多晶体结构

一、多晶体结构

前面在讨论金属的晶体结构时，一直把晶体看成是内部所有原子都严格按照其固有的几何规律，在空间作周期性排列而构成的，即晶体内部每个晶胞都是非常完整的，每个晶胞在空间堆砌的位向也是完全一致的。实际上这只是一种理想化的晶体结构，这样的晶体被称为理想晶体或单晶体。在工业用金属材料中，除非特殊制作，一般生产条件下是难以得到单晶体的。

实际使用的金属材料都是多晶体。所谓多晶体，是指即使其体积很小，内部也是由许许多多微小的、外形不规则的结晶颗粒所组成。这些结晶颗粒称为晶粒，晶粒与晶粒之间的边界称为晶界，如图2-8所示。晶粒实际上是由大量的位向基本一致的晶胞所组成，但晶粒与晶粒之间的空间位向则不同。晶界实际上就是不同晶粒间原子由一种位向排列到另一种位向排列的过渡层。

图2-8　金属多晶体结构示意图

晶粒基本上可视为单晶体，其尺寸很小，钢铁材料的晶粒一般在10^－3～10^－1cm，故只有借助于金相显微镜才能观察到。图2-9为在金相显微镜下拍摄的纯铁内部的晶粒和晶界。这种在显微镜下所观察到的金属内部的各种晶粒大小、形态及分布的形貌图像叫做显微组织。显微组织对金属材料的性能会产生极其重要的影响，实践证明，金属晶粒越细小，其硬度和强度越高，塑性和韧性也越好;而粗大的晶粒，将导致金属性能恶化。

图2-9　金属多晶体显微组织照片

单晶体由于其内部晶胞位向的一致性，使其在不同的空间位向上原子排列的方式和排列的密度不同，因此在不同方向上的力学性能也不相同，这种现象称为各向异性。但在多晶体中，每个晶粒的位向是任意的，即使每个晶粒都具有各向异性，但由于众多晶粒的各向异性相互抵消，所以测不出像单晶体那样明显的各向异性。实际上多晶体金属在不同方向上的性能大致相同，表现出大量晶粒性能的近似平均值，故实际金属就表现出各向同性。

实际金属不仅具有多晶体结构，而且由于结晶条件、压力加工、原子热运动等种种原因，其局部区域原子的规则排列往往会受到干扰和破坏，所以其晶体结构具有很大的不完整性。特别是在热和外力的作用下，晶体中会形成许多缺陷。晶体缺陷对金属的性能会产生重大的影响。研究表明，金属中发生的许多物理化学过程，都与晶体结构的不完整性密切相关。可见，研究晶体缺陷有着非常重要的意义。