中职统编《金属材料与热处理》系列课件 第1章 金属的结构与结晶（动画） 云天系列课件

全国中职机械类教材（劳社版）第1章金属的结构与结晶《金属材料与热处理》系列课件（第6、7版）P.6

第一章：金属的结构与结晶本章学习目标

不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是同一种金属材料，在不同的状态下其力学性能也有不同。金属力学性能的这些差异，从本质上看，是由内部结构所决定的。因此，掌握金属材料的内部结构及其对金属性能的影响，对于选用和加工金属材料，都具有重要的意义。P.61.熟悉金属的晶体结构，了解晶体的缺陷；2.了解纯金属的结晶过程，掌握晶粒大小对其性能的影响；

3.掌握生产中常用细化晶粒的方法；

4.·纯铁的同素异构转变。第一章：金属的结构与结晶

金属的晶体结构金属的结构与结晶晶体与非晶体晶格的类型单晶体与多晶体晶体缺陷纯金属的结晶纯金属的结晶过程晶粒长大对金属材料的影响同素异构转变本章知识结构P.6观察结晶过程（试验）

本节教学要求学习目的：了解金属的晶体结构。

★重点：有关金属结构的基本概念：晶面、晶向、晶体、晶格、单晶体、晶体，金属晶格的三种常见的类型。

★难点：金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响。§1-1金属的晶体结构金属的结构65钢的显微组织金属构件P.61、晶体：晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。（晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结果。）

原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”。绝大多数固态金属及合金都是晶体。§1-1金属的晶体结构一、晶体与非晶体金刚石晶体晶体P.62、非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状态的（如普通玻璃、松香、树脂等）。

非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。晶体与非晶体非晶体注意：晶体与非晶体的关键区别是，原子排列是否有规律性。§1-1金属的晶体结构一、晶体与非晶体P.7注意：晶体与非晶体的区别是，原子排列是否有规律性。§1-1金属的晶体结构一、晶体与非晶体P.7项目晶体非晶体定义原子呈规则排列的物质。原子无序，无规则堆积的物……性能特点具有规则的几何外形，有一定的熔点，性能呈各向异性。没有规则的外形，没有固定的熔点，呈各向同性。典型物质石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、糖、味精。玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶。表1－1晶体与非晶体的对比

你能区分下列物质是晶体还是非晶体？§1-1金属的晶体结构一、晶体与非晶体P.7想一想玻璃壶石英蜂蜡食盐1、晶体结构的概念

1）晶格和晶胞

§1-1金属的晶体结构二、金属晶格的类型晶体晶格晶胞晶格：把晶体点阵中的结点，假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子（阵点）称为晶格。晶胞：构成晶格的最基本单元。由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。P.7

晶面：点阵中的结点所构成的平面。

晶向：点阵中的结点所组成的直线。阵点（结点）：把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。点阵：阵点（或结点）在空间的排列方式称晶体。

晶面与晶向§1-1金属的晶体结构二、金属晶格的类型

2）晶面和晶向P.7

2、金属晶格的类型

是指金属中原子排列的规律。绝大多数金属晶格属于体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格这三类。

§1-1金属的晶体结构二、金属晶格的类型体心立方晶胞占据1+8/8=2个原子1）体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心还有一个原子。属于这种晶格的金属有：铬Cr、钒V、钨W、钼Mo、及α-铁（α-Fe）。P.8金属晶格的类型是指金属中原子排列的规律。2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还各有一个原子。属于这种晶格的金属有：Al、Cu、Ni、Pb（γ－Fe）等。

§1-1金属的晶体结构二、金属晶格的类型面心立方晶胞占据6/2+8/8=4个原子P.8金属晶格的类型是指金属中原子排列的规律。3）密排六方晶格密排六方晶格：由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。属于这种晶格的金属有铍（Be）、Mg、Zn、镉（Cd）等。

§1-1金属的晶体结构二、金属晶格的类型密排六方晶胞占据3+2/2+12/6=6个原子P.8整个物体是由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的。（普通金属材料都是多晶体）

§1-1金属的晶体结构三、单晶体和多晶体水晶（单晶体）镀锌板晶粒（多晶体）工业纯铁显微组织（多晶体）单晶体与多晶体只由一个晶粒组成的晶体。（晶格排列方位完全一致。必须人工制作，如单晶硅。）

2、多晶体

多晶体具有各向同性：因晶粒之间排列杂乱，总体显出各方向性能一致。单晶体具有各向异性：是单晶体沿各不同晶面或晶向具有不同性能的现象。

1、单晶体P.9金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的，小晶体称为晶粒。晶粒间交界的地方称为晶界。

§1-1金属的晶体结构三、单晶体和多晶体晶粒与晶界3、晶粒

4、晶界P.9晶体缺陷：晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象。1）点缺陷：空位、间隙原子和置代原子

2）线缺陷：位错

§1-1金属的晶体结构四、晶体缺陷晶体缺陷空位、间隙和置换位错晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的位错局部滑移造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。P.101、晶体缺陷：晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象。3）面缺陷：晶界与亚晶界

§1-1金属的晶体结构四、晶体缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界的区别：晶界之间的原子排列方向角度较大，亚晶界之间的原子排列方向角度较小。P.10

本节教学要求学习目的：

★掌握金属结晶的概念，纯金属

★同素异构转变的概论，掌握铁的同素异构转变式。教学重点与难点：

★细化晶粒的方法及晶粒大小对力学性能的影响是教学的难点。

★纯金属冷却曲线及过冷度是教学重点。§1-2纯金属的结晶P.10§1-2纯金属的结晶金属由原子不规则排列的液体，转变为原子规则排列的固体的过程，称为结晶。

结晶是一个放热的过程，称为结晶潜热。热分析法液体晶体炼钢浇注结晶现象

分析金属的结晶过程是分析金属的重要手段。P.101、纯金属的冷却曲线及过冷度

1）金属的结晶必须在低于其理论结晶温度（熔点To)下才能进行。

2）理论结晶温度和实际结晶温度之差称这“过冷度”（△T=T0-T1）。

过冷度也是完成结晶的推动力。3）金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。

（冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。）§1-2纯金属的结晶一、纯金属的结晶过程纯金属结晶时的冷却曲线P.102、纯金属的结晶过程在一定过冷度的条件下，金属液通过晶核形成、晶核长大来完成其结晶过程。

纯金属的结晶在是在恒温下进行的。§1-2纯金属的结晶一、纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程－－形核和晶长大液态金属形核晶核长大完全结晶P.11结晶体观察：§1-2纯金属的结晶一、纯金属的结晶过程P.12观察玻璃上的冰花（树枝晶粒）镀锌铁皮表面上的树枝状晶粒一般室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。

细化晶粒的意义：细晶粒，晶界总面积增大，对塑性变形的抗力大，强度提高。同时细晶粒，变形分散，变形不易断裂，提高了韧性，保持了塑性。

1、影响晶粒大小的因素

金属晶粒大小取决于结晶时的形核率、长大速度。

细化晶粒，则要形核率越高、长大速度越慢。§1-2纯金属的结晶二、晶粒大小对金属材料的影响2、常用的细化晶粒的方法

增加过冷度：增大核率效果明显（晶长大速度增加不多）；

变质处理：在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。

振动处理：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。P.12铝合金的粗、细晶粒1、同素异构转变

金属在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变。§1-2纯金属的结晶三、同素异构转变2、具有同素异构转变的金属铁、钴、钛、锡、锰等金属具有同素异构转变。

同一金属的同素异构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。

如纯铁，有α-Fe、γ-Fe、δ-Fe纯铁的同素异构转变P.13§1-2纯金属的结晶三、同素异构转变3、纯铁的同素异构转变

1394°C912°C体心面心体心δ-Feγ-Feα-Fe4、金属的同素异构转变与金属结晶的比较金属的同素异构转变也称为“重结晶”。与液态金属结晶的相似处：有一定转变温度，有过冷现象；有潜热放出和吸收；也由形核、核长大来完成。与液态金属结晶的不同处：属固态相变，转变需较大的过冷度；新晶核优先在原晶界处形核；转变中有体积的变化，会产生较大内应力。金属的同素异构转变过程P.14§1-2纯金属的结晶

准晶体与“准科学家”谢赫特曼和他的“准晶体”P.15阅读材料

“当我告诉人们，我发现了准晶体的时候，所有人都嘲笑我。但我并不在意，我知道我是对的，他们是错的，时间终于证明了这一点。”－－

2011年诺贝尔化学奖得主谢赫特曼§1-3金属结晶的观察（试验）P.16一、试验目的1．通过观察透明盐类的结晶过程及组织特征，理解金属的结晶理论。2．通过观察铸锭表面，建立金属晶体以树枝状形态成长的直观认识。

由于液态金属的结晶过程难以直接观察，而盐类也是晶体物质，其溶液的结晶过程和金属很相似，区别仅在于盐类是在室温下依靠溶剂蒸发使溶液过饱和而结晶，金属则主要依靠过冷，故完全可通过观察透明