材料的内部组织结构决定了材料的性能。固态物质按其原子 （离子或分子）在三维空间是否有序排列分为晶体和非晶体两大类。晶体材料具有固定的熔点，即在熔化过程中温度保持不变，而非晶体材料在加热中由固态转变为液态时温度逐渐变化；晶体具有各向异性 （在不同方向性能不同），非晶体具有各向同性 （在各个方向上性能完全相同）。金属材料在一般情况均为晶体，因为其由金属键结合，其内部离子在三维空间有规则地排列。金属材料包括纯金属和合金两类。
材料史话
金箔是中华民族传统工艺品，是用黄金锤成的薄片。黄金性质稳定，永不变色、抗氧化、防潮湿、耐腐蚀、防变霉、防虫咬、防辐射，用黄金制作的金箔具有广泛的用途。我国制作金箔的历史悠久，四川三星堆、金沙有金箔饰物出土，河南安阳殷墟也有金箔出土。古代制金箔是先将金提纯，再经千锤百炼的敲打，成为面积2.5cm2的金叶，然后夹在用煤油熏炼成的乌金纸里，经过6～8h的手工锤打，使金叶成箔，面积相当于金叶的40倍左右，最后裁成方形即成。
纯金属的晶体结构
为了便于研究，用假想的直线将原子中心连接起来所形成三维空间格架，即为晶格（图2-1）。直线的交点 （原子中心）称为节点。由节点形成的空间点的阵列称为空间点阵。而晶胞是能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。
图2-1 晶体、晶格和晶胞示意图
用晶胞的6个晶格参数：晶格常数 （三条棱边的尺寸）a、b、c和各棱间的夹角α， β，γ来描述晶胞的几何特征 （图2-2）。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系 （图2-3）。90％以上的金属属于立方晶系和六方晶系。立方晶系：a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°，六方晶系：a1＝a2＝a3≠c，α＝β＝90°，γ＝120°。晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半为原子半径。一个晶胞内所包含的原子数目为晶胞原子数。晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目为配位数。晶胞中原子本身所占的体积分数为致密度。
图2-2 晶格参数
图2-3 七种晶系
常见纯金属的晶格类型有体心立方 （bcc）晶格、面心立方 （fcc）晶格和密排六方（hcp）晶格。
1.体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞中，一个原子处于立方体的中心，8个原子在立方体的角上，中心原子和角上8个原子紧挨着 （图2-4）。常见金属有α-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等。
体心立方晶胞的特征如下：
（1）晶格常数：a（a＝b＝c），α＝β＝γ＝90°；
（ 2）原子半径：
，因为体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线；
（3）原子个数为
，因为在体心立方晶胞中，每个角上的原子在晶胞中同时属于8个相邻的晶胞，即每个角的原子只有1／8属于一个晶胞，体心还有一个原子；
（4）配位数为8；
（5）致密度为
2.面心立方晶格
面心立方晶格的晶胞中，一个原子处于立方体的6个面的中心，8个原子在立方体的角上，面中心原子和该面四个角上的原子紧挨着 （图2-5）。常见金属有γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等。
面心立方晶胞的特征如下：
（1）晶格常数：a（a＝b＝c），α＝β＝γ＝90°；
（ 2）原子半径：
，因为面心立方晶胞中原子相距最近的方向是面对角线；
（3）原子个数为
，因为在面心立方晶胞中，每个角上的原子在晶胞中同时属于8个相邻的晶胞，即每个角的原子只有1／8属于一个晶胞，面心还有一个原子同属于两个相邻的晶胞，即每个面心的原子只有1／2属于一个晶胞；
（4）配位数为12；
（5）致密度为
图2-4 体心立方晶格
图2-5 面心立方晶格
3.密排六方晶格
密排六方晶格 （图2-6）的晶格常数：底面边长a和高c，而且c／a＝1.633，原子半径
，原子个数为6，配位数为12，致密度为0.74，常见金属有Mg、Zn、Be、Cd等。
图2-6 密排六方晶格
实际金属的晶体结构
实际金属由单晶体或多晶体组成，单晶体是指其内部晶格方位完全一致的晶体，多晶体是由许多彼此方位不同、外形不规则的多晶粒组成的晶体结构。晶粒之间的交界面称为晶界，晶粒越细小，晶界面积越大。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷，对材料的性能产生很大的影响。
1.点缺陷
点缺陷是指空间三维尺寸都很小的缺陷，包括空位、间隙原子和置换原子。
（1）空位，即晶格中一些缺排原子的空节点；
（2）间隙原子，即挤进晶格间隙中的原子，是基体金属原子或外来原子；
（3）置换原子，即取代原来原子位置的外来原子，包括大置换原子、小置换原子或与尺寸接近的置换原子。
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，即为晶格畸变，从而使材料的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
2.线缺陷
线缺陷常指晶体中的位错 （图2-7），位错是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移时，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线，包括刃型位错和螺型位错。
图2-7 电子显微镜下的位错
刃型位错是指一个完整晶体的某处像刀刃一样切入晶体的多出半个原子面的边界，包括正位错和负位错。正位错是指半原子面在滑移面以上 （图2-8），用 “┴”表示。而负位错是指半原子面在滑移面以下，用 “┬”表示。金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。
图2-8 正位错
螺型位错是指晶体上部的原子相对于下部的原子向后错动一个原子间距，具有螺旋特征，根据螺旋线的旋向可分为右螺型位错和左螺型位错。
位错具有以下的特点：位错具有不稳定的特点，在外力或热作用下会产生移动；而且位错会产生晶格畸变，产生内应力；刃型位错容易吸纳置换原子。
3.面缺陷
面缺陷主要包括晶界与亚晶界两种，晶界是指不同位向晶粒的过渡部位，宽度为5～10个原子间距，位向差一般为20°～40°。亚晶界是指尺寸很小，位向差也很小 （10°～2°）的组成晶粒的亚晶粒之间的交界面。晶界具有以下特点：原子排列不规则，熔点低，耐蚀性差，易吸附外来原子，是相变的优先形核部位，而且能阻碍位错运动，因此实际使用的金属力求获得细晶粒。
练习与实践
一、填空题
1.晶胞中所包含的__________和__________之比称为致密度。
2.配位数是指晶格中与任一原子相距最__________且距离__________的原子数目。
二、选择题
1.晶体中的位错属于 （ ）。
A.面缺陷 B.线缺陷 C.体缺陷 D.点缺陷
2.α-Fe属于 （ ）晶格，γ-Fe属于 （ ）晶格。
A.体心立方 B.面心立方 C.密排六方 D.体心正方
三、简述与实践题
1.位错对金属材料的性能有什么影响？
2.已知铜的晶格常数是0.360nm，求铜原子的半径及致密度。
3.已知α-Fe的原子半径为0.124nm，求α-Fe的晶格常数。
4.常见的金属晶体结构有哪些？α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Mg分别属于什么晶体？
5.实际晶体中的点缺陷、线缺陷和面缺陷对金属性能有什么影响？
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