金属晶体和原子晶体的熔沸点

教学情境一　金属的晶体结构

学习与训练子目标

了解晶体与非晶体的基本概念及多晶体结构 掌握常见金属的晶格类型

掌握晶体中的缺陷

知识点一　晶体与非晶体

自然界中固体物质的性能与原子在空间的排列情况有着密切的关系。一类是原子按一定的几何规律呈周期性排列，称为晶体，如食盐、冰及各种固态金属等；另一类是原子无规则地堆积在一起，称为非晶体，如松香、玻璃、塑料、沥青等。

由于原子排列方式不同，晶体与非晶体的性能也就不同。晶体具有一定的熔点，其性能表现为各向异性。而非晶体则没有固定的熔点，表现为各向同性。

知识点二　晶体的基本结构

一、晶格与晶胞

为清楚地表明原子在空间的排列规律，可以近似地把晶体中的原子看作一个点，并用一些假想的几何线条将晶体中各原子的中心连接起来，构成一个空间格子，称为晶格。如图2-1所示，晶格中代表原子排列规则和所组成原子数目的最基本单元，称为晶胞。

图2-1　晶格结构示意图

二、晶面和晶向晶面和晶向反映了晶格中各个方位面上和各个方向上原子排列的情况，因此也就一定程度地反映了晶体结构的规律。同一晶格中不同晶面和晶向上的原子数及原子间距不同，因此，原子间的结合力也不同，从而显示出不同的性能，即各向异性。

知识点三　常见的金属晶格类型

不同金属具有不同的晶格类型，除一些具有复杂类型的金属外，大多数金属的晶体结构都是比较简单的，常见的有以下3种：

一、体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞如图2-2所示。它是一个立方体，在晶胞的中心和8个角上各有1个原子。具有体心立方晶格的金属有铬（Cr） 、钼（Mo） 、钨（W） 、钒（V） 、α-铁（α-Fe）等。

图2-2　体心立方晶胞结构示意图

二、面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞如图2-3所示。它也是一个立方体，在立方体的8个角上和6个面的中心各有1个原子。具有面心立方晶格的金属有铜（Cu） 、铝（Al） 、铅（Pb） 、γ-铁（γ-Fe）等。

图2-3　面心立方晶胞结构示意图

三、密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞如图2-4所示。它是一个正六棱柱体，在上、下两个正六边形底面的6个顶点和中心各有1个原子，在上、下两底面的中间还有3个原子。

图2-4　密排立方晶胞结构示意图

具有密排六方晶格的金属有镁（Mg） 、锌（Zn） 、铍（Be） 、镉（Cd）等。

四、晶格的致密度

金属晶体的特点是其原子排列紧密，即致密度较高。

所谓晶格的致密度是指其晶胞所包含的原子占有的体积与该晶胞体积之比，可用来对原子排列的紧密程度进行定量比较。例如，体心立方晶格的致密度为0.68，表明有68%的体积被原子所占据，其余为空隙。同理也可求出面心立方晶格及密排六方晶格的致密度均为0.74。显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以当纯铁由面心立方晶格转变成体心立方晶格时，就会发生体积膨胀而引起应力和变形。

知识点四　 金属的实际结构和晶体缺陷

一、多晶体

当一块晶体内部的晶格方位完全一致时，这块晶体被称为单晶体，以上讨论的都是单晶体情况。但在工业生产中，只有经过特殊制作才能获得单晶体。

实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部也包含着许多小晶体，每个小晶体内部的晶格方位都是均匀一致的，而各个小晶体之间的方位却不相同，如图2-5所示。其中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。一般金属材料都是多晶体。

图2-5　单晶体与多晶体结构示意图

多晶体中的晶粒尺寸可能有很大的不同。钢铁材料中的晶粒尺寸一般很小，在10⁻¹～10⁻³mm左右，只有在金相显微镜下才能观察到。而非铁金属如铜、铝等晶粒一般都比钢铁的晶粒大，有时甚至不用金相显微镜就能直接观察到。

在单晶体中，由于各个方向上的原子密度及排列方式等不同，故单晶体在不同方向上的物理、化学和机械性能也不相同，即具有各向异性特征。但实际金属都是多晶体，一个晶粒的各向异性在许多位向不同的晶粒之间可以互相抵消或补充，故实际金属表现出各向同性。

二、晶体缺陷

原子完全呈规则排列的晶体称为理想晶体。但在实际中，即使是一个晶粒，内部原子的排列也不像理想晶体那样规则和完整。这种金属原子排列的不规则性和不完整性，称为晶体缺陷。晶体缺陷对金属性能产生很大影响，因此有必要了解和重视这些缺陷。根据晶体缺陷的几何形态，可将其分为以下3类：

（一）点缺陷

点缺陷是指在三维尺度上都很小的一种缺陷。常见的点缺陷有空位、间隙原子和置换原子，如图2-6所示。

空位是指晶格的某些结点未被原子所占有的空位置。间隙原子是指在个别晶格空隙处出现的不占正常晶格位置的多余原子。置换原子是指金属中的杂质元素的原子取代金属原子而占据结点位置。

图2-6　点缺陷示意图

晶格中的点缺陷将会引起周围原子离开其平衡位置，产生晶格畸变。空位使晶格收缩，间隙原子使晶格膨胀，这些都将导致晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加，塑性降低。

（二）线缺陷

线缺陷是指在二维尺度上很小而在第三维尺度上很大的缺陷。晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。

位错是指在晶体的某处有一列或数列原子发生了某种有规则的错排现象。这里只简单介绍刃型位错。如图2-7所示，在这个晶体的某一水平面ABCD上，多出一个垂直原子面EFGH，它中断于ABCD面上的EF处，象刀刃切入晶体，使晶体中上下两部分的原子产生了错排现象，故称为刃型位错。位错在晶体受外力作用时进行运动，当两种相反符号的位错相遇时，彼此抵消，位错消失。

图2-7　刃型位错示意图

位错的存在会对金属的机械性能如强度、塑性等产生重要影响。晶体没有位错，不易塑性变形，强度极高。当晶体有位错存在时，结构的不完整性有助于塑性变形进行，使实际金属材料的强度低很多。

从理论上来说，提高金属强度有两条途径：一是完全消除金属内部的位错等缺陷，使其强度接近理论值；二是增加金属中的位错密度，如加工硬化、热处理强化等。但是，由于目前还不能生产出大尺寸、低位错密度的金属，用尽量降低位错密度的方法来提高金属强度显然是不实际的。现在主要是以提高位错密度来提高金属强度。

（三）面缺陷

面缺陷是指在二维尺度较大而第三维尺度较小的缺陷，主要是指晶界和亚晶界。

1.晶界

一般金属材料都是多晶体。金属晶体中两个相邻晶粒之间的位向不同，位向差一般在30°～40° ，所以在晶界处，实际上是原子逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层，该过渡层的原子排列是不规则的，晶格处于歪扭畸变状态，如图2-8所示，因此在常温下会对金属塑性变形起阻碍作用。从宏观上来说，即表现出晶界处具有较高的强度和硬度。晶粒愈细小，晶界愈多，它对塑性变形的阻碍作用愈大，金属的强度、硬度就愈高。此外，晶界处容易腐蚀，原子扩散速度较快。

图2-8　晶界示意图

2.亚晶界

在实际金属晶体的一个晶粒内部，其晶格也并不像理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小、位向差也很小（一般在2°以内）的小晶块，这些小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的交界面称为亚晶界。亚晶界处原子的排列也是不规则的，同样要产生晶格畸变。

在晶界、亚晶界或金属中的其他界面上，原子排列不规则，晶格畸变较大，位错密度较高，所以原子处于高能状态，对金属中的许多过程（如塑性变形过程）的进行都有很重要的影响。

思考与训练

复习本教学情境的基本知识，思考选择正确答案。

一、金属晶体基础

1.以下不是晶体的物质有＿＿。

A.钢铁 　　B.普通玻璃　　 C.石墨 　　D.锡青铜2.关于晶体，以下说法错误的是＿＿。

A.绝大多数固体物质都是晶体

B.面心立方晶格的金属一般塑性较好

C.单晶体各个方向上的物理、化学和力学性能基本一样

D.纯铁具有同素异构转变的性质

3.关于晶体，以下说法正确的是＿＿。

A.绝大多数固体物质都是非晶体

B.面心立方晶格的纯铁较体心立方晶格的纯铁强度高

C.多晶体各个方向上的物理、化学和力学性能基本一样

D.纯铁在室温时具有面心立方晶格类型

4.下列物质中＿＿是晶体。

Ⅰ. 松香；Ⅱ. 玻璃；Ⅲ. 冰；Ⅳ. 食盐；Ⅴ. 液态金属；Ⅵ. 固态金属。

A.Ⅱ+Ⅲ+Ⅴ　 B.Ⅰ+Ⅲ+Ⅴ　 C.Ⅲ+Ⅳ+Ⅵ　 D.Ⅰ+Ⅲ+Ⅵ

二、常见的金属晶格类型

1.912℃以下的纯铁的晶体结构是＿＿。

A.体心立方晶格 　　B.面心立方晶格

C.密排六方晶格 　　 D.体心正方晶格

2.绝大多数的金属是以＿＿形式存在。

Ⅰ. 体心立方晶格；Ⅱ. 面心立方晶格；Ⅲ. 正交晶格；Ⅳ. 密排六方晶格。

A.Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ 　　B.Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ 　　C.Ⅰ+Ⅱ+Ⅳ　　 D.Ⅰ+Ⅲ+Ⅳ

3.体心立方晶格的致密度为＿＿。

A.68% 　　B.74% 　　C.58%　　 D.64%

4.密排六方晶格的致密度为＿＿。

A.68% 　　B.74%　　 C.58% 　　D.64%

5.致密度为74%的晶格是＿＿。

A.体心立方晶格　　　 B.面心立方晶格

C.密排六方晶格 　　　 D.面心立方晶格和密排六方晶格

6.下列具有体心立方晶格的金属是＿＿。

Ⅰ. α-Fe；Ⅱ. γ-Fe；Ⅲ. W；Ⅳ. Al；Ⅴ. Cu；Ⅵ. Mg。

A.Ⅰ+Ⅲ+Ⅴ　　 B.Ⅱ+Ⅳ 　　C.Ⅱ+Ⅳ　　 D.Ⅰ+Ⅲ

7.下列具有面心立方晶格的金属是＿＿。

Ⅰ. α-Fe；Ⅱ. γ-Fe；Ⅲ. W；Ⅳ. Al；Ⅴ. Cu；Ⅵ. Mg。

A.Ⅰ+Ⅲ+Ⅴ　　 B.Ⅱ+Ⅳ+Ⅴ　　 C.Ⅱ+Ⅳ+Ⅵ 　　D.Ⅰ+Ⅲ+Ⅴ

8.下列具有密排六方晶格的金属是＿＿。

Ⅰ. α-Fe；Ⅱ. γ-Fe；Ⅲ. W；Ⅳ. Al；Ⅴ. Cu；Ⅵ. Mg。

A.Ⅲ+Ⅴ+Ⅵ　 B.Ⅱ+Ⅳ+Ⅴ+Ⅵ　 C.Ⅵ 　D.Ⅱ+Ⅲ+Ⅴ

9.每个体心立方晶胞中包含有＿＿个原子。

A.1　　 B.2　　 C.3　　 D.4

10.每个面心立方晶胞中包含有＿＿个原子。

A.1　　 B.2　　 C.3 　　D.4

11.每个密排六方晶胞中包含有＿＿个原子。

A.3 　　B.4　　 C.5　　 D.6

12.属于面心立方晶格的金属有＿＿。

A.α-Fe，铜 　　B.α-Fe，钒 　　C.γ-Fe，铜 　　D.γ-Fe，钒13.属于体心立方晶格的金属有＿＿。

A.α-Fe，铝 　　B.α-Fe，铬　　 C.γ-Fe，铝　　 D.γ-Fe，铬

三、金属晶体的特性

1.实际金属晶体多为＿＿晶体，其理化和力学性能在不同方向上表现出＿＿。

A.单/各向同性　　 B.单/各向异性

C.多/各向异性　　 D.多/各向同性

2.实际金属晶体多为多晶体，包含有许多＿＿，还存在大量的＿＿。

A.晶粒/晶体结构 　　　 B.晶粒/晶体缺陷

C.晶块/晶体结构 　　　D.晶块/晶体缺陷

四、实际金属中的晶体缺陷

1.实际金属晶体存在大量的晶体缺陷，按其形态分主要有＿＿、和＿＿。

A.点缺陷/刃型位错/线缺陷 　　B.点缺陷/线缺陷/面缺陷

C.线缺陷/面缺陷/亚晶界 　　D.面缺陷/亚晶界/晶体缺陷

五、点缺陷

1.下列属于实际金属晶体点缺陷的有＿＿。

Ⅰ. 空位；Ⅱ. 位错；Ⅲ. 置换原子；Ⅳ. 间隙原子；Ⅴ. 亚晶界。

A.Ⅰ+Ⅴ 　　　　 B.Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ

C.Ⅰ+Ⅲ+Ⅳ　　　 D.Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ

2.在晶体缺陷中，属于点缺陷的有＿＿。

A.间隙原子　　 B.位错 　　C.晶界 　　D.缩孔

六、线缺陷

1.＿＿是指在晶体的某处有一列或数列原子发生了某种有规则的错排现象。

A.点缺陷 　　B.面缺陷　　 C.位错 　　D.亚晶界

2.下列属于实际金属晶体线缺陷的有＿＿。

Ⅰ. 空位；Ⅱ. 位错；Ⅲ. 置换原子；Ⅳ. 间隙原子；Ⅴ. 亚晶界。

A.Ⅰ+Ⅴ 　　B.Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ　　 C.Ⅰ+Ⅲ+Ⅳ 　　D.Ⅱ

3.＿＿影响金属机械性能的重要的晶体缺陷。

A.点缺陷　　 B.面缺陷　　 C.位错 　　D.亚晶界

七、面缺陷

1.属于面缺陷的是＿＿。

A.空位　　 B.位错 　　C.晶界　　 D.置换原子

2.下列属于实际金属面缺陷的有＿＿。

Ⅰ. 空位；Ⅱ. 位错；Ⅲ. 置换原子；Ⅳ. 间隙原子；Ⅴ. 亚晶界；Ⅵ. 晶界。

A.Ⅴ+Ⅵ　　 B.Ⅲ+Ⅴ 　　C.Ⅲ+Ⅴ+Ⅵ 　　D.Ⅴ