金属的晶体结构与结晶

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1、第二章金属的晶体结构与结晶第一节金属与合金的晶体结构【教学内容】:1、金属的晶体结构2、合金的晶体结构3、实际金属的晶体结构【教学目的】:掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备【教学方法】：课堂讲授；采用拟人、比喻的手法来教学，整体教学思路是运用学生自己和他们上课的班级做教学背景进行生动、有趣的教学【教学重点】：合金与实际金属的晶体结构【教学难点】：与生产实际相联系【教具选用】：自制挂图【教学回顾】:5 分钟上一节课讲述了金属材料的性能，包括金属的物理性能、化学性能、力学性能及加工工艺性能。（上节课的重点）在学习中让学生明白了解金属的

2、性能对今后工作中加工零件、工艺流程设计、工艺方法的选择有了很大的帮助。（上节课理论联系实际内容）【新 课 导入 】：（拟人地运用人体结构来解释金属材料的结构）10 分钟（讲述）：我们今天来学点人体解剖学知识(产生悬念：金属课来学解剖学？)首先把金属看做是一个我们当中的一名同学。如下图：（简单带学生回忆一下中学的生理卫生课讲过的人体解剖学知识）1（讲述）：左边是我们的人体结构，大家都很熟悉。再看一下右边的这个金属的 身体构 造，它远远比我们人要简单的多了。在人而言，我们了解了自己的身体构造，那么哪里不舒服我们就可以及时就医；而金属我们了解了它的构造，那么在今后工作中就能够随心所欲地使用和加工这些

3、金属材料，明白为什么不同的金属材料会有不同的金属性能。在我们学习金属学时，就要用到哲学中普遍联系的 观点来学习知识，这样才能从根本上掌握学习的知识点。【教学过程】：（板书）60 分钟65 分钟一、晶体的基本知识（一）晶体与非晶体（采用比喻的手法）（讲述）：（拿我现在做班主任的这两个班来比较，03 级的学生我带了二年，他们在我的培养下现在已经是一个团结的集体；而我新接手的 04 级班则是一个不很团结的班级，同样是学校的一个活动，3 级我只要做一个学生的工作就可以解决问题。可由于 04 级班不够团结，那我就要花很大的气力来做工作，这就好比晶体和非晶体一样，前者是一个排列有序和有规则的集体，性能上有

4、自己的特点，有据可寻；而后者则是一个无序无规则的 集体。性能了解上就有很多特殊性）（板书）：晶体的概念就是原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列；（团结的集体）大多数的金属是晶体非晶体则是无规则的堆积在一起。（不团结的集体）非晶体则如松香、玻璃、沥青。（二）晶格、晶胞1、晶格（采用比喻的手法）（讲述）：（我们学校的一个班级排队列的几何形状，不外乎是正方形、长方形、不规则形；为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架。）2（板书）： 晶格：这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称

5、晶格。2、晶胞（采用比喻的手法）（讲述）：（比喻成能代表这个班级的队列几何形状的最少几个同学的组成。来有请我们几位同学起立，这几个同学目前的排列形状就是我们班的队列几何形状）（让几个同学站起来，课堂气氛也活跃一些 ）（板书）： 晶胞：一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞 。（讲述）：由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论 通常只从晶格中，整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。（板书）：（金属的晶体结构：金属晶格晶胞原子如：人体内脏器官组织细胞技工学校班级小组同学（用这种关系来让学生明白金属材

6、料的晶体结构之间的关系，可以请学生来排队示范）（三）金属中常见晶格由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。（填空题）1、体心立方晶格（采用比喻的手法）（讲述）：我的 04 级班是 64 个人的班级，其队列呈正方形即 8 8 ）体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一 个原 子，具 有体 心立方 晶格 的金 属 有aFe、Cr等 。32、面心立方晶格(采用比喻的手法)（讲述）：（比喻说一个有 56 人的班级,其队列呈长方形即 78）面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相

7、邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。具有面心立方晶格的金属有rFe、Al等。3、密排六方晶格(采用比喻的手法)（讲述）：（比喻说是一个只有 63 人的班级其队列呈不规则外形）密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面和两个呈 六边 形的底 面所 组成 。 具有 密排 六 方晶 格的 金属有 Mg 、Zn 。二、合金的晶体结构（一） 合金的概念(采用比喻的手法)（重点概念）（讲述）：（上面我们讲了只要是金属就是那种金属结构；只要是班级就那种构成；那么合金，这种金属中运用最广泛的一大类又是怎么样的结构呢？就好比是学校的一个班级的成立一样，不管你多少人，只要开班就成为一

8、个班级，不管是只有纯男生还是纯女生、抑或是有男生有女生，关键是学校班级存在，就象我们下面讲到的4合金一样）（板书）：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。（讲述）：（关键是具有金属性能,而组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金）。合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合 金。合金的性能一般都是由组成合金的

9、各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况 组织所决定的。（二）合金的相结构由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物及混合物三大类。（填空题）1、固溶体(采用比喻的手法)（讲述）：（我们每一个人都冲泡过咖啡。当 冲咖啡的水温不同时冲出来的效果是不同的,假如咖啡是溶质原子，而开水就好比是溶剂原子，即溶质原子溶入在溶剂原子中所形成的就是我们下面讲到的固溶体模式）（板书）：合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。（讲述）：不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过

10、溶入溶质元素形成固溶体。（板书）：使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化（重点概念）（假如我们想用手扭断一截铁线，在要断之前的那个断5裂处就是强度，硬度升高的固溶强化）固溶体中的晶格畸变示意图a) 间隙固溶体b)置换固溶体a)为间隙固溶体b)为间隙固溶体（ a 比喻 成是 一个外 班来 插班的学 生 坐 在两 个同 桌 的同 学之 间 ）（ b 比喻成是 一 个外班来 插 班的 学生 坐 在我 们中 同学的 位置 上）以上两种情况都会让我们同学产生反感，这也就是金属材料所产生的固溶强化现象（打下伏笔，这个内容将在第三章中详细阐述）（ 理论联系实际）固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途

11、径之一 。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。2、金属化合物(采用比喻的手法)（讲述）：（比喻成是一种化学反应，剧烈的化学反总是会让学生了解到金属化全物的性能硬而脆）金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可 用化 学分子 式表 示 。钢 中 渗碳 体（ Fe3C ）是 由铁原子 和碳 原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强

12、度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。金 属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分布状况。3、混合物（略）（第二节课）（板书）：辨析题：弥散强化与固溶强化的区别和联系（课后思考题 ）（讲述）：上一节课我们的问题来先讲解一下，（讲析上一节课的6课后思考题）那么我们实际生产中的金属是怎么样的呢？10 分钟三、实际金属的晶体结构 25 分钟（一）金属材料都是多晶体（板书）： 单晶体： 我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。（讲述）：（我们

13、把单晶体比作是一个纯男生班或纯女生班；多晶体就好比是一个男女生混合班，纯男生班只有特殊专业才可能，比如说：服装专业的纯女生班和模具专业的纯男生班；单晶体也只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界）。多晶体示意图（二）晶体的缺陷多晶体示意图（讲述）： 晶体内部的某些局部区域，原子的

14、规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。（板书）：根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：点缺陷、线缺陷、面缺陷（填空题）1、点缺陷空位和间隙原子在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。（讲述）：（来看一看我们今天班上有没有没来上课的同学，如果有，那么他的那个座位就是空的，也就是我们上面介绍的 空位，又比如说，有的同学说坐在自己位置上看不见黑板，而要坐到前面7这两个

15、同学的之间来，这种现象就是我们下面介绍的）（板书）：这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。由于空位和间隙原子的存在 ，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。（理论联系实际）晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。2、线缺陷位错（讲述）： 晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指

16、单位体积内，位错线的总长度。位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。（板书）：冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。（重点概念）刃型位错的立体与平面图刃型位错示意图a)晶格立体模型b)平面图82、面缺陷晶界和亚晶界（讲述）： 就好比是我国的国界中的水域国界与陆地国界；实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域（如图 213、214），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较

17、低，晶界容易被腐蚀等。晶界和亚晶界晶界的过渡结构示意图亚晶界结构示意图【课堂小结】：10 分钟1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。2、合金的相结构有固溶体、化合物及混合物。弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。3、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的热处理过程极为重要。位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增加所致。点缺陷、晶界和亚晶

18、界也与材料的力学性能有关 。9【课堂作业】:1、概念题：合金、固溶强化、位错、晶界、加工硬化、晶格、晶胞2、填空题：、晶格排列的类型、。、晶体缺陷的几何形态的类型、。3、问答题：、弥散强化与固溶强化的区别和联系、加工硬化的产生原理及工业应用课后情况反馈:（当课程上完之后，根据上课的情况和作业而进行教学方法和教案的修改，以便今后提高教学效果。）10附课堂版书设计：第一节课第二章金属的晶体结构与结晶第一节金属与合金的晶体结构一、 晶体的基本知识（一）晶体与非晶体（二）晶格、晶胞、晶格常数晶格 概念：、（图略）（三）金属中常见晶格（图略）有体心立方 、面心立方 、密排六方三91517晶格：、晶胞：、

19、金属晶格晶胞原子如：人体内脏器官组织细胞省轻工技工学校班级小组同学二、合金的晶体结构（一） 合金 的概念 、（二）合金的相结构1、固溶体 2、金属化合物（图略）1、固溶体、2、固溶强化、2、金属化合物：理论联系实际：冲压工件、变形铁线等略（辨析题）弥散强化与固溶强化的区别和联系第二节课三、 实际金属的晶体结构（一）金属材料都是多晶体（二）晶体的缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷1 、点缺陷 空位和间隙原子（图略）空位间隙原子（理论联系实际）2 、线缺陷 位错（图略）位错、加工硬化理论联系实际3 、面缺陷 晶界和亚晶界（图略）晶界亚晶界（图略）理论联系实际：课堂教学小结：1、金属的晶格有 体心立方结构、

20、面心立方结构和密排六方结构 ，由于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。2、合金的相结构有 固溶体和化合物混合物 。弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。3 、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。 点缺陷对金属材料的热处理过程极为重要。 位错的存在以及位错密度的变化， 对金属的性能如强度、 塑性、疲劳等都起着重要影响。金属冷变形加工后的加工硬化， 就是由于位错密度的增加所致。 点缺陷、晶界和亚晶界也与材料的力学性能有关。作业 :概念题：合金、固溶强化、位错、晶界、加工硬化、晶格、晶胞填空题：、晶格排列的类型- 、 - 、 - -。、晶体缺陷的几何形态的类型- 、 - 、 - 。问答题：、弥散强化与固溶强化的区别和联系、加工硬化的产生原理及工业应用注明 ：1、教案中的图为自制挂图2、版书中分别把知识点、联系生产实际以及今后的伏笔做了特殊记号，这样便于学生做笔记3、课堂讲授利用现有的学生课堂进行比喻便于学生对抽象的金属结构进行理解参考书目：劳动人事出版社金属材料与热处理第三版、第四版机械工业出版社金属材料与热处理第三版劳动人事出版社金属材料与热处理第四版修订本11