金属工艺学电子教案（ 4 ）
【课题编号】
4-2.1
【课题名称】
金属的晶体结构，纯金属的结晶
【教材版本】
郁兆昌主编．中等职业教育国家规划教材—金属工艺学（工程技术类）．第2版．北京：高等教育出版社，2006
【教学目标与要求】
一、知识目标
了解金属的晶体结构与结晶。
二、能力目标
了解金属内部结构对金属性能的影响。
三、素质目标
了解金属的晶体结构与结晶，金属内部结构对金属性能的影响。
四、教学要求
了解金属的晶体结构与结晶。
【教学重点】
常见的金属品格类型，金属的同素异晶转变。
【难点分析】
金属内部结构对金属性能的影响，金属的同素异晶转变现象。
【分析学生】
1.本次课涉及内容名词术语多，理论概念多，学生缺少感性认识，应着重理解和在理解基础上记忆，不要死记硬背。
2.本次课涉及能力要素也较偏向于理解，学生缺少这方面基础。
3.对学习中遇到的大量名词术语、概念，不易记住，学生易产生厌烦和马虎，教学中要引导学生认真学习，理解概念，为后面的学习打下基础。
【教学设计思路】
教学方法：讲练法、演示法、归纳法。
【教学资源】
1．郁兆昌，潘展，高楷模研编制作．金属工艺学网络课程．北京：高等教育出版社，2005
2．郁兆昌主编．金属工艺学教学参考书（附助学光盘）．北京：高等教育出版社，2005 【教学安排】
2学时（90分钟）
教学步骤：讲授与演示交叉进行、讲授中穿插练习与设问，最后进行归纳。
【教学过程】
一、复习旧课（10 分钟）
1．简述
布氏、洛氏硬度试验原理，表示方法，特点与应用
2．讲评实验、报告批改情况；
二、导入新课
金属的性能主要由金属内部组织结构决定的。为了正确地选用和加工金属材料，有必要了解金属内部结构及其对金属性能的影响。
三、新课教学（ 70 分钟）
1．金属的晶体结构（35分钟）
教师讲授晶体结构的基础知识、常见的金属晶格类型、金属的实际晶体结构。演示网络课程内容介绍、晶格与晶胞的概念、金属晶格与金属性能的关系两个视频。
学生课堂练习：2-1题晶体、多晶体、晶粒、晶界；2-2题。教师巡回指导，教师设问，学生举手回答或提问，进行讲评。
2．纯金属的结晶（35分钟）
教师讲授纯金属的冷却曲线与过冷度、结晶过程、晶粒大小及细化方法，金属的同素异晶转变。
演示网络过程纯金属结晶过程、增加过冷度细化晶粒、变质处理细化晶粒和纯铁丝四通电加热实验四个视频。
学生课堂练习：题2-5、2-8。教师巡回指导，教师设问。学生回答或提问，教师讲评。
四、小结（ 10 分钟）
常见的金属品格类型，金属的同素异晶转变，Fe的相变温度和δ-Fe、r-Fe、α-Fe 的晶体结构
五、作业布置
1．习题：
题2-3；2-6。
2．思考题：
题2-4；2-7。
【板书设计】
参考相应的PPT文集。
【教学后记】
3.3 实际金属的晶体结构 一、多晶体结构和亚结构 实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部的晶格位向也不是完全一致的，而是包含着许许多多彼此间位向不同的、称之为晶粒的颗粒状小晶体。而晶粒之间的界面称为晶界。这种实际上由许多晶粒组成的晶体结构称为多晶体结构（polycrystalline structure）。一般金属材料都是多晶体（图3-12）。通常测得的金属性能是各个位向不同的晶粒的平均值，故显示出各向同性。 图3—12 多晶体结构示意图 实践证明，即使在一个晶粒内部，其晶格位向也并不是象理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块。它们相互嵌镶成一颗晶粒。这些小晶块称为亚结构。可见，只有在亚结构内部，晶格的位向才是一致的。 二、晶体缺陷 实际晶体还因种种原因存在着偏离理想完整点阵的部位或结构，称为晶体缺陷（crystal defect）。晶体缺陷的存在及其多寡，是研究晶体结构、金属塑性变形的关键问题。根据其几何特性，晶体的缺陷可分为三类： 1．点缺陷——空位和间隙原子 实际晶体未被原子占有的晶格结点称为空位；而不占有正常晶格位置而处于晶格空隙之间的原子则称为间隙原子。在空位或间隙原子的附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的原子离开了原来的平衡位置，即产生所谓的晶格畸变。空位和间隙原子都处于不断的运动和变化之中，这对于热处理和化学处理过程都是极为重要的。 2．线缺陷——位错 晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象称为位错（dislocation）。有刃型
和螺型两种位错。 刃型位错如图3-13所示。垂直方向的原子面EFGH中断于水平晶面ABCD上的EF处，就像刀刃一样切入晶体，使得晶体中位于ABCD面的上、下两部分出现错排现象。EF线称为刃型位错线。在位错线附近区域，晶格发生畸变，导致ABCD晶面上、下方位错线附近的区域内，晶体分别受到压应力和拉应力。符号“┴”和“┬”分别表示多出的原子面在晶体的上半部和下半部，分别称为正、负刃型位错。 图3—13 刃型位错示意图 螺型位错如图3-14所示。晶体在BC右方的上、下两部分原子排列沿ABCD晶面发生了错动。aa’右边晶体上、下层原子相对移动了一原子间距，而在BC和aa’之间形成了一个上下层原子不相吻合的过渡区域，这里的原子平面被扭成了螺旋面。在原子面上，每绕位错线一周就推进了一个晶面间距。显然，螺型位错附近区域的晶格也发生了严重畸变，形成了一个应力集中区。 3．面缺陷——晶界和亚晶界 晶界实际上是不同位向晶粒之间原子排列无规则的过渡层（图3-15）。晶界处晶格处于畸变状态，导致其能量高于晶粒内部能量，常温下显示较高的强度和硬度，容易被腐蚀，熔点较低，原子扩散较快。
第二章作业 2－1 常见的金属晶体结构有哪几种它们的原子排列和晶格常数有什么特点 V、Mg、Zn 各属何种结构答：常见晶体结构有 3 种：⑴体心立方：－Fe、Cr、V ⑵面心立方：－Fe、Al、Cu、Ni ⑶密排六方：Mg、Zn －Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、 2---7 为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。第三章作业3－2 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；⑴金属模浇注与砂模浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑷浇注时采用振动与不采用振动；⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。答：晶粒大小：⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小第四章作业 4－4 在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好试用多晶体塑性变形的特点予以解释。答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。原因是：（1）强度高：Hall-Petch 公式。晶界越多，越难滑移。（2）塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。（3）韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。 4－6 生产中加工长的精密细杠（或轴）时，常在半精加工后，将将丝杠吊挂起来并用木锤沿全长轻击几遍在吊挂 7~15 天，然后再精加工。试解释这样做的目的及其原因答：这叫时效处理一般是在工件热处理之后进行原因用木锤轻击是为了尽快消除工件内部应力减少成品形变应力吊起来，是细长工件的一种存放形式吊个7 天，让工件释放应力的时间，轴越粗放的时间越长。 4－8 钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）答：W、Sn 的最低再结晶温度分别为: TR(W) =（～×(3410+273)－273 =（1200～1568）(℃)＞1000℃ TR(Sn) =（～×(232+273)－273 =（-71～-20）(℃) ＜25℃ 所以 W 在1000℃时为冷加工，Sn 在室温下为热加工 4－9 用下列三种方法制造齿轮，哪一种比较理想为什么（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。答：齿轮的材料、加工与加工工艺有一定的原则，同时也要根据实际情况具体而定，总的原则是满足使用要求；加工便当；性价比最佳。对齿轮而言，要看是干什么用的齿轮，对于精度要求不高的，使用频率不高，强度也没什么要求的，方法 1、2 都可以，用方法 3 反倒是画蛇添足了。对于精密传动齿轮和高速运转齿轮及对强度和可靠性要求高的齿轮，方法 3 就是合理的。经过锻造的齿坯，金属内部晶粒更加细化，内应力均匀，材料的杂质更少，相对材料的强度也有所提高，经过锻造的毛坯加工的齿轮精度稳定，强度更好。 4－10 用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，保温后再次吊装工件时钢丝绳发生断裂，试分析原因答：由于冷拔钢丝在生产过程中受到挤压作用产生了加工硬化使钢丝本身具有一定的强度和硬度，那么再吊重物时才有足够的强度，当将钢丝绳和工件放置在1000℃炉内进行加热和保温后，等于对钢丝绳进行了回复和再结晶处理，所以使钢丝绳的性能大大下降，所以再吊重物时发生断裂。 4－11 在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又像最初一样柔软这是什么原因答：铅板在室温下的加工属于热加工，加工硬化的同时伴随回复和再结晶过程。越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成，而过一段时间又会变软是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上，所以伴随着回复和再结晶过程，等轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒，硬度和塑性又恢复到了未变形之前。第五章作业 5－3 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体异同答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体：从 A 中析出的渗碳体称为二次渗碳体。三次渗碳体：从 F 中析出的渗碳体称为三次渗碳体共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗
第四讲金属结晶的现象及条件 第一节金属结晶的现象 一、主要内容： 金属结晶的宏观现象 金属结晶的微观现象 二、要点： 金属结晶的热分析曲线，热分析法，过冷现象，过冷度，结晶潜热，金属结晶的热分析曲线分析，金属结晶的微观过程分析，形核，晶核长大。 三、方法说明： 首先介绍热分析法，说明热分析曲线，介绍金属的热分析曲线的特征，说明过冷现象，过冷度，结晶潜热，金属结晶的微观现象，可举例说明晶核的形成和长大的过程，如窗花，盐，冰，植物等增加学生的感性认识和对形核、长大的理解。 授课内容： 物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。 凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。若凝固后的物质为晶体，则这种凝固称为结晶。 一、金属结晶过程中的宏观现象 热分析法：将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后插入热电偶测量温度，让液态金属缓慢而均匀的冷却，用X－Y记录仪将冷却过程中的温度与时间记录下来，获得冷却曲线，这种实验方法叫热分析法。如图 图1 热分析实验装置示意图图2 纯金属的冷却曲线 2、热分析曲线：纯金属的冷却曲线，即温度随时间的变化曲线。 3、过冷现象：金属的实际开始凝固温度Tn总是低于理论凝固温度Tm的现象。 4、过冷度：理论凝固温度与实际开始凝固温度之差,即Δ T＝Tm-Tn。 结晶潜热：金属熔化时从固态转变为液态需要吸收热量，而结晶时从液态转化为固态要放出热量，前者叫熔化潜热，后者叫结晶潜热。 二、金属结晶的微观过程 金属的结晶是一个晶核的形成和晶核的长大过程。
第二节金属结晶的热力学条件 第三节金属结晶的结构条件 一、主要内容： 金属结晶的驱动力和热力学条件 结构起伏的概念 二、要点： 热力学第二定律，物质系统，自发过程，熵的概念， 金属结晶过程液固两相自由能之差的推导， 液相、固相自由能随温度变化示意图 晶胚，晶核，近程有序，远程有序，液态金属的结构，液态金属中不同尺寸结构起伏出现的几率，最大结构起伏尺寸与过冷度的关系 三、方法说明： 熵，物质系统，自发过程等概念较抽象，打比方形象的说明有利于学生的理解。 用液态金属的宏观特性解释液态金属的微观结构，解释金属结晶的微观过程，讲清晶胚，晶核等概念及影响因素，说明金属结晶的结构条件 授课内容： 第二节金属结晶的热力学条件 热力学第二定律：在等温等压下，过程自发进行的方向是体系自由能降低的方向。自由能G 用下式表示： G=H-TS， 式中，H是焓；T是绝对温度；S是熵，可推导得 dG＝ Vdp－ SdT。 在等压时，dp=0，故上式简化为： dG＝－ SdT。 由于熵恒为正值，所以自由能是随温度增高而减小。 图3 自由能随温度变化的示意图
第二章纯金属的结晶 (一) 填空题 1．金属结晶两个密切联系的基本过程是和 2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为，通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为。 3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是 4．铸锭和铸件的区别是。 铸锭是将熔化的金属倒入永久的或可以重复使用的铸模中制造出来的。凝固之后，这些锭（或棒料、板坯或方坯，根据容器而定）被进一步机械加工成多种新的形状。用铸造方法获得的金属物件，即把熔炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其他方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理和后处理，所得到的具有一定形状，尺寸和性能的物件。 5．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是 6．金属冷却时的结晶过程是一个热过程。 7．液态金属的结构特点为。 8．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的，薄铸件的晶粒比厚铸件。 9．过冷度是。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越。 (二) 判断题 1 凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。 2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。 3．近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。( ) 4．金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的过程。( ) 5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。( ) 6．在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大时，晶核的长大速度则很快减小。 7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。 9．在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细 10．在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。 11．在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。 14．在实际生产条件下，金属凝固时的过冷度都很小(<20℃)，其主要原因是由于非均匀 形核的结果。( ) 15．过冷是结晶的必要条件，无论过冷度大小，均能保证结晶过程得以进行。( ) (三) 选择题 1 液态金属结晶的基本过程是 A．边形核边长大B．先形核后长大 C．自发形核和非自发形核D．枝晶生长 2．液态金属结晶时，越大，结晶后金属的晶粒越细小。 A．形核率N B．长大率G C．比值N／G D．比值G／N 3．过冷度越大，则 A．N增大、G减少，所以晶粒细小B．N增大、G增大，所以晶粒细小 C N增大、G增大，所以晶粒粗大D．N减少、G减少，所以晶粒细小 4．纯金属结晶时，冷却速度越快，则实际结晶温度将。 A．越高 B 越低C．越接近理论结晶温度D．没有变化 5．若纯金属结晶过程处在液—固两相平衡共存状态下，此时的温度将比理论结晶温度A．更高B．更低C；相等D．高低波动 T0为金属的晶体与液体平衡共存的温度，称为理论结晶温度。显然，在这一温度时，金属的结晶速度与熔化速度相等，所以只有进一步冷却，使金属的实际结晶温度Tn低于，T。时，结晶才能进行。结晶时Tn低于T0的现象称为过冷。纯金属的冷却曲线出现一个水
结晶过程观察与纯金属铸锭组织分析 一、实验目的 1．熟悉盐类和金属的结晶过程。 2．了解铸造条件对纯金属铸锭组织的影响。 二、实验原理 熔化状态的金属进行冷却时，当温度降到T m （熔点）时并不立即开始结晶，而是当降到T m以下的某一温度后结晶才开始，这一现象称为过冷。熔点T m与开始结晶的温度T m之差Δ T 称为过冷度。过冷现象表明，金属结晶必须有一定的过冷度，只有具有一定的过冷度下才能为结晶提供相变驱动力。 结晶由两个基本过程所组成，即过冷液体产生细小的结晶核心（形核）以及这些核心的成长（长大）。其中，形核又分为均匀形核和非均匀形核。通常情况下，由于外来杂质、容器或模壁等的影响，一般都是非均匀形核。 由于金属不透明，通常不能用显微镜直接观察液态金属的结晶过程。然而通过采用生物显微镜可以直接观察盐溶液的结晶过程。实践证明，对透明盐类结晶过程的研究所得出的许多结论，对于金属的结晶都是适用的。 在玻璃片上摘上一滴接近饱和的氯化铵水溶液，放在生物显微镜下观察其结晶过程。随着液体的蒸发，液体逐渐达到饱和。由于液滴边缘处最薄，将首先达到饱和，放结晶过程首先从边线开始，然后逐渐向里扩展。 结晶的第一阶段是在液滴的最外层形成一圈细小的等轴晶体。这是由于液滴外层蒸发最快，在短时间内形成了大量晶核之故。 结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体，其成长的方向是伸向液滴的中心。这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序是由外向里的，最外层的细小等轴晶中只有少数位向有利的才能向中心生长，而其横向生长则受到了彼此间的限制，因而形成了比较粗大、带有方向性的柱状晶体。 结晶的第三阶段是在液滴中心部分形成不同位向的等轴晶体。这是由于液滴的中心此时也变得较薄,蒸发也较快,同时液体的补充也不足的缘故。这时可以看到明显的等轴晶体。 图4-1示出了氯化铵水溶液结晶过程的一组照片，其中( a )、( b )为在液滴边缘形成的细小等轴晶体和正在生长的柱状晶体,( c )为在液滴中心部分形成的位向不同的等轴枝晶。 利用化学中的取代反应，可以看到置换出来的金属以枝晶形式进行生长的过程。例如，在硝酸银水溶液中放入一小段细铜丝，铜将发生溶解，而银则以枝晶形态沉积出来，其反应式为：
淮安信息职业技术学院教案首页 一、章节：第二章纯金属与合金的晶体结构 第一节纯金属的晶体结构第二节纯金属的实际晶体结构第三节合金的晶体结构 二、教学目的：使学生了解纯金属与合金的晶体结构，晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。 三、教学方法： 讲授法。 四、教学重点： 晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。 五、教学难点： 晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。 六、使用教具： 挂图。 七、课后作业： P17：1、2、6。 八、课后小结：
第二章纯金属与合金的晶体结构 第一节纯金属的晶体结构 一、晶体结构的基本知识 1．晶体与非晶体 晶体内部的原子按一定几何形状作有规则地重复排列，如金钢石、石墨及固态金属与合金。而非晶体内部的原子无规律地规律地堆积在一起，如沥青、玻璃、松香等。 晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定的熔点，且各向同性。 2．晶体管格与晶胞 为便于分析晶体中原子排列规律，可将原子近似地看成一个点，并用假想的线条将各原子中心连接起来，便形成一个空间格子。 晶格——抽象的、用于描述原子在晶体中的规则排列方式的空间几何图形。结点——晶格中直线的交点。 晶胞——晶格是由一些最基本的几何单元周期重复排列而成的，这种最基本的几何单元称为晶胞。
晶胞大小和形状可用晶胞的三条棱长a、b、c（单位，1A=108cm）和棱边夹角来描述，其中a、b、c称为晶格常数。 各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，故呈现出不同的物理、化学及力学性能。 二、常见的晶格类型 1．体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞为一立方体，立方体的八个顶角各排列着一个原子，立方体的中心有一个原子。其晶格常数a=b=c。属于这种晶格类型的金属有α铁、铬、钨、钼、钒等。 2．面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列一个原子。属于这种晶格类型的金属有γ铁、铝、铜墙铁壁、镍、金、银等。 3．密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，柱体的十二个顶角和上、下中心各排列着一个原子，在上、下面之间还有三个原子。属于这种晶格类型的金属有镁、锌、铍等、α－Ti。 晶格类型不同，原子排列的致密度也不同。体心立方晶格的致
纯金属的凝固习题与答案 1 说明下列基本概念 凝固、结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核半径、临界晶核形核功、形核率、生长线速度、光滑界面、粗糙界面、动态过冷度、柱状晶、等轴晶、树枝状晶、单晶、非晶态、微晶、液晶。 2 当球状晶核在液相中形成时，系统自由能的变化为σππ2 3344r G r G V +?=?， (1)求临界晶核半径c r ；(2)证明V V c c G A G c ?- ==?2 31 σ(c V 为临界晶核体积)；(3)说明上式的物理 意义。 3 试比较均匀形核与非均匀形核的异同点，说明为什么非均匀形核往往比均匀形核更容易进行。 4 何谓动态过冷度?说明动态过冷度与晶体生长的关系。在单晶制备时控制动态过冷度的意义？ 5 分析在负温度梯度下，液态金属结晶出树枝晶的过程。 6 在同样的负温度梯下，为什么Pb 结晶出树枝状晶而Si 的结晶界面却是平整的? 7 实际生产中怎样控制铸件的晶粒大小?试举例说明。 8 何谓非晶态金属?简述几种制备非晶态金属的方法。非晶态金属与晶态金属的结构和性能有什么不同。 9 何谓急冷凝固技术?在急冷条件下会得到哪些不同于一般晶体的组织、结构?能获得何种新材料? . 计算当压力增加到500×105 Pa 时锡的熔点的变化，已知在105 Pa 下,锡的熔点为505K ，熔化热7196J/mol ，摩尔质量为× 10-3 kg/mol ，固体锡的体积质量×103 kg/m 3 ，熔化时的体积变化为+%。 2. 考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：ΔT=1，10，100和200℃，计算： (a)临界晶核尺寸；(b)半径为r*的团簇个数； (c)从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔGv ； (d)从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化 ΔGv 。 铝的熔点T m =993K ，单位体积熔化热ΔH f =×109 J/m 3 ，固液界面自由能γsc =93J/m 2 ，原子体积V 0=×10-29 m 3 。 3. (a)已知液态纯镍在×105 Pa(1个大气压)，过冷度为319℃时发生均匀形核。设临界晶核半径为1nm ，纯镍的熔点为
引言 金属学是研究金属及合金的成分、组织、结构与力学性能之间关系的科学。所谓力学性能主要指材料的强度、硬度和塑性。通常用来承受载荷的零件要求材料具有一定的力学性能，我们称这类材料为结构材料。与结构材料对应的另一类材料是功能材料，它一般不要求承受载荷，主要使用它的物理性能，如光、电、磁性能等。功能材料利用它对光、电、磁的敏感特性制作各类传感器。 金属学只讨论金属材料的力学性能，不涉及物理性能。 固态金属通常是晶体，金属学研究的最小结构单元是原子。原子通过不同的排列可构成各种不同的晶体结构，产生不同的性能。原子结构不是金属学研究的范畴。 第1章金属的晶体结构 1-1金属及金属键 金属的定义根据学科的不同有多种划分方法。本人倾向按结合键的性质来划分，即金属是具有金属键的一类物质。这种分类的好处是有利于解释与金属力学性能相关的现象。例如，为什么金属具有较好的塑性？ 什么是金属键、离子键、共价键我们早就熟知，金属键的最大特点是无饱和性、无方向性。以后我们将会看到，正是这些特点使金属具有较好的塑性。 研究表明，固态金属通常是晶体，且其结构趋于密堆积结构。这是为什么？下面我们用双原子模型来说明。 当两个原子相距很远时，它们之间不发生作用。当它们逐渐靠近时，一个原子的原子核与另一个原子的核外电子之间将产生引力；而两原子的原子核及电子之间产生斥力。研究表明，引力是长程力，斥力是短程力，即距离较远时，引力大于斥力，表现为相互吸引。随着原子距离的减小，斥力增加的速度逐渐大于引力增加的速度。显然这样作用的结果必然存在一个平衡距离d0，此时，引力等于斥力，偏离这一距离时，都将受到一个恢复力，如P3图2。d c对应最大恢复引力，即最大结合力，它对应着金属的理论抗拉强度。 下面，我们从能量的角度来考虑系统的稳定性。在引力作用下原子移近所做的功使原子的势能降低，所以吸引能是负值。相反，排斥能是正值。吸引能
第三讲纯金属的晶体结构 1.典型金属的晶体结构 考点再现：这一部分08年09年10年都有所涉及，10年考了晶胞致密度的概念，这部分以名词解释，填空为主，需要在理解的基础上记忆，但是总体上说难度不大，但是却很重点。考试要求：记忆，特别是理解基础上的记忆，对于一些内容需要会一定的推导。 知识点： 晶胞中的原子数：完全属于该晶胞的原子数。★★★ 配位数：晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数（CN）。★★★★ 致密度：晶体结构中的原子体积占总体积的百分比（k）。★★★★ 八面体间隙：位于6个原子所组成的8面体中间的间隙。★★★ 四面体间隙：位于4个原子所组成的4面体中间的间隙。★★★ 典型金属晶体结构有（面心立方fcc），（体心立方bcc），（密排六方hcp）★★★★★
fcc bcc hcp 面心立方结构n = 8×1/8 + 6×1/2 = 4 体心立方结构n = 8×1/8 + 1 =2 密排六方结构n = 12×1/6 +2×1/2 +3 = 6 三种典型金属晶体结构特征 晶体类型原子密排面原子密排方 向晶胞中的原 子数 配位数CN 致密度K A1（fcc）{111} <110> 4 12 0.74 A2（bcc）{110} <111> 2 8，（8+6）0.68 A3（hcp）{0001} <11-20> 6 12 0.74 对于金属晶体结构的这一部分的主要内容都集中在这个表上，在这些方面里，我们更加侧重密排面和密排方向以及致密度的掌握，这是本讲内容的一个重点。 而对于本讲的另一个重点就是关于间隙问题的讨论。 我们知道位于6个原子所组成的8面体中间的间隙。位于4个原子所组成的4面体中间的间隙。单8面体间隙和四面体间隙时如何排布的呢，我们由图可以清楚的了解。
纯金属的晶体结构
1．三种常见的金属晶体结构 固态物质按其原子的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体，晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列的物体，如金刚石、水晶、金属等。非晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体，如松香、石蜡、玻璃等。在一定的条件下晶体和非晶体可以互相转化（I2-1）。 晶体结构是晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。晶格是假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。能反映晶格特征的最小组成单元称为晶胞（I2-2）。晶格常数指的是晶胞的三个棱边的长度a,b,c。 常见的金属晶体结构有 ⑴体心立方晶格（BCC—Body-Centered Cube），典型代表为钼（Mo）、钨、钒、铬、铌、α-Fe等，八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，如图2所示。 ⑵面心立方晶格（FCC—Face-Centered Cube），典型代表为铝、铜、镍、金、银、γ-Fe等，原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图1所示。 ⑶密排六方晶格（HCP—Hexagonal Close-Packed）典型代表为镁、镉（Cd）、锌、铍（Be）等。12个原子分布在六方体的12个角上，上下底面中心各分布一个原子，上下底面之间均匀分布3个原子，如图3所示。 图1面心立方晶格图2体心立方晶格图3密排六方晶格 原子半径指的是晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半，致密度指的是晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。 体心立方模型与晶胞示意图（I2-3）,在体心立方晶格中如图4： 图 4 晶格常数：a=b=c；a=b=g=90° 晶胞原子数：2 原子半径： 致密度：0.68 面心立方模型与晶胞示意图（I2-4），在面心立方晶格中如图5： 图 5 晶格常数：a=b=c；a=b=g=90° 晶胞原子数：4 原子半径：
第二章作业2－1 常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？V、Mg、Zn 各属何种结构？答：常见晶体结构有 3 种：⑴体心立方：－Fe、Cr、V ⑵面心立方：－Fe、Al、Cu、Ni ⑶密排六方：Mg、Zn －Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、2---7 为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。第三章作业3－2 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；⑴金属模浇注与砂模浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑷浇注时采用振动与不采用振动；⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。答：晶粒大小：⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小第四章作业4－4 在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好？试用多晶体塑性变形的特点予以解释。答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。原因是：（1）强度高：Hall-Petch 公式。晶界越多，越难滑移。（2）塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。（3）韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。4－6 生产中加工长的精密细杠（或轴）时，常在半精加工后，将将丝杠吊挂起来并用木锤沿全长轻击几遍在吊挂7~15 天，然后再精加工。试解释这样做的目的及其原因？答：这叫时效处理一般是在工件热处理之后进行原因用木锤轻击是为了尽快消除工件内部应力减少成品形变应力吊起来，是细长工件的一种存放形式吊个7 天，让工件释放应力的时间，轴越粗放的时间越长。4－8 钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）？答：W、Sn 的最低再结晶温度分别为: TR(W) =（0.4～0.5)×(3410+273)－273 =（1200～1568）(℃)＞1000℃ TR(Sn) =（0.4～0.5)×(232+273)－273 =（-71～-20）(℃) ＜25℃所以W 在1000℃时为冷加工，Sn 在室温下为热加工4－9 用下列三种方法制造齿轮，哪一种比较理想？为什么？（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。答：齿轮的材料、加工与加工工艺有一定的原则，同时也要根据实际情况具体而定，总的原则是满足使用要求；加工便当；性价比最佳。对齿轮而言，要看是干什么用的齿轮，对于精度要求不高的，使用频率不高，强度也没什么要求的，方法1、2 都可以，用方法3 反倒是画蛇添足了。对于精密传动齿轮和高速运转齿轮及对强度和可靠性要求高的齿轮，方法3 就是合理的。经过锻造的齿坯，金属内部晶粒更加细化，内应力均匀，材料的杂质更少，相对材料的强度也有所提高，经过锻造的毛坯加工的齿轮精度稳定，强度更好。4－10 用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，保温后再次吊装工件时钢丝绳发生断裂，试分析原因？答：由于冷拔钢丝在生产过程中受到挤压作用产生了加工硬化使钢丝本身具有一定的强度和硬度，那么再吊重物时才有足够的强度，当将钢丝绳和工件放置在1000℃炉内进行加热和保温后，等于对钢丝绳进行了回复和再结晶处理，所以使钢丝绳的性能大大下降，所以再吊重物时发生断裂。4－11 在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又像最初一样柔软这是什么原因？答：铅板在室温下的加工属于热加工，加工硬化的同时伴随回复和再结晶过程。越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成，而过一段时间又会变软是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上，所以伴随着回复和再结晶过程，等轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒，硬度和塑性又恢复到了未变形之前。第五章作业5－3 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体异同？答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体：从 A 中析出的渗碳体称为二次渗碳体。三次渗碳体：从 F 中析出的渗碳体称为三次渗碳体共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体共析渗碳体：经共
第三讲实际金属的晶体结构 第三节实际金属的晶体结构 一、主要内容： 晶体缺陷的概念，研究晶体缺陷的意义，晶体缺陷的种类 点缺陷的概念、种类，点缺陷产生的原因，晶格畸变的概念，间隙原子，置换原子，晶格空位， 线缺陷的概念，线缺陷的种类，刃型位错、螺型位错的特征，正刃型位错、负刃型位错，左螺型位错、右螺型位错，混合型位错，位错周围的应力场，位错周围的晶格畸变，柏氏矢量的概念，柏氏矢量的确定、表示方法，用柏氏矢量判断位错的类型，位错密度，位错在晶体中的特性。 面缺陷的种类，晶体表面，晶界，小角度晶界，大角度晶界，亚晶界，堆垛层错，相界，晶界的特性。 二、要点： 缺陷的概念及缺陷的种类。 三、方法说明; 晶体内部的缺陷确实存在，晶体内部的缺陷对金属的性能有很大的影响甚至起着决定性的作用。应该了解晶界与相界的区别，晶界的特性。 重点概念：是晶格畸变，间隙原子，置换原子，位错，亚结构。 难点：是螺型位错，用模型讲述会更清楚。 授课内容： 一、点缺陷 点缺陷的类型及特点： 金属晶体中常见的点缺陷有：空位、间隙原子、置换原子等。 晶体中位于晶格结点上的原子并非静止不动的，而是以其平衡位置为中心作热运动。当某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，克服周围原子对它的制约，跳出其所在的位置，使晶格中形成空结点，称空位。挤入间隙的原子叫间隙原子； 占据在原来晶格结点的异类原子叫置换原子。 1、空位 空位是一种热平衡缺陷,即在一定温度下,空位有一定的平衡浓度。空位在晶体中的位置不是固定不变的,而是不断运动变化的。空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡位置的原子大致有三个去处： (1)迁移到晶体表面上,这样所产生的空位叫肖脱基空位； (2)迁移到晶格的间隙中,这样所形成的空位叫弗兰克尔空位； (3)迁移到其他空位处,这样虽然不产生新的空位,但可以使空位变换位置。 晶格畸变：由于空位的存在。其周围原子失去了一个近邻原子而使相互间的作用失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，偏离其平衡位置，就会在空位周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，叫晶格畸变。 2、间隙原子 处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。在形成弗兰克尔空位的同时,也形成一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子,他们都会造成严重的晶体畸变。间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。 3、置换原子
《金属材料与热处理》导学案主备人：栾义审核人：栾义编号：003 §1-2 纯金属的结晶 【使用说明】 1、依据学习目标，全体同学积极主动的根据教材内容认真预习并完 成导学案，小组长做好监督与检查，确保每位同学都能认真及时的预习相关知识。 2、结合导学案中的问题提示，认真研读教材，回答相关问题。 3、要求每位同学认真预习、研读课本，找出不明白的问题，用红笔 做好标记。 【学习目标】 1、知识与技能：了解纯金属的结晶过程，掌握晶粒大小对金属材料 性能的影响和纯铁的同素异构转变。 2、学习与方法：通过研读课本，积极讨论，踊跃展示，理解纯金属 的结晶过程规律与金属材料的性能之间的密切关系。 3、情感态度价值观：激情投入，大胆质疑，快乐学习。 【重点难点】 纯金属的结晶过程 纯铁的冷却曲线 【自主学习】
班级：姓名：使用时间：年月日结晶过程重要级别：★★★★ 冷却曲线重要级别：★★★★★ 细化晶粒重要级别：★★★★ 同素异构转变重要级别：★★★★★ 【合作探究】 1、什么是结晶、结晶潜热？ 2、什么是过冷度？其大小与什么有关？ 3、什么是同素异构转变？具有同素异构转变的金属有哪些？ 4、纯金属结晶时，其冷却曲线为何有一段水平线？结晶由哪两个基本过程组成（结晶的普遍规律）？ 5、晶粒大小对金属材料性能有什么影响？分析影响晶粒大小的因素
《金属材料与热处理》导学案主备人：栾义审核人：栾义编号：003 有哪些？铸件在浇铸过程中是如何细化晶粒的？ 6、金属的同素异构转变与液态金属的结晶相比有哪些异同点？ 7、分析纯铁的冷却曲线，有哪几条特殊恒温线？钢铁能够进行热处理的重要依据是什么？ 【课后作业】(自己默写，组长监督) 1、理解掌握本导学案内容，并完成习题册第一章第二节相关题目。【学后反思】
金属结晶的现象 一、晶体结晶过程的宏观现象（过冷度和结晶潜热）。 1)过冷度（ΔT=T m-T n） 2)过冷度和金属的属性和冷却速度有关。 3)金属不同，过冷度不同；金属的纯度越高，过冷度越大；冷却 速度越快，过冷度越大。 4)相变潜热1摩尔物资从一个相转变为另一个相时，伴随着吸 收或放出的热量。金属由固态变为液态，需要吸热；由液态 变为固态需要放热。前者称为融化潜热，后者称为结晶潜热。 二、从微观上说，金属的结晶过程就是形核和长大的过程。 1)当金属液体冷却到实际结晶温度时，晶核并未立即出生，而是 经过一段时间才出现第一批晶核。结晶开始前的这段停留时间 称为孕育期。 2)晶核由晶胚形成。 3)由一个晶核长成的晶体就是一个晶粒。 4)一个晶粒内存在很多晶胞，并且晶胞位向一致。 5)因此单晶体表现出各向异性。 6)由两个以上晶粒组成的晶体称为多晶体。 7)一般的金属都是多晶体。并且由无数个晶粒组成。 8)各晶粒位向各异，相互抵消。 9)所以一般金属不表现出各向异性。 金属结晶的热力学条件
1、热力学第二定律:在等温等压条件下，物质系统总是自发的从自 由能较高的状态向自由能较低的状态转变。 2、自由能之差是促进金属相变的热力学条件，即相变驱动力。 3、 4、由上图可知：过冷度越大，自由能之差越大，且液相和固相自 由能之差与过冷度成正比。在过冷度等于0时，自由能之差也为0。 5、过冷度越大，自由能之差越大，相变驱动力越大，结晶速度越 快。 金属结晶的结构条件 1、液态金属的一个重要特点就是相起伏。只有在过冷液中相起伏 才能形成晶胚。但不是所有晶胚都可以转化成晶核。下节将讨论晶胚转化成晶核的条件。
纯金属的结晶 一、填空题 1.金属的结晶是指由原子排列转变为原子 排列的过程。 2.金属的结晶过程是由和两个基本过程组成的。 3.细化晶粒的根本途径是提高并控制。 4.常用的细化晶体颗粒的方法有、和三种。 5. 结晶温度和结晶温度之间存在的温度差称为用 表示。 6.金属结晶时，过冷度的大小与有关，冷却，其实际结晶的温度就，过冷度也就。 7.金属材料的晶粒越细，和性能越高。 8.金属的结晶过程可以通过进行研究并绘制冷却曲线图，图中纵坐标表示，横坐标表示。 9.形核率越，长大速度越，则结晶后的晶粒越细小。 10.晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象叫做。 11.晶体中存在、、、、 、等结构缺陷，都会造成，引起 增大，从而使材料的提高。 12.晶界越多使金属材料的力学性能越。 13.金属在下，随的改变，由转变为的现象称为同素异构转变。 二、选择题 1.金刚石和石墨具有相同。（） A.组成原子 B.力学性能 C.晶格类型 D.显微组织 2.合金固溶强化的基本原因是（） A.晶粒变细 B.晶格发生畸变 C.晶格类型发生了改变 D.以上都不是 3.金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将（）
A.越高 B.越低 C.越接近理论结晶温度 D.等于理论结晶温度 4.为了细化晶粒，可采用（） A.快速浇注 B.加变质剂 C.以砂型代金属型 D.都不行 5.金属发生结构改变的温度称为（） A.凝固点 B.临界点 C.过冷度 D.结晶温度 6.面心立方晶格的原子数为（） A.12 B.14 C.17 D.9 7.以下金属中属于体心立方晶格的是（） A. Cu B. γ-Fe C. Fe3C D. Cr 8.下列说法错误的是（） A.纯金属的结晶是在恒温下进行的 B.纯金属结晶所用的时间是指冷却到室温的时间 C.结晶结束，不再有结晶潜热释放出来 D.理论结晶温度与实际结晶温度之间存在温度差 9.下列不属于细化晶粒的方法是（） A.超声波震动 B.电磁震动 C.机械震动 D.加热保温 10.下列物质中属于非晶体的是（） A.硫酸铜 B.明矾 C.食盐 D.松香 11.金属凝固前向金属液体中加入变质剂，主要是（） A.增加晶粒体积 B.使晶粒变细 C.降低结晶速度 D.使晶粒变成单晶体 12.以下各细化晶粒方法中与长大速度有关的是（） A.变质处理 B.增加过冷度 C.震动处理 D.加热处理 三、综合分析题 如图为纯金属的冷却曲线，试解答下列问题：