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第二章金属学基础知识第一节金属晶体结构一、晶体与非晶体1. 固态物质的分类一切物质都是由原子组成的，根据原子排列的特征，固态物质可分为晶体与非晶体两类。
2. 晶体的特征①晶体是指其组成微粒(原子、离子或分子)呈规则排列的物质，如图2-1②晶体具有固定熔点、几何外形和各向异性特征，诸如金刚石、石墨及一般固态金属材料等均是晶体。
3. 非晶体的特征非晶体是指其组成微粒无规则堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。
非晶体没有固定的熔点，而且性能无方向性。
二、晶体结构的基本知识(一)晶格把晶体内部原子近似地视为刚性质点，用一些假想的直线将各质点中心连接起来，形成一个空间格子。
这种抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子称为晶格，如图2-1（b）。
(二)晶胞组成晶格的最小几何单元称为晶胞，如图2-1（a）。
(三)常见的金属晶格类型1．体心立方晶格，如图2-2。
体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的八个顶角和中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是2个。
具有这种晶格的金属有钨(W)、钼(Ｍo)、铬(Ｃr)、钒(Ｖ)、α铁(α－Fe)等。
2．面心立方晶格，如图2-3。
面心立方晶格的晶胞也是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是4个。
具有这种晶格的金属有金(Ａu)、银(Ag)、铝(Ａl)、铜(Ｃu)、镍(Ni)、γ铁(γ－Ｆe)等。
3．密排六方晶格，如图2-4。
密排六方晶格的晶胞是六方柱体，在六方柱体的十二个顶角和上下底面中心各有一个原子，另外在上下面之间还有三个原子，因此，每个晶胞实有原子数是6个。
具有此种晶格的金属有镁( Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、α钛(α-Ti)等。
三、金属的实际晶体结构1.单晶体如果一块晶体内部的晶格位向(即原子排列的方向)完全一致，称这块晶体为单晶体。
2.多晶体①由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2-5。
②多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。
共析钢、亚共析钢、过共析钢1. 共析钢碳溶解在铁的晶格中形成固溶体，碳溶解到a――中的固溶体叫铁素体，溶解到丫一一中的固溶体叫奥氏体。
铁素体与奥氏体都具有良好的塑性。
当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时，剩余出来的碳将与铁形成化合物——碳化铁（Fe3C）这种化合物的晶体组织叫渗碳体，它的硬度极高，塑性几乎为零。
从反映钢的组织结构与钢的含碳量和钢的温度之间关系的铁碳平衡状态图上可见，当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳体（碳化铁）约占12%，铁素体约占88%时，该合金的相变是在恒温下实现的。
即在这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发生相变时，如果消失两者同时消失（加热时），如果出现则两者又同时出现，在这一点上这种组织与纯金属的相变类似。
基于这个原因，人们就把这种由特定比例构成的两相组织当作一种组织来看待，并且命名为珠光体，这种钢就叫做共析钢。
即含碳量正好是 0.77%的钢就叫做共析钢，它的组织是珠光体。
2. 亚共析钢常用的结构钢含碳量大都在0.5%以下，由于含碳量低于 0.77%，所以组织中的渗碳体量也少于 12%，于是铁素体除去一部分要与渗碳体形成珠光体外，还会有多余的出现，所以这种钢的组织是铁素体+珠光体。
碳含量越少，钢组织中珠光体比例也越小，钢的强度也越低，但塑性越好，这类钢统称为亚共析钢。
3. 过共析钢工具用钢的含碳量往往超过 0.77%，这种钢组织中渗碳体的比例超过 12%，所以除与铁素体形成珠光体外，还有多余的渗碳体，于是这类钢的组织是珠光体+渗碳体。
这类钢统称为过共析钢。
二、有关钢材机械性能的名词1•屈服点（＜rS钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。
设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点 d s =Ps/Fo（MPa,） Mpa称为兆帕等于 N （牛顿）/mm2 , （ MPa=106Pa, Pa：帕斯卡=N/m2 ）2•屈服强度（d 0.2有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度 d 0.2。
比工程塑料的铸造性能好。
2. 锻造性能锻造性能是指材料是否易于进行压力加工的性能，取决于材料的塑性和变形抗力，塑性越好，变形抗力越小，材料的锻造性能越好。
例如，纯铜在室温下就有良好的锻造性能，碳素钢在加热状态锻造性能良好，铸铁则不能锻造。
热塑性塑料可经挤压和压塑成型，与金属挤压和模压成型相似。
3. 焊接性能两块材料在局部加热至熔融状态下能牢固地焊接在一起的能力称为该材料的焊接性能。
碳素钢的焊接性能主要由化学成分决定，其中含碳量的影响最大。
例如，低碳钢具有良好的焊接性，而高碳钢、铸铁的焊接性不好。
4. 热处理性能生产上，热处理既可用于提高材料的力学性能及某些特殊性能，以进一步充分发挥材料的潜力，亦可用于改善材料的加工工艺性能，如改善切削加工、拉拔挤压加工和焊接性能等。
常用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。
5. 切削加工性能材料接受切削加工的难易程度称为切削加工性能。
切削加工性能主要用切削速度、加工表面光洁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、导热性及加工硬化程度等。
一般认为，具有适当硬度（170～230HBW）和足够脆性的金属材料切削性能良好，所以灰铸铁比钢切削性能好，碳素钢比高合金钢切削性能好。
改变钢的成分（如加入少量铅、磷等元素）和进行适当的热处理（如低碳钢进行退火，高碳钢进行球化退火）可改善钢的切削加工性能。
1.2 金属学基础知识1.2.1 纯金属的晶体结构1.2.1.1 晶体与非晶体1. 晶体固态下原子（或分子）呈规则排列而形成的聚集状态，称为晶体，如纯铝、纯铁、纯铜等都属于晶体。
2. 非晶体原子（或分子）呈无规则的无序堆积的聚集状态，称为非晶体，如松香、玻璃、沥青、石蜡等都属于非晶体。
绝大多数金属和合金在固态下都属于晶体。
1.2.1.2 晶体结构1. 晶格晶体内部原子是按一定的几何规律排列的。
为便于理解，把金属内部的原子近似地看成是刚性小球，则金属晶体就可看成是由刚性小球按一定几何规则紧密堆积而成的物体，如图1-5（a）所示。
第二节金属学及热处理基本知识一、金属晶体结构的一般知识众所周知，世界上的物质都是由化学元素组成的，这些化学元素按性质可分成两大类：第一大类是金属，化学元素中有83种是金属元素。
固态金属具有不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性等特性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，这是金属独具的一个特点。
常见的金属元素有铁、铝、铜、铬、镍、钨等。
第二大类是非金属，化学元素中有22种，非金属元素不具备金属元素的特征。
而且与金属相反，随着温度的升高，非金属的电阻率减小，导电性提高。
常见的非金属元素有碳、氧、氢、氮、硫、磷等。
我们所焊接的材料主要是金属，尤其是钢材，钢材的性能不仅取决于钢材的化学成分，而且取决于钢材的组织，为了了解钢材的组织及对性能的影响，我们必须先从晶体结构讲起。
(一)晶体的特点对于晶体，大家并不生疏。
食盐、水结成的冰，都是晶体。
一般的固态金属及合金也都是晶体。
并非所有固态物质都是晶体。
如玻璃、松香之类就不是晶体，而属于非晶体。
晶体与非晶体的区别不在外形，而在内部的原子排列。
在晶体中，原子按一定规律排列得很整齐。
而在非晶体中，原子则是散乱分布着，至多有些局部的短程规则排列。
由于晶体与非晶体中原子排列不同，因此性能也不相同。
(二)典型的金属晶体结构金属的原子按一定方式有规则地排列成一定空间几何形状的结晶格子，称为晶格。
金属的晶格常见的有体心立方晶格和面心立方晶格，如图1—4所示。
体心立方晶格的立方体的中心和八个顶点各有一个铁原子，而面心立方晶格的立方体的八个顶点和六个面的中心各有一个铁原子。
图1—4 典型的金属晶体结构(a)体心立方晶格(b)面心立方晶格铁属于立方晶格，随着温度的变化，铁可以由一种晶格转变为另一种晶格。
这种晶格的转变，称为同素异晶转变。
纯铁在常温下是体心立方晶格(称为α-Fe)；当温度升高到910℃时，纯铁的晶格由体心立方晶格转变为面心立方晶格(称为γ-Fe)；再升温到1390℃时，面心立方晶格又重新转变为体心立方晶格(称为δ-Fe)，然后一直保持到纯铁的熔化温度。
第一章金属学基本原理金属学是研究金属和合金的成分、组织、性能及其变化规律的一门科学。
学习金属学基础知识，重点在于掌握组织、组织的形成及其变化规律等方面的基本概念和基本原理，因为这是物理金相实验工借以了解各种金属材料的成分、热处理、组织与性能之间关系的基础。
本章的主要内容是：金属及合金的结构和结晶方面的基础知识；合金的基本组织及状态图；有关铁—碳平衡图的一些基本知识。
第一节纯金属的结构与结晶一、纯金属的晶体结构金属晶体是由原子在空间严格按照一定的规律周期性重复排列所构成的，这是把晶格中的原子排列看成是绝对完整的。
其实这是一种完全理想化的晶体结构，因此被称为理想晶体。
但在实际金属晶体中，原子的排列不可能这样规则和完整。
在晶体内部，由于种种原因，在局部区域或局部地带内原子的规则排列往往受到干扰和破坏，形成了各种形式的晶体缺陷。
因此，实际晶体是以结构的规则排列为主，兼有不规则排列，这就是实际金属晶体结构的特点。
金属晶体中缺陷的种类较多，根据晶体缺陷的几何形态特征，可以将它们分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
点缺陷：是指长、宽、高的尺寸都很小（相当于原子的尺寸）的缺陷，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子以及由它们组合而成的复合点缺陷。
线缺陷：是在两个方向上（晶体的某一个平面上）的尺寸很小，第三个方向的尺寸相对很大的缺陷，是指各类位错。
其中较简单的有刃型位错和螺型位错。
面缺陷：是在两个方向上尺寸很大，而第三个方向上尺寸很小的缺陷。
有晶界、亚结构、相界、孪晶界和堆垛层错等。
1.空位和间隙原子金属晶体中的原子应处在晶格的结点上。
但在实际金属晶体结构中，并非每个结点都有原子占据，而在某些应该占据原子而实际空缺的结点位置称为空位。
见图1－1。
晶格内部除了原子占有绝大部分体积外，还有空隙存在，其中某些尺寸较大的空间有可能被原子挤入，这种占据晶格空隙的原子称为间隙原子，见图1－1。
在空位和间隙原子的附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的其他原子发生靠拢（如空位附近的原子）或撑开（如间隙原子附近的原子）的现象，这种变化称为晶格畸变，见图1－2。
（一）熟悉金属及合金的固态结构晶体：人们将原子在三维空间作有规则的周期性重复排列的物质称为晶体，金属和合金在固态下通常都是晶体。
晶体的特性：(1) 晶体具有一定的熔点；(2) 各向异性或异向性。
即在不同的方向上测量其性能（如导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等）时，表现出或大或小的差异。
(3)一般具有规则的外形。
1、三种典型的金属晶体结构：金属晶体中，金属键使原子（分子或离子）的排列趋于尽可能紧密，构成高度对称性的简单晶体结构，常见的有以下三种。
(1) 体心立方结构（body-centered cubic, “bcc”）如下图，晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，构成立方体。
具有bcc结构的金属有α-Fe, Cr, V, Nb, Mo, W等约30种。
(2) 面心立方结构（face-centered cubic, “fcc”）见下图。
γ-Fe, Cu, Ni, Al, Ag等约20种金属具有这种晶体结构。
(3) 密排六方结构（hexagonal closed-packed, “hcp”）见下图。
在晶胞的12个角上各有一个原子，构成六方柱体，上底面和下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有三个原子。
具有hcp结构的金属有Zn, Mg, α-Ti, Cd等。
多晶型转变（同素异构转变）：大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。
当外部条件（如温度和压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。
如Fe在912℃以下为bcc结构，称为α-Fe，在912-1394℃，具有fcc结构，称为γ-Fe，而从1394℃至熔点，又转变为bcc结构，称为δ-Fe。
2、合金的晶体结构：在液态下，大多数合金的组元均能相互溶解，称为均匀的液体，因而只具有一个液相。
但凝固后，由于各组元的晶体结构、原子结构等不同，各组元之间的相互作用不同，在固态合金中可能出现不同的相结构（phase structure），主要有固溶体（solid solution）和金属化合物（intermetallic compound）两大类。
第二章金属学基础知识第一节金属晶体结构一、晶体与非晶体1. 固态物质的分类一切物质都是由原子组成的，根据原子排列的特征，固态物质可分为晶体与非晶体两类。
2. 晶体的特征①晶体是指其组成微粒(原子、离子或分子)呈规则排列的物质，如图2-1②晶体具有固定熔点、几何外形和各向异性特征，诸如金刚石、石墨及一般固态金属材料等均是晶体。
3. 非晶体的特征非晶体是指其组成微粒无规则堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。
非晶体没有固定的熔点，而且性能无方向性。
二、晶体结构的基本知识(一)晶格把晶体内部原子近似地视为刚性质点，用一些假想的直线将各质点中心连接起来，形成一个空间格子。
这种抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子称为晶格，如图2-1（b）。
(二)晶胞组成晶格的最小几何单元称为晶胞，如图2-1（a）。
(三)常见的金属晶格类型1．体心立方晶格，如图2-2。
体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的八个顶角和中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是2个。
具有这种晶格的金属有钨(W)、钼(Ｍo)、铬(Ｃr)、钒(Ｖ)、α铁(α－Fe)等。
2．面心立方晶格，如图2-3。
面心立方晶格的晶胞也是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是4个。
具有这种晶格的金属有金(Ａu)、银(Ag)、铝(Ａl)、铜(Ｃu)、镍(Ni)、γ铁(γ－Ｆe)等。
3．密排六方晶格，如图2-4。
密排六方晶格的晶胞是六方柱体，在六方柱体的十二个顶角和上下底面中心各有一个原子，另外在上下面之间还有三个原子，因此，每个晶胞实有原子数是6个。
具有此种晶格的金属有镁( Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、α钛(α-Ti)等。
三、金属的实际晶体结构1.单晶体如果一块晶体内部的晶格位向(即原子排列的方向)完全一致，称这块晶体为单晶体。
2.多晶体①由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2-5。
②多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。
第2讲金属学基础知识1. 金属的晶体结构金属材料是目前各种材料中应用最广泛的材料之一，这主要是由于它们具有良好的力学性能、物理性能和化学性能。
金属材料的这些性能是与金属的原子结构、原子间的结合和原子的排列及原子集合体的宏观形态有关，为了解金属与合金的特性就有必要了解金属材料的晶体结构、合金相的组成和合金元素在晶体结构中存在方式等基础知识。
1.1 晶体结构1.1.1 晶体与非晶体自然界的一切物质都是由原子构成的。
根据原子(或分子、离子、原子集团)在空间排列是否有规则，可将固态物质分成晶体和非晶体。
原子杂乱无章排列的物质叫非晶体，如玻璃、沥青等。
原子按一定规律排列的物质叫晶体，如盐、冰、铁、金刚石等。
晶体与非晶体不同，它们具有固定的熔点，其性质呈各向异性，所有的金属材料都属于晶体。
金属原子的最外层电子与原子结合力较弱，容易脱离轨道而在金属内部自由运动，形成电子气，金属原子失去最外层的电子后变成正离子，电子气中的电子不属于某个原子所有，是为整个金属中的正离子所共有。
由于公有化的电子和正离子相互吸引，使金属原子按照一定的几何规律结合成为晶体。
金属原子的这种结合方式称为“金属键”，图1为金属原子结构示意图。
由于正离子和大量公有化电子之间的强大引力，使金属晶体结合得非常牢固，所以金属通常具有较高图1 金属原子结构示意图的强度。
在电场的作用下，电子会做定向移动，所以金属呈现导电性。
这说明金属晶体的各种特性和结构特点都与金属键的结合方式密切相关。
1.1.2 晶格和晶胞晶体中的原子在空间呈有规则的排列的一种简单模型如图2(a)所示。
为了便于描述原子的排列方式，假想将每个原子的球心用线连接起来，这就构成了一个空间的格架，称它为晶格，如图(b)。
当从这种晶格中取出一个能完全代表晶格特征的最小的几何单元，这个单元被称为晶胞，如图2(c)所示。
1.1.3 晶格常数晶胞棱边的长度称作晶格常数，其度量的单位是纳米(1纳米=109米)。
晶胞三个棱长相等的立方晶体的晶格常数以它们棱长a表示；三个棱长不相等的非立方晶体的晶格常数，以它们三个不同的棱长分别用a、b、c来表示，简单立方的晶胞的表示方法如图3所示。
(a) 原子排列模型 (b) 晶格(空间点阵) (c) 晶胞图2 晶体中原子的排列形式示意图1.1.4 三种常见晶格根据晶体原子排列的方式不同，可将物质的晶格(或称作空间点阵)分成14种，并分别属于7个晶系，而晶体的结构几乎是无限多样的。
在金属材料中常见的晶格有三种：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。
这三种晶格的特点和典型金属说明如下：a. 体心立方其晶胞是一个立方体，在立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，其原子排列模型见图4(a)。
图3 简单立方晶胞表示法具有这种晶格的金属有：α-Fe(＜910℃)、α-Cr、α-W、Mo、β-Ti(＜800℃)、V、Nb、Ba、δ-Fe(＞1400℃)等。
b. 面心立方其晶胞也是立方体，但与体心立方的原子排列位置不同，它是在立方体的八个角上和六个面的中心处各有一个原子，其结构见图4(b)。
具有这种晶格的金属主要有：γ-Fe、γ-Co、Ni、Cu、Al、Ag、δ-Mn、Pb等。
c. 密排六方其晶胞是一个六方柱体，在柱体的十二个角上和上下底面的中心各有一个原子，在柱体的上下面之间还有三个原子，其结构见图4(c)。
具有这种晶格的金属主要有：α-Ti、α- Co、Zn、Mg、Be等。
(a) 体心立方晶格 (b) 面心立方晶格 (c) 密排六方晶格图4 常见的金属原子堆垛方式和它们的晶格模型1.1.5 金属元素的原子大小在研究和分析晶体结构和合金的相结构时常常要考虑到原子大小的影响，因此应该了解原子大小的一些基本概念。
目前还不能精确地计算出原子的大小，只能将原子假设为刚性的小球，以它们最紧密排列时的间距来确定其大小，并将此值作为它们的半径或直径。
按这样的假设，就可以推算出每克原子晶体所占的体积，它包括原子球的体积和它们排列成某种晶体结构时的空隙体积。
一定要明确地注意到，实际上任何原子的半径都不是固定不变的，它们在外界温度或压力变化时就会发生变化，而且还会受到配位数、结合键和合金化等因素的影响。
另外，原子半径与元素周期表有一定的关系，即它们会随着元素外层电子数的不同而发生周期性的增大或减小。
1.1.6 晶体的致密度晶胞中原子排列的紧密程度可以用配位数和致密度两个参数表示。
所谓配位数是指晶格中任一原子周围所紧邻的等距离的原子数目，如体心立方晶格中任一原子周围所邻近的等距离的原子数是8；而面心立方和密排六方晶格的配位数都是12(面心立方晶格中用数字标明的12个原子，密排六方晶格在同一平面上有6个相邻原子，上、下两面各有三个原子)。
配位数的数值越大，在晶胞总体积中原子所占的体积百分数越大，即致密度越高。
根据致密度为晶胞中原子占有的体积除以晶胞的体积进行计算得知，体心立方晶胞的致密度为68%；面心立方和密排六方的晶胞的致密度为74%。
1.2 金属结构中的缺陷在实际的晶体结构中，物质的质点(原子、离子、原子集团)并不是完全有规律地排列，由于任何原子都是处于不停的热振动中，而不是静止的。
同时，由于晶体在其结晶过程、加工过程和使用过程中会受到各种各样外界条件的影响，因此在实际的金属晶体结构中是存在着种种的缺陷。
对于金属材料而言，从整体上原子基本是有规则排列的，但在一些局部的微小区域中就可能出现无规则的排列。
晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象称为晶体的缺陷。
晶体的缺陷对金属的性能有明显的影响，根据缺陷存在的几何特点，它们可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
1.2.1点缺陷点缺陷是指晶体空间中体积很小的缺陷，最基本的形式是晶格上的空位和间隙原子.如果在晶格上应该有原子的地方而没有原子，在那里就会出现“空洞”，这种原子堆积上的缺陷就叫作晶格“空位”。
同时，在少数个别晶格的空隙处出现了多余的原子或挤人外来原子，则把这种缺陷叫作间隙原子，如5图所示。
晶格空位和间隙原子一般是由原子的热运动造成的。
原子本是以晶格结点为中心而振动，但随着温度的升高振幅加大，在某一瞬间，个别原子会获得足够高的能量而脱离原来的晶格位置，跑到晶格的间隙处成为间隙原子，而原来的位置便出现空位。
显然，这些缺陷会便晶格产生变形，这种现象称"晶格畸变"。
晶格空位和间隙原子在图5 空位和间隙原子晶体中的移动，是固态金属进行扩散的依据。
1.2.2 线缺陷线缺陷是指在晶体中呈线性分布的缺陷，这种缺陷的具体形式是各种位错。
所谓位错，就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。
最基本的位错叫作刃型位错，如图6所示。
"由图6可见，在晶体的某一水平面础(ABCD)的上方，多出了半个原子面(EFGW)，它中断于ABCD面上的EF处；这半个原子面如同刀刃二样插入晶体，故称为刃型位错。
在位错的附近区域，晶格发生了畸变，造成局部的应力集中区。
位错在晶体中大量的存在，是晶体中最重要的一种缺陷。
位错有一个明显的特点，就是很容易在晶体中移动，金属材料塑性变形便是通过位错运动和增殖来进行的。
图6 刃型位错的示意图 (a)立体图；(b)平面图1.2.3 面缺陷面缺陷是指晶体中呈面状分布的缺陷，通常是指金属晶体中的晶界和亚晶界。
实际金属均为多晶体，是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成。
每个晶粒可视为单晶体，所有晶粒的结构可以相同，但彼此之间的位向不同，位向差为几度或几十度。
晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。
晶界过渡结构如图7所示，晶界处的原子排列是不规则的，原子处于不稳定的状态。
晶界具有一系列与晶内不同的重要特性。
例如：(1)晶界易腐蚀，熔点较低；(2)当能量达到相变时，晶界处优先产生新的转变物；(3)原子在晶界上扩散比在晶粒内部迅速；(4)晶界对金属的塑性变形起阻碍作用，所以在室温下晶界处的硬度、强度要高于晶内等等。
实验证明，即使在一颗晶粒内部其晶格位向也并不像理想晶体那样完善，而是分隔成许多尺寸很小、位向差也很小的小晶块，它们互相嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。
如图8所示，在亚晶界处的原子排列与晶界相似，也是不规则的。
综上所述，实际使用的并不是完全理想的晶体结构，而是多晶体。
在多晶体的每个晶体内部，由于存在晶格空位、间隙原子，位错、晶界及亚晶界等点、线、面缺陷，故造成了晶格畸变，引起塑性变形抗力的增大，从而使金属的强度提高。
图7 晶界过渡区结构示意图图8 亚晶的示意图1.3 金属的同素异构转变很多元素可以具有多种类型的晶体结构，当外界条件（主要是指温度、压力）改变时，元素的晶体结构可以发生转变，这种特性称作同素异晶性，并将这种转变称作同素异晶转变。
最常见的是铁的同素异构转变，图3是纯铁由液态冷却到室温的平衡冷却的示意图，在冷却曲线旁还用组织和结构图示意说明整个冷却过程中组织结构的变化。
从图9可以看到，纯铁的结晶点是1538℃，结晶之后成为体心立方的结构并被称为δ铁；当温度下降到1400℃时发生同素异晶转变，由体心立方结构的δ铁转变为面心立方结构的γ铁。
当温度继续下降到910℃时，面心立方结构的γ铁又发生向体心立方结构的变化，习惯上把在910℃以下的体心立方结构称为α铁。
当温度继续下降，铁的结构不再发生变化。
但是，值得注意的是，当α铁在769℃时将发生磁性转变，即由高温下的顺磁性(无磁性)变成低温下的铁磁性(有磁性)状态，这一磁性转变温度称为铁的居里点。
在发生磁性转变时，铁晶体的结构并不改变因此通常将转变前后的的结构都称为α铁(但有时也将769℃以上无磁性的结构状态称为β铁)。
在高压下，铁还可以具有密排六方的结构。
同样，碳可以具有六方结构(石墨态)和金刚石结构两种形态。
除铁外，Mn、Co、Cr、W、Ti、Ca等金属也会在固态下发生这种转变。
由于面心立方的γ-Fe比体心立方的α-Fe原子排列紧密，也就是说γ-Fe的比容(单位质量的体积)比α-Fe小，因此当铁被加热到900℃左右由α-Fe转变为γ-Fe时，其体积就会产生收缩，相反亦然。
同素异构转变是金属中原子重新排列的过程，实质上也是一种结晶过程，为了与从液体结晶相区别，通常把它们称为重结晶。
同素异构转变对于铁基金属材料非常重要，因为有这种转变才使钢铁可通过热处理来改变其组织和性能。
图9 不同温度下铁的几种同素异构晶体示意图2 合金的结构纯金属虽然具有某些特殊的性能，如铜、铝具有良好的导电、导热性能，在工业上有一定的应用。
但是，由于纯金属的力学性能和硬度往往比较低，比如纯铁在工业上根本无法作为结构材料来应用，因此工业上广泛使用的是由一种金属作为基体材料，在其中加入了其它一些元素形成合金，以此来满足工业应用的材料。
