航空工程材料教案晶体结构与结晶

1、项目 （任务）学习子情境：金属的晶体结构与结晶的认识授课班级授课教师地 点课时/累计审批/日期多媒体教室2/12授课周次课程类型理论课教学方法举例教学目标知 识 目 标能力（技能）目标1、 了解金属的晶体结构与结晶实质、晶体缺陷；2、掌握晶体缺陷对金属材料性能的影响。 知道晶体缺陷会影响力学性能。重难点及解决方法重点：金属的结晶实质、晶体缺陷与机械性能的关系难点：金属的晶体结构，晶体缺陷解决方法：多媒体演示、模型、挂图能力训练任务及案例铁在不同温度下的晶格类型；教学回顾回顾前面所学的金属材料的力学性能，不同的材料有不同的力学性能，是因为有不同的结构。结构决定性能，引出金属的结构和结晶教学过程设

2、计：1.复习上节课的内容。2.多媒体演示、模型、挂图演示金属的晶体结构，金属晶格的常见类型。3.多媒体演示、挂图演示金属的多晶结构，几种晶体缺陷。4.多媒体演示、挂图演示金属的结晶过程.5.多媒体演示、挂图演示金属的同素异晶转变。§ 学习情境 金属的晶体结构与结晶的认识一、 教学回顾：回顾前面所学的金属材料的力学性能，不同的材料有不同的力学性能，是因为有不同的结构。结构决定性能，引出金属的结构和结晶。二、晶体的概念：固体物质分晶体和非晶体两大类。两者的根本区别在于内部微粒（分子、原子、离子）是否在空间有规律排列。晶体的内部微粒在空间是有规律排列的。金属的晶体结构：金属原子在空间按一定

3、的几何规律排列的具体情况。晶格：为了描述金属晶体中原子的排列规律，常用假想的线条把原子中心连接起来，构成表示晶体中原子排列形式的空间格子称为晶格。晶面：晶格中各种方位的原子层。晶向：晶格中连接原子中心的任一直线所指的方向。晶胞：能代表晶格特征的基本几何单元。晶胞各邻边尺寸称为晶格常数。晶胞各邻边相互间夹角分别以、表示。（共有七大晶系，十四种晶格）各向异性：由于晶体中原子的规则排列，晶格中不同晶面和晶向的原子密度不同，因而沿着一个晶体的不同方向所测得的性能不同。：以上各概念结合实体模型讲解。三、金属晶格的常见类型1.体心立方晶格：体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在立方体的八个角上和晶胞中心各有一

4、个原子，如下图所示。属于这种晶格类型的金属有铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、铁（-Fe）等。2. 面心立方晶格：它的晶胞是一个立方体，在立方体的八个角上和六个面的中心各有一个原子，如下图所示。属于这种晶格类型的金属有铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、金（Au）、银（Ag）、铁（-Fe）等。3.密排六方：密排六方晶格的晶胞是一个正六方柱体，它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的上、下底面所组成。因此晶胞的大小要用柱体的高度c和六边形的边长a来表示。在密排六方晶胞的12个角上和上、下两个底面中心各有一个原子，另外在上、下底面之间有三个原子，如下图所示。属于这种晶格类型的金属有镁（

5、Mg）、锌（Zn）、铍（Be）、钛（-Ti）等。四、金属的多晶体结构：晶粒：显微镜下观察到的外形不规则的小晶体。晶界：晶粒之间的界面。显微组织：金相组织，金属显微结构特点。多晶体：由多个晶粒组成的晶体，它不显各向同性。亚晶粒或镶嵌块：每一晶粒内存在着许多尺寸很小，晶格位向差也很小的小晶块，相互镶嵌构成晶粒，这些小晶块称为亚晶粒或镶嵌块。：只有在亚晶粒内部，晶格位向才完全一致。五、实际金属的晶体缺陷：按几何特点分：点缺陷、线缺陷、面缺陷。1.点缺陷：指在晶体空间中，其长、宽、高尺寸都很小的一种缺陷。常见的有“晶格空位”和“间隙原子”。点缺陷附近都引起晶格畸形变形。当晶格中某些原子的热振动能量超过

6、平均振动能量足够大时，就可能克服周围原子对它的作用，脱离晶格结点而转移到晶格间隙中去。由于原子间作用力的平衡被破坏，使周围原子发生靠拢或撑开，因此，晶格发生歪曲(亦称晶格畸变)，使金属的强度提高，塑性下降。2.线缺陷：指在晶体中沿某一方向伸展成线状的缺陷。其特征是在某一方向上尺寸很大，而另两个方向上尺寸很小。这类缺陷就是各种位错线。：用一本书和一张纸讲解刃型位错线和螺型位错线。晶体中的位错线是大量存在的（1041012cm/cm3），在外力作用下要运动（滑移），使晶体发生塑性变形。位错密度 cm/cm3晶体中位错密度的变化以及位错在晶体内的运动，对金属的强度、塑性变化及组织转变等都有着极为重要

7、的影响。下图示意出金属强度与位错密度的关系。由图可见，当金属处于退火状态（106108cm-2）时，强度最低。随着位错密度的增加或降低，都能提高金属强度。冷塑性变形后的金属，其位错密度增高，故高的位错密度也是金属强化的重要途径之一。而目前，尚在实验室制作的极细的金属晶须，因位错密度极低而使其强度又明显提高。3.面缺陷：指在晶体中两个方向上尺寸很大，第三个方向上尺寸很小而呈面状分布的一种缺陷。如：晶界、亚晶界等。它们都是因晶格中不同区域之间的“晶格方位过渡”所造成的。亚晶界可看作一种位错线的堆聚，称为“位错壁”。晶界的特点：晶界的能量高，杂质多，易被腐蚀，相变首先在晶界上发生，熔点低于晶内，原子

8、扩散速度较快，晶界阻碍位错运动，在这里不易发生塑性变形。晶界处原子的不规则排列，使晶格处于歪扭畸变状态，因而在常温下会对金属塑性变形起阻碍作用。从宏观上来看，晶界处表现出有较高的强度和硬度，晶粒愈细小，晶界就愈多，它对塑性变形的阻碍作用就愈大，金属的强度、硬度也就愈高。§ 金属的结晶 一、结晶的概念：金属从液态转变为固态的过程叫结晶。每种金属在其平衡结晶温度（T0）下，液态金属与其晶体平衡共存（既不结晶也不熔化。例：冰水混合物）。实际结晶温度总是低于理论结晶温度（T0）。冷却曲线：金属冷却时的温度时间关系曲线。结晶潜热：解释冷却曲线中的水平线。过冷度：TT0T1二、金属的结晶过程：晶

9、核生成晶核长大，同时新的晶核不断生成并长大全部液体金属结晶完成，形成许多外形不规则的晶粒，由于各晶粒由不同晶核生成，晶格位向不同，形成晶界。：晶核生成、晶核长大两过程先后或同时进行。枝晶的生长：实际生产中T较大，首先在晶核的棱角处以较大的成长速度形成主干（一次轴），然后长出枝干（二次轴），由枝干再生枝干（三次轴），最后填充枝间间隙，整个枝晶长成为一个晶粒。§ 金属的同素异晶转变同素异晶（构）转变：在固态下存在着两种以上晶格形式的金属，随温度的改变，固态金属由一种晶格形式转变为另一种晶格形式的现象。同素异晶体：由同素异晶（构）转变得到的不同晶格的晶体。：同一金属的同素异晶体，按其稳定存在的温度，由低温到高温