机械制造工程_2.2纯金属的晶体结构(图文教程)

第二节纯金属的晶体结构

一、金属晶体结构的描述

晶体中的原子有多种排列方式，为了便于理解和描述原子的排列规律，通常将实际晶体结构简化为完整无缺的理想晶体，并近似的把原子看成是不动的等径刚球质点，且在三维空间紧密堆积，原子在空间的这种排列形式称为空间点阵，如图2-6(a)所示。

若用许多假想的平行直线将所有质点的中心

由于晶格中各质点的周围环境相同，故其排列具有周期重复性。为了描述金属晶格的几何规则，可以从晶格中取出由数个原子组成的并能代表整个晶格几何结构特征的最小单元，这样的最小单元称为晶胞，如图2-6(c)所示。

图2-6点阵﹑晶格与晶胞

用来描述晶胞几何结构特征和几何尺寸的参数称为晶格常数。通常以三条棱边的边长a、b、c和三条棱边的夹角α、β、γ这六个参数作为晶胞或晶格的晶格常数，如图2-6(c)所示。

常以晶胞的几何结构（晶格类型）和晶格常数来描述金属的晶体结构。

晶体结构不同，晶体表现出不同的性能。值得注意的是，某些金属具有相同的晶格类型，因具有不同的晶格常数而具有不同的性能。

二、常用金属的晶体结构

通过X射线对所有金属晶体结构进行分析，结果发现共有14种晶体结构类型，存在着7种简单 晶胞和7种复杂晶胞，但常用金属的晶体结构类型多为体心立方、面心立方和密集（密排）六方三种。

(一)体心立方晶格

如图2-7所示，体心立方晶格的晶胞结构是一个正立方体，除每个结点上各有一个原子外，立方体的中心还有1个原子，即共有9个原子组成一个体心立方晶格（并非一个晶胞含有9个原子），晶格常数为a=b=c，α=β=γ=90o。

属于体心立方晶格的金属有铁(α-Fe)、铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)等，大多具有较高的强度和韧性。

图2-7体心立方晶胞结构示意图 图2-8面心立方晶胞结构示意图

(二)面心立方晶格

如图2-8所示，面心立方晶格的晶胞也是一个正立方体(a=b=c,α=β=γ=90o)。除每个结点上各有一个原子外，每个面的中心还各有1个原子，共有14个原子组成一个面心立方晶胞。

属于面心立方晶格的金属有铁(γ-Fe)、铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)等，大都具有较高的塑性。

图2-9密集六方晶胞结构示意图

(三)密集六方晶格

如图2-9所示，密集六方晶格的晶胞是一个正六棱柱(a=b≠c,α=β=90o,γ=120o)。在六棱柱的上下底面的12个结点上各有1个原子，上下底面中心各有1个原子，再加上六棱柱中间平面上的3个原子，共有17个原子组成一个密集六方晶格的晶胞。

属于密集六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)和钛(Ti)等，大多具有较大的脆性，塑性差。

三、金属的同素异晶转变

多数金属在结晶后晶体结构都保持不变，但某些金属如Fe、Cr、Mn、Ti等，晶体结构会随外界条件（如温度、压力等）的改变而改变，这种转变称为同素异晶转变。

图2-10为纯铁由液态冷至室温的冷却曲线及晶体结构转变示意图。由图可知，纯铁在912℃以下为体心立方晶体结构，称为α-Fe；912～1394℃为面心立方晶体结构，称为γ-Fe；1394～1538℃又呈体心立方晶体结构，称为δ-Fe。当加热或冷却至转变温度时，就会发生相应的晶体结构转变，如下式所示：

金属的同素异晶转变是金属在固态下发生的一种重新“结晶”的过程。要实现晶体结构即原子排列规则的转变，首先要在晶界上形成新的晶核，继而通过原子扩散来实现晶体结构的改组，所以金属的同素异晶转变过程也是不断产生晶核和晶核不断长大的过程，故也称为二次结晶。

研究同素异晶转变的意义在于：其一，此类金属或含此类金属的合金可进行热处理，如钢和铸铁均可通过热处理改变性能，与铁的同素异晶转变有关；其二，晶体结构不同，原子密度也不同，因而晶体结构的转变必然伴随着比容（C=1/p, p是密度）的变化，引起体积变化，如当γ-Fe转变成α-Fe时，其体积大约膨胀1％，从而使得钢在热处理时产生内应力（组织应力）。

图2-10纯铁的冷却曲线及晶体结构转变示意图