金属的晶粒大小对金属的力学性能具有重要的影响。实验表明，在室温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有更高的强度、硬度、塑性和韧性。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见表2 -1。工业上将通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。

表2-1　晶粒大小对纯铁力学性能的影响

为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后的晶粒大小。由结晶过程可知： 金属晶粒的大小取决于结晶时的形核率（单位时间、单位体积所形成的晶核数目） 与晶核的长大速度。形核率越高，长大速度越慢，结晶后的晶粒越细小。因此，细化晶粒的根本途径是提高形核率及降低晶核长大速度。

常用细化晶粒的方法有以下几种。

1.增加过冷度

金属的形核率和长大速度均随过冷度不同而发生变化，但两者的变化速率不同，在很大范围内形核率比晶核长大速度及速度增长更快，因此，增加过冷度能使晶粒细化。图2 -20所示为形核率和晶核长大速度与过冷度的关系。在铸造生产时用金属型浇注的铸件比用砂型浇注得到的铸件晶粒细小，就是因为金属型散热快，过冷度大。这种方法只适用于中、小型铸件，因为大型铸件冷却速度较慢，不易获得较大的过冷度，而且冷却速度过大时容易造成铸件变形、开裂，对于大型铸件可采用其他方法使晶粒细化。

图2-20　形核率和晶核长大速度与过冷度的关系

随着急冷技术的发展，如今已成功研制出超细晶金属、非晶态金属等新材料。例如，使液态金属连续流入旋转的冷却轧辊之间，急冷后可获得非晶态金属材料薄带。非晶态金属具有高的强度和韧性、优异的软磁性能、高的电阻率、良好的耐蚀性等优良性能。

2.变质处理

变质处理又称为孕育处理，是在浇注前向液态金属中加入一些细小的形核剂（又称为变质剂或孕育剂），使它们分散在金属液中作为人工晶核，以增加形核率或降低晶核长大速度，从而获得细小的晶粒。

例如，向钢液中加入铁、硼、铝等，向铸铁中加入硅铁、硅钙等变质剂，均能起到细化晶粒的作用。生产中大型铸件或厚壁铸件常采用变质处理的方法细化晶粒。

3.振动处理

在金属结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁振动等，一方面能促进形核，另一方面可击碎正在生长中的枝晶，破碎的枝晶又可作为新的晶核，从而增加形核率，达到细化晶粒的目的。(www.daowen.com)

任务回顾

19 世纪的一个冬天，俄国彼得堡的天气异常寒冷。彼得堡军用仓库管理员向军队发放了崭新的军大衣。军装入库时是有纽扣的，为什么军装在仓库里的锡纽扣就消失了呢？

任务实施

为什么锡纽扣在仓库里变成灰色粉末了呢？ 其实，就是由于锡具有同素异构转变，发生了“锡疫”。

当温度在-13 ℃以下时，锡的结晶点阵就会重新排列，原子之间的空隙就会加大，形成一种新的结晶形态，即灰锡。灰锡失去了金属特性而成为一种半导体，在不同结晶点阵之间的接触处发生的内应力使金属锡碎裂成粉末。周围介质的温度越低，晶体形态转变的速度就越快。这种转变在-13 ℃时速度最快，温度降到-13 ℃，白锡就失去光泽，变成暗灰色，最后碎裂成粉末。人们称这种现象为“锡疫”。

晶体的认识历程

什么是晶体？ 从古至今，人类一直在孜孜不倦地探索着这个问题。早在石器时代，人们便发现了各种外形规则的石头，并把它们做成工具，从而揭开了探求晶体本质的序幕。之后，经过长期观察，人们发现晶体最显著的特点就是具有规则的外形。

1669 年，意大利科学家斯丹诺（Steno） 发现了晶面角守恒定律，指出在同一物体的晶体中，相应晶面之间的夹角是恒定不变的。接着，法国科学家阿羽依（Hauy） 于1784 年提出了著名的晶胞学说，使人类对晶体的认识迈出了一大步。根据这一学说可以得出结论，晶胞是构成晶体的最小单位，晶体是由大量晶胞堆积而成的。

1885 年，这一学说被法国物理学家布拉菲（Bravais） 发展成空间点阵学说，其认为组成晶体的原子、分子或离子是按一定的规则排列的，这种排列形成一定形式的空间点阵结构。1912 年，德国物理学家劳厄（Lane） 对晶体进行了X 射线衍射实验，首次证明了这一学说的正确性，并因此获得了诺贝尔物理学奖。

除了对晶体的结构、生长和一般性质的研究，人们还探索了有关晶体的其他问题，从而形成了晶体学这门学科。其主要研究内容包括5 个部分： 晶体生长、晶体的几何结构、晶体结构分析、晶体化学及晶体物理。其中，晶体生长是研究人工培育晶体的方法和规律，是晶体学研究的重要基础； 晶体的几何结构是研究晶体外形的几何理论及内部质点的排列规律，属于晶体学研究的经典理论部分。但是，近年来5 次等旋转对称性的发现对这一经典理论提出了挑战： 晶体结构分析是通过收集大量与晶体结构有关的衍射数据来探明具体晶体结构及X 射线结构分析方法的； 晶体化学主要研究化学成分与晶体结构及性质之间的关系； 晶体物理则是研究晶体的物理性质，如光学性质、电学性质、磁学性质、力学性质、声学性质和热学性质等。

一位物理学家说过： “晶体是晶体生长工作者送给物理学家最好的礼物。” 这是因为，当物质以晶体状态存在时，它将表现出其他物质状态所没有的优异的物理性能，因而是人类研究固态物质的结构和性能的重要基础。此外，由于能够实现电、磁、光、声与力的相互作用和转换，晶体还是电子器件、半导体器件、固体激光器件及各种光学仪器等工业的重要材料，被广泛地应用于通信、摄影、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。

按功能来分，晶体有20 种之多，如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性光学晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体、闪烁晶体、绝缘晶体、敏感晶体、光色晶体、超导晶体以及多功能晶体等。