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了解金属的晶体结构.doc

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

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