2.1　金屬的晶體結構

材料的性能決定于材料的化學成分和其內部的組織結構。眾所周知，一切物質是由無數微粒按一定的方式聚集而成的，而這些微粒可能是分子、原子或離子。固態物質按其原子（或離子、分子）的聚集狀態可分為兩大類：晶體與非晶體。原子（或離子、分子）在三維空間中有規則地周期性重復排列的物體稱為晶體，如天然金剛石、水晶、氯化鈉等。原子（或離子、分子）在空間中無規則排列的物體則稱為非晶體，如松香、石蠟、玻璃等。晶體結構的基本特征是原子（或分子、離子）在三維空間呈周期性重復排列，即存在長程有序。因此，晶體與非晶體物質在性能上主要有兩點區別：

①晶體熔化時具有固定的熔點，而非晶體卻無固定熔點，存在一個軟化溫度范圍；

②晶體具有各向異性，而非晶體卻為各向同性。由于金屬由金屬鍵結合，其內部的金屬離子在空間中有規則的排列，因此固態金屬一般情況下均是晶體。

2.1.1　金屬的晶體結構

（1）晶體學基本概念

1）晶格與晶胞

在晶體中，質點（即原子、離子或分子）在空間中的分布具有周期性和對稱性，如圖2-1（a）所示。習慣上，人們常用空間幾何圖形來抽象地表示晶體結構，即把晶體質點的中心用直線連接起來，構成一個空間網格，此即晶格，也稱為晶格點陣，如圖2-1（b）所示。晶格的結點為金屬原子（或離子）平衡中心的位置。能反映該晶格特征的最小組成單元稱為晶胞，如圖2-1（c）所示。晶胞在三維空間的重復排列構成晶格。晶胞的基本特性即反映該晶體結構（晶格）的特點，因此研究一種金屬材料的晶格特性，我們只需要研究其晶胞所具有的性質即可。

2）晶格常數

晶胞的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊長a、b、c和三條棱邊之間的夾角α、β、γ等六個參數來描述，如圖2-1（c）所示。其中a、b、c為晶格常數。金屬的晶格常數一般為1×10^-10～7×10^-10m。對于立方晶格，a=b=c，且α=β=γ=90°。不同元素組成的金屬晶體因晶格形式及晶格常數的不同表現出不同的物理、化學和力學性能。

3）晶向與晶面

將晶格點陣在任意方向上分解為相互平行的結點平面，這樣的結點平面稱為晶面。晶面上的結點，在空間構成一個二維點陣。同一取向上的晶面，不僅相互平行、間距相等，而且結點的分布也相同，如圖2-2（a）所示。結晶學中經常用（hkl）來表示一組平行晶面，稱為晶面指數。數字h、k、l是晶面在三個坐標軸（晶軸）上截距的倒數的互質整數比。

晶格點陣也可在任意方向上分解為相互平行的結點直線組，質點等距離地分布在直線上，位于一條直線上的質點構成一個晶向。同一直線組中的各直線，其質點分布完全相同，故其中任何一直線均可作為直線組的代表。晶向指數用［uvw］來表示。其中u、v、w三個數字是晶向矢量在參考坐標系X、Y、Z軸上的矢量分量經等比例化簡而得出的，如圖2-2（b）所示。

（2）金屬的晶體結構

金屬中由于原子間通過較強的金屬鍵結合，原子趨于緊密排列，構成少數幾種高對稱性的簡單晶體結構。元素周期表中所有元素的晶體結構幾乎都已經用實驗方法測出，最常見的金屬晶體結構主要有三種，即面心立方結構（FCC或A1）、體心立方結構（BCC或A2）以及密排六方結構（HCP或A3）。據統計，約有90%以上金屬元素的金屬晶體結構都屬于這三種晶格形式。

1）面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞如圖2-3所示。在晶胞8個角及6個面的中心各分布著一個原子，在面對角線上，面中心的原子與該面4個角上的各原子相互接觸、緊密排列。每個面心位置的原子同時屬于兩個晶胞所共有，故每個面心立方晶胞中僅包含1/8×8+1/2×6=4個原子。晶胞中原子排列的緊密程度可用致密度來表示，致密度是指晶胞中原子所占的體積與該晶胞體積之比，可以算出面心立方晶格的致密度為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。

2）體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞如圖2-4所示，八個原子處于立方體的角上，一個原子處于立方體的中心，角上八個原子與中心原子緊靠。體心立方晶胞每個角上的原子為相鄰的8個晶胞所共有，因此實際上每個晶胞所含原子數為1/8×8+1=2個，其致密度為0.68。具有體心立方晶格的金屬有鉬（Mo）、鎢（W）、釩（V）、α-鐵（α-Fe，<912℃）等。

3）密排六方晶格

六方晶格的晶胞是六方柱體，如圖2-5所示。它是由6個呈長方形的側面和2個呈六邊形的底面組成的，所以要用兩個晶格常數表示，分別是上、下底面間距c和六邊形的邊長a，在緊密排列情況下c/a=1.633。在密排六方晶胞中，在六方體的12個角上和上、下底面的中心各排列著一個原子，在晶胞中間還有3個均勻分布的原子。因為其每個角上的原子為相鄰的6個晶胞所共有，上、下底面中心的原子為2個晶胞所共有，晶胞內部三個原子為該晶胞獨有，所以密排六方晶胞中原子數為12×1/6+2×1/2+3=6個；其致密度為0.74。具有這種晶格的金屬有鎂（Mg）、鎘（Cd）、鋅（Zn）、鈹（Be）等。

由以上三種金屬晶體結構的特征可看出面心立方晶格和密排六方晶格中原子排列緊密程度完全一樣，在空間中是排列最緊密的兩種形式。體心立方晶格中原子排列緊密程度要差些。因此當一種金屬（如Fe）從面心立方晶格向體心立方晶格轉變時，將伴隨著體積的膨脹。這就是鋼在淬火時因相變而發生體積變化的原因。面心立方晶格中的空隙半徑比體心立方晶格中的空隙半徑要大，表示容納小直徑其他原子的能力要大。如γ-Fe中最多可容納2.11%的碳原子，而α-Fe中最多只能容納0.02%的碳原子，這在鋼的化學熱處理（滲碳）過程中有很重要的實際意義。此外，由于不同晶體結構中原子排列的方式不同，它們的變形能力也會有所不同。

2.1.2　實際晶體結構與晶體缺陷

上述晶體結構是一種理想的結構，可看成是晶胞的重復堆砌，這種晶體稱為單晶體，即原子排列的位向或方式均相同的晶體，如圖2-6（a）所示。由于許多因素的作用，實際金屬遠非理想完美的單晶體，結構中存在許多類型的缺陷，絕大多數的是多晶體，即由若干個小的單晶體組成，這些小的單晶體稱為晶粒，每個晶粒的原子位向各不相同，晶粒之間的邊界稱為晶界，如圖2-6（b）所示。

按照缺陷在空間的幾何形狀及尺寸，晶體缺陷可分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。結構的不完整性會對晶體的性能產生重大的影響，特別是對金屬的塑性變形、固態相變以及擴散等過程起著重要的作用。

（1）點缺陷

點缺陷是指在三維空間各方向上尺寸都很小，約為一個或幾個原子間距的缺陷，屬于零維缺陷，如空位、間隙原子、置換原子等。晶格中沒有原子的結點稱為空位，如圖2-7（a）所示；位于晶格間隙之中的原子叫間隙原子，如圖2-7（b）所示；擠入晶格間隙或占據正常結點的外來原子稱為置換原子或異類原子，如圖2-7（c）所示。

在上述點缺陷中，間隙原子最難形成，而空位卻普遍存在，例如銅在1000℃時，空位濃度約為間隙原子濃度的10³⁵倍。空位的形成主要與原子的熱振動有關：當某些原子振動的能量高到足以克服周圍原子的束縛時，它們便有可能脫離原來的平衡位置（晶格的結點）而遷移至別處，結果在原來的結點上形成了空位。此外，塑性變形、高能粒子輻射、熱處理等也能促進空位的形成。

上述三種點缺陷都會造成局部晶格畸變，使金屬的電阻率、屈服強度增加，密度發生變化。特別是間隙原子和置換原子，它們對基體晶格乃至基體材料性能的影響規律是開發合金材料的重要依據。

（2）線缺陷

線缺陷是指在二維方向上尺寸很小而在第三維方向上尺寸相對很大的缺陷，屬于一維缺陷。晶體中的線缺陷就是各種類型的位錯。這是晶體中極為重要的一類缺陷，它對晶體的塑性變形、強度和斷裂起著決定性的作用。

位錯是晶體原子平面的錯動引起的，即晶格中的某處有一列或若干列原子發生了某些有規律的錯排現象。晶體在不同的應力狀態下，其滑移方式不同。根據原子的滑移方向和位錯線取向的幾何特征不同，可將位錯分為兩種基本類型：刃型位錯和螺型位錯。在刃型位錯中，晶體的上半部多出一個原子面（稱為半原子面），它像刀刃一樣切入晶體，其刃口即半原子面的邊緣便為一條刃型位錯線，如圖2-8（a）所示，位錯線周圍會造成晶格畸變。而在螺型位錯中，晶體右邊的上部原子相對于下部的原子向后錯動一個原子間距，即右邊上部相對于下部晶面發生錯動，若將錯動區的原子用線連起來，則具有螺旋型特征，如圖2-8（b）所示。

晶體在外力作用下變形的過程，可以說是位錯滑移區不斷擴大的過程。這個過程是通過位錯線的相應運動完成的。位錯運動包括位錯的滑移和位錯的攀移。晶體中的位錯密度以單位體積中位錯線的總長度來表示，單位是cm/cm³（或cm^-2）。在退火金屬中，位錯密度一般為10⁶～10¹⁰cm^-2。在大量冷變形或淬火的金屬中，位錯密度增加，屈服強度將會增高，因此提高位錯密度是金屬強化的重要途徑之一。此外，晶體中的點缺陷會對位錯的組態和運動產生顯著影響，進而影響晶體的力學性質。點缺陷與位錯的相互作用是晶體固溶強化的物理基礎。

（3）面缺陷

面缺陷是將材料分成若干區域的邊界，每個區域內具有相同的晶體結構，區域之間有不同的取向，如表面、晶界、界面、層錯、孿晶面等。面缺陷屬于二維缺陷，它在二維方向上尺寸很大，第三維方向上尺寸很小。最常見的面缺陷是晶體中的晶界和亞晶界。

前面已經提到，實際金屬為多晶體，是由大量外形不規則的小晶體即晶粒組成的，每個晶粒基本上可視為單晶體，如圖2-9所示。純金屬中，所有晶粒的結構完全相同，但彼此之間的位向不同，位向差為幾十分、幾度或幾十度。晶粒與晶粒之間的接觸界面叫作晶界。隨相鄰晶粒位向差的不同，其晶界寬度為5～10個原子間距。晶界在空間中呈網狀，晶界上原子的排列不是非晶體式混亂排列，但規則性較差。原子排列的總特點是，采取相鄰兩晶粒的折中位置，使晶格由一個晶粒的位向，通過晶界的協調，逐步過渡為相鄰晶粒的位向（圖2-9）。

多晶體里的每個晶粒內部也不是完全理想的規則排列，而是存在著很多尺寸很小、位向差也很小（小于1°～2°）的小晶塊，這些小晶塊稱為亞晶粒。亞晶粒之間的交界叫亞晶界，它實際上由垂直排列的一系列刃型位錯（位錯墻）構成，如圖2-10所示。

在晶界、亞晶界或金屬內部的其他界面上，原子的排列偏離平衡位置，晶格畸變較大，位錯密度較大（可達10¹⁶m^-2以上），原子處于較高的能量狀態，原子的活性較大，所以對金屬中許多過程的進行具有極為重要的作用。晶界和亞晶界均可提高金屬的強度，一般晶粒越細，晶界越多，金屬的塑性變形能力越大，塑性越好。

必須注意的是，在實際晶體結構中，上述這些晶體缺陷并不是靜止不變的，而是隨著溫度及加工過程等各種條件的改變而不斷變動的。這種變化既體現在缺陷所處位置的變化，也體現在缺陷數量或密度的變化。金屬材料中缺陷的產生與消失，以及各種缺陷之間的交互作用，是強化金屬的重要理論基礎。

2.1.3　合金以及合金的晶體結構

純金屬具有良好的導電性、導熱性、塑性及金屬光澤等物理化學特性，但強度、硬度等力學性能一般都很低，且熔煉困難、價格昂貴，難以滿足現代工業對金屬材料提出的多品種、高性能的要求。因此，工業上應用較多的都是合金。

一種金屬元素同另一種或幾種其他元素，通過熔化或其他方法結合在一起所形成的具有金屬特性的物質叫作合金。組成合金的獨立的、最基本的單元叫作組元。組元可以是金屬、非金屬元素或穩定化合物。由兩個組元組成的合金稱為二元合金，例如工程上常用的鐵碳合金、銅鎳合金、鋁銅合金等。

合金的強度、硬度、耐磨性等力學性能比純金屬高許多，某些合金還具有特殊的電、磁、耐熱、耐蝕等物理、化學性能。因此合金的應用比純金屬廣泛得多。在金屬或合金中，凡化學成分相同、晶體結構相同并有界面與其他部分分開的均勻組成部分叫作相。討論合金的晶體結構，即是討論合金的相結構。固態合金中有兩類基本相：固溶體和金屬間化合物。

（1）固溶體

將外來組元引入晶體結構，占據基質晶體質點位置或間隙位置的一部分，仍保持一個晶相，這種晶體稱為固溶體，其中基質晶體為溶劑，一般在合金中含量較多；外來組元為溶質，含量較少。如常見的鐵碳合金中，部分碳就是以固溶體的形式存在于鐵的基體晶格中。

固溶體用α、β、γ等符號表示。外來組元的引入，破壞了質點排列的有序性，引起周期勢場的畸變，造成結構的不完整，顯然它是一種點缺陷。固溶體可以在晶體生長過程中形成，也可以在溶液或熔體中結晶形成，還可以在燒結過程中形成。固溶體在金屬材料中占有重要地位。

根據外來組元在基質晶體中所處位置的不同，可分為置換固溶體和間隙固溶體，其中置換固溶體中溶質原子代換了溶劑晶格某些結點上的原子，間隙固溶體中溶質原子進入溶劑晶格的間隙之中，如圖2-11所示。

此外，按溶質原子在溶劑中的溶解度，可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。按溶質原子在固溶體中分布是否有規律，分無序固溶體和有序固溶體兩種。

固溶體隨著溶質原子的溶入，晶格發生畸變。對于置換固溶體，溶質原子較大時造成正畸變，較小時引起負畸變。形成間隙固溶體時，晶格總是產生正畸變。晶格畸變隨溶質原子濃度的增高而增大。晶格畸變增大位錯運動的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強度和硬度。這種通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現象稱為固溶強化。固溶強化是金屬強化的一種重要形式。在溶質含量適當時，可顯著提高材料的強度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低。例如，純銅的強度為220MPa，硬度為40HB，斷面收縮率為70%；當加入1%鎳形成單相固溶體后，強度升高到390MPa，硬度升高到70HB，而斷面收縮率仍有50%。所以固溶體的綜合力學性能很好，常常作為結構合金的基體相。固溶體與純金屬相比，物理性能有較大的變化，如電阻率上升、導電率下降、磁矯頑力增大等。

（2）金屬間化合物

合金中溶質含量超過固溶體的溶解極限后，會形成晶體結構和特性完全不同于任一組元的新相，即金屬間化合物。所謂金屬間化合物是金屬與金屬，或金屬與非金屬（N、C、H、B、Si等）之間形成的具有金屬特性的化合物的總稱。如鐵碳合金中的滲碳體（Fe₃C），是鐵碳合金中的重要組成相，它的晶格類型已經不再是鐵的基體晶格類型，而是復雜的斜方晶格，如圖2-12所示。

根據形成條件及結構特點，金屬化合物可以分為正常價化合物、電子化合物和間隙化合物三大類。嚴格遵守化合價規律的化合物稱正常價化合物。它們由元素周期表中相距較遠、電負性相差較大的兩種元素組成，可用確定的化學式表示。例如Mg₂Si、ZnS等。這類化合物性能的特點是硬度高、脆性大。不遵守化合價規律但符合一定電子濃度（化合物中價電子數與原子數之比）的化合物叫作電子化合物。電子化合物主要以金屬鍵結合，具有明顯的金屬特性，可以導電。它們的熔點和硬度較高，塑性較差，在許多有色金屬中為重要的強化相。由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物為間隙化合物。其中尺寸較大的過渡族元素原子占據晶格的結點位置，尺寸較小的非金屬原子則有規則地嵌入晶格的間隙之中。根據結構特點，間隙化合物分間隙相和復雜結構的間隙化合物兩種。

金屬化合物一般熔點較高、硬度高、脆性大。合金中含有金屬化合物時，強度、硬度和耐磨性提高，而塑性和韌性降低，因此金屬化合物是許多合金的重要強化相。要求強韌兼備的結構材料則往往以固溶體為基，其上彌散分布著細小化合物硬質點，這種利用細小彌散的穩定質點提高合金強度的方法稱為彌散強化。

2.1.4　金屬材料的組織

由于合金的成分及加工處理工藝不同，其合金相將以不同的類型、形態、數量、大小與分布相組合，構成不同的合金組織狀態。所謂組織是指用顯微鏡觀察到的材料內部的微觀形貌。即組織由數量、形態、大小和分布方式不同的各種相組成。

材料的組織結構是決定金屬材料性能的重要因素，工業生產中常通過控制和改變合金的組織來改變和提高合金的性能。金屬材料的組織取決于它的化學成分和工藝過程，我們設計開發不同合金就是由調整材料的成分來獲得預期的性能的。而當材料的化學成分一定時，工藝過程則是其組織的最重要影響因素。

比如同為基體組織是鐵素體的灰口鑄鐵，其內部石墨的存在形態將會明顯影響灰口鑄鐵的強度和硬度等性能；純鐵經冷拔后，晶粒被拉長變形，同時其內部位錯密度等晶體缺陷增多，其強度與硬度均比未變形前要高得多；碳質量分數為0.77%的鐵碳合金，室溫平衡組織中含有片狀的Fe₃C相，其硬度高達800HB。切削加工時，車刀要不斷切斷Fe₃C，因此刀具的磨損很厲害。但球化退火后，Fe₃C相變為分散的顆粒狀，切削時對刀具的磨損較小，使切削性能得到提高。

綜上所述，金屬材料的成分、工藝、組織結構和性能之間有著密切的關系。了解它們之間的關系，掌握材料中各種組織的形成及各種因素的影響規律，對于合理使用金屬材料有十分重要的指導意義。