 式中：Ｕ为系统内能，即系 统中各种能量的总和；Ｔ为热 力学温度；Ｓ为熵（系统中表 征原子排列混乱程度的参数）
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§2-1 金属的晶体结构
(2)面心立方晶格（Face-centred cubic lattice，简称f.c.c）
面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，原子分布在立方体的各 结点和各面的中心处，如图1.2-4所示。这种晶胞中，每个面的对角 线上原子紧密排列，故其原子半径r 为 2 4 a；又因为面心中的原子 1 1 为两个晶胞所共有，所以面心立方晶胞中的原子数目为 8 8 2 6 4 个。 属于这类晶格的金属有γ -Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。
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§2-1 金属的晶体结构
三、晶体的各向异性
由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而便造成了它在 不同方向上的性能差异，晶体的这种“各向异性”的特点是它区别于非 晶体的重要标志之一 例如，体心立方的Fe晶体，由于它在不同晶向上的原子密度不同， 原子结合力不同，因而其弹性模量E便不同。许多晶体物质如石膏、云 母、方解石等常沿一定的晶面易于破裂，具有一定的解理面，也都是这 个道理。 晶体的各向异性不论在物理、化学或机械性能方面，即不论在弹性 模量、破断抗力、屈服强度，或电阻、导磁率、线胀系数，以及在酸中 的溶解速度等许多方面都会表现出来，并在工业上得到了应用，指导生 产，获得优异性能的产品 如制作变压品的硅钢片，因它在不同的晶向的磁化能力不同，我们 可通过特殊的轧制工艺，使其易磁化的晶向平行于轧制方向从而得到优 异的导磁率等。