第二章 金属的晶体结构 金属材料通常都是一种晶体材料。金属的晶体结构指的是金属材料内部的原子排列的规律。它决定着材料的显微组织和材料的宏观性能。

第一节 纯金属的晶体结构 一、基本知识 晶体里面的原子(或)离子都是在它的平衡位置上不停振动着，但在讨论晶体结构时可以假设它们是一些静止不动的小球。各种晶体结构就可以看成是这些小球按一些的几何方式紧密排列堆积而成的。图2-1a是简单的立方原子排列示意图。

(一)基本概念 1.晶格：晶体结构的“小球”模型虽然很直观，但仍然不便与表诉晶体内部原子排列顺序规率的细节。我们可以把原子看成是一个几何质点，把原子 之间的相互作用假想为几何直线，这样一来晶体的结构就可以直接用几何学来讨论了。这种用于描述原子在晶体中排列的三维空间几何点阵为晶格。图2-1b是简单立方晶格的的示意图。晶格中直线的交点称为结点。在运用晶格模型来讨论晶体结构时，结点可以代表一个原子(或离子)，也可以代表一个分子或原子团的中心。

(一)基本概念 2 晶胞：晶体中原子排列规律具有明显的周期变化。因此在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元，称之为晶胞。图2-1c是一个简单的晶胞示意图。晶胞在空间的重复排列就构成整个晶格。因此，晶胞的特征就可以反映出晶格和晶体的特征。 3 晶格参数与晶格常数：在晶体学中，用来描述晶胞大小有形状的几何参数称为晶格参数。包括晶胞的三个棱边的长度a,，b，c和三个棱边夹角。α，β，γ共六个参数。其中决定晶胞大小的三个棱长又称为晶格常数。图2-1c

(二)金属中常见的晶格 1.体心立方体晶格：体心立方体晶格属于立方晶系。示意图见图2-2。晶格的参数为a=b=c；α=β=γ=90立方体八角上个有一个原子，体心处有一个原子。每个体心立方体晶胞中的原子个数为1/8×8+1=2个。 属此晶格的金属有：铬、钨、钼、钒、铁、钛、铌等 2.面心立方体晶格：面心立方体晶格也属于立方晶系。示意见图2-3。晶格参数为a=b=c；α=β=γ=90。在晶胞的八个角上个又一个原子每个面心立方体晶胞个有四个原子，即1/8×8+1/2×6=4个。属此晶格的金属有：铁、铝、铜、镍、金、银、铂、铑、铅等 3 密排六方晶格：密排六方晶格属于六方角系。示意见图2-4。晶格参数a=b！=c；α=β；γ=120。每个六方晶胞中有六个原子，即1/6×12+1/2×2+3=6个。属此晶格的金属有：镁、锌、铍、α钛、镉等。

(三)晶格的致密度 晶格的致密度定义是：每个晶胞中原子所占的总体积与晶胞的体积之比。是用来表示晶体中原子排列的紧密程度 经过计算可知：体心立方体的致密度为0.68 ；面心立方体和密排六方晶格的致密度都是0.74。

二 纯金属的实际晶体结构 (一)晶粒和亚晶粒 二 纯金属的实际晶体结构 (一)晶粒和亚晶粒 在金属体中，凡是晶格位向基本一致的区域，并有边界与邻区分开就称之为一个晶粒。在显微镜下可以看到这些晶粒，其外形成不规则状。。它们是些不规则的外形多面体，见图2-8。相邻晶体的晶粒间晶格的位向有明显差别。晶粒之间的原子排列不规则的区域称为晶界。 实际上，晶界就是不同晶格位向的相临晶粒在原子排列上的过度区。通常，晶粒尺寸很小，对于钢铁材料一般为10-1mm~10-3mm。对于有色金属其晶粒尺寸一般都比钢大一些，有的可用眼睛直接看到 。如：镀锌钢板表面的镀锌层的晶粒尺寸可达到几毫米到几十毫米。 每个晶粒内部，晶格位向也并非完全一样，而是存在着许多晶格位向差小于2、3的更小的晶块。这些小晶块内部是完全相同的。这些小晶块称为亚晶粒，也称嵌镶块。见图2-9。亚晶粒间的过度区称为亚晶界，也称小角度晶界。它也是一种原子排列不太规则的区域。

(二) 晶体中的缺陷 这里说的缺陷不是指晶体的宏观缺陷，而是指晶体中局部原子排列不规则的区域。根据晶体缺陷的几何特点和原子对排列不规则性的影响范围可分为三大类。 1.点缺陷：点缺陷是指以一个点为中心。在它的周围造成原子排列的不规则，产生晶格的畸变和内应力的晶体缺陷。主要有间隙原子，置换原子，晶格空位三种，见图2-10。在晶格的间隙处出现多余的晶体缺陷称为间隙原子；在晶格的接点处出现缺少原子的晶体称为晶体空格；在晶格的结点处出现的原子直径不同的异类原子的晶体缺陷称为置换原子。间隙原子和大径的置换原子会引起一个以一个点为中心的晶格局部“撑开”现象，称之为正畸变。而晶格空位和小直径的置换原子会引起一个点为中心的晶格局部“靠拢”现象，称之为负畸变。 晶体中的点缺陷都是处在不断的变化和运动中，其位置随时在变。这是金属原子扩散的一种主要方式，也是金属在固态下“相变”和化学热处理工艺的基础。

(二) 晶体中的缺陷 2 线缺陷：线缺陷主要是指各种形式的“位错”。所谓位错是指晶体中某一列或若干列原子发生有规律的错排现象。它引起的晶格错线为中心轴的一个管状区域。 位错有多种。最简单直观的一种称为刃型位错。它象一个刀刃的切入，故称刃型位错，见图2-11。 晶格中的位错多少，可用位错密度来表示。位错密度是指单位体积内位错的错线长度，量纲为(cm-2)。晶体中的位错首先是产生于晶体的结晶过程。 晶体材料的内部的位错在相应的条件下，可以产生滑移，增值，交割，缠结，攀移等行为。这对金属的强度、塑性等力学性能有重要影响。金属材料

(二) 晶体中的缺陷 3.面缺陷：晶体的面缺陷，主要是指前述的晶界和亚晶界。面缺陷是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。原子的位置处于两晶格的取向所能适应的折衷位置上。面缺陷是有一定厚度的原子排列不规则的过渡带。其厚度重要取决于相邻的两晶粒或亚晶粒的晶格位向差的大小及晶格变化的纯度。对于金属，这个厚度通常在几个原子间距或到几百个原子间距大小的范围内变化。面缺陷处的晶格畸变较大，界面处能量高，影响范围也较大。因此，晶界具有与晶粒内部不同的特性。

第二节 合金的晶体结构 在机械工程中，由于纯金属本身的力学性能很有限，满足不了实际的需要。所以，很少使用纯金属制作零部件。而是将它们熔炼成合金，从而改善他们的力学性能，满足使用需要。所以，在机械工程中大量使用的金属材料绝大多数都是合金材料。如：钢、铸铁、黄铜、青铜、硬铝、锻铝等等。由于合金不只是一种化学元素，因此合金的晶体结构要比纯金属复杂许多。而且其显微组织仅用晶粒、晶界来表示也远为不足，必须引出一些新概念。

一、基本概念 1.合金：合金是指由一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素，通过熔炼烧结的方法所形成的具有金属性质的新金属材料。 2.组元：组元是指组成合金的最基本的，独立存在的物质，简称元。组成合金的各种元素及各种化学元素都是组元。合金中有几种组元就称之为几元合金。 3.合金系：合金系是指有相同的组元，而成分比例不同的一系列合金。 4.相：相是指在合金中，凡是化学成分相同，晶体结构相同并有界面与其他部分分隔开来的一个均匀区域。 5.显微组织：是指在显微镜下看到的相和晶粒的形态，大小和分布。

二 合金的金相组织 由于合金的各个相的晶体结构是不同的，所以，在合金中，不同的相所在的区域具有不同的晶体结构。绝大多数的合金在液相时各组元之间都能互相溶解形成单一的均匀液相。但是，在固相时各种组元之间相互作用不同，可以形成各种晶体结构和化学成分的相。通常分为固溶体和金属化合物两大类。

(一) 固溶体 合金结晶成固态时，含量少的组元(溶质)原子分布在含量多的组元(溶剂)晶格中形成一种与溶剂有相同晶格的相，称为固溶体。可见固溶体的重要标志是与溶剂有相同晶格。根据需要 固溶体有很多种分类方法。最常用的是按溶质固溶体原子在溶剂晶格中的分布位置来分类。有间隙固溶体和置换(代位)固溶体两大类。见图2-12和图2-13。

1．间隙固溶体： 溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体，称为间隙固溶体。由于晶格的间隙通常都是很小的，所以，一般都是由原子半径较小的(＜0.1nm)非金属元素(如：C、N、B、O等)溶入过渡族金属中，形成间隙固溶体。例如：钢中的奥氏作就是C原子团溶到γ-Fe晶格的间隙中形成的固溶体。 间隙固溶体对溶质溶解都是有限的，所以都是有限固溶体。 间隙固溶体中，溶质原子的排列是无秩序的，所以也都是无序固济体。

2．置换固溶体 溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶格结点位置，而形成的固溶体，称为置换固溶体。在有色金属合金中和合金钢中都存在着置换固溶体。 置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体两类。所谓无限固溶体是指固溶体的溶解及是无限的。组成固溶体的两种元素随比例不同可以互为溶质或溶剂。例如：金一银合金系就是一种单相的无限的置换固溶体合金。 置换固溶体中溶质原子的分布一般也是无序分布的，通常也都是无序固溶体。但是，在一定条件下也会出现有序分布。这种固溶体称为有序固溶体(也称超结构)。例如：铜一金合金系中当铜原子数与金原子数的比例为1比1或3比1并缓慢冷至室温时就会出现CuAu或Cu3Au的有序固溶体其晶格结构，见图2一14

有序固溶体，虽然化学元素成比例，但不是化合物。当把它加热到一定温度时就会变成无序固溶体。若是把它再缓慢地冷到这个温度之下又可变为有序的。 这个无序到有序的转变过程称固溶体的有序化。固溶体的有序化也会变化。如：硬度和脆性增加，塑性和电阻率下降等。

3.固溶体的溶解度 溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体的浓度。港质在固溶作中的体中的溶解度。不同固溶体的溶解度不相同。同一种固溶体随温度溶解度也增加，反之下降。

4．影响因溶体的晶体结构和溶解度主要因素目前已被公认的主要因素有： (1)原子直径因素：当溶质与溶剂的原子直径相差较小时易形成置换固溶体，而且直径差愈小，其溶解度也会愈大。这是因为，原子直径差会引起晶格的畸变，使晶格的畸变能增加。原子直径差愈大，畸变能增加愈剧。随着畸变能的增加将使这种固溶体晶格结构的稳定性下降。自然这种固溶体本身的存在也就不稳定了，这将会导致其它相的形成。但是，若两种原子直径差愈小，畸变能增加也愈小，尽管固溶体浓度不断增加，也不致于因畸变能的原因而引起其晶格结构的改变。这就有可能形成无限固溶体。当溶质与溶剂的原子直径差很大时是不能形成置换回溶体的。但是，却可以形成间隙固溶体。间隙固溶体的溶解度较小。

(2)负电性因素：所谓负电性是指某元素的原子从其它元素原子夺取电子而变成负离子的能力。在元素周期表中，两种元素的位置距离愈远，则其负电性差也愈大。两元素负电性愈大，则化学亲合的能力也愈大。它们之间就易于形成化合物，而不利于形成固溶体，即使形成固溶体其溶解度也很小。

(3)电子浓度因素：在合金中，价电子数目否与原子数目n之比称为电子浓度。对于固溶体来讲，当溶质原子与溶剂原子的价电子数不相同时，随着溶质原子的进入，将使固溶体晶格中的电子浓度以及电子云的分布有所改变。并且，随着溶入的溶质数量愈多，电子浓度改变愈大。直至达到某一个极限电子浓度时，此固溶体的晶格结构就不稳定了。将会出现新的相。可见，每种固港体只能稳定的存在于一定的电子浓度范围之内。例如：对于溶剂是一价的，而溶质是高于一份的固溶体，若晶格结构是面心立方，其电子浓度的极限值为l.36。若固溶体具有体心立方晶格则电子浓度的极限值为1.48。

(4)晶体结构因素：在多数的情况下，晶格类型相同的元素之间溶解度较大。晶格类型不同的元素之间溶解度较小。无限固溶作只能产生于相同晶格结构的元素之间。 (5)温度因素：在一般情况下，固溶体随温度升高其溶解度也增加 这可能与固溶体晶格上原子的热振动有关。

小 结 上述五种因素的综合作用决定了固溶体的种类及其溶解度的大小。如：钢铁中常见的五元素(C、Si、Mn、S、P)与铁元素的关系。C原子半径较小(0.077nm)与过渡族元素Fe在一定的条件下能形成间隙固溶体。C固溶到体心立方的-Fe中形成的间隙固溶体(铁素体)，室温时的溶解度很小(0.0008%)近于零。当温度升高到727°C时获得最大溶解度为0.02%。C固溶到面心立方的-Fe中所形成的间隙固溶体(奥氏体)最大溶解度可达2.11%。Si、Mn、S、P的原子直径远大于C原子的。因而与Fe只能形成置换固溶体。其中Si、Mn与Fe的负电性差及原子尺寸差均较S、P的小，所以，Si、Mn在Fe中的溶解度较大而S、P在Fe中的溶解度较小。尤其是S，它的原子直径与Fe原子直径差约为18%，既不非常大，也不非常小，再加上负电性相差也很大，所以，S几乎不溶于Fe，但与 Fe易形成有害化合物FeS。

5．固溶体的性能 当溶质含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随着溶质含量的升高，通常都会使固溶体的强度、硬度升高；塑性、韧性下降；电阻率、磁矫顽力升高。通常把溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称之为固溶强化。固溶强化是金属材料的一种重要的强化途径。如果适当控制港质的浓度，可以在显著提高金属材料强度和硬度的同时，仍可以保持相当好的塑性和韧性。工业上使用的金属材料多数都是单相固溶体合金和以固溶体为基体的多相合金。

当然仅靠固溶强化来提高金属材料的强度和硬度还是很有限的。但是可以在固溶强化工基础上再适当配合其它强化手段，就会使金属材料起到所需的各种强韧巨。其它强化方法要还有：细晶强化、第二相弥散强化、热处理相变强化、加工硬化等。这些强化方法将教材后面的内容中陆续介绍。

(二)金属化合物 在合金中，当溶质组元的质量分数超过固溶体的溶解度将会产生新相。这个新相可能以另一组元为溶剂的另一种固溶体。也可能产生一种晶格结构不同于任一组元的化合物。如钢中的Fe3C、FeS、MnS；黄铜中的相(CuZn)等。若化合物的结合键中有一定程度的金属键，则该化合物就具有一定的金属性质。这种具有金属性质的化合物被称之为金属化合物。如：Fe3C、CuZn就是金属化合物。而FeS、MnS主要是离子键结合，没有金属性质称为非金属化合物。在合金中，金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上会使合金的强度、硬度进一步提高，这种现象称为第二相弥散强化。非金属化合物在合金中通常都会降低合金的性能，它们的存在愈少愈好。非金属化合物常被称为非金属夹杂物，简称夹杂。

金属化合物一般都具有复杂的晶格结构、熔点高、硬而脆。在合金中金属化合物的多少。形态、大小、分布的方式等对合金的性能有不同的影响。若弥散均匀分布可提高合金的强度，硬度和耐磨性，但会降低合金的塑性和韧性。若以网状或大块条状分布，则会严重降低合金的各种力学性能。通过热处理及锻造可以改变金属化合物在合金中的分布状况。 按照金属化合物形成的条件可分为三大类：

1．正常价化合物 这是一种符合化合物原子价规律，成分固定并有严格分子式的金属化合物。通常由在元素周期表上相距较远、电化学性质相差很大的两种元素化合而成。例如：强金属元素与非金属或类金属元素(Sb、 Bi、 Sn、 Ph等)形成的化合物 Mg2Si、 Mg2Sn、 Mg2Pb等。 正常价化合物化学成分固定，一般不会形成以化合物为基的固溶体。它常被用作铝合金、青铜等材料的强化相。

2.电子化合物 这是一类不遵守原子价规律而服从电子浓度规律的化合而成。当电子浓度为21／14、21／13、21／12时，则分别形成体心立方的电子化合物(β相)、复杂体心立方的电子化合物(相)，密排立方体(ε相)。见表2-2。 电子化合物的晶体结构主要取决于电子浓度。但是，元素的原子直径和电化学性质等因素也对晶格结构类型有影响。例如：当组成电子化合物的两元素的原子直径差很小时，电子浓度为21／14的电子化合物的晶格结构除体心立方外，还可能是密排六方结构。

电子化合物虽然可以用化学式来表示，然而其化学成分通常并不是一个固定值，而是可以在一定范围内变化的。例如：电子化合物 CuZn中Zn的质量分数可以变化的范围是由36.8%到56.5%。这种化学成分不是化学式中标称值的电子化合物，被称为是以这种电子化合物为基的固溶体。其性能与相应的电子化合物相同。 电子化合物及其固溶体都是金属键结合，具有明显的金属特性，并且溶点、硬度均较高，塑性很低。在合金中一般不作为基体相，而是以弥散分布的第二相形式来强化合金。在有色金属合金中，它常作为一种强化相与基体的固溶体相相互配合来调整合金的性能。 电子化合物晶格中，各组成元素的原子间多呈无序分布状态。但有些电子化合物在缓慢冷却时也可变成有序分布，出现有序化转变现象。

3．间隙化合物 这是一种以原子直径较大的过渡族金属与原子直径很小的非金属原子组成的化合物。非金属原子有规则的嵌入金属元素晶格的间隙中，所以称为间隙化合物。 它可分为两类：

(1)间隙相当非金属原子直径与金属原子直径比值小于0.59时，形成简单晶格的间隙化合物，称间隙相。从表2－1中可见非金属元素碳的原子直径为0.154nm，而金属元素钛的原子直径为0.293nm。它们的比值小于0.59，所以形成的间隙化合物TiC就是一种间隙相。其晶格结构见图2－15。从图上可见Ti原子处与面心立方体的结点上，而C原子处于晶格的间隙中。 过渡族金属的氮化物，氢化物及部分化物都是间隙相。如：W2C，TiC，TiN，Fe4N，Nb4C，Fe2N，Ti，TiH2。

间隙相都可以写成固定原子比的化学式形式：M4X、M2X、MX、MX2，M代表过渡族金属元素，X代表非金属元素C、N、H。但是，在间隙相中两种元素的原子数量之比实际上可从在一定范围内变化。例如：TiC中的金属Ti的原子数量与非金属C的原子数量比可由Ti2C到TiC之间变化形成间隙缺位固溶体。 间隙相中除MX型中的氮化物是体心立方体晶格，WC，MoN是简单六方晶格及M2X型多是密排六方晶格，其余都是面心立方晶格。

(2)复杂结构的间隙化合物当非金属原子直径与金晶原子直径之比大于0 (2)复杂结构的间隙化合物当非金属原子直径与金晶原子直径之比大于0.59则不能产生间隙相，而产生复杂晶格结构的间隙化合物。过渡族金属的硼化物及部分碳化物都是复杂结构的间隙化合物。在钢铁材料中，常见的复杂结构的间隙化合物有Fe3C、FeB、Cr23C6、Cr7C3等。Fe3C是碳素钢中重要的强化相。其晶格结构，见图2－16。是由碳原子组成的正交晶格(α=β=γ=90，a≠b≠c)，每个碳原子周围都配有六个铁原子，并组成一个八面体。八面体内只有一个碳原子，而八面体上的每个铁原子只有一半属于这个八面体。所以保证了Fe与 C的原子数比为 3／1。形成较稳定的 Fe3C金属化合物。

复杂结构化合物中的金属原子和非金属原子都可以被别的原子所置换，形成以复杂结构化合物为基的置换固溶体。例如：Mn或Cr置换渗碳体Fe3C中的部分Fe原子，则形成(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等合金渗碳体；再如N或B置换部分C原子，则形成Fe3(C、N)、Fe3(C、B)等合金渗碳体。复杂结构化合物置换固溶体与相应的复杂结构。化合物的性能相似，都是又硬又脆高熔点，见表2－3。 形成间隙化合物的过渡族元素的d层电子数愈少与碳的亲合力就愈强，形成的化合物也愈稳定。其中间隙相更稳定，熔点和硬度也更高。间隙相TiC的硬度最高，可达2850HV左右，复杂结构的间隙化合物Fe3C硬度最小，约为860HV左右。过渡族中钻、镍等元素d层电子较多，不生成碳化物。 返回

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