一、学习目标
知识目标：
·了解晶体、晶格、晶胞、晶粒的概念及常见的三种晶格类型； ·明确金属实际晶体结构； ·掌握纯铁的同素异晶转变； ·熟悉合金的概念及合金的相结构； ·了解金属与合金的结晶过程。 能力目标：
·熟悉金属或合金的结晶过程及规律，能有效控制金属的结晶过程，改善金属材料的组织和性能。
二、任务引入
纯铁是由铁矿石经冶炼而成的，先得到温度较高的铁水，铁水经冷却后形成高温固态铁，然后在逐渐冷却到室温。液态铁水经过什么变化形成固态铁，高温固态铁冷却过程中铁的结构是否发生变化？
三、相关知识
材料的性能取决于材料的组织结构，而材料的组织结构由它的化学组成和加工工艺决定的。也就是说不同的金属材料具有不同的性能，即使是同一种金属材料，在不同的加工条件下其性能也是不同的。金属性能的这些差异，从本质上来说，是由其内部结构所决定的。
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（一）常见的金属晶格类型
1.晶体与非晶体
自然界中的固态物质都是由原子组成的，根据原子排列的状况不同，可以将物质分为晶体和非晶体两大类。
（1）晶体
物质的原子都是按一定几何形状有规则地排列的称为晶体，如金刚石、石墨及固态金属和合金。
（2）非晶体 在物质内部，凡是原子呈无规则、杂乱地堆砌在一起的称为非晶体，如松香、普通玻璃、沥青、石蜡等。
晶体与非晶体因原子排列方式不同，它们的性能也有差异。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性，而非晶体没有固定的熔点，呈各向同性。
2.晶格与晶胞
晶体内部的原子是按照一定规则排列的。为了便于理解，将金属晶体中原子看成一个小球，图1-7（a）是金属晶体中原子在空间作有规则排列的简单模型。为了说明排列的方式，人为地把原子看成一个点，用假想的线将各原子的中心连结起来，这样就得到一个抽象化了的空间格架，见图1-7（b）。这种用于描述原子在晶体中排列规律的空间格架称为晶格。
（a）晶体的原子排列模型 （b）晶格 （c） 晶胞
图1-7 晶体、晶格和晶胞示意图
由上图可见，晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格结构特征的最小几何单元，称为晶胞，如图1-7（c）所示。
3.常见的晶格类型
金属的晶体结构类型很多，但绝大多数（占85％）金属属于以下三种类型： （1）体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞是一个立方体。在立方体的八个顶角和立方体的中心，各排列一个原子，见图1-8（a）。属于这类晶格类型的金属有钨（W）、铬（Cr）、钒（V）及Fe等。
（a）体心立方晶格 （b）面心立方晶格
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（c）密排六方晶格 图1-8 金属的晶体结构
（2） 面心立方晶格
面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体八个顶角和六个面的中心各排列一个原子，见图1-8（b）。属于这种晶格类型的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）及Fe等。
（3）密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，在柱体的每个顶角上，以及上、下底面的中心都排列一个原子，在晶胞中间还排列有三个原子，见图1-8（c）。属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、锌（Zn）等。
4.晶粒
金属结晶后形成由外形不规则而内部晶格排列方向一致的微小晶体称为晶粒。
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，单晶体中所有晶胞都按相同方向排列，见图1-9（a）。单晶体材料只在特定情况下使用，例如制造半导体硅元件所用的材料，就是单晶硅。
（a）单晶体 （b）多晶体
图1-9 单晶体和多晶体结构示意图
由许多晶格位向不同的晶粒集合组成的晶体称为多晶体，见图1-9（b）。工业用的金属
材料—般都是多晶体。
（二）实际金属晶体结构
在实际使用的金属材料中，由于加进了其它种类的外来原子以及材料在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的影响，使本来有规律的原子堆积方式受到干扰。晶体中所出现的各种不规则的原子堆积现象称为晶体缺陷，常见的晶体缺陷有以下几种。
1.点缺陷（空位和间隙原子）
如果晶格上应该有原子的地方没有原子，在那里就会出现“空洞”，同时，也可能在晶格某些空隙处出现多余的原子或挤进外来原子，这种原子堆积上的缺陷叫做空位和间隙原子。由图1-10可知，间隙原子所产生的效果是使周围原子受到挤压，而空位附近的原子受到拉伸。空位和间隙原子都使晶格产生变形，这种现象叫做晶格畸变。
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图1-10 点缺陷示意图
(a) 空位 (b) 间隙原子
2.线缺陷 （位错）
晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象叫做位错。把这些发生位错的原子用假想线连结起来，这根线或者近似于直线、或者近似于螺旋线，前者叫做刃型位错(见图1-11（a）)，后者叫做螺型位错（见图1-11（b）)。
（a）晶体的刃型位错 （b）晶体的螺形位错
图1-11 晶体的位错
位错对金属晶体的生长、相变、扩散、塑性变形、断裂及其它许多物理化学性能都有重要影响，同时材料中的位错愈多，其强度就越高。 3.面缺陷（晶界与亚晶界）
实际金属为多晶体，是由大量外形不规则的晶粒组成，各个晶粒的晶格排列方向不一致，晶粒与晶粒之间的接触面称为晶界。晶界是多晶体结构中晶粒间的过渡区，如图1-12所示，在晶界处原子排列是不规则的，处于不稳定的状态。
（a）晶界的过渡结构模型 （b）小角度晶界模型
图1-12 晶界的结构模型
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试验证明，即使在一颗晶粒内部，其晶格位向也并不象理想晶体那样完全一致，而是分隔成许多尺寸很小，位向差也很小（只有几秒、几分，最多达1°~2°）的小晶块，它们镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列与晶界相似，也是不规则的。
晶体中由于存在点缺陷、线缺陷、面缺陷使其晶格畸变，引起塑性变形抗力增大，从而使金属的强度提高。
（三） 合金的晶体结构
纯金属具有良好的电导性、热导性、塑性及金属光泽等物理化学特性，但强度、硬度等力学性能一般都很低，且熔炼困难，价格昂贵，难以满足现代工业对金属材料提出的多品种、高性能的要求。因此，工业上应用较多的都是合金。
1.合金基本概念
合金是一种金属与另一种或几种金属、非金属熔合组成的，具有金属特性的物质。如铁碳合金、铜合金、铝合金等。
组元是组成合金的最基本、独立的物质，简称元，通常是组成合金的元素或稳定的化合物。由两个组元组成的合金称二元合金，三个组元的合金称为三元合金，以此类推。相同组元可按不同比例配制出性能不同的系列合金，构成一个合金系统，简称合金系。
相是指金属或合金中化学成分相同、结构相同或原子聚集状态相同，并与其他部分之间有明确界面的独立均匀组成部分。如液态纯金属与结晶出的固态纯金属，即为液、固两相。
组织是指用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜能观察分辨的材料内部微观形貌图像。通常又把借助金相显微镜、电子显微镜观测的内部微观形貌图称为“显微组织”。通过对组织的观察分析，可了解材料内部各组织组成相的大小、形态、分布和相对数量等，从而进一步了解材料的性能及其变化规律。
2.合金的相组织
在液态时，大多数合金的组元都能相互溶解，形成均匀的液相。在结晶时，由于各个组元之间相互作用的不同，在固态合金中可能出现固溶体、金属化合物或多相复合组织。
（1）固溶体
在固态下，组成合金的一种或多种组元溶入另一组元的晶格中所组成的晶体叫固溶体。在固溶体中，含量少的叫溶质，含量多的叫溶剂。固溶体是合金结构中的重要相结构，因为实际使用的金属材料大多数是单相固溶体合金，或以固溶体为基的多相合金。
根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置不同，固溶体可以分为间隙固溶体和置换固溶体。
溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图l-13（a）所示。溶质原子愈小或溶剂晶体中的空隙愈大，溶质在这种固溶体中的溶解度便愈大。
溶质原子置换了溶剂晶格中某些结点位置上的溶剂原子而形成的固溶体，称为置换固溶体，其示意图见图1-13（b）。在合金钢中大多数合金元素都能组成置换固溶体。根据溶质原子在溶剂中的不同溶解度，置换固溶体又分为无限固溶体（溶质原子能以任何比例溶入溶剂中）和有限固溶体（溶质原子溶入溶剂中的量是有限的）。
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（a）间隙固溶体 （b）置换固溶体
图1-13 固溶体结构示意图
在固溶体中由于溶质原子的溶入而使溶剂晶格发生晶格畸变，晶格畸变阻碍了位错的运动，使晶格间的滑移变得困难，从而提高了合金抵抗塑性变形的能力，使合金的强度、硬度升高，而塑性下降，这种现象称为固溶强化。它是提高金属材料力学性能的重要途径之一。
（2）金属化合物
金属组元间按照一定的原子数比，发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。这种化合物可以是金属与金属组成，也可以由金属与非金属组成，其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大，如铁碳合金中的渗碳体。
（3）多相复合组织 合金中的组元相互作用，一般并非简单地形成一种固溶体或一种金属化合物，而可能形成两种或两种以上的固溶体和金属化合物，最后组成多相复合组织。这种由两种以上相组成的多相组织合金，称多相复合合金。多相复合合金的性能是以组成它的物质的性质之算术平均值来估算的。
（四）金属的结晶
金属制品一般都需要经过熔炼、浇注、压力加工、切削加工等工艺过程而制成，其中熔炼浇注形成的铸态组织，对金属材料的性能有重大影响。研究金属与合金的凝固结晶过程及其规律，对于控制金属材料及其制品的组织和性能，是非常重要的。
1.纯金属的结晶
金属的结晶都是金属原子的聚集状态由无规则的液态，转变为规则排列的固态晶体的过程。每种金属都有固定的熔点，也就是固定的结晶温度t0，这是在极缓慢的冷却条件下用热分析法测定的，通常称之为理论结晶温度。
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图1-14 金属冷却曲线
金属的结晶过程可用冷却曲线来描述，如图1-14。从冷却曲线看出，液态金属随着冷却时间的增长，温度将不断下降，但冷却到某一温度时，冷却时间仍在增加而温度不再下降，出现一个水平台阶，这台阶对应的温度即结晶温度。出现水平台阶的原因，是由于结晶时有潜热放出，抵消了冷却散热，所以温度保持不变。结晶完成后，结晶潜热不再产生，金属温度随冷却时间增加而继续下降。
在实际生产中，冷却速度不可能无限缓慢，当以一定的冷却速度冷却结晶时，实际结晶温度t1都低于理论结晶温度t0，这一现象称为“过冷现象”。理论结晶温度与实际结晶温度之差△t，称为过冷度（△t=t0-t1）。
金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。
（1）金属的结晶过程
液态金属结晶是在一定过冷度的条件下，从液体中首先形成一些微小而稳定的固体质点开始的，这些固体质点称为晶核。晶核不断长大成为晶体，同时新的晶核也不断形成和长大，直到它们相互接触，液体完全消失为止。因此，结晶过程由形核和晶核长大的两个过程组成，二者交替产生。实际上，金属在结晶过程中晶核沿各个方向生长的速度是不一样的，晶核主要是沿着生长速度最大的某几个方向发展，所以晶体实际上为树枝状结晶体（简称枝晶）。
液态金属原子自发形成的晶核，称为自发晶核。实际结晶过程中，金属液体中的某些杂质，也能成为金属结晶核心而形成晶核，这种晶核称为非自发晶核（人工晶核）。在金属的结晶过程中，通常是自发晶核和非自发晶核同时并存，而且非自发晶核对结晶的推动作用往往更为重要。因此，对非自发晶核的控制已成为调整控制结晶过程的重要手段。
金属液态中晶核的形成先后不一，长大的条件也不同，因而形成的晶粒大小、形状和位向各不相同。晶粒之间最后形成过度的界面称为晶界。晶界把晶粒连接组成多晶体。最后结晶的晶界原子呈不规则的过渡排列，所以，晶界对金属性能有很大的影响。
（2）影响晶粒大小的因素及细化晶粒的方法
金属晶粒大小对金属力学性能有很重要的影响，一般情况下，晶粒细小则金属强度、塑性、韧性好。
为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后的晶粒大小，分析结晶过程可知，金属晶粒大小取决于结晶时的形核率N（单位体积单位时间形成的晶核数）和晶核长大速率G（单位时间内晶核长大的线速度）。形核率越大，则结晶后晶粒越多、细；而长大率大，则晶核长大快，晶粒就越粗。常用的细化晶粒方法有：
①增加过冷度 在一般冷却条件下，冷却速度提高，则过冷度大，而形核率和长大速率均随过冷度的增大而增大。由于随过冷度增大形核率比长大速率增加得快，因此最后结果是细化晶粒。
②变质处理 在液态金属浇注前专门加入可成为非自发晶核的固态变质剂，增加晶核数，提高形核率，达到细化目的。
③振动处理 在结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，把生长的枝晶破碎，从而增加晶核数，达到细化晶粒的目的。
2.合金的结晶
不同成分的合金，在高温液态时通常为均匀单相熔液，而在冷却结晶后，可形成单相
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的固溶体或金属化合物组织，但更多的是形成由几种固溶体或固溶体和化合物组成的多相组织，并且随温度等条件变化，组成相还会变化。一定成分的合金在一定温度究竟形成什么组织，通常可由相图来确定。
合金相图又称合金状态图或合金平衡图，表示平衡条件下合金成分、温度和组织状态之间关系的图形。根据相图可知道不同成分的合金，在不同温度下的相组织状态，温度变化时可能发生的变化，还可根据组织状态估测合金的性能，作为制定铸造、锻造、焊接和热处理等热加工工艺的主要依据。
在合金相图中，有二元相图、三元相图和多元相图，应用最广、最基本的是二元相图。合金相图都是通过实验方法测得的，图1-15为用热分析法测定的Cu-Ni合金相图。
图1-15 用热分析法测定Cu-Ni合金相图
对于合金组元在液相和固相下均能无限互溶，结晶时只结晶出单相固溶体组织，这种合金系的相图就是典型的匀晶相图，如Cu-Ni二元合金相图。组元在液相无限互溶，在固相有限互溶，在结晶过程中以共晶转变为主的相图就是共晶相图，如Al-Si、Pb-Sb、Pb-Sn、Ag-Cu等。共晶转变是指合金系中某一定化学成分的合金在一定的温度下(恒温)，同时由液相中结晶出两种不同成分的固相，并按一定方式组合在一起，形成有固定化学成分的基本组织。共析转变是指在一定温度下，由一个均匀的固相同时分解析出两个化学成分与晶体结构不同于母相(即原固相)的新固相的转变过程。凡具有这种转变的相图，均称为共析相图，如Fe-C、Cu-Zn、Cu-Sn及Cu-A1等。
四、任务实施
铁水经形核和晶核长大形成高温固体，其晶体结构会随着温度的变化而发生改变。这种金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为金属的同素异晶转变。由同素异晶转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异晶体。图1-16为纯铁的冷却曲线，纯铁的同素异晶转变的表示式如下：
同素异晶转变过程与结晶相似，也是经形核和晶核长大来实现的。
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图1-16 纯铁的冷却曲线
由于铁能够发生同素异晶转变，所以生产中才有可能对钢和铸铁进行热处理，以改变其组织和性能。
五、能力训练
分析纯铁室温和1000℃的晶体结构
根据纯铁的冷却曲线分析可知：纯铁室温和1000℃的晶体结构分别为体心立方晶格和面心立方晶格。
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