1.2 金属的晶体结构及结晶

金属材料的结构是指组成金属材料的原子（或离子、分子）的聚集状态。金属材料的结构决定了材料的性能。因此，了解金属的内部微观结构及其对金属性能的影响，对于选用和加工金属材料具有非常重要的意义。

1.2.1 金属的晶体结构

1.晶体和非晶体

自然界中一切物质都是由原子组成的，根据固态物质内部原子的聚集状态，固体分为晶体和非晶体两大类。

原子按规则排列的物质称为晶体，如冰、结晶盐、金刚石、石墨及固态金属等；反之，原子无规则排列的物质称为非晶体，如沥青、玻璃、松香等。

2.金属的晶体结构

金属晶体是由许多金属原子（或离子）按一定的几何形式规则地排列而成，如图1-5a所示。为了便于研究各种晶体内部原子排列的规律，把每一个原子假想为一个几何结点，并用直线将其中心连接起来形成空间框架，称为晶格或点阵，如图1-5b所示。晶格中不同原子组成的平面称为晶面。晶体是由层层晶面堆砌而成的，晶格中由原子组成的任一直线，都能代表晶体空间的一个方向，称为晶向。晶格的最小几何单元称为晶胞，如图1-5c所示。

晶胞可以描述晶格的排列规律，晶胞的结构就是该金属的晶格结构，不同的晶格结构具有不同的性能，而相同的晶胞类型若有不同的晶格常数，也会使金属具有不同的性能。

3.常见金属的晶体结构

在金属原子中，约有90%以上的金属晶体都属于以下三种晶格结构。

（1）体心立方晶格 如图1-6a所示，体心立方的晶胞是一个正立方体。原子位于立方体的中心和八个顶点上，顶点上的每个原子为相邻的八个晶胞所共有。属于这种晶格类型的金属有铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）及α-Fe和δ-Fe等。

（2）面心立方晶格 如图1-6b所示，面心立方晶格的晶胞也是一个正立方体，原子位于立方体六个面的中心和八个顶点，顶点上的每个原子为相邻八个晶胞所共有，面心上的每个原子为与其相邻晶胞所共有。属于这种晶格类型的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、银（Ag）、γ-Fe等。

（3）密排六方晶格 如图1-6c所示，密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱体，原子位于两个底面的中心处和十二个顶点上，柱体内部还包含着三个原子。顶点的每个原子同时为相邻的六个晶胞所共有，上下底面中心的原子同时属于相邻的两个晶胞，而柱体中心的三个原子为该晶胞所独有。属于这类晶格的金属有镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be）、镉（Cd）和钛（α-Ti）等。

1.2.2 纯金属的结晶

晶体中原子排列规律相同、晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。实际的金属材料由许多小晶体组成。由于每个小晶体外形不规则，且呈颗粒状，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，固态金属材料一般都是多晶体。

金属由液态转变为原子呈规则排列的固态晶体的过程称为结晶，而金属在固态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程称为重结晶。结晶形成的组织直接影响金属的性能。

1.金属结晶的冷却曲线

金属结晶形成晶体过程的温度，可用热分析法测定，即将液态金属放在坩埚中以极其缓慢的速度进行冷却，在冷却过程中观测并记录温度随时间变化的数据，并将其绘制成如图1-7所示的冷却曲线a。

由图1-7可知，当液态金属冷却到T₀时，出现水平段1—2，其对应的温度就是金属的理论结晶温度T₀，冷却曲线上的水平段表示温度保持不变。纯金属的结晶是在恒温下进行的，这是因为金属在1点开始结晶时放出结晶潜热，补偿了向外界散失的热量，2点结晶终止后，冷却曲线又连续下降。

实际生产中，金属不可能极其缓慢地由液体冷却到固体，冷却速度是相当快的，金属总是要在理论结晶温度T₀以下的某一温度T₁才能开始结晶，如图1-7中曲线b所示。图中，T₁称为实际结晶温度，T₀和T₁之差称为过冷度ΔT，其大小和冷却速度、金属性质及纯度有关，冷却速度越大，过冷度也越大，实际金属的结晶温度越低。

2.金属结晶的规律

液态金属冷却到T₀以下时，首先在液体中某些局部微小的体积内出现原子规则排列的细微小集团，这些细微小集团是不稳定的，时聚时散，有些稳定下来成为结晶的核心，称为晶核。当温度下降到T₀时，晶核不断吸收周围液体中的金属原子逐渐长大，液态金属不断减少，新的晶核逐渐增多且长大，直到全部液体转变为固态晶体为止，一个晶核长大成为一个晶粒，最后形成的是由许多外形不规则的晶粒所组成的晶体，如图1-8所示。

（1）金属晶核形成的方式 金属晶核形成的方式有两种，包括自发形核和非自发形核。对于理想的纯液体金属，加快其冷却速度，当温度下降到结晶温度时，将产生许多排列在一起的小原子集团，形成结晶核心，即为自发形核，是均匀形核。实际金属中往往存在异类固相质点，并且在冷却时金属总会与铸型内壁接触，因此这些已有的固体颗粒或表面被优先依附，从而形成晶核，这种方式称为非自发形核。

（2）金属晶核的长大方式 晶核形成后，液相原子不断迁移到晶核表面而促使晶核长大成晶粒。但晶核长大程度取决于液态金属的过冷度，当过冷度很小时，晶核在长大过程中保持规则外形，直至长成晶粒并相互接触时，规则外形才被破坏。反之，则以树枝晶形态生长。这是因为随过冷度增大，具有规则外形的晶核长大时需要将较多的结晶潜热散发掉，而其棱角部位因具有最优先的散热条件，因而便得到优先生长，如树枝一样先长出枝干，再长出分枝，把晶间填满。

3.金属晶粒的细化方法

金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，而晶粒大小是金属组织的重要标志之一。金属内部晶粒越细小，则晶界越多，晶界面也越多，晶界就越曲折，则晶格畸变越大，从而使金属强度、硬度提高，并使变形均匀分布在许多晶粒上，塑性、韧性好。生产中常采用过冷细化、变质处理和附加振动等细化晶粒的方法。

（1）过冷细化 这种方法是采用提高金属的冷却速度和增大过冷度ΔT以细化晶粒的方法。如图1-9所示，金属结晶时，如图中实线部分所示，形核率N和晶核长大速度G都随过冷度ΔT的增加而增加，当ΔT增大到T时，N与G均增加到最大值，过冷度ΔT继续增大，N和G随之下降，但实际液态金属的结晶很难达到如此高的过冷度，并在此之前早已结晶完毕，图中用虚线表示。因此，在一般液体金属的过冷范围内，过冷度ΔT越大，形核率N越高，则晶核长大速度相对较小，金属凝固后可得到细小的晶粒；反之则得到粗大的晶粒。增加过冷度，就是要提高金属凝固后的冷却速度。实际生产中常常采用降低铸型温度和采用热导率大的金属铸型来提高冷却速度。

（2）变质处理 对于大件或厚壁铸件，冷却速度的增加有一定的限度。因此，提高冷却速度以细化晶粒的方法只适用于小件或薄壁件。另外，冷却速度过大会引起金属中铸造应力的增加，使金属铸件产生各种缺陷。这时，为了得到细晶粒铸件，可进行变质处理。变质处理是生产中在液态金属中加入少量活性物质即变质剂，促使非自发形核，以提高形核率，抑制晶核长大速度，从而细化晶粒的方法。例如在铸件浇注前，向灰铸铁中加入硅铁或硅钙合金，能使石墨变细（也称为铸铁的孕育处理）；向铝硅合金中加入少量的钠或钠盐；向钢液中加入钛、锆、硼、铝等。

（3）附加振动 在金属结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等方法，可使正在生长的树枝状晶被打断，破碎的细小晶体成为新的晶核，增大了形核率，从而细化晶粒。另外，采用压力加工和热处理等方法也能细化固态金属的晶粒。

1.2.3 金属的同素异构转变

金属结晶后具有一定的晶格结构，且多数不再发生晶格变化。但Fe、Co、Ti、Mn等少数金属在固态下会随温度的变化而具有不同类型的晶体结构。

金属在固态下由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化称为金属的同素异构转变。由金属的同素异构转变所得到的不同类型的晶体称为同素异晶体。金属的同素异构转变也是原子重新排列的过程，称为重结晶或二次结晶。固态下的重结晶和液态下的结晶相似，转变在恒温下进行，同样是形核与长大的过程，也必须在一定的过冷度下转变才能完成。同素异构转变与液态金属的结晶存在着明显的区别，主要表现为同素异构转变时晶界处能量较高，新的晶核往往在原晶界上形成；固态下原子扩散比较困难，固态转变需要较大的过冷度；固态转变产生体积变化，在金属中引起较大的内应力。

铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。图1-10所示为纯铁的冷却曲线，在1538℃时液态纯铁结晶成具有体心立方晶格的δ-Fe，继续冷却到1394℃转变为面心立方晶格的γ-Fe，再继续冷到912℃时又转变为体心立方晶格的α-Fe，以后一直冷却到室温晶格类型不再发生变化。

纯铁的同素异构转变同样存在于铁基的钢铁材料中，这是钢铁材料能通过各种热处理方法改善其组织和性能的基础，从而使钢铁材料性能多种多样。