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4．金属的实际晶体结构
（1）多晶体结构
如果一块晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，称这块晶体为单晶体。实际使用的金属材料，目前只有采用特殊的方法才能得到单晶体。实际使用的 金属材料，哪怕是在很小体积中也包含有许多外型不规则的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向都是一致的，而各小晶体之间位向却不相同，如图8所示。
图8 单晶体与多晶体示意图
a)单晶体 b)多晶体
这种外形不规则、呈颗粒状的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。由于多晶体是由许多位向不同的晶粒组成，其 性能是位向不同晶粒的平均性能，故具有多晶体的实际金属是各向同性。钢铁材料的晶粒尺寸一般在显微镜下才能观察到。这种在显微镜下观察到的各种晶粒的形 态、大小和分布等情况，称为显微组织或金相组织。
（2）晶体缺陷
晶体缺陷：
在晶体内部及边界存在原子排列的不完整性，称为晶体缺陷。
金属的实际晶体结构，除了具有多晶体结构以外，与理想晶体结构不同之处是存在着晶体缺陷。按其几何形状的特点，晶体缺陷可分为以下三类：
1）点缺陷：
是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。主要有空位和间隙原子，如下动画所示：
动画6 晶体中的空位和间隙原子示意图
空位是指未被原子所占有的晶格结点。间隙原子是处在晶格间隙中的多余原子。点缺陷的出现，使周围的原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变。使材料的强度、硬度和电阻率增加。所以金属中，点缺陷越多,它的强度、硬度越高。
2）线缺陷：
是指三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。属于这类缺陷主要是位错。什么是位错呢？
位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。刃型位错如图7所示。
动画7 刃型位错原子排列模型
半原子面EFGH像刀一样垂直插入到ABCD晶面上，在刀刃EF线上，使ABCD晶面上、下两部分晶体的原子排列数目不等，即原子产生了错排现象，故称 “刃型位错”。在位错线EF附近，晶格产生了畸变，在ABCD晶面上方位错线附近一定范围内，晶体受到压应力；而在ABCD晶面下方位错线附近一定范围 内，晶体受到拉应力。离开位错线愈远，晶格畸变愈小，应力也就愈小。
通常将晶体上半部多出的原子面的位错称为正刃型位错，用符号“⊥”表示；而把晶体下半部多出原子面的位错称为负刃型位错，用符号“┬”表示。
晶体中位错的多少一般用位错密度ρ表示。位错密度可用下式计算： ρ=L/Vcm-² 。式中 V — 晶体体积，cm³； L — 位错线的长度，cm。
位错的存在对金属的力学性能有很大的影响。例如，当金属材料处于退火状态时，位错密度为（106—108/cm2），强度最低；若经过冷变形加工后，金属材料的位错密度为（1011—1012/cm-2），由于位错密度的增加，提高了强度。
1）面缺陷
面缺陷：是指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。通常是指晶界和亚晶界。
晶界：晶粒之间的边界称为晶界。
亚晶界：亚晶粒之间的边界叫亚晶界。
工业上使用的金属材料绝大多数都是多晶体。在多晶体中两个相邻晶粒之间的晶格位向是不同的，所以晶界处原子排列是不规则的，它是从一种位向逐渐过渡到另一种位向的过渡层，如图9所示。 
图9 晶界的过渡结构示意图
由于晶界处原子呈不规则排列，使晶格处于畸变状态，因而在常温下对金属的塑性变形起阻碍作用，即表现出晶界有较高的强度和硬度。晶粒愈细小，晶界亦愈多， 它对金属的塑性变形的阻碍作用愈大，金属的强度、硬度亦就愈高。实际上在一个晶粒内部晶格的位向也不是完全相同的，还存在着许多亚晶粒和亚晶界，在亚晶粒 内晶格的位向一致，各个亚晶粒被亚晶界分开。
亚晶界实际上是由一系列刃型位错所组成的小角度晶界，如图10所示。 
图10 亚晶界的结构示意图
由于亚晶界处原子排列也是不规则的，同样使晶格产生了畸变。因此，亚晶界的作用与晶界相似，即亚晶界愈多，金属强度愈高。
在把金属晶体结构了解清楚之后，下面我们再来介绍一下金属液体是怎样变成晶体的。
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