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第一篇 工程材料的基本理论
第 一章 材料的结构与性能 固体材料（包括金属材料、高分子材料和陶瓷材料）的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺过程。在制造、使用、研究和发展固体材料时，材料的内部 结构是非常重要的研究对象。所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。本章将重点讨论常用工程材料即金属材料、高分子材料、陶瓷材料的结构与性 能。
第一节 材料的结合方式 一、结合键 组成物质的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力称为结合键。由于质点间的相互作用性质不同，则形成了不同类型的结合键，主要有共价键、离子键、金属 键、分子键 1．离子键 当两种电负性相差很大（如元素周期表中相隔较远的元素）的原子相互结合时，其中电负性较小的原子失去电子成为正离子，电负性较大的原子获得电子成为负离 子，正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键称为离子键。 由于离子键的电荷分布是球形对称的，因此，它在各个方向都可以和相反电荷的离子相吸引，即离子键没有方向性。离子键的另一个特性是无饱和性，即一个离子可 以同时和几个异号离子相结合。例如，在NaCl晶体中，每个C1-周围都有6个Na+，每个Na+周围也有6个Cl-等距离地排列着。离子晶体在空间三维 方向上不断延续就形成了巨大的离子晶体NaCl晶体结构如图1－1所示。
由于离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大。离子键很难产生可以自由运动的电子，所以离子晶体具有很好的绝缘柱。在 离子键结合中，由于离子的外层电子被牢固地束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，典型的离子晶体是无色透明的。 2.共价键 元素周期表中的ⅣA、 ⅤA,ⅥA族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由共用电子对产生的 结合键称为共价键。 最具代表性的共价晶体为金刚石，其结构如图1－2所示金刚石结构由碳原子组成，每个碳原子贡献出4个价电子与周围的4个碳原子共有，形成4个共价键，构成 四面体：一个碳原子在中心，与它共价的4个碳原子在4个顶角上。硅、锗、锡等元素可构成共价晶体。SiC 、Si3N4、BN等化合物属于共价晶体。
共价键结合力很大，所以共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发性低。 3.金属键 绝大多数金属元素（周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素）是以金属键结合的。金属原子结构的特点是外层电子少，原子容易失去其价电子而成为正离子。当金属原子相互结 合时，金属原子的外层电子（价电子）就脱离原子，成为自由电子，为整个金属晶体中的原子所共有。这些公有化的自由电子在正离子之间自由运动形成所谓电子气 这种由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键，如图1－3所示。
具有金属键的金属具有以下特性： 1)良好的导电性及导热性。由于金属中有大量的自由电子存在，当金属的两端存在电势差或外加电场时，电子可以定向地流动，使金属表现出优良的导电性。由于 自由电子的活动能力很强及金属离子振动的作用，而使金属具有良好的导热性。 2)正的电阻温度系数，即随温度升高电阻增大。这是由于温度升高，离子的振动增强、空位增多，离子（原子）排列的规则性受干扰，电子的运动受阻，因而电阻 增大。当温度降低时，离子的振动减弱，电阻减小。 3)良好的强度及塑性由于正离子与电子气之间的结合力较大，所以金属晶体具有良好的强度。由于金属键没有方向性，原子间没有选择性，所以在受外力作用而发 生原子位置相对移动时结合键不会遭到破坏，使金属具有良好的塑性变形能力（良好的塑性）。 4)特有的金属光泽。由于金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到其表面的光能，所以金属不透明并呈现特有的金属光泽。 4.分子键 有些物质的分子具有极性，其中分子的一部分带有正电荷，而分子的另一部分带有负电荷。一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而 结合在一起称为范德华键（或分子键）分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。此类结合键无自由电子，所以绝缘性良好。 二、工程材料的键性 材料的结合键类型不同，则其性能不同。常见结合键的特性见表1－1。实际上使用的工程材料，有的是单纯的一种键，更多的是几种键的结合。
1 金属材料 绝大多数金属材料的结合键是金属键，少数具有共价键（如灰锡）和离子键如金属间化合物Mg3Sb2)。所以金属材料的金属特性特别明显 2.陶瓷材料 陶瓷材料的结合键是离子键和共价键，大部分材料以离子键为主。所以陶瓷材料具有高的熔点和很高的硬度，但脆性较大。 3.高分子材料 高分子材料的结合键是共价键和分子键，即分子内靠共价键结合，分子间靠分子键结合。虽然分子键的作用力很弱，但由于高分子材料的分子很大，所以大分子间的 作用力也较大，因而高分子材料也具有较好的力学性能。 如果以四种键为顶点作一个四面体，就可以把材料的结合键范围示意地表示在这个四面体上，具体材料的特性见图1－4。
三、 晶体与非晶体 材料依结合键以及原子或分子的大小不同可在空间组成不同的排列类型，即不同的结构。材料结构不同，则性能不同；材料的种类和结合键都相同，但是原子排列的 结构不同时，其性能也有很大的差别。通常按原子在物质内部的排列规则性将物质分为晶体和非晶体。 1.晶体 所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质几乎所有金属、大部分的陶瓷以及部分聚合物在其凝固后具有晶体结构。 晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。 2.非晶体 所谓非晶体是指原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质典型的非晶体材料是玻璃。虽然非品体在整体上是无序的，但在很小的范围内原子排列还是 有一定规律性的，所以原子的这种排列规律又称“短程有序”；而晶体中原子排列规律性又称为“长程有序” 非晶体的特点是：①结构无序；②物理性质表现为各向同性；③没有固定的熔点；④热导率（导热系数）和热膨胀性小；⑤在相同应力作用下，非晶体的塑性形变 大；⑥组成非晶体的化学成分变化范围大。 3.晶体与非晶体的转化 非晶体的结构是短程有序，即在很小的尺寸范围内存在着有序性；而晶体内部虽存在长程有序结构，但在小范围内存在缺陷，即在很小的尺寸范围内存在着无序性所 以两种结构尚存在有共同特点，物质在不同条件下，既可形成晶体结构，又可形成非晶体结构如金属液体在高速冷却条件下(>107 0C/s)可以得到非晶体金属，而玻璃经适当热处理也可形成晶体玻璃。 有些物质可看成有序与无序的中间状态，如塑料、液晶、准晶等。
第 二节 金属的结构 金属材料是指以金属键结合并具有金属特性的一类物质，它包括纯金属及合金。所谓纯金属是指具有正的电阻温度系数及金属特性的一类物质。所谓合金是指由两 种或两种以上的金属或金属与非金属元素经熔炼、烧结或其它方法组合而成，具有金属特性的一类物质金属材料在固态下通常都是晶体，所以研究金属材料结构必须 首先研究晶体结构。 一、纯金属的晶体结构 1、晶体的基本概念 （1）晶格与晶胞 把原子看成空间的几何点，这些点的空间排列称为空间点阵。用一些假想的空间直线把这些点连接起来，就构成了三维的几何格架称为晶格。从晶格中取出一个最能 代表原子排列特征的最基本的几何单元，称为晶胞。晶胞各棱边的尺寸a、b、c称为晶格常数，各棱边之间夹角用α、β、γ表示。图1－5c中晶胞a=b= c， α=β=γ=900，称为简单立方晶胞。
（2）晶系 各种晶体物质的晶格类型及晶格常数由原子结构、原子间的结合力（结合键）的性质决定按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系，见表1－2。
（3） 原子半径 原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半 （4）晶胞中所含原子数 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。晶体由大量晶胞堆砌而成，故处于晶胞顶角及每个面上的原子就不会为一个晶胞所独有，只有晶胞内部的原 子才为晶胞所独有。因此，不同晶格类型的晶胞所含原子数目是不同的。 （5）配位数及致密度 晶体中原子排列的紧密程度是反映晶体结构特征的一个重要参数。通常原子在晶体内排列的紧密程度用配位数和致密度来表示。 所谓配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。 所谓致密度（K）是指晶胞中原子所占的体积分数，即K＝nv/V。式中，n为晶胞所含原子数、v为单个原子体积、V为晶胞体积。 2、常见金属的晶格类型 （1）体心立方晶格（bcc晶格） ①原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图1－6所示。其原子排列特征是立方体的八个角上各有一个原子，立方体的体心位置上有一个原子，八个角上的原子与体心位置的原子紧 靠。
② 晶格常数 a=b=c，α＝β＝γ＝900。 ③原子半径 体心立方晶胞中原子排列最紧密的方向是体对角线方向，所以原子半径(r)与晶格常数a之间的关系为 ④晶胞所含原子数 在体心立方晶胞中，每个角上的原子在晶格中同属8个相邻的晶胞，因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8,而体心位置上的原子则完全属于这个晶胞。所以 一个体心立方晶胞所含的原子数目为(1/8)×8+1=2,即2个原子。 ⑤配位数 配位数越大，原子排列的紧密度越大。体心立方晶格的配位数为8。 ⑥致密度 依K＝nv/V公式可得到： K≈0.68＝68％ 由上式可知，体心立方晶格中有68％的体积被原子占据，有32％的体积为空隙。 ⑦具有体心立方晶格的金属属于此类晶格类型的金属有α-Fe、Ni、Cr、W 、Mo、V、Nb等30余种金属。 (2)面心立方晶格(fcc晶格) ①原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图1-7所示。由图可知，面心立方晶胞中原子排列特征是立方体的八个角上及六个面的每个面的面心位置各被一个原子占据。
② 晶格常数 a=b=c，α＝β＝γ＝900。 ③原子半径 面心立方晶胞中，在每个面对角线方向的原子排列最紧密，所以原子半径r= ④晶胞所含原子数 晶胞中每个角上的原子为8个晶胞所共有，因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8；每个面心上的原子为两个晶胞所共有，因而每个面心上的原子属于一个晶 胞仅为1/2，这样(1/8)×8+ (1/2)×6=4,即4个原子。 ⑤配位数 面心立方晶胞中与任一原子最近邻且等距离的原子数12，如图l-8所示。 ⑥致密度 面心立方晶胞的致密度为 K＝0.74＝74％ 由上式可知，面心立方晶格中有74％的体积被原子所占据，有26％的体积为空隙。 ⑦具有面心立方晶格的金属属于此类晶格类12的金属有γ-Fe, Ni, A1,Cu、Pb、Au、Ag等。
(3)密排六方晶格(hcp晶格) ①原子排列特征 密排六方晶格的晶胞如图1－9所示。由图可知，密排六方晶格中原子排列特征是在正六面柱体的上下两个面的六个顶角和面心位置各有一个原子，除此之外，在正六面柱体的中间有三个原子。
② 晶格常数 a=b≠c，c/a=1.633，α= β=900，γ=1200 ③原子半径 r＝a/2 ④晶胞所含原子数 晶胞中上下两个面上的顶角原子为六个晶胞所共有，每个晶胞仅占1/6,上下两个面上的面心原子为两个晶胞所共有，每个晶胞仅占1/2,体中间的三个原子为 一个晶胞所有。因此，12×1/6+2×1/2+3=6,即密排六方晶格每个晶胞含有6个原子。 ⑤配位数 密排六方晶格中的与每个原子最近邻且等距离的原子数位12（即配位数为12）。 ⑥致密度 K＝74％ ⑦具有密排六方晶格的金属具有此类晶格类型的金属有Mg, Cd, Zn, Be,α-Ti等 比较金属的三种典型晶格类型可知，面心立方晶格和密排六方晶格中原子排列紧密程度完全一样，K=0.74，是原子在空间呈最紧密排列的二种形式。体心立方 晶格中排列的紧密程度要差些（K=0.68）。因而，面心立方晶格的γ-Fe向体心立方晶格的α-Fe转变时将伴随着体积的膨胀。 3、立方晶系的晶面、晶向表示方法 金属中的许多性能和现象都与晶体中的特定晶面和晶向有密切关系。在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之问的连线称为原子列，其所指 方向称为晶向。表示晶面的符号称为晶面指数；表示晶向的符号称为晶向指数。下面介绍它们的确定方法。 （1）晶向指数的确定方法 ①以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作平行于所求晶向的直线。 ②以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。 ③将所求坐标值化为最简单整数，并用方括号括起，即为所求的晶向指数，例如[101]。 具体晶向指数如图1－10所示，其形式为[uvw]。
（2） 晶面指数的确定方法 ①选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。 ②以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。 ③求三个截距值的倒数。 ④将所得的数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数，如图1－11所示，其形式为(hkl)。
值 得注意的是每一个晶面指数（或晶向指数）并非仅指晶体中的某一个晶面（或晶向），而是泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面〔或晶向〕。由图1－10与图 1－11对比可知，立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的；在晶体中存在一些这样的晶面（或晶向），虽然它们在空间的位向各不相同，但各晶面 （或晶向）中的原子排列方式是相同的，如(100)、（010）、（001）等。通常将这些原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶 面〔或晶向〕族。例如上述一组晶面族可用｛100｝表示，晶向族用<100>表示[100]、[010]、［001］等晶向）。 （3）晶面及晶向的原子密度 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。表1－3和表1－4给出了体心立方晶格和面心晶格中各主要晶面、晶向上的原 子排列方向和紧密程度。
由 表中可知，体心立方晶格中，原子密度最大的晶面族为｛110｝，称密排面；原子密度最大的晶向族是<111>,称密排方向。在面心立方晶格 中，密排面为｛111｝，密排方向为<110>。 （4）晶体的各向异性 在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列方式和密度不同，则原子间结合力大小也不同，因而金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。晶体的各 向异性不仅在物理、化学和力学性能上有所表现，而且在其它诸多方面都有所表现。在生产中常应用晶体的各向异性特征来获得性能优异的产品。 4、金属的实际结构与晶体缺陷 如果一块晶体内部晶格位向完全一致，我们称该晶体为单晶体而实际使用的金属材料是由许多小晶体组成，在每一个小晶体内部晶格位向相同，而每个小晶体之间彼 此位向不同，如图1-12所示。由于每个小晶体外形呈不规则的颗粒状，。因此被称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由多晶粒构成的晶体称为多晶 体。工业上广泛应用的钢铁材料中，晶粒尺寸一般在10-1～10-3mm，必须在显微镜下才能看到。
在 实际金属内部，不但结构上多是多晶体，而且晶体内部还存在着大量原子排列的不规则性及不完整性（即缺陷）缺陷的存在将会对金属的性能产生较大的影响 实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以一下三种： （1） 点缺陷 点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过儿个原子直径的缺陷。在实际晶体结构中，晶格的某些结点往往未被原子所占据，这种空着的结点位置称为空位。同时又可 能在个别晶格空隙处出现多余的原子，这种不占据正常晶格结点位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。另外，材料中总是或多或少存在着一些杂质或其它 元素，这些异类原子可以占据晶格空隙，形成异类间隙原子，也可能占飒原来原子的晶格结点位置，成为异类置换原子，如图1-13所示。 空位、间隙原子以及异类原子的存在，破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲—晶格畸变。点缺陷造成的局部晶格畸变使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的 密度发生变化。
（2） 线缺陷 线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。它包括各种类型的位错。所谓位错是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错 排现象位错的基本类型有两种，即刃型位错和螺型位错。图1-14为刃型位错，EF线称为位错线。依多余原子面位置，刃型位错分为正刃型位错和负刃型位错两 种。图1-15为螺型位错，BC线为位错线，螺型位错依位错排列原子的螺旋方向分为左螺型位错和右螺型位错。
位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即ρ＝∑L/V 式中，ρ为位错密度（m -2）；∑L为位错线的总长度(m)；V为体积(m3)。退火金属中位错密度一般为1010～1012m.-2左右；冷变形后的金属可达1016m-2。 位错的存在极大地影响金属的力学性能，如图1-16所示。当金属为理想晶体（无缺陷）或仅含少量位错时，金属屈服点很高，随后随位错密度增加强度降低，当 进行冷变形加工时，位错密度大大增加，屈服点σs又增高。
（3） 面缺陷 面缺陷是指二维尺度很大而另一维尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。 晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。随相邻晶粒位向差的不同，其晶界宽度为5-10个原子距离。由于晶界处于两个不同位向的晶粒之间，因此其原子排列必须 同时适应相邻两个晶粒的位向，即从一种晶粒位向逐步过渡到另外一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层。因此晶界上的原子多处于两种晶粒位向的折中位置， 如图1-17所示。
晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多晶位差很小的所谓亚晶粒组成。亚晶粒之间的交界称为亚晶界，亚晶界可看作由位错按一定规律排列而成，如图1-18所示。
通常晶粒与晶粒之间的位向差较大，亚晶粒之间位向差很小一般位向差大于100的晶界称为大角度晶界，位向差小于100的晶界称为小角度晶界。 由于晶界、亚晶界处原子排列不规则，使晶界较晶内具有更高的能量（界面能），因此使得晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。例如晶界对位错运动起阻碍作用，使 金属的强度升高，这是晶界主要特征之一。晶粒越细，金属的晶界面积越大，金属的强度就越高；晶粒越细，金属的塑性也越好。细化晶粒是同时提高金属强度及塑 性的有效途径。 二、合金的相结构 纯金属虽然具有较好理化性能，但力学性能较差，且价格较高，种类有限。所以工程上使用的金属材料均以合金为主。组成合金的最基本独立单元叫做组元，组元可 以是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，以此类推。 组成合金的元素相互作用会形成各种不同的相。相是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面互相分开的、均匀的组成部分。固态纯金属一 般是一个相，而合金则可能是儿个相。由于形成条件不同，各相可以以不同数量、形状、大小和分布方式组合，构成了我们在显微镜下观察到的不同组织所谓组织是 指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布及各相之间的组合状态。 合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相组合情况所决定的。因此，在研究合金的组织与性能之前，必须了解合金组织中的相结构固态 合金中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。 1、固溶体 合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元 为溶质，含量较小。通常固溶体用α、β、γ等符号表示。 （1）固溶体分类 按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。固溶体中若溶质原子替换了一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格中的某些结点位置，则 这种类型的固溶体称为置换固溶体。若溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点位置，而是处于各结点间的空隙中，则这种类型的固溶体称为间隙固溶体。两种类型 的固溶体如图1-19所示。
按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分有限固溶体和无限固溶体两种。固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度，用质量分数或摩尔分数表示。在一定温度、压力 等条件下，溶质在固溶体中的极限浓度称为溶解度。如果溶质原子可以任意比例溶人固溶体，即溶质原子的溶解度可达100％，则此固溶体称为无限固溶体。如果 溶质原子在固溶体中的溶解度有一定限度，即超过这个溶解度就含有其它新相形成，则此种固溶体称为有限固溶体。大多数固溶体均为有限固溶体。 按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固溶体分为有序固溶体和无序固溶体两种。如果溶质原子在固溶体中的分布是有规则的，则此种固溶体称为有序固溶体。如 果溶质原子在固溶体中分布是无规则的，则此种固溶体称为无序固溶体通常，溶质原子在固溶体中分布是无规则的，但在一定条件下（如成分、温度等），一些合金 中的无序固溶体可转变为有序固溶体，固溶体中的这种溶质原子由无序分布向有序分布的转化过程称为有序化。 影响固溶体类型和溶解度的主要因素有组元的原子半径、电化学性质和晶格类型等。原子半径、电化学特性接近、晶格类型相同的组元，容易形成置换固溶体，并有 可能形成无限固溶体（例如Cu-Ni合金）；当组元的原子半径相差较大时，容易形成间隙固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体，并且溶质原子分布是无序的（即 为无序固溶体）；而无限固溶体和有序固溶体则一定是置换固涪体。 （2）固溶体的性能 形成固溶体时，溶剂晶格类型虽保持不变，但由于溶质原子的溶人而使晶格畸变增加，由于晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而提高了固溶 体的强度与硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的重要方式之一。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强 度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。例如，纯铜的抗拉强度为220MPa,硬度为40HBS,而断面收缩率为70％。然而，当加人WNi1％形成单相固 溶体后．强度升高到330MPa，硬度升高到70HBS，断面收缩率仍有50％。所以，固溶体的综合力学性能较好，常作为结构合金的基体相。与纯金属相 比，固溶体的物理性能有较大的变化，如电阻率上升，导电率下降，磁矫顽力增大等。 2、金属化合物 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物，或称中间相金属化合物的结构特点是与其组元具有完全不同的晶格类型，其性 能特点是熔点一般较高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物时，其强度、硬度及耐磨性提高，而塑性及韧性有所下降。金属化合物是许多合金的重要组成相 （常作为强化相）。 根据形成条件及结构特点，金属化合物主要有以下几类： （1）正常价化合物 若组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守化合价规律，则此类化合物称为正常价化合物它们由元素周期表中相距较远、电负性相差较大的两元素组成，其 化学成分确定，可用分子式表示。例如，大多数金属与ⅣA, VA、VI A族元素生成的化合物，皆为正常价化合物，例如Mg2Si, Cu2Se, ZnS, AlP等。这类化合物的性能特点是硬度高、脆性大。 2.电子化合物 若组元间形成的化合物不遵守化合价规律，但符合一定电子浓度（化合物中价电子数与原子数之比），则此类化合物称为电子化合物。它们由ⅠB族或过渡族元素与 ⅡB族、ⅢA、ⅣA、 VA族元素所组成。一定电子浓度的化合物具有相应确定的晶体结构，见表1－5。
电子化合物虽然可用分子式表示，但实际上其成分可在一定范围内变化，相当于形成以化合物为基的固溶体。 电子化合物主要以金属键结合，具有明显的金属特性，可以导电。此类化合物的熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属中作为重要的强化相。 （3）间隙化合物 由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物称为间隙化合物。根据结构特点，间隙化合物可分为间隙相和复杂结构的间隙化合物两 种。 ①间隙相 当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。一些间隙相及晶格类型见表1－6。间隙相具有金属特性， 有极高的熔点及硬度，非常稳定，见表1－7。
间隙相的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性。因此间隙相是高合金钢（例如高速钢）和硬质合金中的重要组成相 ②复杂结构的间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的Fe3C, Cr23C6, FeB, Fe4W2C,Cr7C3， Fe2B等均属于这类化合物。Fe3C是铁碳合金中的重要组成相，属复杂的正交晶系，如图1-20所示。其中铁原子可以部分被其它金属原子所置换（如 Mn、Cr,Mo、W等），形成以间隙化合物为基的固溶体，如(Fe, Mn)3C, (Fe, Cr)3C等。复杂结构的间隙化合物具有较高的熔点和硬度，但比间隙相稍低些（表1－7），在钢中也常用作强化相。
三、 金属材料的性能 金属材料是目前应用最广泛的材料之一。它之所以被广泛使用，主要原因是金属材料具有优良的使用性能和工艺性能。所谓使用性能，是指材料制成零件或构件后为 保证正常工作及一定使用寿命材料应具备的性能，包括力学性能、物理和化学性能所谓工艺性能，是指材料在加工成零件或构件过程中材料应具备的适应加工的性 能，包括铸造性能、锻造性能、切削加工性能、焊接性能及热处理工艺性能。 （一）、金属材料的使用性能 1、金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指材料在外加载荷作用时所表现出来的性能，包括强度、硬度、塑性、韧性及疲劳强度等 （1）弹性与刚度 图1-21a为低碳钢的工程应力一应变图（σ一ε图）。 在图中σ一ε曲线上，Oa段为弹性阶段，as为弹一塑性变形阶段，z点发生断裂。当去掉外力后，变形立即恢复，这种变形称为弹性变形，其应变值很小，当外 力去除后不能够恢复的变形称为塑性变形。材料在外力作用下，产生裂纹后被分为两部分的现象称断裂。e点的应力σe称为弹性极限，Oe线Oa部分为一斜直 线，因应力与应变始终成比例，所以a点应力σp称为比例极限。由于e点和a点很接近，一般不作区分。
材料在弹性范围内，应力与应变的比值σ/ε称为弹性模数E（单位MPa）E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度DE值主要取决于各种材料的本 性，一些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小零件提高刚度的办法是增加横截面积或改变截面形状。金属的E值随温度升高逐渐降低。 （2）强度和塑性 强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力；塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。 ①强度根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。其中以拉伸试验所得强度指标的应用最为广泛。 如图1-21a,当试验应力a超过e点时，试件除弹性变形外，还产生塑性变形。在sc段，其应力几乎不增加但应变增加的现象，称为屈服。S点的应力σs, 称为屈服点。 有些塑性材料没有明显的屈服现象发生，如图1-21b所示，对这种情况，用试件标距长度产生0.2％塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以σ0.2 表示（亦称条件屈服强度）。屈服强度是零件（特别是不允许产生明显变形的零件）设计的主要依据，也是材料强度的重要指标。脆性材料不考虑屈服强度。 材料发生屈服后，其应力与应变的变化如图1-21a所示，到b点应力达最大值σb。 b点以后，试件产生“颈缩”，迅速伸长，应力明显下降，在z点断裂。最大应力值σb称为抗拉强度。它也是零件设计和评定材料时的重要强度指标。σb测量方 便，如果单从保证零件不产生断裂的安全角度考虑，可用σb作为设计依据，但所取安全系数要大些。 ②塑性材料的常用塑性指标有二：一个是伸长率，以δ表示 δ＝（l1-l0）/l0×100％ 式中，l0为标距原长；l1为断裂后标距长度。 另一个是断面收缩率，以ψ表示。 ψ＝（A－0A1）/A0×100％ 式中，A0为试样原始横截面积；A1为断口处的横截面积。 材料的δ和ψ值越大，说明塑性越好。两者相比，用ψ表示塑性更接近实际的真实应变。长试样(l0=l0do)的伸长率写成δ;短试样(l0=5do)的伸 长率须写成δ5。同一材料，δ5＞δ，所以对不同材料，δ值和δ5值不能直接比较 （3）硬度 硬度是指材料对局部塑性变形、压痕或划痕的抗力。通常，材料越硬，其耐磨性越好。同时通过硬度值可估计材料的近似σb值。硬度试验方法比较简单、迅速，可 直接在原材料或零件表面上测试，因此被广泛应用。常用的硬度测量方法是压人法，主要有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、维氏硬度（HV）等。陶瓷等材 料还常用克努普氏显微硬度(HK)和莫氏硬度（划痕比较法）作为硬度指标。 (1)布氏硬度 试验规范见表1-8,试验方法如图1-22。即用直径为D的淬火钢球或硬质 合金球，以相应的试验力压入试样表面，保持规定的时间后去除外力，在试样表面留下球形压痕。布氏硬度值是试验力除以压痕球冠表面积。在试验中，硬度值不需 计算，是用刻度放大镜测出压痕直径d,然后对照有关附录查出相应的布氏硬度值。淬火钢球用以测定硬度<450的金属材料，如灰铸铁、有色金属及经退 >
布氏硬度的优点是具有较高的测量精度，因其压坑面积大，比较真实地反映出材料的平均性能。另外，由于布氏硬度与σb之间存在一定的经验关系，如热轧钢的 σb= (3.4～3.6) HBS,冷变形铜合金σb≈4.0HBS,灰铸铁σb≈7(HBS－40)，因此得到广泛的应用；但不能测定高硬度材料。 (2)洛氏硬度 试验原理如图1-23所示。它是以一定尺寸的悴火钢球或以顶角以1200的金刚石圆锥压人试样表面。试验时，先加初试验力，然后再加主试验力。压人试样表 面之后经规定时间去除主试验力。在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度(h= h1 – h0)确定被测材料的洛氏硬度。为了能用一种硬度计测定较大范围的硬度，常用三种硬度标度，见表1-9。 洛氏硬度试验的优点是操作迅速、简便，可由表盘上直接读出硬度值。由于其压痕很小，故可测量较薄工件的硬度、其缺点是精度较差，硬度值波动较大，通常应在 试样不同部位测量数次，取平均值为该材料的硬度值。
(3)维氏硬度 布氏硬度不适于检侧较高硬度的材料。洛氏硬度虽可检测不同硬度的材料，但不同标尺的硬度值不能相互直接比较，而维氏硬度可用统一标尺来测定从极软到极硬的 材料。 维氏硬度试验原理与布氏法相似，也是以压痕单位表面积所承受试验力大小来计算硬度值的。它是用对面夹角为1360的金刚石四棱锥体，在一定试验力作用下， 在试样试验面上压出一个正方形压痕，如图1-24所示。通过设在维氏硬度计上的显微镜来测量压坑两条对角线的长度，根据对角线的平均长度，从相应表中查出 维氏硬度值。
维氏硬度试验所用试验力可根据试样的大小、厚薄等条件来选择。试验力按标准规定有49N、98N、196N、294N、490N、980N等。试验力保持 时间：黑色金属10～15s，有色金属为（30士2）s 。 维氏硬度可测定从很软到很硬的各种材料。由于所加试验力小，压人深度较浅，故可测定较薄材料和各种表面渗层，且准确度高但维氏硬度试验时需测量压痕对角线 的长度，测试手续较繁，不如洛氏硬度试验法那样简单、迅速。 4.韧性 (1)冲击韧性 许多机械零件在工件中往往受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。制造这类零件所用的材料不能单用在静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材 料抵抗冲击载荷的能力材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性。为了评定材料的冲击韧性，需进行冲击试验。 1)摆锤式一次冲击试验。冲击试样的类型较多，常用的标准试样如图1-25所示。 一次冲击试验通常是在摆锤式冲击试验机上进行的。试验时将带缺口的试样安放在试验机的机架上，使试样的缺口位于两支架中间，并背向摆锤的冲击方向。 摆锤从一定的高度落下，将试样冲断。冲断时，在试样横截面的单位面积上所消耗的功称为冲击韧度，用符号UK表示。由于冲击试验采用的是标准试样，目前一般 用冲击吸收功AK表示冲击韧性值。必须说明的是，使用不同类型的试样（U形缺口或V形缺口）进行试验时，其冲击吸收功分别为AKU或AKv，冲击韧度则分 别为断aKU或aKV。 2)小能量多次冲击试验。实践表明，承受冲击载荷的机械零件很少由一次能量冲击而遭破坏，绝大多数是在小能量多次冲击作用下破坏的，如凿岩机风镐上的活 塞、冲模的冲头等。所以上述的ak值是不能代表这种零件抵抗多次小能量冲击的能力的。 小能量多次冲击试验是在落锤试验机上进行的。如图1-26所示，带有双冲点的锤头以一定的冲击频率(400, 600次/min)冲击试样，直至冲断为止。多次冲击抗力指标，一般是以某种冲击吸收功A作用下开始出现裂纹和最后断裂的冲击次数来表示的。
(2) 断裂韧性 在实际生产中，有的大型转动零件、高压容器、船舶、桥梁等，常在其工作应力远低于σs的情况下突然发生低应力脆断。大量研究认为，这种破坏与零件制作本身 存在裂纹和裂纹扩展有关实际上，制件及其材料本身不可避免存在的各种冶金和加工缺陷，都相当于裂纹源或在使用中发展为裂纹源。在应力作用下，这些裂纹源进 行扩展，一旦达到失稳扩展状态，便会发生低应力脆断。 试验研究指出，材料中存在裂纹时，裂纹尖端就是一个应力集中点．而形成应力分布特殊的应力场。断裂力学分析指出，这一应力场强弱程度可用应力场强度因子K 来描述。K1值的大小与裂纹尺寸(2a)和外加应力(σ)有下式关系： K1＝Yσa-1/2 式中，Y为裂纹形状系数，与裂纹形状、加载方式和试样几何形状有关的一个无量纲的系数（具体数值可根据试样条件查手册）；σ为外加应力(MPa)；a为裂 纹的半长(m)。 由上式可见，随应力σ的增大，K1不断增大，当K1增大到某一定值时，可使裂纹前沿某一区域内的内应力大到足以使材料分离，从而导致裂纹突然失稳扩展而发 生断裂。这个K1的临界值，称为材料的断裂韧度，用KⅠc表示，单位是MPa·m1/2。 KⅠ和KⅠC的关系和静拉伸试验中应力σ与σs的关系一样，当试样应力σ增加到材料的σs时试样才开始发生明显的塑性变形。应力σ是不断变化的值，同样， KⅠ也是不断变化的值；σs对材料来说有定值，同样KⅠC对材料也有定值。换言之，断裂韧度KⅠC是表示材料抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。 材料各有其本身的KⅠC值。它与裂纹形状、大小无关，也和外加应力无关，只决定于材料本身的特性（成分、热处理条件、加工工艺等情况）。 5.疲劳 许多机械零件，如曲轴、齿轮、轴承、叶片和弹簧等，在工作中各点承受的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为变动应力在变动应力作 用下，零件所承受的应力虽然低于其屈服强度：但经过较长时间的工作会产生裂纹或突然断裂，这种现象称为材料的疲劳。据统计，在机械零件失效中大约有80％ 以上的是属于疲劳破坏的。 机械零件之所以产生疲劳断裂，是由于材料表面或内部有缺陷（夹杂、划痕、尖角等）。这些地方的局部应力大于屈服强度，从而产生局部塑性变形而开裂。这些微 裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使承载的截面面积大大减少，以致不能承受所加载荷而突然断裂 (1)疲劳曲线和疲劳强度 疲劳曲线是指变动应力与循环次数的关系曲线，如图1-27所示。曲线表明，金属承受的变动应力越大，则断裂时应力循环次数(N)越小；反之，则N越大。 同时看到，当应力低于一定值时，试样可经受无限次周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度，用σr表示。对于对称应力循环的疲劳强度用σ-1表示。 实际上，材料不可能作无限次交变应力试验。对于黑色金属，一般规定应力循环107周次而不断裂的最大应力称为疲劳极限，有色金属、不锈钢等取108周次。
（2） 提高零件抗疲劳的方法 可通过合理选材，细化晶粒、减少材料和零件的缺陷；改善零件的结构设计，避免应力集中，减小零件的表面粗糙度；对零件表面进行强化处理（喷丸处理、表面淬 火、化学渗镀工艺等）都可提高零件的疲劳强度。 （二）金属材料的物理性能 1．密度 单位体积物质的质量称为该物质的密度：ρ＝m/V 式中，ρ为物质的密度(kg/m3)；m为物质的质量(kg)；V为物质的体积(m3)。 密度小于5×103kg／m3的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于5 ×103kg/m3的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。金属材料的密度直接关系到由它们所制构件和零件的自重轻金属多用于航天航空器上。 2.熔点 金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、铝、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃 气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用熔点低的金属称为易熔金属，如锡、铅等，可用于制造熔丝和防火安全阀零件等。 3.导热性 导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号是λ,单位是W／(m·K)。热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯 金属差。在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。导热性好的金属散热也好，在 制造散热器、热交换器与活塞等零件时，选用导热性好的金属材料。 4.导电性 金属材料能够传导电流的能力称导电性，通常用电导率来衡量，电导率越大，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属 差。电导率大的金属（纯铜、纯铝）适于制造导电零件和电线。电导率小的金属或合金（如钨、铝、铁、铬）适于做电热元件。 5热膨胀性 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀体积增大，冷却时收缩体积缩小。热膨胀性用线胀系数α1和体胀系数αv 来表示 α1＝（L2－L1）/（L1△t） αv＝3α1 式中，α1为线胀系数(1/K或1/0C); L1为膨胀前长度(m); L2为膨胀后长度(m)；△t为温度变化量(K或℃)。 由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时尺寸和形状变化较大。轴与轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨 胀影响，以减少工件的变形和开裂。 6.磁性 金属材料可分为铁磁性材料（在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钻等）、顺磁性材料（在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等）和抗磁性材料（能抗拒或削弱 外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等）三类。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材 料，如航海罗盘等。 铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是7700C。 一些金属的物理性能见表1-10。
（三） 金属材料的化学性能 1、耐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐蚀性，碳钢、铸铁的耐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐蚀性好。在食品、制药、化工 工业中不锈钢是重要的应用材料。铝合金和铜合金也有较好的耐蚀性。 2.抗氧化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加人Cr、Si等合金元素，可提高钢的抗氧化性。如合金钢4Cr9Si2中含有质量分数为9％的Cr和质 量分数为2％的Si，可在高温下使用，制造内燃机排气阀及加热炉炉底板、料盘等。 金属材料的耐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的设备，如锅炉、汽轮机、喷气发动机等部件和零件应选择 热稳定性好的材料来制造。 二、金属材料的工艺性能 金属材料的一般加工过程如下：
在铸造、锻压、焊接、机加工等加工前后过程中，往往还要进行不同类型的热处理。因此，一个由金属材料制得的零件其加工过程十分复杂。工艺性能直接影响零件 加工后的成本与质量，是选材和制订零件加工工艺路线时应考虑的因素之一。 1.铸造性能 金属材料铸造成形的能力称为铸造性能，常用流动性、收缩性和偏析来衡量。 (1)流动性 是熔融金属的流动能力。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。 (2)收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力以及变形与开裂等缺陷，故铸造用金 属材料的收缩率越小越好。 (3)偏析 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析严重的铸件各部分的力学性能会有很大的差异，从而降低铸件质量。一般来说，铸铁比钢的铸 造性能好。 2.锻造性能 金属锻造成形的能力为锻造性能。它主要取决于金属的塑性和变形抗力。塑性越好、变形抗力越小，金属的锻造性能越好。例如，纯铜在室温下就有良好的锻造性 能，碳钢在加热状态下锻造性能较好，铸铁则不能锻造。 3.切削加工性能 金属切削的难易程度称为切削加工性能一般用切削速度、加工表面粗糙度和刀具使用寿命来衡量。影响切削加工性能的因素有工件的化学成分、组织、硬度、热导率 和形变硬化程度等一般认为材料具有适当硬度（170～230HBS)和足够的脆性时较易切削。所以灰铸铁比钢的切削加工性能好，碳钢比高合金钢切削加工性 好。改变钢的化学成分和进行适当热处理可改善钢的切削加工性。 4.焊接性能 金属能焊接成具有一定使用性能的焊接接头的特性称为焊接性能。在机械工业中，焊接的主要对象是钢材，碳质量分数及合金元素含量是决定金属焊接性的主要因 素，碳质量分数与合金元素含量越高，焊接性能越差例如，低碳钢L具有良好的焊接性，而高碳钢、铸铁的焊接性不好。 5.热处理性能金属经热处理可使性能顺利改善的性质称为热处理性能。它与材料的化学成分有关。常见的热处理方法有退火、正火、淬火、回火及表面热处理（表 面淬火及化学热处理）等。
第二章 金属材料组织与性能的控制
第 一节 纯金属的结晶 金属材料冶炼后，浇铸到锭模或铸模中，通过冷却液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。金属从液态转变为固态（晶态）的过程称为结晶。广义上 讲，金属从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列状态（晶态）的过程均属于结晶过程。通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶，而把金属从 一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。 一、纯金属的结晶 1.纯金属结晶的条件 通过实验，测得液体金属在结晶时的温度一时间曲线称为冷却曲线绝大多数纯金属（如铜、铝、银等）的冷却曲线如图2－1所示。
图 中T0为纯铜的熔点（又称理论结晶温度），Tn为开始结晶温度。曲线中abc段为液态金属逐渐冷却，bc段温度低于理论结晶温度，这种现象称为过冷现象。 理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度，用ΔT表示。 ΔT＝T0－Tn 冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度也就越大。cde段表示金属正在结晶，此时金属液体和金属晶体共存。de段出现一个平台，表示结晶时温度保持不 变，为恒温过程。这是由于由液态原子无序状态转变为有序状态时放出结晶潜热，抵消了向外界散发的热量，而保持结晶过程温度不变在非常缓慢冷却的条件下，平 台温度与理论结晶温度相差很小。ef段表示金属全部转变为固态晶体后，固态金属逐渐冷却。 热力学定律指出，自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态，就像小球由高处滚向低处，降低自己的势能一样。在一定温度 条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。 液态金属和固态金属的自由能一温度关系曲线如图2－2所示两条曲线交点所对应的温度T。即为理论结晶温度或熔点。液态金属要结晶，温度必须低于T。，也就 是说要有一定的过冷度。此时金属在液态与固态之间存在一个自由能差(ΔF)。ΔF就是液态金属结晶的动力。
2. 纯金属的结晶过程 液态全属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程来实现的。 (1)晶核的形成。晶核的形成有两种方式。 1）自发形核 在液态下，金属中存在有大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降低到理论结晶温度以下时，那些超过一定大小（大于临界晶核尺寸）的短程有序原子集团开 始变得稳定，成为结晶核心。这种从液体内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。 2)非自发形核。实际金属往往是不纯净的，内部含有许多外来杂质。那些晶体结构和晶格参数与金属晶体相似的杂质的存在，常常能够能成为晶核的基底，容易在 其上生长出晶核。这种依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。有一些难熔杂质，虽然其晶体结构与金属的相差甚远，但由 于表面的微细凹孔和裂缝中有时能残留未熔金属，也能强烈地促进非自发晶核的生成。 自发形核和非自发形核是同时存在的，在实际金属和合金中，非自发形核比自发形核更重要，往往起优先的、主导的作用。 (2)晶体的长大 晶体的长大有平面长大和树枝状长大两种方式。 1）平面长大。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。晶体沿不同方向长大的速度是不一样的，沿原子最密排面的垂直方向 的长大速度最慢。平面式长大的结果，晶体获得表面为原子最密排面的规则形状（图2-3)。晶体的平面长大方式在实际金属的结晶中是较少见到的。
2) 树枝状长大 当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形式长大（图2-4）。晶 核尖角处的散热较快，因而长大较快，成为深人到液体中去的晶枝；同时尖角处的缺陷较多，从液体中转移过来的原子容易在这些地方固定，有利于晶体的长大成为 树枝晶。一个晶核长大形成的树枝晶是一个晶粒。多晶体金属的每个晶粒一般都是由一个晶核采取树枝状长大的方式形成的。由于金属容易过冷，因此实际金属结晶 时，一般均以树枝状长大方式结晶。在一些金属铸锭表面可见到呈浮雕状的树枝晶，在大钢锭缩孔中也能发现树枝状晶体。
综上所述，液态金属结晶时，首先形成晶核，这些晶核不断长大。在这些晶体长大的同时，又形成新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失。金属的结晶过程可用图2－5来表示。
二、 同素异构转变 许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。但有些金属在固态
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