全國(guó)中職機(jī)械類教材（勞社版）第1章金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶《金屬材料與熱處理》系列課件（第6、7版）P.6

第一章：金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶本章學(xué)習(xí)目標(biāo)

不同的金屬材料具有不同的力學(xué)性能，即使是同一種金屬材料，在不同的狀態(tài)下其力學(xué)性能也有不同。金屬力學(xué)性能的這些差異，從本質(zhì)上看，是由內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。因此，掌握金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對(duì)金屬性能的影響，對(duì)于選用和加工金屬材料，都具有重要的意義。P.61.熟悉金屬的晶體結(jié)構(gòu)，了解晶體的缺陷；2.了解純金屬的結(jié)晶過(guò)程，掌握晶粒大小對(duì)其性能的影響；

3.掌握生產(chǎn)中常用細(xì)化晶粒的方法；

4.·純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。第一章：金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶晶體與非晶體晶格的類型單晶體與多晶體晶體缺陷純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶過(guò)程晶粒長(zhǎng)大對(duì)金屬材料的影響同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變本章知識(shí)結(jié)構(gòu)P.6觀察結(jié)晶過(guò)程（試驗(yàn)）

本節(jié)教學(xué)要求學(xué)習(xí)目的：了解金屬的晶體結(jié)構(gòu)。

★重點(diǎn)：有關(guān)金屬結(jié)構(gòu)的基本概念：晶面、晶向、晶體、晶格、單晶體、晶體，金屬晶格的三種常見(jiàn)的類型。

★難點(diǎn)：金屬的晶體缺陷及其對(duì)金屬性能的影響?！?-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)65鋼的顯微組織金屬構(gòu)件P.61、晶體：晶體是指其原子（離子或分子）在空間呈規(guī)則排列的物體。（晶體內(nèi)的原子之所以在空間是規(guī)則排列，主要是由于各原子之間的相互吸引力與排斥力相平衡的結(jié)果。）

原子在空間呈規(guī)則排列的固體物質(zhì)稱為“晶體”。絕大多數(shù)固態(tài)金屬及合金都是晶體?！?-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體金剛石晶體晶體P.62、非晶體：在物質(zhì)內(nèi)部，凡原子呈無(wú)序堆積狀態(tài)的（如普通玻璃、松香、樹(shù)脂等）。

非晶體的原子則是無(wú)規(guī)律、無(wú)次序地堆積在一起的。晶體與非晶體非晶體注意：晶體與非晶體的關(guān)鍵區(qū)別是，原子排列是否有規(guī)律性?！?-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體P.7注意：晶體與非晶體的區(qū)別是，原子排列是否有規(guī)律性?！?-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體P.7項(xiàng)目晶體非晶體定義原子呈規(guī)則排列的物質(zhì)。原子無(wú)序，無(wú)規(guī)則堆積的物……性能特點(diǎn)具有規(guī)則的幾何外形，有一定的熔點(diǎn)，性能呈各向異性。沒(méi)有規(guī)則的外形，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，呈各向同性。典型物質(zhì)石英、云母、明礬、食鹽、硫酸銅、糖、味精。玻璃、蜂蠟、松香、瀝青、橡膠。表1－1晶體與非晶體的對(duì)比

你能區(qū)分下列物質(zhì)是晶體還是非晶體？§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體P.7想一想玻璃壺石英蜂蠟食鹽1、晶體結(jié)構(gòu)的概念

1）晶格和晶胞

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬晶格的類型晶體晶格晶胞晶格：把晶體點(diǎn)陣中的結(jié)點(diǎn)，假想用一系列平行直線連接起來(lái)構(gòu)成空間格子（陣點(diǎn)）稱為晶格。晶胞：構(gòu)成晶格的最基本單元。由于晶體中原子排列的規(guī)律性，可以用晶胞來(lái)描述其排列特征。P.7

晶面：點(diǎn)陣中的結(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的平面。

晶向：點(diǎn)陣中的結(jié)點(diǎn)所組成的直線。陣點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）：把原子（離子或分子）抽象為規(guī)則排列于空間的幾何點(diǎn)，稱為陣點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)。點(diǎn)陣：陣點(diǎn)（或結(jié)點(diǎn)）在空間的排列方式稱晶體。

晶面與晶向§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬晶格的類型

2）晶面和晶向P.7

2、金屬晶格的類型

是指金屬中原子排列的規(guī)律。絕大多數(shù)金屬晶格屬于體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格這三類。

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬晶格的類型體心立方晶胞占據(jù)1+8/8=2個(gè)原子1）體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞是由八個(gè)原子構(gòu)成的立方體，并且在立方體的體中心還有一個(gè)原子。屬于這種晶格的金屬有：鉻Cr、釩V、鎢W、鉬Mo、及α-鐵（α-Fe）。P.8金屬晶格的類型是指金屬中原子排列的規(guī)律。2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是由八個(gè)原子構(gòu)成的立方體，但在立方體的每個(gè)面上還各有一個(gè)原子。屬于這種晶格的金屬有：Al、Cu、Ni、Pb（γ－Fe）等。

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬晶格的類型面心立方晶胞占據(jù)6/2+8/8=4個(gè)原子P.8金屬晶格的類型是指金屬中原子排列的規(guī)律。3）密排六方晶格密排六方晶格：由12個(gè)原子構(gòu)成的簡(jiǎn)單六方晶體，且在上下兩個(gè)六方面心還各有一個(gè)原子，而且簡(jiǎn)單六方體中心還有3個(gè)原子。屬于這種晶格的金屬有鈹（Be）、Mg、Zn、鎘（Cd）等。

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬晶格的類型密排六方晶胞占據(jù)3+2/2+12/6=6個(gè)原子P.8整個(gè)物體是由許多雜亂無(wú)章的排列著的小晶體組成的。（普通金屬材料都是多晶體）

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、單晶體和多晶體水晶（單晶體）鍍鋅板晶粒（多晶體）工業(yè)純鐵顯微組織（多晶體）單晶體與多晶體只由一個(gè)晶粒組成的晶體。（晶格排列方位完全一致。必須人工制作，如單晶硅。）

2、多晶體

多晶體具有各向同性：因晶粒之間排列雜亂，總體顯出各方向性能一致。單晶體具有各向異性：是單晶體沿各不同晶面或晶向具有不同性能的現(xiàn)象。

1、單晶體P.9金屬是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶體組成的，小晶體稱為晶粒。晶粒間交界的地方稱為晶界。

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)三、單晶體和多晶體晶粒與晶界3、晶粒

4、晶界P.9晶體缺陷：晶體中出現(xiàn)的各種不規(guī)則的原子堆積現(xiàn)象。1）點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子和置代原子

2）線缺陷：位錯(cuò)

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、晶體缺陷晶體缺陷空位、間隙和置換位錯(cuò)晶體中的空位、間隙原子、雜質(zhì)原子都是點(diǎn)缺陷。可認(rèn)為是晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體的位錯(cuò)局部滑移造成?；撇糠峙c未滑移部分的交界線即為位錯(cuò)線。P.101、晶體缺陷：晶體中出現(xiàn)的各種不規(guī)則的原子堆積現(xiàn)象。3）面缺陷：晶界與亞晶界

§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)四、晶體缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界的區(qū)別：晶界之間的原子排列方向角度較大，亞晶界之間的原子排列方向角度較小。P.10

本節(jié)教學(xué)要求學(xué)習(xí)目的：

★掌握金屬結(jié)晶的概念，純金屬

★同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的概論，掌握鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變式。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：

★細(xì)化晶粒的方法及晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響是教學(xué)的難點(diǎn)。

★純金屬冷卻曲線及過(guò)冷度是教學(xué)重點(diǎn)?！?-2純金屬的結(jié)晶P.10§1-2純金屬的結(jié)晶金屬由原子不規(guī)則排列的液體，轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的固體的過(guò)程，稱為結(jié)晶。

結(jié)晶是一個(gè)放熱的過(guò)程，稱為結(jié)晶潛熱。熱分析法液體晶體煉鋼澆注結(jié)晶現(xiàn)象

分析金屬的結(jié)晶過(guò)程是分析金屬的重要手段。P.101、純金屬的冷卻曲線及過(guò)冷度

1）金屬的結(jié)晶必須在低于其理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)To)下才能進(jìn)行。

2）理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱這“過(guò)冷度”（△T=T0-T1）。

過(guò)冷度也是完成結(jié)晶的推動(dòng)力。3）金屬結(jié)晶時(shí)過(guò)冷度的大小與冷卻速度有關(guān)。

（冷卻速度越快，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度越低，過(guò)冷度也就越大。）§1-2純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶過(guò)程純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線P.102、純金屬的結(jié)晶過(guò)程在一定過(guò)冷度的條件下，金屬液通過(guò)晶核形成、晶核長(zhǎng)大來(lái)完成其結(jié)晶過(guò)程。

純金屬的結(jié)晶在是在恒溫下進(jìn)行的?！?-2純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶過(guò)程純金屬的結(jié)晶過(guò)程－－形核和晶長(zhǎng)大液態(tài)金屬形核晶核長(zhǎng)大完全結(jié)晶P.11結(jié)晶體觀察：§1-2純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶過(guò)程P.12觀察玻璃上的冰花（樹(shù)枝晶粒）鍍鋅鐵皮表面上的樹(shù)枝狀晶粒一般室溫下，細(xì)晶粒金屬具有較高的強(qiáng)度和韌性。

細(xì)化晶粒的意義：細(xì)晶粒，晶界總面積增大，對(duì)塑性變形的抗力大，強(qiáng)度提高。同時(shí)細(xì)晶粒，變形分散，變形不易斷裂，提高了韌性，保持了塑性。

1、影響晶粒大小的因素

金屬晶粒大小取決于結(jié)晶時(shí)的形核率、長(zhǎng)大速度。

細(xì)化晶粒，則要形核率越高、長(zhǎng)大速度越慢?！?-2純金屬的結(jié)晶二、晶粒大小對(duì)金屬材料的影響2、常用的細(xì)化晶粒的方法

增加過(guò)冷度：增大核率效果明顯（晶長(zhǎng)大速度增加不多）；

變質(zhì)處理：在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。

振動(dòng)處理：使樹(shù)枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。P.12鋁合金的粗、細(xì)晶粒1、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

金屬在固態(tài)下，隨溫度的改變由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪痪Ц竦默F(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?！?-2純金屬的結(jié)晶三、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2、具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬鐵、鈷、鈦、錫、錳等金屬具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

同一金屬的同素異構(gòu)晶體按其穩(wěn)定存在的溫度，由低溫到高溫依次用希臘字母α，β，γ，δ等表示。

如純鐵，有α-Fe、γ-Fe、δ-Fe純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變P.13§1-2純金屬的結(jié)晶三、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變3、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

1394°C912°C體心面心體心δ-Feγ-Feα-Fe4、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與金屬結(jié)晶的比較金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也稱為“重結(jié)晶”。與液態(tài)金屬結(jié)晶的相似處：有一定轉(zhuǎn)變溫度，有過(guò)冷現(xiàn)象；有潛熱放出和吸收；也由形核、核長(zhǎng)大來(lái)完成。與液態(tài)金屬結(jié)晶的不同處：屬固態(tài)相變，轉(zhuǎn)變需較大的過(guò)冷度；新晶核優(yōu)先在原晶界處形核；轉(zhuǎn)變中有體積的變化，會(huì)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程P.14§1-2純金屬的結(jié)晶

準(zhǔn)晶體與“準(zhǔn)科學(xué)家”謝赫特曼和他的“準(zhǔn)晶體”P.15閱讀材料

“當(dāng)我告訴人們，我發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體的時(shí)候，所有人都嘲笑我。但我并不在意，我知道我是對(duì)的，他們是錯(cuò)的，時(shí)間終于證明了這一點(diǎn)。”－－

2011年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主謝赫特曼§1-3金屬結(jié)晶的觀察（試驗(yàn)）P.16一、試驗(yàn)?zāi)康?．通過(guò)觀察透明鹽類的結(jié)晶過(guò)程及組織特征，理解金屬的結(jié)晶理論。2．通過(guò)觀察鑄錠表面，建立金屬晶體以樹(shù)枝狀形態(tài)成長(zhǎng)的直觀認(rèn)識(shí)。

由于液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程難以直接觀察，而鹽類也是晶體物質(zhì)，其溶液的結(jié)晶過(guò)程和金屬很相似，區(qū)別僅在于鹽類是在室溫下依靠溶劑蒸發(fā)使溶液過(guò)飽和而結(jié)晶，金屬則主要依靠過(guò)冷，故完全可通過(guò)觀察透明