2.1　金属的晶体结构

材料的性能决定于材料的化学成分和其内部的组织结构。众所周知，一切物质是由无数微粒按一定的方式聚集而成的，而这些微粒可能是分子、原子或离子。固态物质按其原子（或离子、分子）的聚集状态可分为两大类：晶体与非晶体。原子（或离子、分子）在三维空间中有规则地周期性重复排列的物体称为晶体，如天然金刚石、水晶、氯化钠等。原子（或离子、分子）在空间中无规则排列的物体则称为非晶体，如松香、石蜡、玻璃等。晶体结构的基本特征是原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。因此，晶体与非晶体物质在性能上主要有两点区别：

①晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体却无固定熔点，存在一个软化温度范围；

②晶体具有各向异性，而非晶体却为各向同性。由于金属由金属键结合，其内部的金属离子在空间中有规则的排列，因此固态金属一般情况下均是晶体。

2.1.1　金属的晶体结构

（1）晶体学基本概念

1）晶格与晶胞

在晶体中，质点（即原子、离子或分子）在空间中的分布具有周期性和对称性，如图2-1（a）所示。习惯上，人们常用空间几何图形来抽象地表示晶体结构，即把晶体质点的中心用直线连接起来，构成一个空间网格，此即晶格，也称为晶格点阵，如图2-1（b）所示。晶格的结点为金属原子（或离子）平衡中心的位置。能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞，如图2-1（c）所示。晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。晶胞的基本特性即反映该晶体结构（晶格）的特点，因此研究一种金属材料的晶格特性，我们只需要研究其晶胞所具有的性质即可。

2）晶格常数

晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来描述，如图2-1（c）所示。其中a、b、c为晶格常数。金属的晶格常数一般为1×10^-10～7×10^-10m。对于立方晶格，a=b=c，且α=β=γ=90°。不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同表现出不同的物理、化学和力学性能。

3）晶向与晶面

将晶格点阵在任意方向上分解为相互平行的结点平面，这样的结点平面称为晶面。晶面上的结点，在空间构成一个二维点阵。同一取向上的晶面，不仅相互平行、间距相等，而且结点的分布也相同，如图2-2（a）所示。结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数字h、k、l是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。

晶格点阵也可在任意方向上分解为相互平行的结点直线组，质点等距离地分布在直线上，位于一条直线上的质点构成一个晶向。同一直线组中的各直线，其质点分布完全相同，故其中任何一直线均可作为直线组的代表。晶向指数用［uvw］来表示。其中u、v、w三个数字是晶向矢量在参考坐标系X、Y、Z轴上的矢量分量经等比例化简而得出的，如图2-2（b）所示。

（2）金属的晶体结构

金属中由于原子间通过较强的金属键结合，原子趋于紧密排列，构成少数几种高对称性的简单晶体结构。元素周期表中所有元素的晶体结构几乎都已经用实验方法测出，最常见的金属晶体结构主要有三种，即面心立方结构（FCC或A1）、体心立方结构（BCC或A2）以及密排六方结构（HCP或A3）。据统计，约有90%以上金属元素的金属晶体结构都属于这三种晶格形式。

1）面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞如图2-3所示。在晶胞8个角及6个面的中心各分布着一个原子，在面对角线上，面中心的原子与该面4个角上的各原子相互接触、紧密排列。每个面心位置的原子同时属于两个晶胞所共有，故每个面心立方晶胞中仅包含1/8×8+1/2×6=4个原子。晶胞中原子排列的紧密程度可用致密度来表示，致密度是指晶胞中原子所占的体积与该晶胞体积之比，可以算出面心立方晶格的致密度为0.74。具有这种晶格的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、金（Au）、银（Ag）、γ-铁（γ-Fe，912～1394℃）等。

2）体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞如图2-4所示，八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，角上八个原子与中心原子紧靠。体心立方晶胞每个角上的原子为相邻的8个晶胞所共有，因此实际上每个晶胞所含原子数为1/8×8+1=2个，其致密度为0.68。具有体心立方晶格的金属有钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、α-铁（α-Fe，<912℃）等。

3）密排六方晶格

六方晶格的晶胞是六方柱体，如图2-5所示。它是由6个呈长方形的侧面和2个呈六边形的底面组成的，所以要用两个晶格常数表示，分别是上、下底面间距c和六边形的边长a，在紧密排列情况下c/a=1.633。在密排六方晶胞中，在六方体的12个角上和上、下底面的中心各排列着一个原子，在晶胞中间还有3个均匀分布的原子。因为其每个角上的原子为相邻的6个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为2个晶胞所共有，晶胞内部三个原子为该晶胞独有，所以密排六方晶胞中原子数为12×1/6+2×1/2+3=6个；其致密度为0.74。具有这种晶格的金属有镁（Mg）、镉（Cd）、锌（Zn）、铍（Be）等。

由以上三种金属晶体结构的特征可看出面心立方晶格和密排六方晶格中原子排列紧密程度完全一样，在空间中是排列最紧密的两种形式。体心立方晶格中原子排列紧密程度要差些。因此当一种金属（如Fe）从面心立方晶格向体心立方晶格转变时，将伴随着体积的膨胀。这就是钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因。面心立方晶格中的空隙半径比体心立方晶格中的空隙半径要大，表示容纳小直径其他原子的能力要大。如γ-Fe中最多可容纳2.11%的碳原子，而α-Fe中最多只能容纳0.02%的碳原子，这在钢的化学热处理（渗碳）过程中有很重要的实际意义。此外，由于不同晶体结构中原子排列的方式不同，它们的变形能力也会有所不同。

2.1.2　实际晶体结构与晶体缺陷

上述晶体结构是一种理想的结构，可看成是晶胞的重复堆砌，这种晶体称为单晶体，即原子排列的位向或方式均相同的晶体，如图2-6（a）所示。由于许多因素的作用，实际金属远非理想完美的单晶体，结构中存在许多类型的缺陷，绝大多数的是多晶体，即由若干个小的单晶体组成，这些小的单晶体称为晶粒，每个晶粒的原子位向各不相同，晶粒之间的边界称为晶界，如图2-6（b）所示。

按照缺陷在空间的几何形状及尺寸，晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。结构的不完整性会对晶体的性能产生重大的影响，特别是对金属的塑性变形、固态相变以及扩散等过程起着重要的作用。

（1）点缺陷

点缺陷是指在三维空间各方向上尺寸都很小，约为一个或几个原子间距的缺陷，属于零维缺陷，如空位、间隙原子、置换原子等。晶格中没有原子的结点称为空位，如图2-7（a）所示；位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子，如图2-7（b）所示；挤入晶格间隙或占据正常结点的外来原子称为置换原子或异类原子，如图2-7（c）所示。

在上述点缺陷中，间隙原子最难形成，而空位却普遍存在，例如铜在1000℃时，空位浓度约为间隙原子浓度的10³⁵倍。空位的形成主要与原子的热振动有关：当某些原子振动的能量高到足以克服周围原子的束缚时，它们便有可能脱离原来的平衡位置（晶格的结点）而迁移至别处，结果在原来的结点上形成了空位。此外，塑性变形、高能粒子辐射、热处理等也能促进空位的形成。

上述三种点缺陷都会造成局部晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，密度发生变化。特别是间隙原子和置换原子，它们对基体晶格乃至基体材料性能的影响规律是开发合金材料的重要依据。

（2）线缺陷

线缺陷是指在二维方向上尺寸很小而在第三维方向上尺寸相对很大的缺陷，属于一维缺陷。晶体中的线缺陷就是各种类型的位错。这是晶体中极为重要的一类缺陷，它对晶体的塑性变形、强度和断裂起着决定性的作用。

位错是晶体原子平面的错动引起的，即晶格中的某处有一列或若干列原子发生了某些有规律的错排现象。晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同。根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，可将位错分为两种基本类型：刃型位错和螺型位错。在刃型位错中，晶体的上半部多出一个原子面（称为半原子面），它像刀刃一样切入晶体，其刃口即半原子面的边缘便为一条刃型位错线，如图2-8（a）所示，位错线周围会造成晶格畸变。而在螺型位错中，晶体右边的上部原子相对于下部的原子向后错动一个原子间距，即右边上部相对于下部晶面发生错动，若将错动区的原子用线连起来，则具有螺旋型特征，如图2-8（b）所示。

晶体在外力作用下变形的过程，可以说是位错滑移区不断扩大的过程。这个过程是通过位错线的相应运动完成的。位错运动包括位错的滑移和位错的攀移。晶体中的位错密度以单位体积中位错线的总长度来表示，单位是cm/cm³（或cm^-2）。在退火金属中，位错密度一般为10⁶～10¹⁰cm^-2。在大量冷变形或淬火的金属中，位错密度增加，屈服强度将会增高，因此提高位错密度是金属强化的重要途径之一。此外，晶体中的点缺陷会对位错的组态和运动产生显著影响，进而影响晶体的力学性质。点缺陷与位错的相互作用是晶体固溶强化的物理基础。

（3）面缺陷

面缺陷是将材料分成若干区域的边界，每个区域内具有相同的晶体结构，区域之间有不同的取向，如表面、晶界、界面、层错、孪晶面等。面缺陷属于二维缺陷，它在二维方向上尺寸很大，第三维方向上尺寸很小。最常见的面缺陷是晶体中的晶界和亚晶界。

前面已经提到，实际金属为多晶体，是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的，每个晶粒基本上可视为单晶体，如图2-9所示。纯金属中，所有晶粒的结构完全相同，但彼此之间的位向不同，位向差为几十分、几度或几十度。晶粒与晶粒之间的接触界面叫作晶界。随相邻晶粒位向差的不同，其晶界宽度为5～10个原子间距。晶界在空间中呈网状，晶界上原子的排列不是非晶体式混乱排列，但规则性较差。原子排列的总特点是，采取相邻两晶粒的折中位置，使晶格由一个晶粒的位向，通过晶界的协调，逐步过渡为相邻晶粒的位向（图2-9）。

多晶体里的每个晶粒内部也不是完全理想的规则排列，而是存在着很多尺寸很小、位向差也很小（小于1°～2°）的小晶块，这些小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的交界叫亚晶界，它实际上由垂直排列的一系列刃型位错（位错墙）构成，如图2-10所示。

在晶界、亚晶界或金属内部的其他界面上，原子的排列偏离平衡位置，晶格畸变较大，位错密度较大（可达10¹⁶m^-2以上），原子处于较高的能量状态，原子的活性较大，所以对金属中许多过程的进行具有极为重要的作用。晶界和亚晶界均可提高金属的强度，一般晶粒越细，晶界越多，金属的塑性变形能力越大，塑性越好。

必须注意的是，在实际晶体结构中，上述这些晶体缺陷并不是静止不变的，而是随着温度及加工过程等各种条件的改变而不断变动的。这种变化既体现在缺陷所处位置的变化，也体现在缺陷数量或密度的变化。金属材料中缺陷的产生与消失，以及各种缺陷之间的交互作用，是强化金属的重要理论基础。

2.1.3　合金以及合金的晶体结构

纯金属具有良好的导电性、导热性、塑性及金属光泽等物理化学特性，但强度、硬度等力学性能一般都很低，且熔炼困难、价格昂贵，难以满足现代工业对金属材料提出的多品种、高性能的要求。因此，工业上应用较多的都是合金。

一种金属元素同另一种或几种其他元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫作合金。组成合金的独立的、最基本的单元叫作组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。

合金的强度、硬度、耐磨性等力学性能比纯金属高许多，某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能。因此合金的应用比纯金属广泛得多。在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其他部分分开的均匀组成部分叫作相。讨论合金的晶体结构，即是讨论合金的相结构。固态合金中有两类基本相：固溶体和金属间化合物。

（1）固溶体

将外来组元引入晶体结构，占据基质晶体质点位置或间隙位置的一部分，仍保持一个晶相，这种晶体称为固溶体，其中基质晶体为溶剂，一般在合金中含量较多；外来组元为溶质，含量较少。如常见的铁碳合金中，部分碳就是以固溶体的形式存在于铁的基体晶格中。

固溶体用α、β、γ等符号表示。外来组元的引入，破坏了质点排列的有序性，引起周期势场的畸变，造成结构的不完整，显然它是一种点缺陷。固溶体可以在晶体生长过程中形成，也可以在溶液或熔体中结晶形成，还可以在烧结过程中形成。固溶体在金属材料中占有重要地位。

根据外来组元在基质晶体中所处位置的不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体，其中置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子，间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中，如图2-11所示。

此外，按溶质原子在溶剂中的溶解度，可分为有限固溶体和无限固溶体两种。按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，分无序固溶体和有序固溶体两种。

固溶体随着溶质原子的溶入，晶格发生畸变。对于置换固溶体，溶质原子较大时造成正畸变，较小时引起负畸变。形成间隙固溶体时，晶格总是产生正畸变。晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。例如，纯铜的强度为220MPa，硬度为40HB，断面收缩率为70%；当加入1%镍形成单相固溶体后，强度升高到390MPa，硬度升高到70HB，而断面收缩率仍有50%。所以固溶体的综合力学性能很好，常常作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比，物理性能有较大的变化，如电阻率上升、导电率下降、磁矫顽力增大等。

（2）金属间化合物

合金中溶质含量超过固溶体的溶解极限后，会形成晶体结构和特性完全不同于任一组元的新相，即金属间化合物。所谓金属间化合物是金属与金属，或金属与非金属（N、C、H、B、Si等）之间形成的具有金属特性的化合物的总称。如铁碳合金中的渗碳体（Fe₃C），是铁碳合金中的重要组成相，它的晶格类型已经不再是铁的基体晶格类型，而是复杂的斜方晶格，如图2-12所示。

根据形成条件及结构特点，金属化合物可以分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三大类。严格遵守化合价规律的化合物称正常价化合物。它们由元素周期表中相距较远、电负性相差较大的两种元素组成，可用确定的化学式表示。例如Mg₂Si、ZnS等。这类化合物性能的特点是硬度高、脆性大。不遵守化合价规律但符合一定电子浓度（化合物中价电子数与原子数之比）的化合物叫作电子化合物。电子化合物主要以金属键结合，具有明显的金属特性，可以导电。它们的熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属中为重要的强化相。由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。其中尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中。根据结构特点，间隙化合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。

金属化合物一般熔点较高、硬度高、脆性大。合金中含有金属化合物时，强度、硬度和耐磨性提高，而塑性和韧性降低，因此金属化合物是许多合金的重要强化相。要求强韧兼备的结构材料则往往以固溶体为基，其上弥散分布着细小化合物硬质点，这种利用细小弥散的稳定质点提高合金强度的方法称为弥散强化。

2.1.4　金属材料的组织

由于合金的成分及加工处理工艺不同，其合金相将以不同的类型、形态、数量、大小与分布相组合，构成不同的合金组织状态。所谓组织是指用显微镜观察到的材料内部的微观形貌。即组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。

材料的组织结构是决定金属材料性能的重要因素，工业生产中常通过控制和改变合金的组织来改变和提高合金的性能。金属材料的组织取决于它的化学成分和工艺过程，我们设计开发不同合金就是由调整材料的成分来获得预期的性能的。而当材料的化学成分一定时，工艺过程则是其组织的最重要影响因素。

比如同为基体组织是铁素体的灰口铸铁，其内部石墨的存在形态将会明显影响灰口铸铁的强度和硬度等性能；纯铁经冷拔后，晶粒被拉长变形，同时其内部位错密度等晶体缺陷增多，其强度与硬度均比未变形前要高得多；碳质量分数为0.77%的铁碳合金，室温平衡组织中含有片状的Fe₃C相，其硬度高达800HB。切削加工时，车刀要不断切断Fe₃C，因此刀具的磨损很厉害。但球化退火后，Fe₃C相变为分散的颗粒状，切削时对刀具的磨损较小，使切削性能得到提高。

综上所述，金属材料的成分、工艺、组织结构和性能之间有着密切的关系。了解它们之间的关系，掌握材料中各种组织的形成及各种因素的影响规律，对于合理使用金属材料有十分重要的指导意义。