第二章金属的晶体结构与结晶(精)

02第二章金属的晶体结构与结晶金属晶体结构和结晶是金属学中非常重要的基础知识。

金属的晶体结构是指金属中原子或离子的排列方式，金属的结晶则是指金属从液态或气态转变为固态时，原子或离子按照一定的方式排列形成的晶体。

金属的晶体结构主要有两种：面心立方结构（FCC）和体心立方结构（BCC）。

在面心立方结构中，原子或离子处于正方形的面心位置和体心位置，形成紧密堆积的结构；在体心立方结构中，原子或离子处于正方形的面心位置和立方体中心位置，形成简单堆积的结构。

面心立方结构的特点是具有最高的密度，原子间的相互作用较强，因此具有较高的熔点和较好的导电性能。

典型的面心立方结构金属有铜、铝等。

体心立方结构的特点是具有较低的密度和较大的晶胞，原子间的相互作用较弱，因此具有较低的熔点和较差的导电性能。

典型的体心立方结构金属有铁、钨等。

金属的结晶过程分为凝固和晶体形核两个阶段。

凝固是指金属从液态或气态转变为固态的过程，形核则是指随着温度降低和原子间相互作用增强，形成新的晶胞。

金属的凝固过程受到多种因素的影响，如对流、缺陷和晶界等。

对流是指液态金属在凝固过程中的流动，容易形成非均匀结构；缺陷是指晶体中存在的原子空位或附加原子，对晶体性能有重要影响；晶界是指两个晶粒之间的边界，是金属中弹性较差区域。

金属的结晶方式主要有四种：脱溶结晶、化学结晶、物理结晶和相变结晶。

脱溶结晶是指金属从液态中直接凝固形成晶体，常见于无机盐的结晶；化学结晶是指金属通过化学反应形成固态产物，如金属氧化物的结晶；物理结晶是指金属通过物理方法产生晶体结构，如高温下的拉拔；相变结晶是指金属在相变点附近由液态转变为固态的结晶方式，如冶金过程中的凝固。

金属的晶体结构和结晶对金属的性能和应用有重要影响。

不同的晶体结构和结晶方式会影响金属的导电性、强度、延展性和热处理能力等性能。

因此，深入了解金属的晶体结构和结晶对于金属学的研究和应用具有重要意义。

第二章 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；同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的。

金属性能的这些差异，完全是由金属内部的组织结构所决定的。

因此，研究金属的晶体结构及其变化规律，是了解金属性能，正确选用金属材料，合理确定加工方法的基础。

第一节 金属的晶体结构一、晶体与非晶体固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。

晶体：凡原子(或分子)按一定的几何规律作规则的周期性重复排列的物质，称为晶体；非晶体：原子(或分子)无规则聚集在一起的物质则称为非晶体。

自然界中，除少数物质(如松香、普通玻璃、石蜡等)属于非晶体外，大多数固态物质都是晶体。

由于晶体内部原子(或分子)的排列是有规则的，所以自然界中许多晶体都具有规则的外形，如结晶盐、水晶、天然金刚石等。

但晶体的外形不一定都是有规则的，如金属和合金等，这与晶体的形成条件有关。

因此，晶体与非晶体的根本区别还在于其内部原子(或分子)的排列是否有规则。

晶体与非晶体的区别还表现在许多性能方面，如晶体具有固定的熔点(或凝固点)、具有各向异性的特征。

而非晶体则没有固定的熔点(或凝固点)，具有各向同性的特征。

显然，气体和液体都是非晶体。

特别是在液体中，虽然其原子(或分子)也是处于紧密聚集的状态，但不存在周期性排列，所以固态的非晶体可以看成是一种过冷状态的液体，只是其物理性质不同于通常的液体而已，玻璃就是一个典型的例子，故往往将非晶体称为玻璃体。

非晶体在一定条件下可以转化为晶体，如玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃。

而通常呈晶态的物质，如果将它从液态快速冷却下来，也可能成为非晶体，如金属液的冷却速度超过10℃／s时，可得到非晶态金属。

二、金属晶体的特性晶体又分为金属晶体和非金属晶体两类。

金属晶体除具有晶体所共有的特征外，还具有独特的性能，如金属具有金属光泽、良好的导电性和导热性、良好的塑性及正的电阻温度系数等。

这主要与金属的原子结构及原子问的结合方式有关。

第二章 金属与合金的晶体结构与结晶第一节 金属的晶体结构自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。

晶体与非晶体的区别表现在许多方面。

晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。

此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。

在一般情况下的固态金属就是晶体。

一、晶体结构的基础知识（1）晶格与晶胞为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1）晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。

（2）晶胞表示方法不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。

结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示，称为晶格常数。

晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。

当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===︒时，这种晶胞称为简单立方晶胞。

（3）致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。

二、三种典型的金属晶格1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。

它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。

属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。

2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。

它的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。

属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。

3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。

其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。

属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。