與非金屬相比，金屬材料具有良好的力學性能、某些物理化學性能和工藝性能。但即使都是金屬材料，不同成分和狀態下的性能也不一樣，這是由於材料內部結構的不同導致。本文主要對金屬的內部結構和結晶規律兩個方面進行簡單介紹。
一、金屬內部結構
根據原子在內部的排列特徵，可將固態物質分為晶體和非晶體兩大類（定義見文末Note1）。接下來從基礎知識、典型晶格和金屬晶體結構三方面進行總結。
1、晶體結構的基礎知識：主要有5個知識點。
(1)、晶格：將晶體內部原子抽象為幾何點，並用一些假想連線將幾何點在三維方向連接起來，這樣構成的空間格子稱為晶格。
(2)、晶胞：晶體中原子排列具有周期性變化的特點，晶格中一個能夠完整反映晶格特徵的最小几何單元，稱為晶胞。其應具有高對稱性。
(3)、晶格常數：不同元素結構不同，晶胞的大小和形狀也有差異，結晶學中規定晶胞的大小以其各稜邊尺寸a、b、c表示，稱為晶格常數。
(4)、原子半徑：金屬晶體中最鄰近的原子間距的一半，稱為原子半徑，主要取決於晶格類型和晶格常數。
(5)、緻密度：金屬晶胞中原子本身所佔有的體積百分數，用來表示原子在晶格中排列的緊密程度。
2、三種典型的金屬晶格：體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格，如圖1所示。
(1)、體心立方晶格：其晶胞是一個立方體，立方體的8個頂角和晶胞中心各有一個原子。
其單位晶胞原子數為2個；
原子半徑r=31/2/4a；
緻密度0.68，指體心立方晶格中有68%的體積被原子所佔有，其餘為空隙；
屬於此類的金屬有Cr、W、Mo、V(釩)、α-Fe等。
(2)、面心立方晶格：其晶胞也是一個立方體，原子位於立方體的8個頂角和立方體的6個面的中心。
其單位晶胞原子數為4個；
原子半徑r=21/2/4a；
緻密度0.74，表明面心立方晶格中原子排列較緊密；
屬於此類的金屬有Al、Cu、Pb(鉛)、Au(金)、γ-Fe等。
(3)、密排六方晶格：其晶胞是一個正六方柱體，原子排列在柱體的每個頂角和上下底面的中心，另外三個原子排列在柱體內。
其單位晶胞原子數為6個；
原子半徑r=1/2a；
緻密度0.74，表明原子排列緊密程度與面心立方晶格相同；
屬於此類的金屬有Mg、Zn、Be(鈹)、α-Ti等。
3、金屬的實際晶體結構
如果晶體內部的晶格位向完全一致，這種晶體稱為單晶體，只有特殊方法才能得到。實際金屬大多是多晶體結構，即是由許多不同位向的晶粒（見文末Note2）組成，每個晶粒內部晶格位向基本一致，各晶粒之間位向不同。
在金屬晶體中，由於晶體形成條件、原子的熱運動及其他因素的影響，原子的規則排列在局部區域被破壞，出現不完整的區域，稱為晶體缺陷。根據幾何特徵，分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。
(1)、點缺陷：常見的有空位、置換原子和間隙原子等，如圖2所示。點缺陷導致晶格畸變，使金屬產生內應力，晶體性能發生變化，是強化金屬的手段之一。
(2)、線缺陷：主要是位錯，常見的形態是刃形位錯，如圖3所示，對金屬的力學性能影響很大。金屬退火狀態下，位錯密度低，強度較差。金屬材料的塑性變形通過位錯實現。
(3)、面缺陷：常指的是晶界和亞晶界。晶界處是不同位向晶粒原子排列無規則的過渡層，此處原子不穩定，能量高，因此，晶界與晶粒內部有著一系列不同特徵，如常溫下晶界有高強度和高硬度；原子擴散速度快等。
二、金屬結晶
大多數金屬件都是經過熔化、冶煉和澆注得到，這種由液態變為固態的過程稱為凝固。如果凝固的固態物質是晶體，則稱這種凝固為結晶。一般金屬固態下是晶體，所以金屬的凝固過程可稱為結晶。
1、金屬的冷卻曲線
純金屬都有一個固定的熔點，低於此溫度才能結晶為晶體。純金屬的冷卻曲線如圖4所示，通過冷卻過程中不斷定時測溫得到。
圖4 純金屬的冷卻曲線
可知，液體金屬隨冷卻時間的延長，所含熱量不斷散失、溫度不斷下降，但當冷卻到某一溫度時，冷卻曲線上出現平臺（原因：結晶時放出的潛熱正好補償了金屬向外散失的熱量），其對應的溫度就是實際結晶溫度。結晶完成後，金屬繼續向外散熱，溫度又重新下降。
圖4中T0為理論結晶溫度，實際結晶溫度Tn總是低於T0，稱為過冷現象。二者之差稱為過冷度△T。過冷度與冷卻速度有關，冷卻速度越大，過冷度越大，實際結晶溫度越低。
2、純金屬的結晶過程
純金屬的結晶過程發生在冷卻曲線上平臺所經歷的時間，結晶時首先在液態中出現晶核（微小的晶體），並不斷長大，同時產生新的晶核也相繼長大，直至液態金屬消失，如圖5所示。
圖5 純金屬的結晶過程
因此，金屬結晶包括晶核的形成和長大兩個過程，並且同步進行。
3、結晶後的晶粒大小
晶粒大小主要取決於形核率和晶核長大速率，其對金屬的力學性能有很大影響，細晶粒金屬的強度和韌性高，所以需要促進形核率、抑制長大速率。因此，為了細化晶粒，常採用以下兩種方法：
(1)、增加過冷度：過冷度越大，單位體積內晶粒數目越多，晶粒細化。適用於中小型鑄件。
(2)、變質處理：加入細小變質劑，增加形核率、降低長大速率。應用廣泛。
此外，採用機械振動和電磁振動等，也可細化晶粒。
固態下原子在物質內部作有規則的排列，稱為晶體，大多數金屬和合金固態下都屬於晶體，如純鋁、純鐵和純銅等；固態下物質內部原子呈現無序堆積狀態，稱為非晶體，如松香、玻璃和瀝青等。
Note2、晶粒與晶界等：
外形不規則、呈顆粒狀的小晶體稱為晶粒，晶粒之間的界面稱為晶界。實際上，在每個晶粒內部，晶格方位也有相位差，這些相位差很小的小晶塊相互鑲成一顆晶粒。這些小晶塊稱為亞晶或亞結構，其之間的邊界稱為亞晶界。