“这个东西是怎么组成的？”(组图)

                     

贡献者：ACertainUser

“这东西是怎么弄出来的？” 这可能是每个好奇的孩子都会问的问题。本文将从原子、晶胞、晶体、缺陷、微观结构、外表面等方面，由小到大，简要介绍金属材料的基本结构。

图1：本文内容简介

1. 原子、晶体、晶胞

如果你的视力足以看到纳米级（大约$10^{-9}m = 10^{-6} mm$）的金属结构，那么你会发现金属不仅由大量的原子组成，但也似乎是由大量的原子有序地堆叠和堆叠而成。具体的堆积方式取决于金属的种类。

图2：晶体中原子排列示意图

定义 1 水晶

原子（或分子、离子等）在三维空间中按一定规律周期性排列形成的固体

由于晶体中原子的排列是有规律地重复的，我们自然可以找到最小的重复单元来反映这种排列的特点。这个最小的单位称为晶胞。

定义 2 个单元格

能充分体现晶体几何特征的最小单位

例如，金属铁的晶胞是体心立方（BCC）结构。如果你把晶胞想象成一个立方体，中心的一个原子与周围的八个原子相切，如下所示：

图 3：铁的晶胞

2. 缺陷

如果金属中的原子都以这种理想的方式整齐排列，那么材料科学就太无聊了（一本材料科学书至少要薄一半！但同时，我们可以用材料科学做的是少得多！）。事实上，如果你超越几个原子的大小，你会发现真正的金属晶体通常存在原子排列不理想的区域，称为缺陷。

定义 3 缺陷

原子偏离真实金属中理想排列的不完整区域

金属中的缺陷比例一般不高，但对材料的性能有着决定性的影响。“缺陷”这个词常常让人认为所有的缺陷都是有害的，没有什么是有益的，但事实并非如此。一些缺陷可以在一个方面提高材料的性能（但代价是什么？）。可以夸张地说，材料科学与工程的一半研究目的是了解和利用缺陷，以设计和制造符合要求的材料。

根据缺陷的空间尺度，缺陷一般分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。

点缺陷

点缺陷是指少数原子的错位。

图 4：空缺缺陷与间隙缺陷

空位：一个原子离开了它的理想位置，留下了一个空位

Interstitials：插入原子不应该存在的地方的原子，通常在晶体的间隙中

有时，一些其他种类的原子也会混入金属晶体中

图 5：杂原子的取代和间隙

（杂原子）取代：晶格上的原子被其他种类的原子取代

（杂原子）间隙：其他种类的原子插入间隙

线路缺陷

线缺陷又称为位错，又可细分为刃型位错、螺型位错及其组合的混合型位错。位错理论源于材料力学性能的理论值与实际值之间的巨大差异。位错相关理论是在 1930 年代提出的，并在 1950 年代通过电子显微镜下对位错的实际观察得到证实。（从某种意义上说，位错是一种新事物，尤其是考虑到狭义相对论是在 1905 年被发现的！）

练习 1 科学史测试

列出一些早于位错理论的科学成就。

（奇怪的话题）

边缘位错可以理解为在完整晶体中插入（或丢失）半个额外的原子平面，或者在上部滑移了额外的原子距离。

图6：刃位错示意图1

图7：刃位错2示意图

螺型位错也可以理解为上半部相对于下半部发生额外侧滑的结果，但滑移的方向与刃型位错不一致。

图8：螺旋位错示意图1

图9：螺旋位错示意图2

简而言之，位错使材料的两半没有完全对齐。在更抽象、更数学地描述位错时，我们经常会用到位错线、滑移面、汉堡向量等概念原子结构和性质，不过这部分枯燥的内容暂时忽略。

缺陷和材料特性

缺陷对材料的机械、热力学、化学甚至电学性能都有深远的影响。

在这里，我们简要介绍缺陷对材料热力学性质的影响。以替换点缺陷为例。如果一个大杂原子取代了一个小原子会发生什么？就好像你在电梯里，巧合地挤了一个好胖子。然后你会感到更大的压力。事实上，原子也是如此，大原子挤压其余的相邻原子，并造成额外的压力。可以看出，点缺陷在其周围形成了一个额外的力场，增加了系统的总能量。

图 10：大原子位移引起的内部压应力

这个结论可以推广到其他种类的缺陷（想想，位错产生的力场是什么样的？），即缺陷增加了系统的总能量；此外，大多数缺陷（空位缺陷是一种特殊情况）也增加了材料的自由能。这似乎暗示这些缺陷在热力学上是不稳定的。在现实中原子结构和性质，通过材料的缓慢冷却（传统手段）确实可以得到比较完美的晶体；然而，由于材料中存在大量缺陷形成机制等动态因素，缺陷并不能完全消除。

示例 1 鸡群中突出的空位缺陷

根据热力学定律，一个稳定的系统需要同时满足最大熵和最小能量，即最小自由能。

当每个原子静静地、乖乖地呆在自己的位置上时，虽然此时系统的能量是最低的，但此时的系统非常有序，熵不高，自由能也不低。因此，总会有一些原子自发离开，留下空位，提高系统的熵，降低自由能。这就是为什么空位缺陷在热力学上是稳定的。

示例 2 冷加工金属不适合高温环境

冷加工后（这是一种强化金属的方法，即在低温下使材料变形，使金属更坚固但形状更小），金属中的位错含量大大增加，金属处于热力学不稳定状态.

这使得金属的恢复温度（在较高温度下，金属自发地减少缺陷并降低机械强度）越来越低。在高温下，随着金属的恢复，机械性能会下降。

可以预见，由于缺陷增加了金属的能量和自由能，金属的化学性质会更加活跃，更容易参与化学反应，被腐蚀等等。 .

如果你也知道电阻的经典微观模型，你就会知道电阻来自电子与金属中各种缺陷的碰撞。因此，随着缺陷数量的增加，金属的导电性降低，金属的电阻增加。

3. 微观结构

在看到缺陷的小麻烦之后，是时候继续提高你的视野，看看那些大的（大约是光学显微镜的水平）。在更广阔的视野中，你会看到……更大的缺陷。这种在光学显微镜下可见的结构可以称为微结构，或有时称为“组织”。微结构有很多种，这里有一些典型的例子。

晶粒和晶界

也许你还记得（提示：原子的规则排列）。在金属的主体中，原子是否仍以相同的方向整齐排列？答案当然是……不。原子的实际排列可能看起来更像这样：

图 11：Atomsk 随机生成的颗粒

在某个区域内，金属原子的排列方向相同；但在不同的区域，原子的排列方向不同。这样，自然就存在划分这些区域的边界。这些边界称为晶界，由晶界包围的区域称为晶胞。换言之，金属作为一个整体可以被认为是由单个晶粒组成的。

图12：晶界示意图，注意晶界两侧晶粒取向的差异

图 13：光学显微镜下的铁（$0.45 wt\%$ C）

双边界

如果晶界两侧的晶体呈对称关系，则这种晶界称为孪晶界。

图 14：孪生边界

相界

相界是一种更复杂的微观结构，需要对相的概念有所了解。然而，简而言之，一个阶段可以定义如下：

定义第 4 阶段（基础材料科学）

具有相同或相似结构、性质和成分的材料的一部分称为相；阶段之间有明显的界限。

例 3 的图中有多少相含有水？

图 15：冰山一角（材料科学）

答案：3

水的固相（冰川）、液相（海）和气相（空气中含有水蒸气）

事实上，一种材料可以包含多个相，即宏观上完整的材料可以由几个结构、成分和性质完全不同的部分组成。听起来很震惊，不是吗？

例4、低碳钢

常用的中低碳钢实际上是两种成分的机械混合物，铁素体（$\alpha$）和渗碳体（$Fe_3C$）

铁素体的结构类似，而渗碳体的结构相当复杂，类似于下图

图 16：渗碳体示意图。原始结构数据来自

两者常形成特有的珠光体结构。

图 17：珠光体示意图

红色和蓝色晶粒之间的边界是相界。

4. 宏观材料外表面

如果你还没有淹没在材料科学的海洋中，那么恭喜你，你现在回到了正常的规模，而且。．．迎来了本文最大的“大”问题：材料的外表面。材料的外表面是材料与空气接触的地方，也是你能看到的地方。从某种意义上说，材料的外表面有点像一种特殊的相界。

为了进一步分析表面特性，我们设计了一个简单的模型：

图 18：作用于材料内部和表面原子的力示意图

金属内部的原子受到其周围其他金属原子的大致相同的力，因此内部的原子处于受力平衡状态；而对于表面附近的原子，情况变得更加微妙：这些原子上方只有空气。显然，空气对金属原子的作用力远小于其他金属原子，因此可以认为这部分原子受到了向下的合力。

稍微思考一下这个模型（或从表面张力中获得灵感），我们得到了表面的一些性质：表面存在表面张力，表面张力来自表面上原子的不均匀力，而物质总是试图缩小它的表面；表面增加了系统的能量和自由能。

表面对材料的性能也起着重要作用。例如，由于表面的高能量，表面更容易发生化学反应（腐蚀）、扩散和渗透。这些结论也适用于晶界和相界。

实施例 5 表面处理

表面处理是材料科学与工程中的另一个重要课题。

由于表面能量高，往往需要对表面进行处理以保护材料，如喷漆、涂层等。

同时，表面的高能特性也让我们可以设计出更复杂的表面。例如，齿轮需要坚硬耐磨的表面和坚韧的内部，而一般的高碳钢太硬太脆（与坚韧相反）。为了解决这一矛盾，我们利用表面易扩散的特性，在热处理（渗碳处理）时将少量碳扩散到齿轮表面。这不仅使表面硬化，而且保持内部韧性。

现在，您对材料科学的理解是不是比过去更深了一些？（我希望你的回答是“是”！:)）

本文内容和图片主要参考刘志恩的《材料科学基础》（ ）、卡利斯特的《材料科学与工程概论》（ ）、朱文涛的《简明物理化学》（ ）、小组课件（ ）。部分文字和图片来自网络。本文中没有协议冲突的部分适用于CC-BY-SA，否则对应部分遵循原协议。

可见光的波长（约300-700nm）远大于此，所以用光学显微镜是不可能看到这么小的结构的。这就是我们发明电子显微镜的原因）

有的金属有不止一种堆积方式，与温度、压力等有关，称为同素异形体。例如，Fe、Ti等有多种同素异形体

自由能是一个比较抽象的热力学概念，可以简单的认为自由能是对系统能量和无序的综合考虑。系统的能量越高，无序程度越低，系统的自由能就越高；系统倾向于减少自由能的过程，即减少能量并增加无序程度。

这些晶界、孪晶界、相界等，以及下面描述的外表面，有时被认为是表面缺陷。

老师在课堂上举的这个例子让我想起了……

实际钢中常含有其他元素，相组成可能因热处理工艺而异。但是暂时忽略这些...

这种结构的形成与铁水冷却过程中的热力学和动力学因素有关，这里不一一列举。