图2-11　纯铁的冷却曲线

有些金属在固态下存在着两种以上的晶格形式，在冷却或加热过程中，随着温度的变化，其晶格类型也随之变化。金属在固态下，随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变，具有同素异构转变的金属有铁、钴、铁、锡、锰等。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异构体。同一金属的同素异构体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母α、β、γ、δ 等表示。

铁是典型的具有同素异构转变的金属，由图2 -11所示的纯铁的冷却曲线可见，液态纯铁在1 538 ℃结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe； 继续冷却到1 394 ℃时发生同素异构转变，δ-Fe 转变为面心立方晶格的γ-Fe；再冷却到912 ℃时又发生同素异构转变，γ-Fe 转变为体心立方晶格的α-Fe； 再继续冷却到室温，晶格类型不再发生变化，保持体心立方晶格的α-Fe。此外，在770 ℃时曲线出现了一个平台，此温度下铁的晶格类型没有变化，也不发生形核长大过程，因此，在此不发生同素异构转变，只是原子最外层电子有所变化，释放出一定的热量，该温度称为纯铁的磁性转变点（也称为居里点）。低于770 ℃时纯铁可被磁化，高于770 ℃时纯铁不能被磁化。铁的同素异构转变的总结如下：

应该注意，同素异构转变不仅存在于纯铁中，也存在于以铁为基的钢铁材料中。正是因为具有同素异构转变，钢铁材料才具有多种多样的性能，获得广泛应用，并能通过热处理进一步改善其组织和性能。

因为金属发生同素异构转变时原子重新排列，所以它也是一种结晶过程。为了把这种在固态下进行的转变与液态结晶相区别，特称之为二次结晶或重结晶。

金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处，如有一定的转变温度，转变时有过冷现象，放出或吸收潜热，转变过程是一个形核和晶核长大的过程。γ-Fe 转变为α-Fe 的同素异构转变过程如图2 -12所示。

此外，同素异构转变属于固态相变，具有以下特点。

（1） 在同素异构转变时，新晶粒的晶核优先在旧相晶粒的晶界处形核，当旧相的晶粒较细小时，晶界面积较大，新相形核较多，转变结束后形成的晶粒较细小。(www.daowen.com)

图2-12　γ-Fe→α-Fe 的同素异构转变过程

（2） 转变需要较大的过冷度，一般液体金属结晶的过冷度为几摄氏度到几十摄氏度，而固态相变时的过冷度可达几百摄氏度，这主要是因为在固态下原子的扩散比在液态中困难，转变容易滞后。

（3） 不同晶格类型中原子排列的密度不同，在固态相变时伴随着体积变化，转变时会产生较大的组织应力。例如，γ-Fe 转变为α -Fe 时，铁的体积会膨胀约1%，这是钢在热处理时产生应力，导致工件变形和开裂的重要原因。

任务回顾

铝和镁两种金属表现出来的性能差别为什么这么大呢？

任务实施

这与它们各自的晶体结构有着密切的关系。经研究发现，铝具有面心立方晶格，镁具有密排六方晶格。