第二章 金属的晶体结构与结晶

- 1 - 第二章 金属的晶体结构与结晶 不同的金属材料具有不同的力学性能；同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的。金属性能的这些差异，完全是由金属内部的组织结构所决定的。因此，研究金属的晶体结构及其变化规律，是了解金属性能，正确选用金属材料，合理确定加工方法的基础。

第一节 金属的晶体结构 一、晶体与非晶体 固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。 晶体：凡原子(或分子)按一定的几何规律作规则的周期

性重复排列的物质，称为晶体； 非晶体：原子(或分子)无规则聚集在一起的物质则称为非晶体。 自然界中，除少数物质(如松香、普通玻璃、石蜡等)属于非晶体外，大多数固态物质都是晶体。由于晶体内部原子(或分子)的排列是有规则的，所以自然界中许多晶体都具有规则的外形，如结晶盐、水晶、天然金刚石

第一 节金属的晶体结构 第二 节纯金属的结晶 第三 节金属的同素异构转变 - 2 -

等。但晶体的外形不一定都是有规则的，如金属和合金等，这与晶体的形成条件有关。因此，晶体与非晶体的根本区别还在于其内部原子(或分子)的排列是否有规则。

晶体与非晶体的区别还表现在许多性能方面，如晶体具

有固定的熔点(或凝固点)、具有各向异性的特征。而非晶体则没有固定的熔点(或凝固点)，具有各向同性的特征。 显然，气体和液体都是非晶体。特别是在液体中，虽然其原子(或分子)也是处于紧密聚集的状态，但不存在周期性排列，所以固态的非晶体可以看成是一种过冷状态的液体，只是其物理性质不同于通常的液体而已，玻璃就是一个典型的例子，故往往将非晶体称为玻璃体。非晶体在一定条件下可以转化为晶体，如玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃。而通常呈晶态的物质，如果将它从液态快速冷却下来，也可能成为非晶体，如金属液的冷却速度超过10℃／s时，可得到非晶态金属。

二、金属晶体的特性

晶体又分为金属晶体和非金属晶体两类。金属晶体除具有晶体所共有的特征外，还具有独特的性能，如金属具有金属光泽、良好的导电性和导热性、良好的塑性及正的电阻温度系数等。这主要与金属的原子结构及原子问的结合方式有关。

金属元素的原子结构有一个共同特点，就是它的最外层电子数目少，而且与原子核的结合力较弱，很容易摆脱原子核的束缚而变成自由电子。当大量金属原子聚集在一起构成金属晶体时，多数金属原子失去其最外层电子而变成正离子。正离子按一定几何规律作周期性排列，并在固定位置上作高频率的热振动；脱离了原子核束缚的电子则在各离子间自由地运动，它们为整个金属所共有。金属晶体就是依靠各正离子与共有自由电子之间的引力结合起来的，离子间及电子间的斥力则与这种引力保持平衡，使金 - 3 -

属处于稳定的晶体状态。 导电性：金属中的自由电子在外电场作用下会沿电场方向作定向运

动，形成电流，使金属晶体显示出良好的导电性； 正的电阻温度系数：正离子的热振动对自由电子的运动有阻碍作

用，随温度升高，正离子热振动的幅度加大，对自由电子的阻碍作用增大，因此，金属晶体的电阻随温度升高而增大，即具有正的电阻温度系数；

导热性：由于正离子的振动和自由电子的运动可以传递热能，从而

使金属晶体具有良好的导热性； 塑性：金属晶体中的原子发生相对位移后，正离子与自由电子之间

仍保持原有的结合方式，使金属显示出良好的塑性； 光泽：自由电子能吸收可见光的能量，而跃迁到较高的能级上，当

它返回原来低能级时，就把所吸收的能量以电磁波的形式辐射出来，宏观上显示金属晶体具有光泽。

三、晶体结构的基本知识

在研究金属的晶体结构时，为分析问题方便，通常将金属中的原子近似地看成是刚性小球。这样，金属晶体就可以近似看成是由

刚性小球按一定几何规则紧密堆砌而成的，如图2－1所示。 为了便于理解和描述晶体中原子的排列情况，可将刚性小球再抽

象成为一个几何点，几何点位于刚性小球的中心。这种几何点的空间排列称为空间点阵，简称为点阵。点阵中的几何点称为结点或阵点。 - 4 -

在表达点阵的几何图形时，为了观察方便，可作许多平行直线将结点连接起来，构成三维的几何格架，如图2－2所示。这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架称为晶格。 从晶格中可以看出，位于同一直线上的结点每隔一个相等的距离就重复出现一次；位于同一平面上的结点构成了二维点阵平面，将点阵平面沿一定方向平移一定的距离，其结点也具有重复性。因此，为了说明点阵排

列的规律和特点，可在点阵中取出一个具有代表性的基本几何

单元来进行分析，这个点阵的组成单元称为晶胞，如图2－2

中粗黑线标出的平行六面体所示。可见，将晶胞作三维的重复堆砌就构成了整个空间点阵。 在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作坐标轴x、y、z，称为晶轴。规定在坐标原点的前、右、上方为坐标轴的正方向，并以棱边长度a、b、c分别作为坐标轴的长度单位，如图2－3所示。这样，晶胞的大小和形状完全可以由三个棱边长度和三个晶轴之间的夹角α、β、γ来表示。其中棱边长度称为晶格常数。

四、常见金属的晶格类型 在金属晶体中，由于原子问的结合方式，决定了金属晶体具有高度对称的简单的晶体结构。其中常见的有以下三种：

1．体心立方晶格

体心立方品格的晶胞如图2－4所示。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，它是一个立方体(a=b=c，α=β=γ=90°)，所以只用一个晶格常数即可表示晶胞的大小和形 - 5 -

状。由于晶胞角上的原子同时属于相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际

上只占有该原子的1／8，而中心的原子为该晶胞所独有，故体心立方晶格晶胞中的原子数n=8×1／8+1=2(个)。

属于体心立方晶格类型的金属有α—Fe、Cr、W、

Mo、V等。 2．面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞如图2－5所示。在晶胞的六个面的中心及八个角上各有一个原子，它也是一个立方体，所以只用一个晶格常数。即可表示晶胞的大小和形状。由于晶胞角上的

原子同时属于相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞所共有，故面心立方晶格晶胞中的原子数n=8×1／8+6×1／2=4(个)。

属于面心立方晶格类型的金属有γ一Fe，A1、Cu、

Ni、Au、Ag、Pb等。 3．密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞如图2－6所示。在晶胞的每个角和上、下底面的中心上各有一个原子，晶胞的体内还有三个原子，它是一个六方柱体，由六个呈长方形韵侧面和两个呈正六边形的底面组成，所以要用两个晶格常数来表示晶胞的大小和形状，一个是六边形的边长a，另一个是六方柱体的高度c。由于晶胞角上的原子同时属于相邻的六个晶胞所共有， - 6 -

上、下底面中心的原子为两个晶胞所共有，而体内的三个原子为该晶胞所独有，故密排六方晶格晶胞中的原子数n=12×1／6+2×1／2+3=6(个)。 属于密排六方晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。

4．配位数与致密度 晶体中原子排列的紧密程度与晶体结构类型有关。为了定量地表示晶体中原子排列的紧密程度，通常使用配位数和致密度这两个参数。

配位数是指晶体结构中与任一原子最邻近且等距离的原子数，例如

体心立方晶格的配位数是8。 由于把晶格中原子看成是刚性小球，因此，晶体中原子排列的紧密程度可用晶胞中原子所占体积与该晶胞体积的比值来表示。例如在体心立方晶格中每个晶胞含有2个原子，原子直径与晶格常数之间的关系如图2－7所示，故体心立方晶格的致密度为

这表明在体心立方晶格中有68％的体积被原子所占据，其余为空隙。显然，晶格配位数与致密度的数值越大，则原子排列得越紧密。

五、晶体的备向异性

在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。图2－8所示为简单立方晶格中的一些晶面。 通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方

向，称为晶向，如图2－9所示。 由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子间的结合力也就不同，从而在不同的 - 7 -

晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是具体具有各向异性的原因。然而，工业金属材料中通常见不到它们具有各向异性的特征，

这主要是因为上述所讨论的是理想状态的晶体结构，而实际金属的晶体结构与理想晶体相差很大。

六、金属的实际晶体结构 如果一个晶体内部其晶格位向(即原子排列的方向)是完全一致的，则这种晶体称为单晶体，如图2－10a所示。在工业生产中，只有采用特殊方法才能获得单晶体。如单晶硅、单晶锗等。实际使用的金属材料即使体积很小，其内部仍包含了许许多多颗粒状的小晶体，每个小晶体的内部晶格位向是一致的，而各个小晶体彼此之间晶格位向不同，如图2－10b所示。

小晶体的外形呈不规财的颗粒状，通常称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。一般金属材料都是多晶体结构。 由于实际金属材料是多晶体结构，其内部包含了大量彼此位向不同的晶粒，一个晶粒的各向异性在许多位向不同的晶粒之间可以互相抵消或补充，因此，整个金属的性能则是这些晶粒性能的平均值，故实际金属材料表现为各向同性，称为伪各向同性。 由于晶粒与晶粒之间存在着晶格位向上的差异，所以在晶界处原子的排列就不可能是规则的，这种原子排列不规则的区域称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，可将晶体缺陷分为以下三种：

1．点缺陷

点缺陷是晶体中呈点状的缺陷，即在三维方向上的尺寸都很小的晶体缺陷。常见的点缺陷是空位和间隙原子，如图

2－11所示。在实际晶体结构中，晶格的某些结点往往未被原子占据，这种原子空缺的位置称为空位。与此同时，在晶格的某些空隙处又会出现多余