了解金属的晶体结构.doc

江苏省技工院校 教 案 首 页授课日期9.15班级机11技师1班课题： 了解金属的晶体结构 教学目的要求： 1.熟悉晶体的基本概念；2.掌握常见金属的晶体结构及金属的实际晶体结构；3.掌握影响晶核形成和长大的因素及细化晶粒的办法。 教学重点、难点： 纯铁同素异构转变、金属结晶过程、规律及其影响因素。 授课方法： 面授（课堂教学） 教学参考及教具（含电教设备）： 金属材料及热处理 授课执行情况及分析：板书设计或授课提纲任务1 铁碳合金一、晶体1、概念2、类型二、金属的实际结构和晶体缺陷1、单晶体与多晶体2、结晶的基本概念3、结晶时的过冷现象4、液体和固体的自由能随温度的变化5、冷却曲线三、结晶过程的基本规律四、影响晶粒大小的因素【复习提问】1. 如何评价金属材料的韧性？ 2疲劳强度对金属材料有何意义？如何改善？【引入新课】钢铁材料是现代机械制造工业中应用最广泛的金属材料。生产中应用的碳钢和铸铁均属于铁碳合金。为了合理应用钢铁材料，就必须研究铁与碳的作用，了解铁碳合金的成分、组成结构和性能之间的关系。【讲授新课】一、晶体1、晶体的概念在自然界中除了一些少数的物质（如普通玻璃、松香等）以外，包括金属在内的绝大多数固体都是晶体。2、晶体的类型研究表明，在金属元素中，约有百分之九十以上的金属晶体都属于如下三种密排的晶体结构类型。1）、体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心还有一个原子。属于这种体心立方晶格的金属有Fe（912，Fe）、Cr、Mo、W、V等。2）、面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还各有一个原子。属于这种晶格的金属有：Al、Cu、Ni、Pb（Fe）等3）、密排六方晶格由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。属于这种晶格的金属有铍（Be）、Mg、Zn、 镉（Cd）等铁在晶体结构上的一个性质多晶型性，即在不同的条件下，铁具有不同的晶体结构，在条件改变时铁会发生同素异构转变。在温室912 体心立方（b、c、c） 称9121394 面心立方（f、c、c） 称1394熔点 体心立方（b、c、c） 称 二、金属的实际结构和晶体缺陷1、单晶体与多晶体如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体为单晶体。以上我们讨论的情况都指这种单晶体的情况。但在工业金属材料中，除非专门制作，否则都不是这样，就是在一块很小的金属中也含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。这种小晶体的外形呈颗粒状，称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界处，原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过度，总是不规则的。多晶体：实际上由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同，导致各个方向上的性能不同，即“各向异性”的特点；而多晶体对每个小晶粒具有“各向异性”的特点，而就多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能，不具备“各向异性”的特点。2、结晶的基本概念一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，如凝固后形成晶体结构，则称为结晶。金属在固态下通常都是晶体，所以金属自液态冷却转变为固态的过程，称为金属的结晶。3、结晶时的过冷现象各种纯金属如Fe、Cu等都有一定的结晶温度，Fe：1539，Cu：1083等等，这是指理论结晶温度，也叫平衡结晶温度，是指液体的结晶速度与晶体的熔化速度相等时的温度。实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度，原因在结晶的能量条件上。在自然界中，任何物质都具有一定的能量，而且一切物质都是自发地由能量高的状态向能量低的状态转变，结晶过程也同样遵循这一规律。以自由能F代表体系的能量，可见，只有当固态金属的自由能低于液态金属的自由能，即：体系自由能的变化F=F固F液0时，结晶过程才能自发进行，从温度坐标上看，只有实际结晶温度T1低于平衡结晶温度T0，结晶过程才能自 4、液体和固体的自由能随温度的变化 发进行。上述这种实际结晶温度低于平衡结晶温度的现象称为过冷现象。两者之间的温度差T称为过冷度。T=T0Tn，过冷度的大小与金属的本性以及冷却速度有关，冷却速度愈大，过冷度T愈大。5、实际结晶温度的测定：（冷却曲线）金属的实际结晶温度可以用热分析方法测定，具体做法：先将纯金属加热熔化为液体，然后缓慢冷却下来，同时每隔一定时间测一次温度，并把记录的数据绘在温度时间坐标中，得到温度与时间的曲线，即冷却曲线， 即是一条冷却曲线。可见，随时间的增长，温度逐渐降低，当到T0温度时出现一平台，说明这时虽然液体金属向外散热，但其温度并没下降，这是 由于在这一温度液体开始结晶向外散热（结晶潜热），补偿了液体对外的热量散失，结晶终了后就 没有结晶潜热来补偿热量的散失，所以温度 又开始下降。 三、结晶过程的基本规律1 形核和核长大金属的结晶过程从微观的角度看，当液体金属冷到实际结晶温度后，开始从液体中形成一些尺寸极小的、原子呈规则排列的晶体晶核，这种已形成的晶核不断长大，同时液态金属的其它部位也产生新的晶核，新晶核又不断长大，直到液态金属全部消失，结晶结束。2 影响晶核形成和长大的因素晶粒大小对金属机械性能有较大的影响，在常温下工作的金属，其强度、硬度、塑性的韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。四、影响晶粒大小的因素形核率N，长大速度G，形核率N大，而长大速度G相对小，则晶粒愈细，即N与G的比值大则晶粒细。1）过冷度的影响 过冷度大，F大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。见图1-14。2）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些合金，