金属材料教案-金属的结晶

第三章金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。

§3.1 结晶的过程和条件一、液态金属的结构特点金属键：导电性，正电阻温度系数近程有序：近程规则排列的原子集团结构起伏：近程规则排列的原子集团是不稳定的，处于时聚时散，时起时伏，此起彼伏，不断变化和运动之中，称为结构起伏。

结晶的结构条件：当近程规则排列的原子集团达到一定的尺寸时，可能成为结晶核心称为晶核, 即由液态金属的结构起伏提供了结晶核心。

结构起伏是金属结晶的结构条件。

二、结晶过程形核：液相中出现结晶核心即晶核；晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新晶核不断形成并长大；不断形核、不断长大；晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。

单晶体与多晶体三、结晶的过冷现象用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。

由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象称为过冷。

液态金属过冷是结晶的必要条件。

过冷度：△T=Tm-Tn, 其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。

四、结晶的热力学条件热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。

热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。

利用最小自由焓原理分析结晶过程。

两相自由焓差是相变的驱动力。

金属结晶的热力学条件：固相自由焓必须低于液相自由焓。

热力学条件与过冷条件的一致性。

§3.2 形核的规律形核方式：均匀形核（自发形核）与非均匀形核（非自发形核）。

一、均匀形核均匀形核：当液态金属很纯净时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。

第二章纯金属的结晶一、名词：结晶：金属由液态转变为固态晶体的转变过程.结晶潜热：金属结晶时从液相转变为固相放出的热量。

孕育期：当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并末立即出生，而是经过了一定时间后才开始出现第一批晶核。

结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。

近程有序：液态金属中微小范围内存在的紧密接触规则排列的原子集团。

远程有序：固态晶体中存在的大范围内的原子有序排列集团。

结构起伏(相起伏)：液态金属中不断变化着的近程有序原子集团。

晶胚：过冷液体中存在的有可能在结晶时转变为晶核的尺寸较大的相起伏。

形核率：单位时间单位体积液体中形成的晶核数目。

过冷度：金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差。

均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率都相同的形核方式。

非均匀形核：新相优先出现于液相中的某些区域的形核方式。

变质处理：在浇注前向液态金属中加入形核剂以促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒的液态金属处理方法。

能量起伏：液态金属中各微观区的能量此起彼伏、变化不定偏离平衡能量的现象。

正温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况。

负温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况细晶强化：用细化晶粒来提高材料强度的方法。

晶粒度：晶粒的大小。

缩孔：液态金属凝固，体积收缩，不再能填满原来铸型，如没有液态金属继续补充而出现的收缩孔洞。

二、简答：1. 热分析曲线表征了结晶过程的哪两个重要宏观特征？答：过冷现象、结晶潜热释放现象2. 影响过冷度的因素有那些？如何影响的？答：金属的本性、纯度和冷却速度。

金属不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大；冷却速度越大，则过冷度越大。

3. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素？1）界面结构；2）界面附近的温度分布；4. 晶体长大机制有哪几种？1）二维晶核长大机制；2）螺型位错长大机制；3）垂直长大机制5、结晶过程的普遍规律是什么？答：结晶是形核和晶核长大的过程6、均匀形核的条件是什么？答：①要有结构起伏与能量起伏；②液态金属要过冷，且过冷度必须大于临界过冷度；③结晶必须在一定温度下进行。

“十三五”职业教育国家规划教材 高职高专焊接技术及自动化类课程规划教材
金属材料与热处理（第三版）
Heat Treatment
模块三 纯金属的结晶
课题1 结晶现象 课题2 晶体的形核与长大 课题3 结晶的条件 课题4 晶粒大小的控制
知识准备
一、热分析法和冷却曲线
热分析法装置及冷却曲线 1一电炉;2一 坩埚;3一 金属液;4一热电偶
热力学条件：有一定的过冷度 结构条件：相起伏或结构起伏 能量条件：能量起伏 形核条件：晶胚尺寸大于临界晶核
课题4 晶粒大小的控制
✓ 任务提出：细小晶粒的金属具有更高的力学性能，晶粒 越细小，晶界就越多，材料的强度、硬度就越高，现在 我们也已经知道金属结晶所具备的条件，那么我们如何 通过具体的方法来得到细小的晶粒呢？
✓ 晶核的形成方式有两种：均质形核、异质形核 。
1、均质形核
✓ 也称为自发形核或均匀形核，这种形核方式是由金属自身的原子 按照一定的晶体结构排列形成的晶核。
✓ 这个晶核只有达到一定尺寸才能够长大为晶体，这个一定尺寸的 晶核称为临界晶核，也就是说，只有晶胚的尺寸大于临界晶核， 才能够称为晶核。
✓ 晶核一旦形成，就在液体里面形成了额外的固体的表面，增加了 能量，能量起伏提供了所需的表面能。
金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的 现象称为同素异构转变
铁的同素异构转变： Fe(bcc) 912C Fe(fcc) 1394C Fe(bcc)
T
铁的冷却曲线15381394}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
t
课题3 结晶的条件
结晶必须具备一定条件才能够进行
✓ 实际金属的结晶过程中，均质形核和异质形核是同时存在的， 但主要按异质形核的方式进行。

第三章金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。

§3.1 结晶的过程和条件一、液态金属的结构特点金属键：导电性，正电阻温度系数近程有序：近程规则排列的原子集团结构起伏：近程规则排列的原子集团是不稳定的，处于时聚时散，时起时伏，此起彼伏，不断变化和运动之中，称为结构起伏。

结晶的结构条件：当近程规则排列的原子集团达到一定的尺寸时，可能成为结晶核心称为晶核, 即由液态金属的结构起伏提供了结晶核心。

结构起伏是金属结晶的结构条件。

二、结晶过程形核：液相中出现结晶核心即晶核；晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新晶核不断形成并长大；不断形核、不断长大；晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。

单晶体与多晶体三、结晶的过冷现象用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。

由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn 低于理论结晶温度Tm 的现象称为过冷。

液态金属过冷是结晶的必要条件。

过冷度：△ T=Tm -Tn ,其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。

四、结晶的热力学条件热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。

热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。

利用最小自由焓原理分析结晶过程。

两相自由焓差是相变的驱动力。

金属结晶的热力学条件：固相自由焓必须低于液相自由焓。

热力学条件与过冷条件的一致性。

§3.2 形核的规律形核方式：均匀形核（自发形核）与非均匀形核（非自发形核）。

一、均匀形核均匀形核：当液态金属很纯净时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。

金属的结构与结晶教案第一章：金属的结构1.1 金属原子的电子排布解释金属原子的电子排布特点，如自由电子的存在。

通过图示展示金属原子的电子排布。

1.2 金属键描述金属键的形成和特点，如金属原子之间的电子云共享。

使用模型或图示来解释金属键的概念。

1.3 金属的晶体结构介绍金属的晶体结构类型，如面心立方、体心立方和简单立方结构。

利用图示和实物模型来展示不同晶体结构的特点。

第二章：金属的结晶2.1 结晶过程解释金属结晶的过程，包括成核和生长阶段。

讨论影响结晶速率和晶体生长的因素。

2.2 晶粒大小和形状探讨晶粒大小和形状对金属性能的影响。

解释晶粒生长和晶界迁移的概念。

2.3 晶界的性质描述晶界的特点和性质，如晶界的能量和原子排列。

探讨晶界对金属性能的影响。

第三章：金属的塑性变形3.1 滑移机制解释金属塑性变形的滑移机制，如位错滑移。

使用图示和模型展示位错滑移的过程。

3.2 塑性变形的条件讨论金属发生塑性变形的条件，如应力、温度和晶体结构。

分析不同晶体结构对塑性变形的影响。

3.3 塑性变形的织构形成探讨塑性变形过程中织构的形成和变化。

解释织构对金属性能的影响。

第四章：金属的热处理4.1 退火处理解释退火处理的目的和过程，如消除晶界和改善塑性。

讨论退火处理对金属性能的影响。

4.2 固溶处理描述固溶处理的方法和目的，如提高金属的强度和硬度。

使用图示展示固溶处理过程中原子分布的变化。

4.3 时效处理解释时效处理的过程和作用，如形成沉淀相和提高金属的性能。

分析时效处理对金属性能的影响。

第五章：金属的腐蚀与防护5.1 腐蚀类型介绍金属腐蚀的类型，如均匀腐蚀、点蚀和腐蚀疲劳。

使用图示和实例来区分不同类型的腐蚀。

5.2 腐蚀原因讨论金属腐蚀的原因，如化学反应、电化学反应和微生物作用。

分析腐蚀过程的基本原理。

5.3 防护方法探讨金属腐蚀的防护方法，如涂层、阴极保护和腐蚀抑制剂。

解释各种防护方法的原理和应用。

第六章：金属的机械性能6.1 强度与韧性解释金属的强度和韧性概念。

1.10
第2章 金属的结晶 2.1 纯金属的结晶与铸锭
过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大， 过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大，能稳定存在的短程有 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是， 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是，当过冷度过大或 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻， 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻，形 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质，杂质的存在常常促使金属 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触， 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触，于是晶核就依附 于这些现成的固体表面形成。 于这些现成的固体表面形成。这种依靠外来质点作为结晶核心的方式称为非自 发形核。 发形核。 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近， 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近，它们的原 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小， 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小，从而可以减少形核 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此， 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此，当 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时， 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时，有利于形成非自发形 晶核就优先依附于这些现成的表面而形成， 核，晶核就优先依附于这些现成的表面而形成，也有些难熔金属的晶体结构与 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属， 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属，也可以成 为非自发形核的核心。在生产实际中， 为非自发形核的核心。在生产实际中，液态金属结晶时形核方式主要是非自发 形核。 形核。

水晶
结晶crystallization： 液体 凝固solidfication： 液体
晶体 固体
结晶
一、结晶的宏观现象
结晶过程的分析方法——热分析法（thermal analysis）
（一）
过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关系曲线
温 度 To T1
理论冷却曲线
G=H-TS 式中，H是焓，T是绝对温度，S是熵，可推得 dG＝Vdp－SdT 在等压时，dp=0，故上式简化 为：（dG/dT）P=-S
由于熵恒为正值，所以自由能 是随温度增高而减小。 熵的物理意义是表征系统中原 子排列混乱程度的参数。
交点温度（Tm）：两相自由能相等。
GL=GS 固态金属自由能与液态金 属的自由能之差ΔG构成了 金属结晶的驱动力。 由于金属在结晶前后液固 体积发生变化。因此，可 以通过液固单位体积自由 能的变化ΔGV来描述相变 过程。
二、晶核的长大机制
——指液态原子以什么方式添加到固相上去 （1）二维晶核长大机制 （2）螺型位错长大机制 （3）垂直长大机制 横向长大机制
（一）二维晶核长大机制 ——具有光滑界面的物质的长大机制 晶体的长大只能依靠液相中的结构起伏和能量起伏，使 一定大小的原子集团几乎同时降落到光滑界面上，形成 具有一个原子厚度并且有一定宽度的平面原子集团，使 △GS↑＜△GV↓ ，液态原子不断降落在原始原子集团周 围，自发形成了一个大于临界晶界面的稳定状态。这晶 核即为二维晶核。 晶体以这种方式长大时，其长大速度十分缓慢（单位时 间内晶体长大的线速度称为长大速度，用G表示，单位 为cm/s）。
S1 2r 2 (1 cos )
L L cos

第二章 纯金属的结晶大多数金属材料都是经过冶炼得到液态金属，然后再经过浇铸而得到固态金属。

由液态金属凝固成具有晶态结构固相金属的过程称为结晶。

掌握液态金属的结晶规律，对控制铸件或铸锭的组织和性能具有重要作用。

一、本章教学目的1 介绍金属结晶的基本概念和基本过程2 阐明金属实际的结晶组织及其控制二、 教学内容及要求（1）了解金属结晶的宏观现象与微观过程, 掌握金属结晶的热力学条件, 金属结晶的结构条件；（2）掌握晶核形成的均匀形核与非均匀形核机制；（3）了解晶核的长大, 液固界面的微观结构, 晶体长大机制；（4）掌握液固界面前沿液体中的温度梯度, 晶体生长的界面形状与晶体形态, 长大速度, 晶粒大小的控制；（5）掌握金属铸锭的组织与缺陷, 铸锭三晶区的形成，铸锭组织的控制。

重点：（1）晶核的形成条件与方式；（2）晶核长大界面形状与晶体形态, 晶粒大小的控制；（2）铸锭三晶区的形成与控制难点：（1）金属结晶的热力学条件、结构条件；（2）温度梯度与生长形态；（3）铸锭组织的控制。

§2-1 金属结晶的现象一、冷却曲线与过冷现象研究纯金属的结晶过程常采用热分析法，即将纯金属加热熔化成液态，然后缓慢冷却下来，记录温度随时间变化的曲线，称为冷却曲线.。

从冷却曲线上可以看出，纯金属自液态缓慢冷却时，随着冷却时间的不断增加，热量不断地向外界散失，温度也连续下降；当温度降到理论结晶温度 Tm 时，液态纯金属并未开始结晶，而是需要继续冷却到 Tm以下某一温度 Tn时，液态金属才开始结晶，这种现象称为过冷现象。

理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，即有ΔT=Tm-Tn。

如图所示，当液态纯金属的温度降到实际结晶温度 Tn开始结晶后，冷却曲线上会出现一个平台，这是由于液态纯金属在结晶时产生的结晶潜热与向外界散失的热量相等的原因，这个平台一直延续到结晶过程完毕，纯金属全部转变为固态为止，然后再继续向外散热直至冷却到室温，相应的冷却曲线呈连续下降。

以在上面直接结晶长大.
•=180o, GK’= GK. 均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同. •0< < 180o, GK’< GK. 越小, 非均匀形核越容易, 需要的过冷度也越
小.
第四节晶核的形成
(二)形核率
1. 过冷度的影响 2. 固体杂质结构的影响 3. 固体杂质形貌的影响 4. 过热度的影响 5. 其他因素的影响
G V Gv S
结晶的驱动力
结晶的阻力
V:晶胚的体积; S: 表面积; GV：液固两相单位体积自由能差; σ: 单位面积的表面能.
第四节晶核的形成
假设晶胚为球体，半径为r，则：
G
4 3
r 3
Gv
4r 2
令 dG 0 dr
得rk
2
G vBiblioteka rk2TmH f T
T:过冷度; Tm 理论结晶温度; ΔHf 熔化潜热.
第五节晶核长大
液-固界面的微观结构
假设界面上可能的原子位置数为N，其中NA个位置为固相原子所占 据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x= NA/N。 如果x=50%，即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的截 面为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占 据，这样的截面为光滑界面。 界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加 原子时，其界面自由能的变化：
理论结晶温度：纯金属液体在无 限缓慢冷却条件下结晶的温度。 过冷现象：实际的结晶过程冷速都 很快，液态金属在理论结晶温度以 下开始结晶的现象。 过冷度T ：理论结晶温度与实际 结晶温度的差值。
T= T0 –T1
第一节金属结晶的现象
影响过冷度的因素
过冷度随金属的本性、纯度以及冷却速度的差异 而不同。金属不同，过冷度的大小不同；金属纯度 越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低。

19
铸锭的缺陷
1）缩孔（集中缩孔） ——最后凝固的地方 2）疏松（分散缩孔） ——枝晶间和枝晶内 3）气孔（皮下气孔）
20
第一节
纯金属的结晶
一、纯金属的结晶
二、同素异构转变
三、铸锭的结构
四、细化铸态金属晶粒的措施
五、单晶的制取
21
四、细化铸态金属晶粒的措施
1、晶粒度
晶粒度表示晶粒的大小， 可用晶粒的平均面积或
（1） ab—液态逐渐冷却 （2） bc—温度低于理论结晶 温度 过冷现象
过冷度
T T0 Tn
（3）cd—正在结晶 回升——结晶时释放的结晶潜热 大于向环境中散失的热量
Δt——孕育期
Δt
（4）de—正在结晶 平台——结晶时释放的结晶潜热与向环境中散失的热量 相等 （5）ef—固态逐渐冷却
6
ห้องสมุดไป่ตู้
三个特殊温度：
1538 º C、1394º C、912º C
• 固态相变
特点： • 形核和长大 • 过冷度较大
钛、锡、钴、锰等金属也存在 同素异构转变。
16
第一节
纯金属的结晶
一、纯金属的结晶 二、同素异构转变 三、铸锭的结构 四、细化铸态金属晶粒的措施
五、单晶的制取
17
三、铸锭的结构
表层细等轴晶区 中间柱状晶区 心部粗等轴晶区
2) 树枝状长大： 冷却速度较大，形成负温度梯度，树枝 状的形状长大。
金属结晶示意图
12
平面长大的规则形状晶体
树枝状长大的树枝状晶体
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
13
第一节
纯金属的结晶
一、纯金属的结晶

凝固热力学条件是：需要有过冷度
三、液态金属结构
熔化热Lm 金属的相变热 汽化热Lb 升华热Lc 金属熔化时体积变化：3-5% 熔化熵和热温熵之比：ΔSm/ΔS=20~50% 固态与液态金属的热容差：小于10% 原子径向密度分布：近程密堆、远程无序
Lm<<Lb≈Lc
液态金属的结构
准晶体模型：1963，Banker
rc
2 Tm Lm T
v· V ⊿G ⊿ G
rc — 临界晶核半径
Gc 16
3 2
3(GV )

16 Tm
3
2
3( Lm T ) 2
⊿Gc — 临界晶核形成功
晶胚半径r与△G关系:
当r<rc时，晶胚长大， ⊿G升高，晶胚不能长大， 形成后立即消失，熔解； 当r>rc时，晶胚长大， ⊿G下降，晶胚成为稳定 晶核，且自发长大； 当r=rc时，晶胚既可长大 也可熔解。
（2）非均匀形核
新相优先在母相中存在的异质处形核，即 依附于液相中的杂质或外来表面形核。
实际熔液凝固方式主要是非均匀形核。但 非均匀形核原理是建立在均匀形核基础上的。 除在特殊的实验室条件下，液态金属中不 会出现均匀形核。 液态金属或易流动的化合物均匀形核所需 过冷度很大，约⊿Tmax≈0.2Tm(150~300℃)。
Gc kT
) exp(
Qc kT
)
N N 1 N 2 K exp(
Gc kT
) exp(
Qc kT
)
式中： K－比例常数
△Gc－形核功
Qc－扩散激活能
k－玻尔兹曼常数
T－绝对温度
金属材料结晶的N-△T关系曲线只有随 △T增大而升高的部分，没有下降的部分。

《机械制造技术基础》教案教学内容：金属的结晶教学方式：结合实际，由浅如深讲解教学目的：1．了解结晶的基本概念，明白过冷度；2．理解金属的结晶过程，掌握晶粒细化的方法；3．了解铸锭的组织，明确其对铸锭性能的影响；4．了解合金的结晶，明确二元合金相图；5．理解金属塑性变形实质，掌握金属材料加工硬化与再结晶。

重点、难点：金属的结晶过程及细化晶粒的方法加工硬化与再结晶教学过程：1.2 铁碳合金1.2.3 金属的结晶1.2.3.1结晶的基本概念1．结晶的概念金属的结晶是指金属由液态转变为固态的过程。

2．纯金属的冷却曲线纯金属的结晶都是在一定温度下进行的，它的冷却结晶过程可用图2-7所示的冷却曲线来描述。

由冷却曲线可见，液态金属随着冷却时间的延长，它所含的热量不断散失，温度也不断下降，但是当冷却到某一温度时，温度随时间延长并不变化，在冷却曲线上出现了“平台”，“平台”对应的温度是纯金属实际结晶温度。

出现“平台”的原因，是结晶时放出的潜在热正好补偿了金属向外界散失的热量。

结晶完成后，由于金属继续向环境散热，温度又重新下降。

3．过冷度需要指出的是，图中T0为理论结晶温度，金属实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0的现象，称为“过冷现象”；理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度，以ΔT表示。

金属结晶时温度的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度越低。

1.2.3.2结晶时晶核的形成和长大过程纯金属的结晶过程发生在冷却曲线上平台所经历的这段时间。

液态金属结晶时，都是首先在液态中出现一些微小的晶体——晶核，它不断长大，同时新晶核又不断产生并相继长大，直至液态金属全部消失为止，如图2-8所示。

因此金属的结晶包括晶核的形成和晶核的长大两个基本过程，并且这两个过程是同时进行的。

1．晶核的形成由图2-8可见，当液态金属冷至结晶温度以下时，某些类似晶体原子排列的小集团便成为结晶核心，这种由液态金属内部自发形成结晶核心的过程称为自发形核。

金属的结构与结晶教案第一章：金属的定义与特性教学目标：1. 了解金属的定义和基本特性。

2. 掌握金属的物理和化学性质。

3. 理解金属在日常生活和工业中的应用。

教学内容：1. 金属的定义：介绍金属的定义和特点。

2. 金属的物理性质：介绍金属的导电性、导热性和延展性等特性。

3. 金属的化学性质：介绍金属与非金属的反应以及金属的活动性等特性。

4. 金属的应用：介绍金属在建筑、电子、交通等领域的应用。

教学活动：1. 引入金属的定义，引导学生思考金属的特点。

2. 通过实验或图片展示金属的物理性质，让学生观察和体验。

3. 通过实验或讲解介绍金属的化学性质，让学生了解金属的活性。

4. 展示金属的应用实例，让学生了解金属在日常生活中的重要性。

作业与评估：1. 学生完成有关金属定义和特性的练习题。

2. 学生参与小组讨论，分享对金属应用的理解。

第二章：金属的结构教学目标：1. 了解金属原子的结构和金属晶体的组成。

2. 掌握金属键的形成和特性。

3. 理解金属结构对金属性质的影响。

教学内容：1. 金属原子的结构：介绍金属原子的电子排布和价电子的概念。

2. 金属晶体的组成：介绍金属晶体的类型和结构特点。

3. 金属键的形成和特性：介绍金属键的形成过程和金属键的特性。

4. 金属结构对性质的影响：讨论金属结构对金属性质的影响。

教学活动：1. 引入金属原子的结构，引导学生了解电子排布和价电子的概念。

2. 通过模型或图片展示金属晶体的组成，让学生观察和理解金属晶体的结构。

3. 讲解金属键的形成过程，让学生了解金属键的特性。

4. 讨论金属结构对性质的影响，让学生理解结构与性质之间的关系。

作业与评估：1. 学生完成有关金属结构的知识练习题。

2. 学生进行小组讨论，分享对金属键的理解。

第三章：金属的结晶教学目标：1. 了解金属结晶的过程和条件。

2. 掌握金属结晶的类型和特点。

3. 理解金属结晶对金属组织和性能的影响。

教学内容：1. 金属结晶的过程和条件：介绍金属结晶的过程和所需的条件。

《金属材料与热处理》教案【复习提问】1.何谓金属的力学性能？金属的力学性能包括哪些？2. 何谓金属的工艺性能？主要包括哪些内容？【新课】（2课时）第二章金属的结构与结晶【基本要求】1.了解金属的晶体结构；2.掌握纯金属的结晶过程；【重点】1.有关金属结构的基本概念：晶面、晶向、晶体、晶格、单晶体、多晶体，金属晶格的三种常见类型。

2. 金属结晶的基本过程。

3.晶粒的概念及晶粒大小对金属性能的影响。

【难点】实际金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响（选讲）。

§2-1金属的晶体结构一、晶体与非晶体晶体：所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。

（晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结果。

）原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”。

非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状态的（如普通玻璃、松香、树脂等）。

非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。

二、晶体结构的概念1．晶格和晶胞晶格：把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。

晶胞：构成晶格的最基本单元。

晶格中各种方位的原子面称为“晶面”，构成晶格的最基本几何单元称为“晶胞”。

2．晶面和晶向晶面：点阵中的结点所构成的平面。

晶向：点阵中的结点所组成的直线。

由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。

（阵点（结点）：把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。

点阵：阵点（或结点）在空间的排列方式称晶体晶体晶格晶胞晶面晶向图2-1、2-2 晶体规则排列示意图三、金属晶格的类型（一）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。

属于这种晶格的金属有：铬Cr、钒V、钨W、钼Mo、及α-铁α-Fe图2-5 体心立方晶格（二）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。

中等专业学校2023-2024-1教案编号：教学内容结晶：液体 --> 晶体凝固：液体 --> 固体（晶体或非晶体）通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。

而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。

一、纯金属的结晶过程1、过冷度——理论结晶温度和实际结晶温度（T1）之间存在的温度差（△T= T0－ T1）。

金属结晶时，冷却越快，其实际结晶的温度就越低，过冷度△T也就越大。

金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。

冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。

冷却曲线：冷却时，液体温度随时间延长而降低反映时间与温度关系的图形。

液体钢锭浇铸示意图a）浇铸示意图b）钢锭1—盛钢桶2—滑动水口3—钢锭模4—钢液5—底盘液体晶体纯金属结晶时的冷却曲线a）理论结晶温度 b）实际结晶温度教学内容纯金属的结晶条件：纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度冷却速度越大，则过冷度越大。

2.纯金属的结晶过程金属结晶的微观过程－－结晶过程是形核和长大的过程二、晶粒大小对金属材料的影响晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好。

形核率——单位时间、单位体积所形成的晶核数，用字母N表示。

形核率N 、长大速度G 与过冷度 T 的关系细化晶粒的方法：（1）增加过冷度（2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。

变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。

（3）振动处理——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。

振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。

三、同素异构转变金属的同素异构转变——在固态下，金属随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。

由此产生的不同晶格的晶体称为同素异构晶体。

教学内容大多数金属在结晶终了之后及继续冷却的过程中，其晶体结构不再发生变化，但也有一些金属（如铁、钴、钛等）在结晶之后继续冷却时，还会出现晶体结构变化，从一种晶格转变为另一种晶格。

学习好资料欢迎下载《纯金属的结晶》教案课程名称机械工程材料课题名称纯金属的结晶适用对象机械工程及自动化专业学生课时数 1 课时（ 40 分钟）授课类型金属工艺学主讲1.具有相关学习的知识基础学情分析 2.具有学习的能力基础3.自主学习能力薄弱【知识与技能】1.理解过冷现象和过冷度的概念；2.了解金属结晶的一般过程；3.了解均匀结晶与非均匀结晶的现象的原因和条件；4.能知晓晶粒大小的控制方法；教学目标【过程与方法】1.能养成独立思考的思维习惯；2.在讨论中发现问题的规律；3．学会寻找问题的方法。

【情感态度与价值观】学会独立思考和培养严谨的科学态度，在实际应用中考虑更加全面。

【重点】1.晶核的形成条件与方式；2.晶核长大界面形状与晶体形态，晶粒大小的控制；教学重难点【难点】1.金属结晶的热力学条件、结构条件；2.温度梯度与生长形态；教学方法讲授法、归纳法课前准备布置教学内容、收集资料并准备好课件【教学过程】教学环节与时间分配教师活动学生活动设计意图学习好资料欢迎下载自我介绍、简单复习回答问题，进使学生集中注意力，与本节知识相关的知识入新课学习通过回忆和复习已学的知导入新课（ 3 分钟）点，引导学生思考识，利于学生新课的学习讲授过冷现象和过冷度知识；金属结晶的一般过程和晶核形成的方讲授新课（25 分钟）式；晶核长大方式和晶粒大小的控制方法巩固练习（7 分钟）列出思考题，请学生回答，并为学生讲解。

归纳小结（ 3 分钟）对金属结晶后所形成的组织，即晶粒的形状大小和分布对金属加工的性能和使用性质的影响做一个小结。

边听边理解，记笔记，并理解老师提出的问题。

做课堂练习，回答问题。

做一个小结，晶粒的形状大小和分布对金属加工的性能和使用性质的影响吸引学生，让学生了解金属结晶的过程；促进学生的思考。

巩固学生所学的知识，并加深印象，促进学生学习的进步。

培养学生自我总结的能力，学会思考。

布置作业：1.何谓结晶和凝作业安排（ 2 分钟）固？二者有何区按时完成作别？。