1-4 纯铁的晶体结构

金属是原子排列规则的晶体，根据原子的排列方式而存在各种晶体结构。这种晶体结构与物质的性质有很大的关系，所以在处理金属时要充分了解它。

如图1所示，纯铁在温度从室温逐渐升高到熔点（1536℃）的过程中，有一个转变点导致晶体结构发生两次变化和磁性发生一次变化。纯铁(Fe)在室温下的晶体结构为体心立方晶格，此时的金属结构为α-铁(α-ferrite)。

图1 纯铁温度与晶体结构/金属结构的关系

当从室温逐渐加热时，首先出现A2转变点（770℃），在此温度下晶体结构不发生变化，而是由铁磁性材料转变为顺磁性材料。也就是说，在这个温度下它会粘在磁铁上，但在更高的温度下它不会粘在磁铁上。因此，这个转变点也被称为磁转变点（居里点）。

当温度进一步升高并达到A3转变点（911℃）时，晶体结构转变为面心立方晶格中的γ-铁（奥氏体），在A4转变点（1392℃），δ体心立方晶格中的-铁（δ-铁）。变为δ铁素体）。这种转变点在有色金属中是不存在的，但这些转变点的存在是钢材通过热处理可以改变其性能的一个主要原因。

如图2所示，体心立方结构在网格中心有一个原子，简称为bcc（体心立方）结构。如图3所示，面心立方结构在晶格面上具有原子，简称为fcc（face-centeredcubic）结构。

图2 体心立方结构的晶胞（单位原子数：2）

图 3 面心立方晶胞（单位原子数：4）

fcc结构比bcc结构更柔软，更容易变形。常温下易于加工的金属，如金（Au）、银（Ag）和铝（Al），具有fcc结构，而难于常温加工的金属，如钽（Ta）和钨 (W)，具有 bcc 结构。这表明，即使是钢材在加热到软的 fcc 结构时也比在室温下具有 bcc 结构时更容易加工。

即使原子的大小相同，但随着晶体结构的变化，大小自然会发生变化。即对于相同大小的原子，面心立方晶格小于体心立方晶格。从晶胞的尺寸和每个晶胞的原子数来看，这是一种自然现象。如图4所示，面心立方晶格中晶胞的边长较大，但面心立方晶格中的单位原子数为4个，体心立方晶格中的单位原子数为2个。 . 当计算相同数量的原子的体积时，体心立方晶格显然更大。

图 4 由相同半径 (r) 原子组成的晶胞的边长

图 5 纯铁转变点与膨胀/收缩的关系

因此，如图5所示，在升温过程中，纯铁的尺寸与温度成正比膨胀，直至达到相变点，但在A3相变点，从体心立方转变为结构变为面心立方结构。因此，它收缩。当温度进一步升高并达到A4转变点时，它从面心立方结构转变为体心立方结构，因此它的膨胀比单纯的温度升高所伴随的膨胀更快。