金属工艺学第二章金属的晶体结构
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02第二章金属的晶体结构与结晶金属晶体结构和结晶是金属学中非常重要的基础知识。
金属的晶体结构是指金属中原子或离子的排列方式,金属的结晶则是指金属从液态或气态转变为固态时,原子或离子按照一定的方式排列形成的晶体。
金属的晶体结构主要有两种:面心立方结构(FCC)和体心立方结构(BCC)。
在面心立方结构中,原子或离子处于正方形的面心位置和体心位置,形成紧密堆积的结构;在体心立方结构中,原子或离子处于正方形的面心位置和立方体中心位置,形成简单堆积的结构。
面心立方结构的特点是具有最高的密度,原子间的相互作用较强,因此具有较高的熔点和较好的导电性能。
典型的面心立方结构金属有铜、铝等。
体心立方结构的特点是具有较低的密度和较大的晶胞,原子间的相互作用较弱,因此具有较低的熔点和较差的导电性能。
典型的体心立方结构金属有铁、钨等。
金属的结晶过程分为凝固和晶体形核两个阶段。
凝固是指金属从液态或气态转变为固态的过程,形核则是指随着温度降低和原子间相互作用增强,形成新的晶胞。
金属的凝固过程受到多种因素的影响,如对流、缺陷和晶界等。
对流是指液态金属在凝固过程中的流动,容易形成非均匀结构;缺陷是指晶体中存在的原子空位或附加原子,对晶体性能有重要影响;晶界是指两个晶粒之间的边界,是金属中弹性较差区域。
金属的结晶方式主要有四种:脱溶结晶、化学结晶、物理结晶和相变结晶。
脱溶结晶是指金属从液态中直接凝固形成晶体,常见于无机盐的结晶;化学结晶是指金属通过化学反应形成固态产物,如金属氧化物的结晶;物理结晶是指金属通过物理方法产生晶体结构,如高温下的拉拔;相变结晶是指金属在相变点附近由液态转变为固态的结晶方式,如冶金过程中的凝固。
金属的晶体结构和结晶对金属的性能和应用有重要影响。
不同的晶体结构和结晶方式会影响金属的导电性、强度、延展性和热处理能力等性能。
因此,深入了解金属的晶体结构和结晶对于金属学的研究和应用具有重要意义。
第二章金属的晶体结构与结晶(一)教学内容晶体结构的基本知识:晶格、晶胞、金属常见的晶格类型。
金属的实际晶体结构:多晶体结构、点缺陷、线缺陷、面缺陷。
纯金属的结晶:结晶的概念、结晶过程、晶粒大小对机械性能的影响、同素异构转变。
铸锭的组织与缺陷。
(二)教学目的与要求:本章阐述了晶体结构的基本知识,金属晶体结构常见的类型,金属的实际晶体结构和缺陷,金属的结晶过程,同素异构转变,铸锭的组织和缺陷。
要求理解晶格、晶胞、实际金属的多晶体结构、结晶等概念。
掌握金属晶体的三种常见晶格类型:面心立方、体心立方和密排立方晶胞。
掌握实际金属点、线、面缺陷与金属机械性能的关系。
掌握纯金属结晶过程,过冷度与晶粒大小对机械性能的影响,细化晶粒的措施,纯铁的同素异构转变。
掌握铸锭组织的结晶形成过程,铸锭组织对性能的影响。
(三)重点、难点借助模型帮助学生掌握金属常见的晶格结构类型。
着重讲解实际金属的各种晶体缺陷的特征及其对金属机械性能的影响关系。
借助冷却曲线建立过冷度的概念,以及过冷度与冷却速度、晶粒大小和金属机械性能的关系,建立金属同素异构转变的物理概念。
(四)考核知识点与考核要求1.晶体与非晶体的区别(识记)2.晶格、晶胞、晶格常数的基本概念(识记)3.纯金属的三种晶体结构(识记,了解体心立方晶格、面心立方晶格、密排立方晶格的结构)4.金属的冷却曲线及过冷现象(识记, 掌握实际金属点、线、面缺陷与金属机械性能的关系。
)5.金属的结晶过程(领会, 掌握纯金属结晶过程,过冷度与晶粒大小对机械性能的影响,细化晶粒的措施,纯铁的同素异构转变。
)6.金属的同素异构转变(识记, 掌握铸锭组织的结晶形成过程,铸锭组织对性能的影响。
)7.实际的晶体的构造(识记)。
第二章金属的结构与结晶第一节金属的晶体结构一、晶体与非晶体非晶体:在物质内部,凡原子呈无序堆积状况的,称为非晶体。
如:普通玻璃、松香、树脂等。
晶体:凡原子呈有序、有规则排列的物质,金属的固态、金刚石、明矾晶体等。
性能:晶体有固定的熔、沸点,呈各向异性,非晶体没有固定熔点,而且表现为各向同性。
二、晶体结构的概念:1、晶格和晶胞:表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格。
能完整地反映晶格特征的最小几何单元,称为晶胞。
2、晶面和晶向:在晶体中由一系列原子组成的平面,称为晶面。
通过两个或两个以上原子中心的直线,可代表晶格空间排列的一定方向,称为晶向。
由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同,因此原子结合力也就不同,从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能,这就是晶体具有各向异性的原因。
三、金属晶格的类型:1、体心立方晶格:它的晶胞是一个立方体,原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。
如:铬(Cr)、钒(V)、钨(W)、钼(Mo)及α-Fe2、面心立方晶格:它的晶胞也是一个立方体,原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。
如:铝(Al)、铜(Cu)、铅(Pb)、镍(Ni)及γ-Fe3、密排六方晶格:它的晶胞是一个正六棱柱体,原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心,另外三个原子排列在柱体内。
属于这种晶格类型的金属有镁(Mg)、铍(Be)、镉(Cd)、及锌(Zn)等。
第二节纯金属的结晶金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。
一、纯金属的冷却曲线及过冷度。
用热分析法进行研究:图2—1纯金属的冷却曲线(理论) 纯金属的冷却曲线(实际)实际结晶温度(T1)低于理论结晶温度(To)这一现象称为“过冷现象”。
理论结晶温度和实际结晶温度之差称这“过冷度”(△T=To—T1)。
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。