纯铁的晶体结构及同素异构转变

图1-8 纯金属结晶时的冷却曲线

a）理论冷却曲线 b）实际冷却曲线

1.金属的结晶

物质由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。结晶的实质是指原子从无规则排列到有规则排列的过程。因此，金属的结晶就是由液态金属原子转变为固体晶体的过程，即金属原子由无序排列到有序排列过程。

纯金属的结晶是在一定温度下进行的。图1-8所示为纯金属结晶时的冷却曲线，该图的纵坐标表示温度T，横坐标表示时间t。冷却曲线是用热分析法测定出来的。从图1-8a可看出，曲线上有条水平线，这就是由于结晶热的放出，补偿了热量的损失，保持温度不变，从而使曲线在结晶时呈水平直线。该水平线所对应的温度即为纯金属的理论结晶温度（纯铁的理论结晶温度为1538℃），用T₀表示。在实际生产中，冷却速度是较快的，不可能那么缓慢，实际结晶温度用T_n表示，它总低于理论结晶温度的这种现象称为过冷。把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=T₀-T_n，如图1-8b所示。金属结晶的过冷度大小与冷却速度有关，冷却速度越快，金属的实际结晶温度就越低，过冷度就越大；反之，冷却速度越慢，过冷度就越小。

液态金属结晶过程是遵循“晶核不断形成和长大”这个结晶基本规律进行的，如图1-9所示。液态金属冷却时，首先出现一些极细微的小晶体，称之为晶核。在这些晶核中，有的依附原子自发地集聚在一起，并按一定的规律排列而成，这些晶核称为自发晶核。随着温度的降低，自发晶核越来越多。另外，液态中还有些高熔点的杂质，其中有些杂质也起到了晶核的作用，这种晶核称为外来晶核。随着温度的降低，自发晶核和外来晶核逐渐增多，而最先形成的晶核也不断按树枝方向长大，当它们长大方向互相抵触时，这个方向就停止生长。晶核不断出现并逐渐长大，当液态耗尽，结晶完毕。

结晶的过程中晶核形成和长大是同时进行的，直至结晶完毕。

金属晶粒的大小对其力学性能有很大影响：晶粒越细，金属的强度、硬度就越高，塑性、韧性就越好。晶粒细化，决定晶核数目的多少，晶核越多，晶粒就越细，晶粒长大的余地就越小。因此，细化晶粒的途径主要有以下几方面：

（1）控制过冷度 形核率和长大率与过冷度有关。过冷度越大，即冷却速度较快，形核率和长大率都增加，但两者的增加速率不同，形核率N大于长达率G，N/G的值越大，形成的晶核数目就越多，晶粒就越细小，如图1-10所示。

（2）变质处理 用增大过冷度来细化晶粒，只对小型铸件、薄件有效，对于厚壁铸件就不太实用。如果在浇注前向液态金属中加入形核剂（外来晶核），则可促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。例如：在钢中加入钛、锆、钒；在铸铁中加入硅、铁既可以增加外来晶核的数目，又可以为促进石墨化出力。

（3）振动和搅拌 对即将凝固的金属进行振动或搅拌：一方面靠人工输入能量，促进晶核的形成；另一方面将结成树枝晶的晶核打碎成多晶核。这也是一种细化晶粒的有效措施。

（4）塑性加工和热处理 对已凝固的固态金属，可进行塑性加工和热处理来细化晶粒，如正火、退火等方法。

图1-9 液态金属结晶过程

图1-10 过冷度的影响

N—形核率 G—长大率

2.纯铁的晶体结构

晶体中原子总是按一定规律排列的，如图1-11a所示。这种内部原子作规律排列的物质称为晶体。为了描绘晶体内部原子在空间排列的方式，用假想的直线将原子中心连接起来，使之成为空间格子，这就是晶格，如图1-11b所示。每一种晶格反映出一定的排列规律，而组成晶格的最小基本单元称为晶胞，如图1-11c所示。

常见的晶胞结构有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。

（1）体心立方晶格 体心立方晶格是长、宽、高都相等的立方体，如图1-12a所示。在立方体的八个顶角都有一个原子，在正方体的中心还有一个原子，所以实际原子数为8×1/8+1=2。由此还可以推算出原子在这类晶胞所占体积的百分数，称其为晶格密度。

晶格密度=(www.xing528.com)

式中n——晶胞实际原子数；

v₁——每个原子体积；

v₂——晶胞体积；

a——原子半径。

图1-11 晶体中原子排列示意图

a）原子堆垛模型 b）晶格 c）晶胞

图1-12 体心立方和面心立方晶格

a）体心立方 b）面心立方

图1-13 密排六方晶格

0.68表示体心立方中有68%的体积被原子占据，其余32%为间隙体积，所以这种晶格排列属于紧密排列形式。如δ-Fe、Cr、Nb、Mo、W等约30多种金属属于此种排列。

（2）面心立方晶格 面心立方晶格同样是一个立方体，除在立方体的八个顶角上各有一个原子外，在立方体的六个面的中心各有一个原子，如图1-12b所示，用上述同样的计算方法，计算出原子数为4，晶格密度为0.74，即原子占据的体积为74%，空隙为26%，也属于紧密排列。如γ-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等约20多种金属属于此种排列。

（3）密排六方晶格 密排六方晶格如图1-13所示，它是由六个呈正六边形的底面所组成的一个正六方柱体，其原子数为6×1/6×2+2×1/2+3=6，晶格密度为74%，也属于紧密排列，如Mg、Zn、Be、Cd、δ-Ti、δ-Co。

3.纯铁的同素异构转变

大多数金属在结晶后，直至冷却到室温，其晶格的类型都不会发生改变。但是有些金属，如Mn、Fe就不同，在凝固以后的不同温度下有着不同的晶格结构。这种在固态下由于温度的改变致使晶格也随之发生改变的现象，称为同素异构转变。

图1-14所示为纯铁冷却曲线。由该图可知，液体凝固时晶体是体心立方晶格，称之为δ-Fe。在1394℃时发生同素异构转变，在恒温下转变为面心立方晶格，称之为γ-Fe，它是无磁性的。当温度冷却到912℃时，面心立方晶格的_γ-Fe在恒温下转变为体心立方晶格，称之为α-Fe。从图1-14中还可以看出，同素异构转变和液态金属结晶类似，同样遵循晶核的形成与长大同时进行的规律，也有过冷现象，也有结晶热放出，整个转变是在恒温下进行的，所以曲线有三个平台。上述的同素异构转变对钢铁的热处理有着重要的意义，

尤其是：

纯铁在同素异构转变时，由于密度发生变化，伴随着发生体积的变化，这种变化是热加工时产生内应力的原因之一。钢铁材料之所以能通过热处理的方法来达到改善其性能的目的，就是利用了这一特性。

图1-14 纯铁冷却曲线 及晶体结构变化