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在已经发现的 118 种元素中有 81 种元素是金属元素。通常应用的金属不可能是绝对纯的，一般把没有特意加入其他元素的工业纯金属称为纯金属，实际上它们往往含有微量的杂质元素。
纯金属的强度较低，很少单独作为工程材料应用，而常用的是它们的合金。纯金属主要作为合金的基础金属及合金元素来使用。常用的纯金属有Fe、Cu、Al、Mg、Ti、Cr、W、Mo、V、Mn、Zr、Nb、Co、Ni、Zn、Sn、Pb等。因为它们是合金的基本材料，是进一步研究合金的基础，所以必须首先研究纯金属的结构与结晶。
1）晶体与非晶体
固态物质按其原子（或分子）的聚集状态不同可分为晶体和非晶体两大类。在自然界中，除少数物质（如普通玻璃、石蜡、松香等）是非晶体外，绝大多数固态无机物（包括金属和合金等）都是晶体。所谓晶体是指原子（或分子）在其内部按一定的几何规律作周期性重复排列的一类物质，这是晶体与非晶体的根本区别。
晶体有固定的熔点，且在不同方向上性能不同即具有各向异性。而非晶体无固定的熔点，各个方向上原子聚集密度大致相同，表现出各向同性。另外，晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。
2）晶格、晶胞和晶格常数
实际晶体中，各类质点（包括离子、电子等）虽然都在不停地运动，但是，通常在讨论晶体结构时，常把构成晶体的原子看成是一个个刚性的小球，这些原子小球按一定的几何形式在空间紧密堆积，如图2-1（a）所示。
为了便于描述晶体内部原子排列的规律，将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想的几何线条将各质点连接起来，便形成一个空间格架，这种抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的几何空间格架称为晶格，如图2-1（b）所示。
由于晶体中原子作周期性规则排列，因此可以在晶格中选择一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来表示原子排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞。
为研究晶体结构，在晶体学中还规定用一些参数来表示晶胞的几何形状及尺寸。这些参数包括晶胞的棱边长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ，如图2-1（c）所示。晶胞的各棱边长度称为晶格常数，其度量单位为nm。当三个晶格常数a ＝ b ＝ c，三个夹角α ＝ β ＝ γ ＝ 90°时，这种晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。
图2-1 晶体、晶格和晶胞示意（简单立方晶格）
3）晶系
按照六个晶胞常数组合的可能方式或根据晶胞自身的对称性，可将晶体结构分为七个晶系。布拉维证明，七个晶系中存在七种简单晶胞（晶胞原子数为 1）和七种复合晶胞（晶胞原子数为 2 以上），共 14 种晶胞，如图2-2 所示。
1—三斜简单晶胞；2—单斜简单晶胞；3—单斜底心晶胞；4—正交简单晶胞；5—正交底心晶胞；6—正交体心晶胞；7—正交面心晶格；8—六方晶胞；9—菱形晶胞；10—四方简单晶胞；11—四方体心晶胞；12—立方简单晶胞；13—立方体心晶胞；14—立方面心晶胞。
图2-2 14 种空间点阵的晶胞
工业上常用的金属中，除少数具有复杂晶体结构外，绝大多数金属都具有比较简单的晶体结构。其中最常见的金属晶体结构有三种类型：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。室温下有 85％～90％的金属元素是这三种晶体类型。
不同的金属晶体结构类型性能不同，而具有相同晶体结构类型的不同金属，其性能也不相同，这是由于它们具有不同的晶胞特征。可用以下的主要几何参数来表征晶胞的特征：晶胞的形状及大小、原子半径、晶胞中实际所含的原子数、晶胞中原子排列的紧密程度（可用致密度与配位数表示）。
1）体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在立方体的中心和 8 个角点上各有一个原子，中心与 8 个角点上的原子紧密接触，如图2-3 所示。
图2-3 体心立方晶胞示意
体心立方晶格具有以下特性：
（1）晶格常数：a ＝ b ＝ c，通常只用a表示。
（2）各棱夹角：α ＝ β ＝ γ ＝ 90°。
（3）晶胞原子数：立方体中心的 1 个原子属于该晶胞专有，角点上的 8 个原子都与其相邻 7 个晶胞所共有，晶胞原子总数为
（4）原子半径：体心立方晶胞中立方体对角线为其中原子相距最近的方向，对角线长度为
a，在该方向上有 2 个原子，即 4 个原子半径，因此原子半径为
常见的属于体心立方晶胞的金属有α-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Na、Ti、Nb等，通常用BCC表示体心立方晶格。
2）面心立方晶格
面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，立方体 8 个角点和 6 个面中心各有一个原子，这些原子紧密接触，如图2-4 所示。
面心立方晶格具有以下特性：
（1）晶格常数：a ＝ b ＝ c，通常只用a表示。
（2）各棱夹角：α ＝ β ＝ γ ＝ 90°。
（3）晶胞原子数：立方体面心的 1 个原子被与其相邻的另外 1 个晶胞所共有，8 个角点上的每个原子都与其相邻 7 个晶胞所共有，晶胞原子总数为
图2-4 面心立方晶胞示意
（4）原子半径：面心立方晶胞中立方体 6 个面中的对角线为其中原子相距最近的方向，对角线长度为
a，在该方向上有 2 个原子，即 4 个原子半径，因此原子半径为
常见的属于面心立方晶胞的金属有Au、Ag、Cu、Al、Ni、Pb、γ-Fe、β-Co等，通常用FCC表示面心立方晶格。
3）密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。如图2-5 所示，六方柱体的每个角点上及上、下底面的中心各有 1 个原子，在上下两面中间有 3 个原子，这些原子紧密接触。
图2-5 密排六方晶胞示意
密排立方晶格具有以下特性：
（1）晶格常数：c／ a的值通常为 1.58 ～ 1.89，并且当c／ a ＝ 1.63 时，各个原子排列最紧密，此时的晶胞为最理想的密排立方晶胞。
（2）各棱夹角：两相邻侧棱之间的夹角为 120°，底面与侧面间的夹角为 90°。
（3）晶胞原子数：正六棱柱的各个角点上的原子被与该晶胞相邻的其余 5 个晶胞所共有，上、下两面的中心的 2 个原子分别被与其相邻的另外 1 个晶胞所共有，上、下两面中间的 3 个原子被该晶胞所专有，晶胞原子总数为
（4）原子半径：密排立方晶胞中正六棱柱的上（下）面的对角线为其原子排列最紧密的方向，长度为 2a，且在该方向上有 4 个半径，因此原子半径为
常见的属于密排立方晶胞的金属有Mg、Zn、Be、Cd等，通常用HCP表示密排立方晶格。
配位数和致密度两个参数能够说明晶体中原子排列的紧密程度。
1）配位数
配位数是指晶格中与任意一个原子相邻且距离相等的原子数目。
从配位数的定义可知，晶格的配位数越大，其原子排列越紧密；晶格的配位数越小，原子排列越松散。
（1）体心立方晶格的配位数。
在图2-6（a）所示的体心立方晶格中，如果以立方体中心原子为参照原子来分析，观察晶体结构可知，立方体 8 个角点上的原子与该中心原子距离相等，所以体心立方晶格的配位数为 8。
（2）面心立方晶格的配位数。
在图2-6（b）所示的面心立方晶格中，如果以立方体中任意一面的中心原子为参照原子来分析，观察晶体结构可知，与其相邻且距离相等的原子有两部分，第一部分是原子所处平面的 4 个角点上的原子，第二部分是与该平面垂直的 2 个平面上的各 4 个原子，共有 12 个，所以面心立方晶格的配位数为 12。
（3）密排立方晶格的配位数。
在图2-6（c）所示的面心立方晶格中，如果以上面（或下面）的中心原子为参照原子来分析，观察晶体结构可知，与其相邻且距离相等的原子也分为两部分，第一部分是该立方平面的 6 个角点的原子，第二部分是该面上方和下方的位于密排立方晶体结构中心的各 3 个原子，共 12 个，所以密排立方晶体的配位数也是 12。
图2-6 三种晶体结构的配位数示意
2）致密度
致密度是指金属晶胞中原子所占有的总体积与该晶胞体积之比。致密度能够直观地说明晶体中原子排列的紧密程度，根据致密度的定义，可以得到金属晶胞致密度的计算公式为
对于体心立方晶体，
对于面心立方晶体，
对于密排立方晶体，
根据以上计算结果可以得到以下结论：
（1）体心立方晶体的致密度＜面心立方晶体的致密度＝密排立方晶体的致密度。
（2）在金属晶体内部，除去原子所占空间，其余部分为原子之间的空隙，不同类型晶体结构的空隙大小不一样，体心立方晶体为 32％，面心立方晶体和密排立方晶体为 26％。
如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致时，称这块晶体为单晶体或理想单晶体。在工业生产中，只有经过特殊制作才能获得内部结构相对完整的单晶体。
一般所用的工业金属材料，即使体积很小，其内部仍包含许许多多的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而各个小晶体彼此间位向都不同，如图2-7（a）所示。把这种外形不规则的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒间的界面称为晶界。这种实际上由多个晶粒组成的晶体称为多晶体结构。由于实际的金属材料都是多晶体结构，一般测不出其像在单晶体中那样的各向异性，测出的是各位向不同的晶粒的平均性能，即实际金属不表现各向异性，而显示出各向同性。
晶粒的尺寸通常很小，如钢铁材料的晶粒一般在 10 － 3 ～ 10 －1 mm，故只有在金相显微镜下才能观察到。在金相显微镜下所观察到的工业纯铁的晶粒和晶界，如图2-7（b）所示。这种在金相显微镜下所观察到的金属组织，称为显微组织或金相组织。
图2-7 金属的实际晶格结构
每个晶粒内部，实际上也并不像理想单晶体那样位向完全一致，而是存在着许多尺寸更小，位向差也很小，一般是 1° ～2°，最大到 2°的小晶块。它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小区域称为亚结构（或称为亚晶粒、镶嵌块）。因其组织尺寸较小，需在高倍显微镜或电子显微镜下才能观察到。
实际金属由于结晶或其他加工等条件的影响，内部原子排列并不像理想晶体那样规则和完整，存在大量的晶体缺陷。这些缺陷的存在，会对金属性能产生显著的影响。根据晶体缺陷存在形式的几何特点，通常将它们分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
1）点缺陷——空位和间隙原子
在实际晶体中，晶格的某些结点并未被原子占有，这种空着的位置称为空位。同时又可能在晶格空隙处出现多余的原子，这种不占正常晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子，如图2-8 所示。
空位和间隙原子的存在，使其周围原子离开了原来的平衡位置，产生晶格畸变，从而导致某些性能改变。空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一。
图2-8 晶格点缺陷示意
2）线缺陷——位错
晶体中，某一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。位错有刃型位错和螺型位错，这里我们只介绍刃型位错。
图2-9 所示为简单立方晶格晶体中刃型位错的几何模型。由图可见，在ABCD水平面上，多出了一个垂直原子面HEFC，这个多余的原子面像刀刃一样切入晶体，使晶体上下两部分原子产生错排现象，因而称为刃型位错。多余原子面底边EF称为刃型位错线。在位错线附近，由于错排而产生了晶格畸变，使位错线上方附近的原子受压应力，下方的相邻原子受拉应力。离位错线越远，晶格畸变越小，应力也就越小。
图2-9 刃型位错的几何模型
图2-10 金属强度与位错密度之间关系的示意
晶体中位错的数量通常用单位体积内位错线长度即位错密度 ρ 来表示。位错密度的变化及位错在晶体内的运动，对金属的性能、塑性变形及组织转变等都有着显著影响。图2-10 所示为金属强度与位错密度之间关系的示意图。从图中可看出退火态时（ ρ ＝ 10 6 ～ 10 8 cm－ 2 ）的强度最低，而其他状态无论位错密度减小还是增大其强度都高于退火态。冷变形后的金属，由于位错密度增大，均提高了强度。而金属晶须，因位错密度极低而达到很高的强度。
3）面缺陷——晶界和亚晶界
晶界实际上是不同位向晶粒之间原子无规则排列的过渡层，如图2-11 所示。试验证明，晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的，每个晶粒皆是由许多位向差很小的小晶块互相镶嵌而成的，这些小晶块称为亚组织。亚组织之间的边界称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界，如图2-12 所示。晶界和亚晶界处表现出较高的强度和硬度。晶粒越细小，晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度越高。晶界还具有耐蚀性低、熔点低、原子扩散速度较快的特点。
图2-11 晶界的过渡结构示意
图2-12 亚晶界结构示意
自然界中的物质通常具有三种状态——气态、液态和固态。金属与其他物质一样也具有三种状态，并且这三种状态在一定条件下可以相互转换，如图2-13所示。固态晶体的原子是有规则的周期排列，呈长程有序。而液态则是无规则排列，但它不是完全毫无规则的混乱排列，在液态金属内部的短距离小范围内，原子为近似于固态结构的规则排列，即存在近程有序的原子集团。它们只是在若干个原子间距范围内呈规则排列，且可瞬时出现又瞬时消失，所以液态是近程有序无规则排列，并有相界面与外界分开。气态则是完全无规则的混乱排列，无相界面。
图2-13 金属三态结构示意
物质由液态转变为固态的过程称为凝固，如果凝固形成晶体，则又称为结晶。由于金属固态下为晶体，所以由液态的金属转变为固态金属晶体的过程称为结晶。纯金属的结晶是在恒温下进行的，其结晶过程可用冷却曲线来描述。
冷却曲线一般用热分析法来绘制。以工业纯铁为例，介绍冷却曲线的绘制过程。首先将纯铁加热到熔点（1 538℃）以上呈液态，然后以非常缓慢的冷却速度冷却到室温，每隔一定的时间记录一次温度值直到室温，于是就建立起温度时间的关系曲线，此即纯铁的冷却曲线，如图2-14 所示。
图2-14 纯铁冷却曲线
从曲线看出，液态金属随冷却时间延长，温度不断降低。但冷却到某一温度时，温度不再随时间的延长而变化，于是在曲线上出现了一个温度水平线段，线段所对应的温度就是纯铁的结晶温度（1 538℃）。结晶时出现恒温的主要原因是，在结晶时放出的结晶潜热与液态金属向周围散失的热量相等。结晶完成后，由于金属散热的继续，温度又重新下降直到室温。
曲线上出现的温度水平线段对应的温度值称为理论结晶温度，用t 0 表示。但实际生产中，液态结晶为固相时均有较大的冷却速度，因而液态金属的实际结晶温度（用t 1 表示）均在t 0 温度以下。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，用“Δt”表示，即
Δt与冷却速度、金属纯度等因素有关。因此实际液态金属的结晶总是在有过冷的条件下才能进行。
纯金属结晶时，首先在液态金属中形成的细小晶体称为晶核，它不断吸附周围原子而长大。同时在液态金属中又会产生新的晶核，直到全部液态金属结晶完毕，最后形成许许多多外形不规则、大小不等的小晶体。因此，液态金属的结晶过程包括晶核的形成与长大两个基本过程，如图2-15 所示。
图2-15 纯金属结晶过程示意
1）晶核的形成
实验证实，当液态金属非常纯净时，其内部的微小区域内也存在一些原子排列规则、极不稳定的原子集团。当液态金属冷却到结晶温度以下时，这些微小的原子集团变成稳定的结晶核心——晶核，称为自发形核。形成晶核的另一种形式，是当液态金属中有杂质时（自带或人工加入），这些杂质在冷却时就会变成结晶核心并在其表面发生非自发形核。
2）晶核的长大
晶核的长大即液态金属中的原子向晶核表面转移的过程。一般来说，由于形成晶核时晶体中的顶角、棱边散热条件优于其他部位而长得较快、较大，长出一次晶轴，后又在一次晶轴上长出二次晶轴，如此不断长大与分枝，直到液态金属全部消失，最后形成一个像树枝状的晶体，简称枝晶，如图2-16 所示。
图2-16 树枝状晶体长大示意
综上所述，纯金属的结晶总是在恒温下进行的，结晶时总有结晶潜热放出，结晶过程总是遵循形核和长大规律，在有过冷度的条件下才能进行结晶。
1）晶粒大小与性能的关系
金属结晶后，由许许多多大小不等、外形各异的小晶粒构成多晶体。晶粒大小对金属的力学性能及其他性能会产生影响。在一般情况下，晶粒越小，其强度、塑性、韧性也越大。
2）晶粒大小的控制
结晶后晶粒大小与晶体的长大速度、形核速度有关。若结晶时有较大的过冷度、形核率的增大速度比晶核的长大速度快则晶粒细。在生产中，常采用以下方法获得细晶粒。
（1）提高结晶时的冷却速度、增大过冷度，但这种方法对铸锭或大铸件应用较困难。
（2）进行变质处理。对于大体积的液态金属，在浇注前人工加入少量的变质剂（人工制造的晶核），从而形成大量非自发结晶核心而得到细晶粒组织，这种方法称为变质处理。变质处理在冶金和铸造中的应用十分广泛，如铸造铝硅合金中加入钠盐，铸铁中加入硅铁等。
（3）液态金属结晶时采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等方法，造成枝晶破碎，使晶核的数量增加，从而细化组织。
大多数金属从液态结晶成为固态晶体后，其晶体结构不再随温度的变化而变化。但有些金属（如铁、钛等）在固态下其晶体结构随着温度的变化而变化。从图2-17 所示的工业纯铁冷却曲线可以看到晶体结构与温度的变化关系为
图2-17 工业纯铁冷却曲线
固态金属在一定温度下由一种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程称为金属的同素异构转变（也称为同素异晶转变）。由于纯铁具有同素异构转变性质，因而才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织和性能。同素异构转变是一种固态下的结晶，因此，转变时有较大的过冷度、应力与变形。
一、名词解释
1.固溶强化。
2.过冷度。
3.合金。
4.结晶。
二、简答题
1.纯金属的晶格类型主要有哪三种？
2.过冷度与冷速有何关系？过冷度对金属结晶后的晶粒大小有何影响？
3.晶粒大小对金属的力学性能有何影响？为什么？简述在凝固阶段晶粒细化的途径。
4.什么是同素异晶转变？请绘出纯铁的冷却曲线，并指出同素异晶转变温度和晶格类型。