（一）金属的晶格
金属和合金都属于结晶物质，其外形虽不规则，但其内部都是晶体。（图12）晶体的基本特点，就是它的原子在空间占有严格的一定位置，构成一个空间的或结晶的格子，简称晶格。（图13）能反应晶格特征的最小单元，称为晶胞，绝大多数金属都具有比较简单的晶体结构，最常见的有三种：
图12 晶体原子排列模型
图12 晶体原子排列模型
图13 晶格和晶胞
A.晶格 B.晶胞
1.面心立方体晶格（图14）：单位晶胞为正方体，原子排列在节点（立方体的各角）和各面之中心，具有这种晶格的金属有γ-铁（在910～1390℃之间的纯铁）、铝、铜、银、金、铅、镍等，这种晶体的塑性好（Al、Cu、Ag），原子排列紧密。
图13 晶格和晶胞
A.晶格 B.晶胞
1.面心立方体晶格（图14）：单位晶胞为正方体，原子排列在节点（立方体的各角）和各面之中心，具有这种晶格的金属有γ-铁（在910～1390℃之间的纯铁）、铝、铜、银、金、铅、镍等，这种晶体的塑性好（Al、Cu、Ag），原子排列紧密。
图14 面心立方体晶胞
2.体心立方体晶格（图15）：原子除占据立方体各角外，另有一原子居于立方体的中心，如α-铁（912℃以下的纯铁）、铬、钒、铊、钨、钼、β-钛、β-钴等，这种晶体的密度小。
图14 面心立方体晶胞
2.体心立方体晶格（图15）：原子除占据立方体各角外，另有一原子居于立方体的中心，如α-铁（912℃以下的纯铁）、铬、钒、铊、钨、钼、β-钛、β-钴等，这种晶体的密度小。
图15 体心立方体晶胞
3.密排六方体晶格：（图16）
图15 体心立方体晶胞
3.密排六方体晶格：（图16）
图16 密排六方体晶胞
原子分别排列在六面棱形的各角上，并有三个原子分布在棱形的内部，如镁、锌、镉、铍、α-钛、α-钴等。这种晶体的塑性差（如Mg、Zn），原子排列紧密。
但无论何种晶体，其金属原子最外层的一部分或全部电子都极易从原子上脱落下来（因金属原子最外层电子数少，一般只有1～2个，且远离原子核），形成自由电子，它不属于某一原子核，而为整个金属所共有。由于自由电子的存在而引起晶体中粒子间（金属正离子和自由电子）的作用力，称为金属键。（图17）金属的许多特性，都与金属键密切相关。
金属键是很稳固的，金属发生一定变形而不致破裂，就是因为塑性变形不能破坏金属键的结合。同样其他因素，如温度等，也不易破坏金属键。所以，一般金属熔点都高（金1064℃），硬度也大（0.10%碳钢 HB=13.7），蒸气压力小。同时由于自由电子的存在，从而决定了金属的导电性、导热性、延展性、不透明性和特殊的金属光泽等。
图16 密排六方体晶胞
原子分别排列在六面棱形的各角上，并有三个原子分布在棱形的内部，如镁、锌、镉、铍、α-钛、α-钴等。这种晶体的塑性差（如Mg、Zn），原子排列紧密。
但无论何种晶体，其金属原子最外层的一部分或全部电子都极易从原子上脱落下来（因金属原子最外层电子数少，一般只有1～2个，且远离原子核），形成自由电子，它不属于某一原子核，而为整个金属所共有。由于自由电子的存在而引起晶体中粒子间（金属正离子和自由电子）的作用力，称为金属键。（图17）金属的许多特性，都与金属键密切相关。
金属键是很稳固的，金属发生一定变形而不致破裂，就是因为塑性变形不能破坏金属键的结合。同样其他因素，如温度等，也不易破坏金属键。所以，一般金属熔点都高（金1064℃），硬度也大（0.10%碳钢 HB=13.7），蒸气压力小。同时由于自由电子的存在，从而决定了金属的导电性、导热性、延展性、不透明性和特殊的金属光泽等。
图17 金属键示意图
1.金属正离子 2.自由电子云
（二）金属的结晶过程（图18）
图17 金属键示意图
1.金属正离子 2.自由电子云(www.xing528.com)
（二）金属的结晶过程（图18）
图18 纯金属结晶过程示意图
1.液态金属 2.结晶中心形成 3.4.晶核长大和增多
5.结晶完成（固态金属）
金属由液态变为固态的过程，就是金属原子由不规则状态过渡到规则状态的过程，换言之就是金属晶格形成的过程。所以，也可以说金属由液态变为固态的过程，就是金属的结晶过程。这个过程由两个阶段组成：
1.液体金属中结晶微粒的发生——结晶中心或晶核的产生。
2.结晶中心或晶核的成长、增多，直到液体完全消失。
图18 纯金属结晶过程示意图
1.液态金属 2.结晶中心形成 3.4.晶核长大和增多
5.结晶完成（固态金属）
金属由液态变为固态的过程，就是金属原子由不规则状态过渡到规则状态的过程，换言之就是金属晶格形成的过程。所以，也可以说金属由液态变为固态的过程，就是金属的结晶过程。这个过程由两个阶段组成：
1.液体金属中结晶微粒的发生——结晶中心或晶核的产生。
2.结晶中心或晶核的成长、增多，直到液体完全消失。
图19 单晶体和多晶体示意图
A.单晶体 B.多晶体（1.晶粒 2.晶界）
随着结晶中心的长大和增多，各结晶面相互接触，阻碍了它们的自由生长，形成不规则外形的晶体或晶粒。金属即由这些成千上万的小晶体聚集而成。所以，一般见到的金属都是聚晶体（多晶体）。（图19）
熔融的金属，不是温度降低到它的熔点就开始结晶，而是要低于熔点，才能有效地结晶。把结晶过程中金属的温度变化作为时间函数，画成曲线图。（图20）
图19 单晶体和多晶体示意图
A.单晶体 B.多晶体（1.晶粒 2.晶界）
随着结晶中心的长大和增多，各结晶面相互接触，阻碍了它们的自由生长，形成不规则外形的晶体或晶粒。金属即由这些成千上万的小晶体聚集而成。所以，一般见到的金属都是聚晶体（多晶体）。（图19）
熔融的金属，不是温度降低到它的熔点就开始结晶，而是要低于熔点，才能有效地结晶。把结晶过程中金属的温度变化作为时间函数，画成曲线图。（图20）
图20 纯金属冷却曲线
金属冷却沿AD线进行，高于Tf线段为液态，低于Tf线段则为固态。但液体金属冷却时，温度低于真正的熔化温度（Tf）而达B'点，这种现象称为过冷，温度ΔT=Tf-TB'，称为过冷度。在过冷期，金属结晶开始，由于熔化潜热在此时放出，温度上升至Tf，金属的温度保持不变，直至结晶完毕（B-C线段），温度重新下降（固态金属冷却）。
金属的冷却速度越快，过冷度愈大，结晶速度愈快，所形成的晶粒愈细，金属的机械性能就愈好。（图21）
图20 纯金属冷却曲线
金属冷却沿AD线进行，高于Tf线段为液态，低于Tf线段则为固态。但液体金属冷却时，温度低于真正的熔化温度（Tf）而达B'点，这种现象称为过冷，温度ΔT=Tf-TB'，称为过冷度。在过冷期，金属结晶开始，由于熔化潜热在此时放出，温度上升至Tf，金属的温度保持不变，直至结晶完毕（B-C线段），温度重新下降（固态金属冷却）。
金属的冷却速度越快，过冷度愈大，结晶速度愈快，所形成的晶粒愈细，金属的机械性能就愈好。（图21）
图21 金属结晶时形核率和长大速度与过冷度的关系
这是因为金属的晶粒大小对于金属的许多性能有很大的影响。在常温下工作的金属，其强度、硬度、塑性和韧性等，一般都随晶粒细化而有所提高。所以，控制结晶过程，就可控制晶粒的大小，进而影响金属的性能，如降低浇铸温度→降低铸型温度→过冷度增大→晶粒细化→金属的物理机械性能提高。
图21 金属结晶时形核率和长大速度与过冷度的关系
这是因为金属的晶粒大小对于金属的许多性能有很大的影响。在常温下工作的金属，其强度、硬度、塑性和韧性等，一般都随晶粒细化而有所提高。所以，控制结晶过程，就可控制晶粒的大小，进而影响金属的性能，如降低浇铸温度→降低铸型温度→过冷度增大→晶粒细化→金属的物理机械性能提高。
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