純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

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1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1．三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)?固態(tài)物質(zhì)按其原子的聚集狀態(tài)可分為兩大類：晶體和非晶體，晶體指的是材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則的周期性排列的物體，如金剛石、水晶、金屬等。非晶體指的是材料的原子（離子、分子）在三維空間無規(guī)則排列的物體，如松香、石蠟、玻璃等。在一定的條件下晶體和非晶體可以互相轉(zhuǎn)化（I2-1）。晶體結(jié)構(gòu)是晶體中原子（離子或分子）規(guī)則排列的方式。晶格是假設(shè)通過原子結(jié)點的中心劃出許多空間直線所形成的空間格架。能反映晶格特征的最小組成單元稱為晶胞（I2-2）。晶格常數(shù)指的是晶胞的三個棱邊的長度a,b,c。常見的

2、金屬晶體結(jié)構(gòu)有⑴體心立方晶格（BCC—Body-Centered?Cube），典型代表為鉬（Mo）、鎢、釩、鉻、鈮、α-Fe等，八個原子處于立方體的角上，一個原子處于立方體的中心，如圖2所示。⑵面心立方晶格（FCC—Face-Centered?Cube），典型代表為鋁、銅、鎳、金、銀、γ-Fe等，原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心，如圖1所示。⑶密排六方晶格（HCP—Hexagonal?Close-Packed）典型代表為鎂、鎘（Cd）、鋅、鈹（Be）等。12個原子分布在六方體的12個角上，上下底面中心各分布一個原子，上下底面之間均

3、勻分布3個原子，如圖3所示。??圖1面心立方晶格??????????????圖2體心立方晶格????????????圖3密排六方晶格原子半徑指的是晶胞中相距最近的兩個原子之間距離的一半，致密度指的是晶胞中所包含的原子所占有的體積與該晶胞體積之比。體心立方模型與晶胞示意圖（I2-3）,在體心立方晶格中如圖4：?圖??4晶格常數(shù)：a=b=c；a=b=g=90°???晶胞原子數(shù)：2原子半徑：致密度：0.68面心立方模型與晶胞示意圖（I2-4），在面心立方晶格中如圖5：???圖???5?晶格常數(shù)：a=b=c；a=b=g=90°???晶胞原子數(shù)：4

4、??原子半徑：致密度：0.74?????????密排六方模型與晶胞示意圖（I2-5）,在密排六方晶格中如圖1-6：??圖???6底面邊長a底面間距c側(cè)面間角120°側(cè)面與底面夾角90°???晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.74三種晶胞類型的模型對比示意圖（I?2-6）。2.?金屬晶體的特性金屬晶體區(qū)別于非晶體是其具有確定的熔點。在晶體中，不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而金屬晶體不同方向上的性能不同，這種性質(zhì)叫做晶體的各向異性，而非晶體則是各向同性的。但是對于實際的金屬，其內(nèi)部是由許多的晶粒組成，每個晶粒在空間分布的

5、位向不同，因而在宏觀上沿各個方向的性能趨于相同，晶體的各向異性顯示不出來。3.?實際金屬中的晶體缺陷實際金屬的結(jié)構(gòu)中存在許多不同類型的缺陷，按幾何特征可以分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。點缺陷如圖7，指的是三維尺度上都很小，不超過幾個原子直徑的缺陷。它包括空位、間隙原子、異類原子。當(dāng)晶格中某些原子由于某種原因，（如熱振動等）脫離其晶格結(jié)點而轉(zhuǎn)移到晶格間隙這樣就形成了點缺陷，點缺陷的存在會引起周圍的晶格發(fā)生畸變，從而使材料的性能發(fā)生變化，如屈服強(qiáng)度提高和電阻增加等。?????圖7???點缺陷示意圖線缺陷指的是原子排列的不規(guī)則區(qū)在空間一個方向上的

6、尺寸很大，而在其余兩個方向上的尺寸很小。如：位錯。位錯可認(rèn)為是晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體的局部滑移而造成?；撇糠峙c未滑移部分的交界線即為位錯線，電子顯微鏡下的位錯（I2-7）。由于晶體中局部滑移的方式不同，可形成不同類型的位錯，圖8a為一種最簡單的???“刃型位錯”。因為相對滑移的結(jié)果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的邊緣好像插入晶體中的一把刀的刃口，故稱“刃型位錯”。圖8b為一種“螺型位錯”，晶體右邊上部相對于下部晶面發(fā)生錯動。???????????????圖8a刃型位錯示意圖???????????????????????

7、圖8b螺型位錯示意圖刃型位錯與螺型位錯的形成動畫（M2-1）。晶體中存在大量的位錯，一般用位錯密度來表示位錯的多少。位錯密度指單位體積中位錯線的總長度或單位面積上位錯線的根數(shù)，由于位錯線附近的原子偏離了平衡位置,使晶格發(fā)生了畸變,對晶體的性能有顯著的影響。實驗和理論研究表明：晶體的強(qiáng)度和位錯密度有如圖9的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)晶體中位錯密度很低時，晶體強(qiáng)度很高；相反在晶體中位錯密度很高時，其強(qiáng)度也很高。但目前的技術(shù)，僅能制造出直徑為幾微米的晶須，不能滿足使用上的要求。而位錯密度很高易實現(xiàn)，如劇烈的冷加工可使密度大大提高，這為材料強(qiáng)度的提高提供途徑。

8、圖9???金屬強(qiáng)度與位錯密度的關(guān)系面缺陷指的是原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間兩個方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小的缺陷，包括晶界（晶粒與晶粒之間的接觸界面）和亞晶界（亞晶粒之間的邊界）兩種