第二節　金屬學

一、金屬和金屬鍵

通常人們所說的金屬是具有良好的導電性、導熱性、延展性（塑性）和金屬光澤的物質。而對于金屬比較嚴格的定義是：金屬是具有正的電阻溫度系數的物質，而所有的非金屬的電阻都隨著溫度的升高而下降，其電阻溫度系數為負值。

金屬原子之間的連接通過金屬鍵實現。根據近代物理和化學的觀點，金屬鍵是指處于聚集狀態的金屬原子，全部或大部分將它們的價電子貢獻出來，這些價電子在所有原子核周圍按量子力學規律運動著，即電子云，貢獻出價電子的原子，則變成了正離子，沉浸在電子云中，它們依靠運動于其間的公有化的自由電子的靜電作用而結合起來。

二、晶體結構

自然界中的晶體有成千上萬種，它們的晶體結構各不相同，但若根據晶胞的三個晶格常數和三個軸間夾角的相互關系，則晶體結構可分為7大晶系、14種空間點陣（關于晶胞及7大晶系、14種空間點陣的相關知識可參考《材料科學基礎》）。

最常見的晶體結構有三種，即體心立方結構、面心立方結構和密排六方結構。前兩者屬于立方晶系，后一種屬于六方晶系。

體心立方晶格的晶胞模型見圖1-1，三條棱邊長相等，三個軸夾角均為90°，8個原子處于立方體的角上，1個原子處于立方體的中心，角上8個原子與中心原子緊靠，其配位數為8，致密度為0.68。具有體心立方晶格的金屬有鉀（K）、鉬（Mo）、鎢（W）、釩（V）、α-鐵（α-Fe，<912℃）等。

面心立方晶格的晶胞模型見圖1-2，同樣三條棱邊長相等，三個軸夾角均為90°，金屬原子分布在立方體的8個角上和6個面的中心，面中心的原子與該面4個角上的原子緊靠，其配位數為12，致密度為0.74。具有這種晶格的金屬有鋁（Al）、銅（Cu）、鎳（Ni）、金（Au）、銀（Ag）、γ-鐵（γ-Fe，912～1394℃）等。

密排六方晶格的晶胞模型見圖1-3，12個金屬原子分布在六方體的12個角上，在上下底面的中心各分布1個原子，上下底面之間均勻分布3個原子，其配位數為12，致密度為0.74。具有密排六方晶格的金屬有鋅（Zn）、鎂（Mg）、鈦（α-Ti）等。

三、配位數和致密度

1.配位數

配位數是指晶體結構中與任一原子最鄰近、等距離的原子數目。配位數越大，晶體的原子排列便越緊密。

2.致密度

若把原子看作剛性圓球，那么原子之間必然存在空隙，用原子所占體積與晶胞體積之比表示原子排列緊密程度，稱為致密度，公式為

式中　K——晶體的致密度；

n——一個晶胞實際包含的原子數；

V1——一個原子的體積；

V——晶胞的體積。

四、晶體缺陷

實際金屬的原子排列不一定像理想的這么完美，它們總不可避免地存在一些偏離，從而造成排列不完整性的區域稱為缺陷。根據晶體缺陷的幾何特征，可把缺陷分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。

點缺陷：其特征是三個方向上的尺寸都很小，相當于原子的尺寸，稱零維缺陷，如空位、間隙原子、雜質原子等。

線缺陷：其特征是在兩個方向尺寸上很小，另外兩個方向延伸較長，也稱一維缺陷，集中表現形式是位錯。

面缺陷：其特征是二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。面缺陷的種類繁多，金屬晶體中的面缺陷主要有兩種：晶界和亞晶界。

五、合金的相

工業上使用的金屬材料大多為合金，組成合金的基本、獨立的物質稱為組元。一般來說，組元就是組成合金的元素，但也可以是穩定的化合物。當不同的組元經熔煉或燒結組成合金時，這些組元間由于物理的和化學的相互作用，形成具有一定晶體結構和一定成分的相。相是指合金中結構相同、成分和性能均一、并以界面互相分開的組成部分。

由一種固相組成的合金稱為單相合金，由幾種不同的相組成的合金稱為多相合金。不同的相有不同的特點，合金根據相的晶體結構特點可分為固溶體和金屬間化合物。

按溶質原子在晶格中所占的位置，可把固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體。置換固溶體是指溶質原子位于溶劑晶格的某些結點位置而形成的固溶體；間隙固溶體是指溶質原子不是占據溶劑晶格的正常位置，而是填入溶劑原子間的一些間隙中。

金屬間化合物是合金組元間發生相互作用而形成的一種新相，又稱中間相，其晶格類型及性能均不同于任一組元。在金屬間化合物中，除了離子鍵、共價鍵外，金屬鍵也參與作用，因而它具有一定的金屬性質。