了解金属的晶体结构.docVIP

江苏省技工院校 教 案 首 页 授课日期 9.15 班　　级 机11技师1班 课题： 了解金属的晶体结构 教学目的要求： 1.熟悉晶体的基本概念；2.掌握常见金属的晶体结构及金属的实际晶体结构；3.掌握影响晶核形成和长大的因素及细化晶粒的办法。 教学重点、难点： 纯铁同素异构转变、金属结晶过程、规律及其影响因素 912℃~1394℃ 面心立方（f、c、c） 称 1394℃~熔点 体心立方（b、c、c） 称 二、金属的实际结构和晶体缺陷 1、单晶体与多晶体 如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体为单晶体。以上我们讨论的情况都指这种单晶体的情况。 但在工业金属材料中，除非专门制作，否则都不是这样，就是在一块很小的金属中也含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。 这种小晶体的外形呈颗粒状，称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界处，原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过度，总是不规则的。 多晶体：实际上由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。 对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同，导致各个方向上的性能不同，即“各向异性”的特点；而多晶体对每个小晶粒具有“各向异性”的特点，而就多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能，不具备“各向异性”的特点。 2、结晶的基本概念 一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，如凝固后形成晶体结构，则称为结晶。金属在固态下通常都是晶体，所以金属自液态冷却转变为固态的过程，称为金属的结晶。 3、结晶时的过冷现象 各种纯金属如Fe、Cu等都有一定的结晶温度，Fe：1539℃，Cu：1083℃等等，这是指理论结晶温度，也叫平衡结晶温度，是指液体的结晶速度与晶体的熔化速度相等时的温度。实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度，原因在结晶的能量条件上。 在自然界中，任何物质都具有一定的能量，而且一切物质都是自发地由能量高的状态向能量低的状态转变，结晶过程也同样遵循这一规律。以自由能F代表体系的能量，可见，只有当固态金属的自由能低于液态金属的自由能，即：体系自由能的变化ΔF=F固－F液＜0时，结晶过程才能自发进行，从温度坐标上看，只有实际结晶温度T1低于平衡结晶温度T0，结晶过程才能自 4、液体和固体的自由能随温度的变化 发进行。上述这种实际结晶温度低于平衡结晶温度的现象称为过冷现象。两者之间的温度差ΔT称为过冷度。ΔT=T0－Tn，过冷度的大小与金属的本性以及冷却速度有关，冷却速度愈大，过冷度ΔT愈大。 5、实际结晶温度的测定：（冷却曲线） 金属的实际结晶温度可以用热分析方法测定，具体做法： 先将纯金属加热熔化为液体，然后缓慢冷却下来，同时每隔一定时间测一次温度，并把记录的数据绘在温度－时间坐标中，得到温度与时间的曲线，即冷却曲线， 即是一条冷却曲线。 可见，随时间的增长，温度逐渐降低，当到T0温度时出现一平台，说明这时虽然液体金属向外散热，但其温度并没下降，这是 由于在这一温度液体开始结晶向外散热（结晶潜热），补偿了液体对外的热量散失，结晶终了后就 没有结晶潜热来补偿热量的散失，所以温度 又开始下降。 三、结晶过程的基本规律 1 形核和核长大 金属的结晶过程从微观的角度看，当液体金属冷到实际结晶温度后，开始从液体中形成一些尺寸极小的、原子呈规则排列的晶体－晶核，这种已形成的晶核不断长大，同时液态金属的其它部位也产生新的晶核，新晶核又不断长大，直到液态金属全部消失，结晶结束。 2 影响晶核形成和长大的因素 晶粒大小对金属机械性能有较大的影响，在常温下工作的金属，其强度、硬度、塑性的韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。 四、影响晶粒大小的因素 形核率N，长大速度G，形核率N大，而长大速度G相对小，则晶粒愈细，即N与G的比值大则晶粒细。 1）过冷度的影响 过冷度大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。见图1-14。 2）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。 3）振动处理 【小结】 本节主要讲解了晶体的有关概念，并了解晶粒大小对金属