金属的晶体结构与结晶（简介）
金属的晶体结构与结晶（简介）
金属的晶体结构是材料科学中的一个重要概念，它决定了金属的物理和机械性能。本文将从晶体与非晶体的区别开始，逐步介绍晶体中原子的堆垛模型、晶格类型、晶胞、晶向、晶面、晶体的熔点和硬度、同素异晶转变以及晶体缺陷等内容，帮助读者全面了解金属晶体结构的基本知识。
晶体与非晶体
晶体是质点在三维空间按一定的规律周期性排列的物质，自然界中的物质大部分都是晶体。而非晶体则是质点散乱排列的物质，例如石蜡、沥青、普通玻璃和松香等。
晶体中原子的堆垛模型
将原子看成刚性小球，可以描述原子的排列规律。如下图所示：
晶格
将刚性小球简化为一个结点，用假象线连接起来，构成的有规律的空间架构称为晶格。常见的晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。
体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞是一个立方体，8个顶角和中心各分布一个原子（3个原子）。其晶格常数为a=b=c，夹角为α=β=γ=90°，致密度为0.68。常见的金属有α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V等。
面心立方晶格
面心立方晶格的晶胞是一个立方体，八个顶角和六个面的中心各分布一个原子（5个原子）。其晶格常数为a=b=c，夹角为α=β=γ=90°，致密度为0.74。常见的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ag、Au、Ni等。
密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是上下面为正六边形的六柱体，12个顶角和上下面中心各分布一个原子，中间分布3个原子。该结构的晶格常数有两个，六柱体的边长a和高度c，轴比c/a=1.663，致密度为0.74。常见的金属有α-Ti、Mg、Zn等。
晶胞
由于晶体中的原子排列具有明显的周期性，可以从晶格中选取一个反映晶格特征的最小几何单元，这个单元就是晶胞。
晶向与晶面
晶向是晶列的方向，晶向指数是用来表示晶向的一组数字或字母组合。晶面是布拉伐格子中的格点所在的平面系，密勒指数则是用来表示晶面的一组数字。
晶体的熔点与硬度
晶体的熔点是指晶体在加热过程中开始熔化的温度，与晶体内部的结合力有关。晶体的硬度是指晶体抵抗外力刻划、压入或研磨等机械作用的能力，与晶体内部原子或分子的排列方式和结合力有关。
同素异晶转变
金属在固态下，随温度的变化晶格类型发生转变的现象称为同素异晶转变。常见的金属有Ti、Fe、Co等。以纯铁为例，下图是纯铁在常压下的冷却曲线及晶体结构变化。纯铁在1538℃由液态结晶为固态δ-Fe，随后在1394℃转变为γ-Fe，在912℃转变为α-Fe。在770℃时发生磁性转变，770℃以下具备磁性。
晶体缺陷
晶体缺陷是晶体内原子偏离规则排列的区域，常见的缺陷有：点缺陷（空位、间隙原子）、线缺陷（刃型、螺型位错）、面缺陷（晶界、亚晶界）。晶体缺陷会造成晶格畸变，增大变形抗力，提高材料的强度和硬度。