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材料科学与工程学院教案用纸
课程章节名称 项目二 金属的晶体结构与结晶
教学目的、要求 ●掌握晶格的相关概念。 ●掌握金属晶体的堆积方式。 ●掌握纯金属的结晶。 ●熟悉纯铁的同素异构转变。 ●熟悉合金的相结构。
重点 难点 1.如何表示晶体、晶胞、晶格、位错、合金、组元、固溶体等名词解释 2.金属晶体的晶格类型 3.金属的实际晶体的晶体结构 4.纯金属的结晶过程
教学环节时间分配 3课时
教学手段、教学方法和实施步骤 多媒体
授课内容: 金属晶格结构的概念： 晶体是指在物质的内部，凡原子在空间呈有序、有规则排列的称为晶体。如:金刚石、石墨和一切固态金属及其合金等均属晶体。为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的原子简化成一个点，再用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来，就构成了有明显规律性的空间格架。这种用来描述原子在晶体中排列规律的空间格架，称为晶格。由于晶体中原子的排列是有规律的，晶胞是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的，能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。 金属的晶格类型： 1)、体心立方结构： 它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。属于这种晶格类型的金属有铬、钒、钨、钼及α-Fe等。 2)、面心立方结构： 它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。属于这种晶格类型的金属有铝、铜、铅及γ-Fe等。 3)、密排六方结构： 它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角及上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，如图2 15所示。属于这种晶格类型的金属有镁、锌、铍等。 金属晶体的实际结构： 在实际使用的金属材料中，由于加进了其他类型的原子及材料在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的影响，使本来有规律排列的原子堆积方式受到干扰，不像理想晶体那样规则。晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象称为晶体缺陷。常见的晶体缺陷空位、间隙原子、置换原子、位错、晶界和亚晶界。 纯金属的结晶： 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，随着时间的推移，这种已形成的晶核不断长大，同时液态金属的其他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。因此，液态金属的结晶是形核和晶核长大的基本过程。 结晶开始时，液体中的原子或原子集团先后按一定的晶格类型排列成微小的晶核，随着晶核的长大，逐渐形成了晶体的棱角，由于棱边和角部的散热条件优于其他部位，又便于原子扩散，因而优先成长。晶核的长大先长出干枝，再长出分枝，当成长的枝晶与相邻晶体的枝晶互相接触时，晶体就向着尚未凝固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止。最后形成了许多互相接触而外形不规则的晶体。这些外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。由于每个晶粒的方位不同，使它们相遇时不能合为一体，这些晶粒与晶粒之间的分界面称晶界。 五、纯铁的同素异构转变： 金属在固态下，随温度的变化由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁、锡、钴、钛、锰等。以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异晶体。同一金属的同素异晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母α、β、γ、δ等表示。液态纯铁在1538 ℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe。继续冷却到1394 ℃发生同素异构转变，δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe，再冷却到912 ℃又发生同素异构转变，γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe。如再继续冷却到室温，晶格类型不再发生变化。 合金的相结构 合金是由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质组成合金最基本的独立物质称为组元，简称元。组元可以是金属元素、非金属元素或稳定的化合物。根据合金中各组元间的相互作用，合金中相的晶体结构可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。 1)、固溶体： 固溶体是一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体仍然保持溶剂的晶格类型。根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置的不同，固溶体又分为置换固溶体和间隙固溶体。 2)、金属化合物： 合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般用分子式来表示。金属化合物的晶格类型和性能完全不同于任一组元，它的一般特点是熔点高、硬度高、脆性大。 3)、机械混合物： 两种或两种以上的相，按一定质量分数组成的物质称为机械混合物。混合物的组成部分可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。混合物中各组成相仍保持自己原有的晶格类型和性能。
课堂讨论 金属晶体的晶格类型
课外思考、练 习及作业题 课后习题

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