第二节　金属学

一、金属和金属键

通常人们所说的金属是具有良好的导电性、导热性、延展性（塑性）和金属光泽的物质。而对于金属比较严格的定义是：金属是具有正的电阻温度系数的物质，而所有的非金属的电阻都随着温度的升高而下降，其电阻温度系数为负值。

金属原子之间的连接通过金属键实现。根据近代物理和化学的观点，金属键是指处于聚集状态的金属原子，全部或大部分将它们的价电子贡献出来，这些价电子在所有原子核周围按量子力学规律运动着，即电子云，贡献出价电子的原子，则变成了正离子，沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来。

二、晶体结构

自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同，但若根据晶胞的三个晶格常数和三个轴间夹角的相互关系，则晶体结构可分为7大晶系、14种空间点阵（关于晶胞及7大晶系、14种空间点阵的相关知识可参考《材料科学基础》）。

最常见的晶体结构有三种，即体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。前两者属于立方晶系，后一种属于六方晶系。

体心立方晶格的晶胞模型见图1-1，三条棱边长相等，三个轴夹角均为90°，8个原子处于立方体的角上，1个原子处于立方体的中心，角上8个原子与中心原子紧靠，其配位数为8，致密度为0.68。具有体心立方晶格的金属有钾（K）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、α-铁（α-Fe，<912℃）等。

面心立方晶格的晶胞模型见图1-2，同样三条棱边长相等，三个轴夹角均为90°，金属原子分布在立方体的8个角上和6个面的中心，面中心的原子与该面4个角上的原子紧靠，其配位数为12，致密度为0.74。具有这种晶格的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、金（Au）、银（Ag）、γ-铁（γ-Fe，912～1394℃）等。

密排六方晶格的晶胞模型见图1-3，12个金属原子分布在六方体的12个角上，在上下底面的中心各分布1个原子，上下底面之间均匀分布3个原子，其配位数为12，致密度为0.74。具有密排六方晶格的金属有锌（Zn）、镁（Mg）、钛（α-Ti）等。

三、配位数和致密度

1.配位数

配位数是指晶体结构中与任一原子最邻近、等距离的原子数目。配位数越大，晶体的原子排列便越紧密。

2.致密度

若把原子看作刚性圆球，那么原子之间必然存在空隙，用原子所占体积与晶胞体积之比表示原子排列紧密程度，称为致密度，公式为

式中　K——晶体的致密度；

n——一个晶胞实际包含的原子数；

V1——一个原子的体积；

V——晶胞的体积。

四、晶体缺陷

实际金属的原子排列不一定像理想的这么完美，它们总不可避免地存在一些偏离，从而造成排列不完整性的区域称为缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，可把缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。

点缺陷：其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸，称零维缺陷，如空位、间隙原子、杂质原子等。

线缺陷：其特征是在两个方向尺寸上很小，另外两个方向延伸较长，也称一维缺陷，集中表现形式是位错。

面缺陷：其特征是二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。面缺陷的种类繁多，金属晶体中的面缺陷主要有两种：晶界和亚晶界。

五、合金的相

工业上使用的金属材料大多为合金，组成合金的基本、独立的物质称为组元。一般来说，组元就是组成合金的元素，但也可以是稳定的化合物。当不同的组元经熔炼或烧结组成合金时，这些组元间由于物理的和化学的相互作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的相。相是指合金中结构相同、成分和性能均一、并以界面互相分开的组成部分。

由一种固相组成的合金称为单相合金，由几种不同的相组成的合金称为多相合金。不同的相有不同的特点，合金根据相的晶体结构特点可分为固溶体和金属间化合物。

按溶质原子在晶格中所占的位置，可把固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。置换固溶体是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体；间隙固溶体是指溶质原子不是占据溶剂晶格的正常位置，而是填入溶剂原子间的一些间隙中。

金属间化合物是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，又称中间相，其晶格类型及性能均不同于任一组元。在金属间化合物中，除了离子键、共价键外，金属键也参与作用，因而它具有一定的金属性质。