金属的恢复与再结晶（金属晶体与结晶）

金属的恢复与再结晶（金属晶体与结晶）(5)、致密度：金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。(4)、原子半径：金属晶体中最邻近的原子间距的一半，称为原子半径，主要取决于晶格类型和晶格常数。(1)、晶格：将晶体内部原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点在三维方向连接起来，这样构成的空间格子称为晶格。(2)、晶胞：晶体中原子排列具有周期性变化的特点，晶格中一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元，称为晶胞。其应具有高对称性。(3)、晶格常数：不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异，结晶学中规定晶胞的大小以其各棱边尺寸a、b、c表示，称为晶格常数。

与非金属相比，金属材料具有良好的力学性能、某些物理化学性能和工艺性能。但即使都是金属材料，不同成分和状态下的性能也不一样，这是由于材料内部结构的不同导致。本文主要对金属的内部结构和结晶规律两个方面进行简单介绍。

一、金属内部结构

根据原子在内部的排列特征，可将固态物质分为晶体和非晶体两大类（定义见文末Note1）。接下来从基础知识、典型晶格和金属晶体结构三方面进行总结。

1、晶体结构的基础知识：主要有5个知识点。

(1)、晶格：将晶体内部原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点在三维方向连接起来，这样构成的空间格子称为晶格。

(2)、晶胞：晶体中原子排列具有周期性变化的特点，晶格中一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元，称为晶胞。其应具有高对称性。

(3)、晶格常数：不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异，结晶学中规定晶胞的大小以其各棱边尺寸a、b、c表示，称为晶格常数。

(4)、原子半径：金属晶体中最邻近的原子间距的一半，称为原子半径，主要取决于晶格类型和晶格常数。

(5)、致密度：金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。

2、三种典型的金属晶格：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格，如图1所示。

图1 典型的金属晶格

(1)、体心立方晶格：其晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞中心各有一个原子。

其单位晶胞原子数为2个；

原子半径r=31/2/4a；

致密度0.68，指体心立方晶格中有68%的体积被原子所占有，其余为空隙；

属于此类的金属有Cr、W、Mo、V(钒)、α-Fe等。

(2)、面心立方晶格：其晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的8个顶角和立方体的6个面的中心。

其单位晶胞原子数为4个；

原子半径r=21/2/4a；

致密度0.74，表明面心立方晶格中原子排列较紧密；

属于此类的金属有Al、Cu、Pb(铅)、Au(金)、γ-Fe等。

(3)、密排六方晶格：其晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内。

其单位晶胞原子数为6个；

原子半径r=1/2a；

致密度0.74，表明原子排列紧密程度与面心立方晶格相同；

属于此类的金属有Mg、Zn、Be(铍)、α-Ti等。

3、金属的实际晶体结构

如果晶体内部的晶格位向完全一致，这种晶体称为单晶体，只有特殊方法才能得到。实际金属大多是多晶体结构，即是由许多不同位向的晶粒（见文末Note2）组成，每个晶粒内部晶格位向基本一致，各晶粒之间位向不同。

在金属晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其他因素的影响，原子的规则排列在局部区域被破坏，出现不完整的区域，称为晶体缺陷。根据几何特征，分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。

(1)、点缺陷：常见的有空位、置换原子和间隙原子等，如图2所示。点缺陷导致晶格畸变，使金属产生内应力，晶体性能发生变化，是强化金属的手段之一。

图2 常见的点缺陷示意图

(2)、线缺陷：主要是位错，常见的形态是刃形位错，如图3所示，对金属的力学性能影响很大。金属退火状态下，位错密度低，强度较差。金属材料的塑性变形通过位错实现。

图3 刃形位错示意图

(3)、面缺陷：常指的是晶界和亚晶界。晶界处是不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层，此处原子不稳定，能量高，因此，晶界与晶粒内部有着一系列不同特征，如常温下晶界有高强度和高硬度；原子扩散速度快等。

二、金属结晶

大多数金属件都是经过熔化、冶炼和浇注得到，这种由液态变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是晶体，则称这种凝固为结晶。一般金属固态下是晶体，所以金属的凝固过程可称为结晶。

1、金属的冷却曲线

纯金属都有一个固定的熔点，低于此温度才能结晶为晶体。纯金属的冷却曲线如图4所示，通过冷却过程中不断定时测温得到。

图4 纯金属的冷却曲线

可知，液体金属随冷却时间的延长，所含热量不断散失、温度不断下降，但当冷却到某一温度时，冷却曲线上出现平台（原因：结晶时放出的潜热正好补偿了金属向外散失的热量），其对应的温度就是实际结晶温度。结晶完成后，金属继续向外散热，温度又重新下降。

图4中T0为理论结晶温度，实际结晶温度Tn总是低于T0，称为过冷现象。二者之差称为过冷度△T。过冷度与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温度越低。

2、纯金属的结晶过程

纯金属的结晶过程发生在冷却曲线上平台所经历的时间，结晶时首先在液态中出现晶核（微小的晶体），并不断长大，同时产生新的晶核也相继长大，直至液态金属消失，如图5所示。

图5 纯金属的结晶过程

因此，金属结晶包括晶核的形成和长大两个过程，并且同步进行。

3、结晶后的晶粒大小

晶粒大小主要取决于形核率和晶核长大速率，其对金属的力学性能有很大影响，细晶粒金属的强度和韧性高，所以需要促进形核率、抑制长大速率。因此，为了细化晶粒，常采用以下两种方法：

(1)、增加过冷度：过冷度越大，单位体积内晶粒数目越多，晶粒细化。适用于中小型铸件。

(2)、变质处理：加入细小变质剂，增加形核率、降低长大速率。应用广泛。

此外，采用机械振动和电磁振动等，也可细化晶粒。

Note1、晶体与非晶体：

固态下原子在物质内部作有规则的排列，称为晶体，大多数金属和合金固态下都属于晶体，如纯铝、纯铁和纯铜等；固态下物质内部原子呈现无序堆积状态，称为非晶体，如松香、玻璃和沥青等。

Note2、晶粒与晶界等：

外形不规则、呈颗粒状的小晶体称为晶粒，晶粒之间的界面称为晶界。实际上，在每个晶粒内部，晶格方位也有相位差，这些相位差很小的小晶块相互镶成一颗晶粒。这些小晶块称为亚晶或亚结构，其之间的边界称为亚晶界。

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