实际金属晶体的结构探究

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：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结构。由于实际金属材料是多晶体结构，其内部包含了大量彼此位向不同的晶粒，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，因此，整个金属的性能则是这些晶粒性能的平均值，故实际金属材料表现为各向同性，称为伪各向同性。

如果一个晶体内部晶向是完全一致的，则这种晶体称为单晶体。在工业生产中，只有采用特殊方法才能获得单晶体，如单晶硅、单晶锗等。实际使用的金属材料即使体积很小，其内部仍包含了许许多多颗粒状的小晶体，每个小晶体的内部晶向是一致的，而各个小晶体彼此之间晶向不同，小晶体的外形呈不规则的颗粒状，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结构。

由于实际金属材料是多晶体结构，其内部包含了大量彼此位向不同的晶粒，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，因此，整个金属的性能则是这些晶粒性能的平均值，故实际金属材料表现为各向同性，称为伪各向同性。

由于晶粒与晶粒之间存在着晶向上的差异，所以在晶界处原子的排列就不可能是规则的，这种原子排列不规则的区域称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。

2.1.2.1　点缺陷

点缺陷的特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子尺寸。常见的点缺陷有空位、间隙原子和置换原子3种。

在任何温度下，金属晶体中的原子都是以其平衡位置为中心不间断地进行着热振动。原子的振幅大小与温度有关，温度越高，振幅越大。在一定的温度下，每个原子的振动能量并不完全相同，在某一瞬间，某些原子的能量可能高些，其振幅就要大些；而另一些原子的能量可能低些，振幅就要小些。对一个原子来说，这一瞬间能量可能高些，另一瞬间可能低些，这种现象叫能量起伏。根据统计规律，在某一温度下的某一瞬间，总有一些原子具有足够高的能量，以克服周围原子对它的约束，脱离开原来的平衡位置迁移到别处，于是，在原位置上出现了空结点，这就是空位。在形成空位的同时，在晶格的某些间隙处又会出现多余的原子，这种不占有晶格正常节点位置而处在晶格间隙中的原子称作间隙原子，如图2-8所示。

在空位和间隙原子附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的原子都离开了原来的平衡位置，这种现象称作晶格畸变。

占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子，由于置换原子的大小与基体原子的大小不可能完全相同，因此在置换原子附近也会产生晶格畸变。

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图2-8　空位和间隙原子示意图

综上所述，不管是哪类点缺陷，都会造成晶格畸变，这将会对金属的性能产生影响，如使屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等。

2.1.2.2　线缺陷

线缺陷的特征是两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。属于这一类的主要缺陷是位错。位错是指晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。位错最简单、最基本的类型有两种：一种是刃型位错，另一种是螺型位错。

1. 刃型位错

刃型位错的模型如图2-9所示。设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错，犹如用一把锋利的钢刃将晶体的上半部分切开，沿切口硬插入一额外的半原子面，将刃口处的原子列称为刃型位错，EF线称为刃型位错线。

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图2-9　刃型位错示意图

刃型位错有正负之分，若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错，以符号 pagenumber_ebook=51,pagenumber_book=40 表示。反之，若额外半原子面位于晶体的下半部，则称为负刃型位错，用符号表示。

在位错线周围一个有限的区域内，原子离开了原来的平衡位置，产生了晶格畸变，并且在额外半原子面左右两边的畸变是对称的。这就好像通过额外半原子面对周围原子施加一弹性应力，这些原子就产生一定的弹性应变一样。所以可以把位错线周围的晶格畸变区看成是存在着一个弹性应力场。就正刃型位错而言，上部的原子显得拥挤，原子间距变小，晶格受到压应力；下部的原子则显得稀疏，原子间距变大，晶格受到拉应力。离位错线越远，晶格畸变的程度越小，应力也就越小。

2. 螺型位错

螺型位错如图2-10所示，BC线右侧上下两部分晶体沿ABCD晶面发生了错动。ab线右侧上下层原子相对移动了一个原子间距；在BC线和ab线之间形成了上下层原子不相吻合的过渡区，晶面被扭成了螺旋面，故称为螺型位错。螺型位错附近区域的晶格也发生了畸变，形成了一个应力集中区。

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图2-10　螺型位错示意图

实验表明，在实际金属晶体中存在着大量的位错。晶体中位错数量的多少，可用单位体积内位错线的总长度来表示，称作位错密度。位错的存在，对金属材料的力学性能、扩散及相变等过程有着重要的影响。

2.1.2.3　面缺陷

面缺陷的特征是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相对很大。通常是指晶界和亚晶界。

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图2-11　晶界结构示意图

实际金属大多是多晶体，多晶体中两个相邻晶粒的晶向不同，故晶界处原子排列的规律性就不可能一致，必然是从一种晶向逐步过渡到另一种晶向，因此，晶界实际上是不同位向晶粒间原子排列无规则的过渡层，如图2-11所示。晶界处原子排列的不规则，使晶格处于畸变状态，因而晶界与晶粒内部有着一系列不同的特性，如晶界在常温下的强度、硬度较高，而在高温下强度、硬度较低；晶界容易被腐蚀；晶界的熔点低等。

实验证明，晶粒内部的晶向也不是完全一致的，每个晶粒都是由尺寸更小位向差也更小的小晶块组成的，这些小晶块称为亚晶粒或亚结构。亚晶粒与亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界是由一系列刃型位错组成的小角度晶界，如图2-12所示。亚晶界处同样产生晶格畸变，对金属的性能同样有重要影响。

实际金属晶体的结构探究

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