纯金属的晶体结构

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1、纯金属的晶体结构1．三种常见的金属晶体结构 固态物质按其原子的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体，晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列的物体，如金刚石、水晶、金属等。非晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体，如松香、石蜡、玻璃等。在一定的条件下晶体和非晶体可以互相转化（I2-1）。晶体结构是晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。晶格是假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。能反映晶格特征的最小组成单元称为晶胞（I2-2）。晶格常数指的是晶胞的三个棱边的长度a,b,c。常见的

2、金属晶体结构有⑴体心立方晶格（BCC—Body-Centered Cube），典型代表为钼（Mo）、钨、钒、铬、铌、α-Fe等，八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，如图2所示。⑵面心立方晶格（FCC—Face-Centered Cube），典型代表为铝、铜、镍、金、银、γ-Fe等，原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图1所示。⑶密排六方晶格（HCP—Hexagonal Close-Packed）典型代表为镁、镉（Cd）、锌、铍（Be）等。12个原子分布在六方体的12个角上，上下底面中心各分布一个原子，上下底面之间均

3、匀分布3个原子，如图3所示。  图1面心立方晶格              图2体心立方晶格            图3密排六方晶格原子半径指的是晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半，致密度指的是晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。体心立方模型与晶胞示意图（I2-3）,在体心立方晶格中如图4： 图  4晶格常数：a=b=c；a=b=g=90°   晶胞原子数：2原子半径：致密度：0.68面心立方模型与晶胞示意图（I2-4），在面心立方晶格中如图5：   图   5 晶格常数：a=b=c；a=b=g=90°   晶胞原子数：4

4、  原子半径：致密度：0.74         密排六方模型与晶胞示意图（I2-5）,在密排六方晶格中如图1-6：  图   6底面边长a底面间距c侧面间角120°侧面与底面夹角90°   晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.74三种晶胞类型的模型对比示意图（I 2-6）。2. 金属晶体的特性金属晶体区别于非晶体是其具有确定的熔点。在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而金属晶体不同方向上的性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性，而非晶体则是各向同性的。但是对于实际的金属，其内部是由许多的晶粒组成，每个晶粒在空间分布的

5、位向不同，因而在宏观上沿各个方向的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。3. 实际金属中的晶体缺陷实际金属的结构中存在许多不同类型的缺陷，按几何特征可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。点缺陷如图7，指的是三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。它包括空位、间隙原子、异类原子。当晶格中某些原子由于某种原因，（如热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。     图7   点缺陷示意图线缺陷指的是原子排列的不规则区在空间一个方向上的

6、尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如：位错。位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线，电子显微镜下的位错（I2-7）。由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，图8a为一种最简单的   “刃型位错”。因为相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。图8b为一种“螺型位错”，晶体右边上部相对于下部晶面发生错动。               图8a刃型位错示意图                       

7、图8b螺型位错示意图刃型位错与螺型位错的形成动画（M2-1）。晶体中存在大量的位错，一般用位错密度来表示位错的多少。位错密度指单位体积中位错线的总长度或单位面积上位错线的根数，由于位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明：晶体的强度和位错密度有如图9的对应关系，当晶体中位错密度很低时，晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很高时，其强度也很高。但目前的技术，仅能制造出直径为几微米的晶须，不能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现，如剧烈的冷加工可使密度大大提高，这为材料强度的提高提供途径。

8、图9   金属强度与位错密度的关系面缺陷指的是原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小的缺陷，包括晶界（晶粒与晶粒之间的接触界面）和亚晶界（亚晶粒之间的边界）两种