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，即使是同一种金属材料，在不同条件下其力学性能也是不一样的。金属材料这种性能上的差异，从本质上讲，是由其内部结构所决定的。

    2.1.1 金属的结构与结晶

    1.晶体与非晶体

    在物质内部，凡是原子呈无规则堆积状况的，称为非晶体。例如普通玻璃、松香、树脂等都属于非晶体。相反，凡原子作有序、有规则排列的称为晶体，如图2－1（a）所示。绝大多数金属和合金都属于金属晶体。

    晶体与非晶体的差异主要为晶体都有规则的几何外形，而非晶体则不然；晶体具有固定的熔点，而非晶体的熔点是不定的；晶体具有各向异性，而非晶体则具有各向同性。

    2.晶体结构的概念

    （1）晶格与晶胞。晶体内部的原子是按一定的几何规律排列的，为了便于研究原子在空间排列的几何规律，把每个原子看成是一个点，这个点代表原子的振动中心，这样，金属的晶体结构就成为一个规则排列的空间点阵，把这些点用直线连接起来，就形成了一个空间格子，这种空间的网状结构，就称晶格，如图2－1（b）所示。

    晶格是由许多大小、形状相同的几何单元反复堆积而构成的，这种完整地反映晶格特征的最小几何单元称晶胞，如图2－1（c）所示。由于晶胞能够完整地反映晶格中原子的排列规律，因此，在研究金属的晶体结构时，是以晶胞作为研究对象的。

    图2－1 晶体中原子的排列与晶格示意图

    晶格中的点称晶格结点，结点代表原子在晶体中的平衡位置。原子在晶格结点上并不是固定不动的，而是以晶格结点为中心作高频振动，随着温度的升高，原子振动的幅度也就越大。

    （2）晶格常数。由于不同金属原子的半径是不一样的。在组成晶胞后，晶胞的大小和形状是不一样的，晶胞的大小可用晶胞的棱边长度来表示，而晶胞的形状可用棱边之间的夹角来表示。它们统称为晶格常数。

    2.1.2 常见金属的晶体结构

    晶格描述了金属晶体内部原子的排列规律，金属晶体结构的主要差别就在于晶格形式及晶格常数的不同。在已知的金属元素中，除少数具有复杂的晶体结构外，大多数金属具有简单的晶体结构，其中常见的有以下三种。

    1.体心立方晶格

    体心立方晶格的晶胞是一个立方体，如图2－2（a）所示，即在晶胞的中心和八个顶角各有一个原子，因每个顶角上的原子同属于周围八个晶胞所共有，所以，每个体心立方晶胞的原子数为2，属于这类晶格的金属有α－铁、铬、钼、钨、钒等。这类金属的塑性较好。

    2.面心立方晶格

    面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，如图2－2（b）所示，即在立方晶格的晶胞的八个顶角和六个面的中心有一个原子。因每个面中心的原子同属于两个晶胞所共有，故每个面心立方晶格的原子数为4，属于这类晶格的金属有铝、铜、金、镍、γ－铁等。这类金属的塑性优于具有体心立方晶格的金属。

    3.密排六方晶格

    密排六方晶格的晶胞是一个六棱柱体，如图2－2（c）所示。原子位于两个底面的中心处和12个顶点上，棱柱内部还包含着三个原子，其晶胞的实际原子数为6，属于这类晶格的金属有镁、锌、铍等。这类金属通常较脆。

    图2－2 常见晶格结构

    金属的晶格类型不同，其性能必然存在差异。即使晶格类型相同的金属，由于各元素的原子直径和原子间距不同等原因，其性能也不相同。

    2.1.3 金属的实际晶体结构

    1.金属的多晶体结构

    单晶体是指具有一致结晶位向的晶体，如图2－3（a）所示，表现出各向异性。而实际的金属都是许多结晶位向不同的单晶体组成的聚合体，称为多晶体，如图2－3（b）所示。每一个小单晶体称晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称晶界。由于多晶体中各个晶粒的内部构造是相同的，只是排列的位向不同，而各个方向上原子分布的密度大致平均，故多晶体表现出各向同性，也称“伪无向性”。

    图2－3 单晶体与多晶体结构示意图

    2.金属的晶体缺陷

    实际金属不仅是多晶体，而且存在着各种各样的晶体缺陷。所谓晶体缺陷是指由于结晶条件或加工条件诸方面的影响，晶体内部的原子排列受到干扰而不规则的区域。实际金属晶体缺陷的存在对金属性能和组织转变均会产生很大影响。根据晶体缺陷的几何形态特征，一般将其分为以下三类。

    （1）点缺陷（空位和间隙原子）。点缺陷是指点状的，即在所有方向上的尺寸都很小的晶体缺陷。例如，结晶时，晶体上应被原子占据的结点未被原子占据，形成空位，如图2－4（a）所示。也可能有的原子占据了原子之间的空隙，形成间隙原子，如图2－4（b）所示。空位和间距原子都会造成点缺陷。

    （2）线缺陷（位错）。线缺陷是指在三维空间的两个方向上尺寸都很小的晶体缺陷。例如，图2－5所示晶体的ABCD面以上，多出了一个垂直方向的原子面EFGH，即晶体的上下两部分出现错排现象。多余的原子面像刀刃插入晶体，在刃口附近形成线缺陷。这样的线缺陷通常称为刃型位错。

    图2－4 点缺陷

    图2－5 刃型位错示意图

    （3）面缺陷（晶界和亚晶界）。面缺陷是晶粒与晶粒之间的交界面。多晶体中，各晶粒之间的位向互不相同，多数相差达30°～40°，当一个晶粒过渡到另一个晶粒时，必然会有一个原子排列无规则的过渡层。在实际金属晶体的晶粒内部，原子排列也不是完全理想的规则排列，而是存在着许多尺寸更小（边长10－4cm～10－6cm）、位向差也更小（一般小于1o～2o）的小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒（或亚结构、嵌镶块）。亚晶粒内部原子排列的位向是一致的，亚晶粒的交界面称为亚晶界。

    由于在金属晶体内部存在着空位、间隙原子、位错、晶界和亚晶界等缺陷，都会造成晶格畸形，引起塑性变形抗力增加，从而使金属的强度增加。

    2.1.4 金属的结晶

    金属的结晶是指金属由液态转变为固态的过程，也就是原子由不规则排列的非晶体状态过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程。金属的晶体结构是在结晶过程中逐步形成的，研究结晶的规律对于探索改善金属材料性能的途径具有重要意义。

    图2－6 纯金属的冷却曲线

    1.冷却曲线与过冷现象

    工业上使用的绝大多数金属材料都属于合金。但纯金属与合金的结晶过程基本上遵循同样的规律。为了由浅入深地讨论，下面先介绍纯金属的结晶。

    纯金属的结晶都是在一定温度下进行的，它的结晶过程可用冷却曲线来描述。如图2－6所示的冷却曲线上有一个平台出现，这个平台所对应的温度就是纯金属进行结晶的温度。纯金属的结晶都是在恒定的温度下进行的。

    在冷却曲线上出现平台的原因是由于结晶过程中有大量潜热放出，补偿了散失在空气中的热量，使温度并不随冷却时间的增长而下降，直到金属结晶终了后，由于不再有潜热释放，故温度又重新下降。

    纯金属在无限缓慢的冷却条件下（即平衡条件下）结晶，所测得的结晶温度称为理论结晶温度，可用T0表示。但实际上金属由液态向固态结晶时，都有较大的冷却速度，此时，液态金属将在理论结晶温度以下某一温度T1才开始结晶。金属的实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0的现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差ΔT，称为过冷度。ΔT=T0－T1。实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，但同一金属结晶时的过冷度不是一个恒定值，它与冷却速度有关。结晶时，冷却速度越大，过冷度就越大，即金属的实际结晶温度就越低。

    2.金属结晶过程

    金属的结晶是在冷却曲线上水平段所对应的这段时间内完成的，它是一个不断形成晶核和晶核不断长大的过程，如图2－7所示。

    图2－7 金属结晶过程示意图

    （1）形核。当液态金属的温度下降到接近T1时，某些局部会有一些原子规则地排列起来，形成极细小的晶体，这些小晶体很不稳定，遇到热流和振动就会立即消失，时聚时散，此起彼伏。当低于理论结晶温度时，稍大一点的细小晶体，有了较好的稳定性，就有可能进一步长大成为结晶核心，称为晶核。

    （2）长大。晶核形成之后，会吸附其周围液态中的原子不断长大，晶核长大使液态金属的相对量逐步减少。刚开始，各个晶核自由生长，并且保持着规则的外形。当各个生长着的小晶体彼此接触后，接触处的生长过程自然停止，因此，小晶体的规则外形遭到破坏。最后，全部液态金属转变成晶体，结晶过程终止。纯金属的结晶过程如图2－7所示，图中1、2、3、4、5、6表示结晶过程的变化顺序。

    由于不同方位形成的小晶体与其周围的晶体相互接触，使得小晶体的外形几乎都呈不规则的颗粒状。每个颗粒状的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。一般纯金属就是由许多晶核长成的外形不规则的晶粒和晶界所组成的多晶体。

    3.金属结晶后的晶粒大小

    金属结晶后的晶粒大小对其力学性能影响很大。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见表2－1。一般情况下，晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧度越高。

    表2－1 晶粒大小对纯铁力学性能的影响

    晶粒越细小，则晶界越多、越曲折，晶粒与晶粒之间相互咬合的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，增强了彼此间的结合力。不仅使强度、硬度提高，而且塑性、韧度也越高。因此，细晶粒组织的综合力学性能好，生产中总是希望获得细晶组织。实际生产中，常采用增大过冷度ΔT、变质处理和附加振动等方法获得细晶组织。用细化晶粒强化金属的方法称为细晶强化，它是强化金属材料的基本途径之一。

    （1）增加过冷度。实践证明，增加结晶时的过冷度ΔT，能使晶核的形成速率N增加，也能使晶核的长大速率v增加。但是，形核速率N要比长大速率v大得多，如图2－8所示。因此，增加过冷度能获得细晶粒组织。

    图2－8 形核速率N、长大速率v与ΔT的关系

    （2）变质处理。对于液态金属，特别是对于数量多、体积大的液态金属来说，获得大的过冷度是不容易办到的。为此，可在浇注前，向液态金属中加入少量的某种物质，以造成大量的人工晶核，从而使晶核数目大大增加，达到细化晶粒的目的，加入的这种物质称为变质剂。这种依附于这些固态杂质微粒的形核方式，称为非自发形核。通过非自发形核获得细晶粒组织的方法，称为变质处理，也称为孕育处理。

    （3）附加振动。生产中还可以采用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法，使熔融金属在铸型中产生运动，从而使得晶体在长大过程中不断被破碎，最终获得细晶粒组织。

    2.1.5 金属的同素异晶转变

    大多数金属在结晶完了之后晶格类型不再变化，但有些金属，如铁、锰、钛、钴等在结晶成固态后继续冷却时，其晶格类型还会发生一定的变化。

    金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化，称为金属的同素异晶转变。由同素异晶转变所得到的不同晶格类型的晶体，称为同素异晶体。同一金属的同素异晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母α、β、γ、δ等表示。

    铁是典型的具有同素异晶转变特性的金属。如图2－9所示为纯铁的冷却曲线，它表示了纯铁的结晶和同素异晶转变的过程。由图可见，液态纯铁在1 538℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ－Fe，继续冷却到1 394℃时发生同素异晶转变，δ－Fe转变为面心立方晶格的γ－Fe，再继续冷却到912℃时又发生同素异晶转变，γ－Fe转变为体心立方晶格的α－Fe，再继续冷却到室温后，晶格类型号不再发生变化。这些转变可用式子表示为

    图2－9 纯铁的冷却曲线

    金属的同素异晶转变是通过原子的重新排列来完成的，实际上是一个重结晶过程。因此，它遵循液态金属结晶的一般规律：有一定的转变温度，转变时需要过冷，有潜热放出，转变过程也是通过形核和晶核长大来完成的。但由于金属的同素异晶转变是在固态下发生的，故又具有其本身的特点。

    （1）同素异晶转变比较容易过冷。一般液态金属结晶时的过冷度比较小（几度到几十度），固态转变的过冷度较大（可达几百度），这是因为固态下原子扩散比在液态中困难，转变容易滞后。

    （2）同素异晶转变容易产生较大的内应力。由于晶格类型不同，原子排列方式不同，晶格类型的变化会引起金属体积的变化，例如γ－Fe转变为α－Fe时，铁的体积膨胀约1％，从而产生较大的内应力。这也是钢在淬火时引起应力，导致工件变形和开裂的重要因素。

    此外，纯铁在770℃时发生磁性转变，在此温度以下，纯铁具有铁磁性，在770℃以上则失去磁性。磁性转变时无晶格类型变化。

    同素异晶转变是金属的一个重要性能，凡是具有同素异晶转变的金属及其合金，都可以用热处理的方法改变其性能，同素异晶转变也是金属材料性能多样化的主要原因。