1.2 金属的晶体结构与结晶

固态物质按其原子排列的特征分为晶体和非晶体两大类。非晶体的原子呈不规则排列，如松香、玻璃等；晶体的原子呈规则排列，如固态金属，其特点是具有一定熔点、规则的几何外形和各向异性。

1.2.1 纯金属的晶体结构

晶体结构是晶体内部原子排列的方式及特征。在金属晶体中，由于金属键的存在，使原子的排列趋于最紧密的方式，从而使大多数金属元素具有简单的晶体结构。

1.体心立方晶格

如图1.6（a）所示。在立方体的中心及八个角上各分布一个原子，属于这种晶格的金属有α-Fe、Cr、Mo、W、V等。

2.面心立方晶格

如图1.6（b）所示。立方体的八个角上及六个面的中心各分布一个原子，属于这种晶格的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Ag等。

3.密排六方晶格

如图1.6（c）所示。在正六方柱体的十二个角上和上、下正六边形底面中心各分布一个原子，另外柱体的中间还有三个原子，属于这种晶格的金属有Mg、Zn、γ-Ti、Be等。

1.2.2 纯金属的结晶

结晶是指原子由无序状态（液态）转变为按一定几何形状作有序排列（固态）的过程。

1.金属的结晶过程

金属在结晶过程中，实际结晶温度T1低于金属的平衡温度T0，这种现象称为过冷。二者温度之差称为过冷度，用ΔT表示，ΔT=T0-T1。

液态金属结晶时，先形成一些极小的晶体，这些小晶体称为晶核，然后液体中的原子不断向晶核聚集，晶核就不断长大。同时液体中不断有新的晶核形成并长大，直到所有的晶体相互接触，液态金属全部耗尽为止。

金属结晶后的晶粒大小对金属力学性能影响很大。一般情况下，晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性越好，所以在生产中控制晶粒的大小已成为提高金属力学性能的重要途径之一。

2.金属的同素异构转变

多数金属结晶后的晶体结构不再发生变化，但有些金属（如Fe、Co、Ti、Mn等）在结晶结束后，随晶体温度的继续下降，还会发生晶体结构的变化，这种现象称为金属的同素异构转变。

图1.7是纯铁的冷却曲线。液态纯铁在1538℃结晶得到体心立方晶格的δ-Fe，缓慢冷却到1394℃时，δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe，继续冷却到912℃时，γ-Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe，再继续冷却至室温，α-Fe晶格类型不再发生变化，整个转变过程可概括如下：

金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程很相似，遵循结晶的一般规律，称为重结晶。纯铁具有同素异构转变现象，因此在生产中可以通过相变热处理来改变钢和铸铁的组织和性能。

1.2.3 合金的相结构

合金是指将两种（或两种以上）金属或金属与非金属熔合在一起，形成的具有金属特性的新物质。组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，组元一般指化学元素，但稳定的化合物也可看成是一个组元。按组元数目多少，合金可以分为二元合金、三元合金或多元合金，如黄铜是Cu和Zn组成的二元合金，硬铝是Al、Cu、Mg组成的三元合金。

相是指合金中具有相同化学成分和晶体结构，并与其他部分有明显界面分开的均匀组成部分。例如，α-Fe和γ-Fe是两种不同的相。合金中的相结构指合金组织中相的晶体结构。合金的结构比纯金属复杂，根据合金中各组元在结晶时的相互作用不同，形成固溶体和金属化合物两大类合金结构。

1.固溶体

合金中各组元在固态下具有互相溶解的能力，形成均匀的固相，称为固溶体。固溶体仍保持了溶剂的晶格类型，如铁素体就是溶质碳溶入到溶剂铁中形成的固溶体。

溶质原子溶入溶剂中时，会造成溶剂的晶格畸变，导致合金变形，阻力增加，从而使固溶体的强度、硬度提高，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。

2.金属化合物

合金中各组元的原子按一定比例化合生成的一种Fe与C组成的金属化合物。

金属化合物一般具有复杂的新相称为金属化合物。它的晶格和性能不同于构成它的任一组元。例如，钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物。其熔点高，硬而脆。当合金中存在金属化合物时，强度、硬度和耐磨性提高，塑性和韧性降低。