实际金属的晶体结构

任务2　实际金属的晶体结构

一、多晶体结构

实际使用的工业金属材料是由大量外形不规则的小晶体即晶粒所组成的，称为多晶体。每个晶粒内部的晶格位向大致相同，但各个晶粒彼此间的位向不同，位向差为几分、几度到几十度。晶粒的一般尺寸为10^－3～10^－2 cm，晶粒之间的界面称为晶界，一般在金相显微镜下才能观察到晶粒和晶界。

在实际金属材料中，大量不同位向的多晶体是呈统计规律分布的。各方向的性能大体表现出各晶粒性能的平均值，例如，α－Fe多晶体各个方向所测得的弹性模量E都约为210 000Pa，这恰好是α－Fe单晶体在各个方向上的平均值。多晶体在各个方向上性能相近的现象，称为多晶体的伪各向同性。

研究证明，每一个晶粒是由位向差、尺寸都很小的小晶块互相镶嵌而成的。这些小晶块称为亚晶粒或嵌镶块，尺寸比晶粒小2～3个数量级，常为10^－6～10^－4 cm，亚晶粒之间的位向差为几秒至几度，亚晶粒间的边界称为亚晶界，在亚晶粒内部晶格位向是一致的。

二、实际金属中的晶体缺陷

前述的理想晶体，原子的排列是绝对规则的，但实际上晶体中一些区域的原子的正常排列往往遭到破坏，表现为某些原子丢失了正常的相邻关系，这称为晶体缺陷。晶体缺陷与强度、硬度和韧度等大量整体性能有密切关系，而对密度、弹性模量等影响不大。根据几何形态的差别，晶体缺陷一般分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。

1．点缺陷

在长、宽、高三个方向上的尺寸都很小，即相当于原子尺寸的晶格缺陷称为点缺陷，包括空位、间隙原子和溶质原子等。

晶格结点原子不断地做热振动，当其能量大于周围原子对其束缚时，就可能迁移到晶格间隙中，形成空位和间隙原子，如图2－5所示。点缺陷使周围晶格发生畸变，金属的物理性能、力学性能都受到影响，如电阻增大、密度减小、屈服强度增强等。

2．线缺陷

在两个方向上的尺寸很短，在另一个方向上的尺寸相对很长的晶格缺陷称为线缺陷，如各种类型的位错。最常见的位错如图2－6所示，在这个晶体的某个原子面上多出了半排原子面，这多出的半排原子面就像刀刃一样垂直切入到完整晶体中，刃口处的原子列即为刃形位错。在刃形位错线附近区域，发生了晶格畸变，距位错线较远处，原子排列趋于正常，所以刃形位错实际上为位错线周围几个原子间距宽的长管道。

图2－5　常见点缺陷示意图

图2－6　刃形位错示意图

位错的存在和运动，对金属的塑性变形、强度和断裂起决定作用，对金属的扩散、组织转变等物理性能也有较大影响。位错密度是指单位体积中位错线的总长度或单位面积中位错线的根数。位错密度对金属强度的影响如图2－7所示，当金属处于退火状态（位错密度ρ＝10⁶～10⁸ cm^－2）时其强度最低，增加或减少位错都会提高金属强度，目前已制出极细的无位错的金属晶须，其强度接近理论值。目前提高金属材料强度的主要方法是增加位错，如热处理、冷压力加工等。

图2－7　金属强度与位错密度的关系

3．面缺陷

在两个方向上的尺寸很长，在第三个方向上的尺寸很短的晶格缺陷称为面缺陷。晶界［见图2－8（a）］和亚晶界是金属中的主要面缺陷。晶界上原子并非完全混乱排列，而是位向不同的相邻晶粒的折中位置，通过晶界来协调，使晶格从一个晶粒的位向过渡到另一个晶粒的位向。亚晶界是位错规则排列的，例如，亚晶界可由位错垂直排列成位错墙［见图2－8（b）］构成。

晶界和亚晶界处晶格畸变较大，位错密度较高（可达1012 cm－2以上），原子能量较高；与晶粒内相比，其熔点较低，容易腐蚀，原子扩散速度较快，强度较高，因此，晶界对金属的性能有较大的影响。

图2－8　晶界结构示意图