金属材料组织与性能电子教案 第2单元教案6 合金的晶体结构

教案6授课教师课题名称单元二金属的晶体结构2.1纯金属的晶体结构2.2合金的晶体结构授课学科金属材料组织与性能授课班级授课地点课时2总学时48教学目标知识目标1.了解纯金属的晶体结构；同素异构转变等内容2.熟悉晶体与非晶体，晶格、晶胞、晶格常数。3.掌握合金的相结构，了解固溶体和金属化合物在合金组织中的作用能力目标1.能够对晶体结构模型的观察，提高观察能力2.通过对晶胞的概念理解，能够想象整体晶体结构。素质目标1.培养学生较好的分析和解决问题的方法和能力；2.培养学生严谨的工作态度和较强的质量和成本意识；3.熟悉中国材料工艺现状，提升民族自信；4.培养学生自强不息、勇于担当的责任感。教学重点纯金属的晶体结构；同素异构转变等内容教学难点晶体与非晶体，晶格、晶胞、晶格常数。教学方法讲授法、演示法、多媒体教学法、阅读指导法、讨论法教学手段多媒体教学课件教材及参考资料学情分析授课对象：智能轧钢技术专业一年级学生；前序课程：《工程力学》、《工程制图》等；已有技能：学生对材料发展历程以及材料力学的理论基础有了一定认识主要问题：对金属材料拉伸力学性能的测试方法缺乏认识与实践操作过程。教学过程教学内容师生活动思政元素设计案例课前回顾(5分钟）：导入新课（10分钟）讲授新知(70分钟)回顾上节课关于冲击韧性和金属疲劳的概念、试验原理和方法一、纯金属的晶体结构（一）晶体与非晶体所谓晶体就是指其内部粒子呈规则排列的物质，如水晶、食盐、金属等。由于晶体内的粒子呈规则排列，所以晶体具有下列特点：一般具有规则的外形，但晶体的外形不一定都是规则的，这与晶体形成条件有关，如果条件不具备，其外形也就变得不规则。2．有固定的熔点，例如，铁(Fe)的熔点为1538℃；铜(Cu)的熔点为1083℃；铝(Al)的熔点为660.37℃。3．具有各向异性。所谓各向异性，就是在同一晶体的不同方向上，具有不同的性能。（二）金属晶体结构基础知识晶格与晶胞为了便于描述晶体中原子的排列规律，把每一个原子的核心视为一个几何点，用直线按一定的规律把这些几何点连接起来，形成空间格子，把这种假想的格子称为晶格。晶格所包含的原子数量相当多，不便于研究分析，将能够代表原子排列规律的最小单元体划分出来，这种最小的单元体称为晶胞。晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。（三）常见的金属晶体结构金属的晶格类型有很多，由于金属原子趋向于紧密排列，所以在工业上使用的金属元素中，除了少数具有复杂的晶体结构外，绝大多数金属具有面心立方(fcc)、体心立方(bcc)和密排六方(hcp)三种典型的晶体结构。原子个数：每个晶胞实际占有的原子个数。原子半径：晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。致密度：晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大,原子排列紧密程度越大。二、合金的晶体结构。（一）合金由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为“合金”。例如，黄铜是铜和锌组成的合金，碳钢和铸铁是铁和碳组成的合金。（二）组元组成合金的最基本、独立的物质称为“组元”。组元可以是纯元素，也可以是稳定的化合物。金属材料的组元多为纯元素，陶瓷材料的组元多为化合物。（三）合金系由给定组元可按不同比例配制出一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成一个合金系统，简称合金系。两组元组成的为二元系，三组元组成的为三元系等。（四）相材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为“相”。若材料是由成分、结构相同的同种晶粒构成，尽管各晶粒之间有界面隔开，但它们仍属同种相。若材料由成分、结构都不相同的几部分构成的，则它们应属不同的相。例如，纯金属是单相合金，钢在室温下由铁素体和渗碳体两相组成，普通陶瓷系由晶相、玻璃相(即非晶相)与气相三相组成。“相结构”指的是相中原子的具体排列规律。（五）组织通常人眼看到或借助于显微镜观察到的材料内部的微观形貌(图像)称为组织。组织是与相有紧密联系的概念。相是构成组织的最基本组成部分。组织是材料性能的决定性因素。相同条件下，材料的性能随其组织的不同而变化。因此在工业生产中，控制和改变材料的组织具有相当重要的意义。（六）固溶体合金在固态时，组元之间相互溶解，形成在某一组元晶格中包含有其他组元原子的新相，这种新相称为固溶体。1．置换固溶体溶质原子替代溶剂的部分原子占据着晶格的正常位置，仍结合成溶剂的晶格类型所形成的固体，称为置换式固溶体，如图2.16(a)所示。形成置换固溶体的基本条件是溶质原子直径与溶剂原子直径相差较小。如果溶质与溶剂的晶格类型又相同时，溶质原子替代溶剂原子的数量可以很大(即溶解度很大)。2．间隙固溶体溶质原子存在于溶剂晶格间隙处所形成的固溶体，称为间隙固溶体，通常条件下，溶质原子直径与溶剂原子直径相差较大，两直径之比小于0.59时易形成此类固溶体。其溶解度是有限的。3.金属化合物当溶质的含量超过溶剂的溶解度时，溶质元素与溶剂元素相互作用形成一种不同于任一组元晶格的新物质，即金属化合物。一般可用分子式来表示组成，如钢中的渗碳体(Fe3C)。金属化合物具有高熔点、高硬度、脆性大的特点，在合金中主要作为强化相，用以提高材料的强度、硬度和耐磨性，但塑性、韧性有所降低。师：提问生：思考并回答问题师：教师利用多媒体课件、视频演示的方式进行讲解生：听老师讲授，认真记笔记师：演示计算fcc、bcc晶体结构的致密度。生：认真听讲并记录计算过程。。我国著名的材料学家在材料微观科学领域的贡献是巨大的，他们是我们师生学习的榜样，同学们在今后的学习中要不断进取，永攀知识高峰，为祖国的科学进步作出自己的贡献。（1)院士人物介绍：著名晶体学家奠基人之一郭可信院士的典型事迹。1985年郭可信和他的研究组发现五重旋转对称和Ti-V-Ni二十面体准晶，在国际学术界产生重要影响并获得高度评价，被称之为“中国相”，并于1987年获得国家自然科学一等奖。(2)王崇愚潜心研究金属缺陷电子理论，建立和构造相应的理论结构框架等，材料的快速发展离不开科研工作者及材料研发人员不懈的努力，培养学生科研强国的意识，潜心刻苦研究不计名利的科研精神。知识小结（3分钟）掌握纯金属及合金的晶体结构熟悉晶体与非晶体，晶格、晶胞、晶格常数概念。师：进行总结，给出答案生：认真听，记强化本次教学内容的重点