《工程材料及成形工艺基础》教案 第二章 金属的晶体结构.docx

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课题

第二章金属的晶体结构

课时

4课时（180min）

教学目标

知识目标：

（1）理解纯金属的晶体结构

（2）理解合金的晶体结构

（3）掌握二元合金相图的建立与分析

素养目标：

培养自主学习和持续学习的习惯，适应材料科学领域的不断发展

教学重难点

教学重点：晶体结构和合金的基本概念、金属晶格的类型、实际的金属晶体结构、合金的相结构、二元合金相图的建立和分析

教学难点：二元合金相图的建立和分析

教学方法

情景模拟法、问答法、讨论法

教学用具

电脑、投影仪、多媒体课件、教材

教学过程

主要教学内容及步骤

考勤

【教师】使用APP进行签到

【学生】班干部报请假人员及原因

问题导入

【教师】提出问题：

为何成分相同的金属，采用不同的加工工艺或在不同的状态下，其性能会产生明显的差异？

【学生】聆听、思考、回答

传授新知

【教师】通过学生的回答，引入新知，讲解纯金属的晶体结构，合金的晶体结构，以及二元合金相图的相关知识

第一节纯金属的晶体结构

一、晶体与晶格

（一）晶体与非晶体

按原子在空间的排列方式不同，固态物质可分为晶体和非晶体两大类。

晶体：指原子在三维空间有规则地周期性重复排列的物质，如金刚石、石墨、固态金属等。晶体一般有规则的外形和固定的熔点，在各个方向上原子密度不同，因而表现出各向异性。

非晶体：指原子在空间无规则排列的物质，如松香、玻璃、沥青等。非晶体没有规则的外形和固定的熔点，在各个方向上原子的密度大致相同，因而表现出各向同性。

在金属的原子结构中，最外层的电子数目少，与原子核的结合力较弱，容易摆脱原子核的束缚变成自由电子。当大量金属原子聚集在一起构成金属晶体时，绝大部分金属原子都将失去最外层的电子变成正离子。这些正离子按照一定的规律排列，并在各自的位置上做微弱的热振动；而自由电子则在各正离子间穿梭运动，均匀地分布在金属中，形成遍布整个金属的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有金属原子维系在一起。金属离子与自由电子之间的这种相互作用力称为金属键。

……（详见教材）

（二）晶体结构的基本概念

1．晶格和晶胞

【教师】利用多媒体展示“晶体中原子排列示意图”图片（详见教材），并进行讲解

晶体中原子规则排列的方式称为晶体结构。晶体中的原子都在它的平衡位置上不停地振动着，为方便研究，通常把它们看成一个个在平衡位置上静止不动的小刚球，于是，各种晶体结构便可用许多小刚球紧密堆垛的模型来表示。

为了便于分析金属晶体中原子排列的几何规律，假设原子静止，用一些假想的直线将各原子中心连接起来，形成一个空间格架。这种抽象的、用于描述原子排列规律的空间格架称为晶格。晶格中的每个点称为结点。

……（详见教材）

2．原子半径和晶胞原子数

原子半径是指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间距离的一半。晶胞原子数是指一个晶胞内所包含的原子数目。晶体由大量晶胞堆砌而成，故处于晶胞顶角或晶面上的原子就不会为一个晶胞所独有，只有晶胞内的原子才会为一个晶胞所独有。不同晶体结构的晶胞所含有的原子数不同。

3．致密度

致密度是指晶胞中所包含的原子占有的体积与该晶胞体积之比，它反映了晶体中原子排列的紧密程度，是晶体结构特征的一个重要因素。致密度K的计算公式为

式中：n——晶胞原子数；

v——原子体积；

V——晶胞体积。

（三）金属晶格的类型

由于金属键具有较强的结合力，使得金属原子总是趋于紧密排列，因此，大多数金属晶体都具有高对称性的简单晶体结构。约90%的金属晶体都属于以下三种晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。

1．体心立方晶格

【教师】播放“体心立方晶格”视频（详见教材），并提出以下问题：

什么是体心立方晶体？

【学生】观看、思考、举手回答

【教师】总结学生回答

【教师】利用多媒体展示“体心立方晶胞示意图”图片（详见教材），并进行讲解

如图所示，体心立方晶格的晶胞是一个正立方体，立方体的8个顶角和中心各排列着1个原子。由于立方体中心包含一个原子，故称为体心立方晶格。其晶格常数，故通常只用一个常数a表示。属于这种晶格类型的金属有Cr，W，V，Mo，α-Fe等。

……（详见教材）

2．面心立方晶格

【教师】播放“面心立方晶格”视频（详见教材），并提出以下问题：

请谈谈你对面心立方晶格的了解。

【学生】观看、思考、举手回答

【教师】总结学生回答

【教师】利用多媒体展示“面心立方晶胞示意图”图片（详见教材），并进行讲解

如图所示，面心立方晶格的晶胞也是一个正立方体，立方体的8个顶角和6个面的中心各排列着一个原子。由于在立方体每个面的中心各有一个原子，故称为面心立方晶格。其晶格常数，故通常只用一个常数a表示。属于这种晶格类型的金属有