金属学与热处理：电子教案

电子教案

课题绪论-1.1金属需2课时

教

学

目

的1、了解材料的分类的金属学与热处理的研究内容

要

求2、掌握金属的原子结构、金属键及结合力与结合能

教学

重点金属键，结合力与结合能

教学教案编写日期

点

难金属的结合力与结合能

年月日

教学内容与教学过程提示与补充

绪论

一、什么是材料

材料：是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的

物质。

❖材料存在于我们的周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。

❖材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。

❖材料是全球新技术革命的四大标志之一。

二、材料的分类

按化学组成分类

♦金属材料

♦无机非金属材料

❖高分子材料

♦复合材料

材料理论的发展范畴：

❖金属学

❖陶瓷学

❖高分子物理学

材料各有特点、也有许多共性和相通之处，将他们的微观特性和宏观规律

以统一理论概括——材料科学。

三、什么是金属学

金属学：是研究金属或合金的化学成分、组织、结构及性能之间的相互关

系及变化规律的科学。

化学成分：组成物质的基本元素及其含量。

❖化学成分主要由冶炼和铸造控制，特别是靠冶炼来保证。

❖化学成分不同，金属材料的性能不同。

例如：铁，铝，金性能各不相同。

结构:原子在空间有规律排列的形式。

教案

♦结构不同，性能不同。

组织:用肉眼和借助于不同放大倍数的显微镜观察到的金属材料内部各种

相的晶粒大小、形态和分布。

组织不同，性能也不同。

金属材料的性能:

工艺性能；

❖使用性能。

工艺性能：能适应实际生产工艺要求的能力，在于能不能保证生产、制作。

•包括：铸造性能、锻造性能、切削加工性能，热处理性能，焊接性能。

使用性能：在使用中应具备的性能，在于保证能不能应用。

•包括：物理性能，化学性能，机械性能（强度、硬度、塑性、韧性）

改变金属材料的性能：

内在因素——成分、结构、组织

外在因素——各种加工处理工艺（外在因素通过改变内在因素改变材料

的性能）

四、热处理

热处理：将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所

需要性能的一种工艺。

热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。

在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。

❖在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。

至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理。

❖总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用。

任务：研究固态相变的规律性，研究金属或合金热处理组织与性能之间的

关系以及热处理理论在工业生产中和应用。

地位：（1）工业生产领域：工业生产中不可缺少的技术，是提高产品质量和

寿命的关键工序，是发挥材料潜力、达到机械零部件轻量化的主要手段。（2）材

料研究领域：研制和开发新材料。

五、金属学与热处理研究的具体内容：

三大理论：

❖晶体结构理论（正常结构、晶体缺陷）；

❖结晶理论（纯金属、二元合金、三元合金）；

❖固态转变理论（塑变和回复再结晶、扩散；五大转变：珠光体转变、奥

氏体转变、贝氏体转变、马氏体转变、回火转变）。

一大中心：成分、组织、结构、性能关系。

二大图形：相图、C曲线图。

四把火：正火、退火、淬火、回火。

令本课程特点：

❖大部分概念不是定量的，而是定性的，很少演绎、推理、计算：

♦对生产实际中的现象要进行归纳分析，找出各种事物和因素之间联系以

及它们相互制约的规律，并去解决实际问题；

教案

❖初学者常认为这门课程内容庞杂，实际上系统性强。

令本课程学习方法

多进行归纳和总结；

❖利用习题深刻理解教学内容，学会分析问题。

令学习参考书：

❖1、崔忠圻主编：《金属学与热处理》，机械工业出版社，2007年5月第

2版

❖2、石德珂主编：《材料科学基础》，机械工业出版社，2003年7月第2

版。

3、王顺兴主编：《金属热处理原理与工艺》，哈尔滨工业大学出版社，

2009年9月第1版。

第一章金属的晶体结构

什么是金属？

传统定义：金属是具有良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽的物

质

❖严格定义：金属是具有正的电阻温度系数的物质，其电阻随温度的升高

而增加：而非金属的电阻温度系数为负值。

第一节金属

一、金属原子的结构特点

原子结构理论：

原子=原子核（质子+中子）+核外电子

核外电子数与质子数相等；

❖核外电子按能级的不同由低到高分层排列；

♦内层电子的能量低，最为稳定；

原子中的所有电子都按着量子力学规律运动着

金属原子的结构特点

❖最外层电子数很少，W3

外层电子容易脱离原子核的束缚而变成自由电子

❖过渡族金属元素在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充了电

子

二、金属键

离子键：由电子转移（失去电子者为阳离子，获得电子者为阴离子）

形成的。即正离子和负离子之间由于静电引力所形成的化学键。如Na+Cl-

共价键：相邻原子共用它们外部的价电子，在理想情况下达到电子的

饱和状态。如金刚石

金属键：处于集聚状态的金属原子，全部或大部将它们的价电子贡献

出来，为其整个原子集体所公有，形成电子云（电子气）。贡献出价电子的

原子，则变为正离子，沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的

自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式叫做金属键，它没有饱和

性和方向性。

教案

金属特性的金属键理论解释：

❖(1)自由电子在电场的作用下定向运动形成电流，从而显示出良好的导

电性。

❖(2)随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍

作用也加大，因而，金属的电阻是随温度的升高而增加的，即具有正的

电阻温度系数。

❖(3)自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能，因而使金属具有较

好的导热性。

三、结合力与结合能

双原子作用力模型：原子一个在0点，一个在远处向0点原子靠近。

❖两原子相距无限远，引力和斥力都趋近于零；

随原子间距的减小，引力增加，斥力也增加，且斥力增加快；

❖当r=ro时，引力等于斥力，合力为零。两原子既不会自动靠近，也

不会自动离开，此时，原子的势能最低。

❖ro为原子结合的平衡间距。

❖r>ro原子之间的引力大于排斥力，相互吸引；

❖r<ro原子之间的排斥力大于引力，相互排斥。

❖任何对ro的偏离，都会使原子的能量增加，使原子处于不稳定状态，

原子就有回到低能量状态即平衡态的趋势，解释了为什么常见金属中的

原子总是趋向于紧密排列。

❖不同金属，其作用力曲线的曲率和势阱深度不同。

教案

课题1.2金属的晶体结构(1)需2课时

教

学

目

的1、掌握晶体与非晶态的特点，晶体结构与空间点阵

要

求2、掌握三种典型的晶体结构

教学

重点空间点阵、三种典型晶体结构

教学教案编写日期

点

难三种典型晶体结构的原子数、配位数、致密度

年月日

教学内容与教学过程提示与补充

复习

新授课内容

一、晶体与非晶体

晶体：物质的原子、分子在三维空间周期性、规则排列的固体。例如：

金属。

❖晶体的特性：有固定的熔点，各向异性。

非晶体：物质的原子、分子在三维空间无周期性、规则排列。例如：

玻璃。

❖非晶体的特性：无固定的熔点，各向同性。

二、晶体结构与空间点阵

晶体结构：晶体中原子在三维空间有规律的周期性的具体排列方式。

组成晶体的原子种类不同或者排列规则不同，可以有各种各样的晶体结构。

为研究晶体中的原子、分子的排列情况，将它们抽象成为规则排列于空

间的无数个几何点，称之为阵点。这些点可以是原子、分子的中心，也可

以是原子团、分子团的中心。

1,空间点阵

由等同点规则地、周期性重复排列所组成的三维阵列。简称点阵。

阵点：空间点阵中的点。

❖晶格：在表达空间点阵的几何图形时，用假象的平行线条将阵点连接起

来，构成的三维几何格架。

2、晶胞(单胞)

能代表整个空间点阵特征的最小单元体。

晶胞的选取原则：

❖(1)能充分反映整个空间点阵的对称性：

❖(2)平行六面体内相同的棱角尽可能多；

❖(3)平行六面体内棱间夹角应具有最多的直角；

❖(4)满足以上条件的前提下具有最小的体积。

教案

描述晶胞（单胞）：

❖点阵参数：晶胞中的三个棱边长度a、b、c,三个棱边夹角a、0、丫。

点阵常数（晶格常数）：晶胞中的三个棱边的长度a、b、c。

三、3种典型的金属晶体结构

所有晶体可归纳为七种晶系（七大晶系）。

按照“每个阵点周围环境相同，，的要求，法国的晶体学家布拉菲首先用

数学的方法确定，只能有14种空间点阵。

这14种空间点阵以后就被称为“布拉菲点阵”。

♦三种典型的晶体结构

（一）体心立方结构

❖晶格常数：a=b=c；a=p=y=90°

❖晶胞原子数：2

原子半径：4

❖配位数：8

❖致密度：0.68

（二）面心立方结构

面心立方晶格：在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子。

具有面心立方晶格的金属有Y-Fe、Al等。

♦晶格常数：a=b=c；a=p=y=90°

❖晶胞原子数：4

❖原子配位数：12

❖致密度：0.74

V2

-----a

❖半径：4

（三）密排六方结构

教案

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。在晶胞的福个角上和上、下底面的中心都排列一

个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。

具有密排六方晶格的金属有Mg、Zn。

▼

❖晶格常数：底面边长a,底面间距c

❖侧面间角120。，侧面与底面夹角90。

❖晶胞原子数：6

❖原子半径：a/2

♦：♦配位数：12

❖致密度：0.74

（四）原子的堆垛方式（选学）及间隙

密排六方：密排面为（0001）ABABAB.......

体心立方堆垛：密排面为（110）ABABAB.......

面心立方堆垛：密排面为（111）ABCABCABC.......

面心立方结构间隙

＞间隙有两种:四面体间隙和八面体间隙

八面体间隙:位于晶胞体中心和每个棱边的中点，由6个面心原子所

围成，间隙半径rB=0.146a,间隙数量为4个。

四面体间隙:由一个顶点原子和三个面心原子围成，其大小:，B=0.06m

间隙数量为8个。

体心立方晶格间隙

＞间隙：也是两种，为八面体和四面体间隙

八面体间隙:位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的中心由一个面

上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原子围成，即数量为6。大小为

rB=0.067a

四面体间隙:由两个体心原子和两个顶角原子所围成大小小=0./264

有12个。

教案

课题1.2金属的晶体结构（1）需2课时

教学

目的

掌握晶向指数及晶面指数的标定方法

要求

教学

晶向，晶向指数，晶向族；晶面，晶面指数，晶面族

重点

教学教案编写日期

已知晶向指数和晶面指数画晶向和晶面

难点年月日

教学内容与教学过程提示与补充

复习

新授课内容

四、晶向指数和晶面指数

❖晶向：任意两个原子之间连线所指的方向。

❖晶面：原子组成的二维平面。

为了便于确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶面，国际上通用Miller

指数统一标定晶向指数和晶面指数。

晶向指数的确定：

>①建立坐标系

>②确定坐标值

>③化整并加方括号口

晶向指数的另一种确定方法

>确定起点的坐标[xl,yl,zl]

>确定终点的坐标[x2,y2,z2]

>得到矢量[x2-xl,y2-yl,z2-zl]

>化整

教案

说明：

①一个晶向代表相互平行，方向一致的所有晶向

②两晶向相互平行但方向相反，则数字相同但符号相反。

晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。＜uvw＞

如：＜111＞

注意：如果不是立方晶系，改变晶向指数的顺序所表示的晶向可能不是等

同的

几个重要的晶向：

＞轴向：＜100＞

面对角线:＜110＞

＞体对角线:＜111＞

＞顶点到相对的面心方向：＜112＞

晶面指数的确定

＞建立坐标注意：坐标原点不能选在待定晶面上。

＞求截距

＞取倒数

＞化整并加圆括号()

(MZ)代表了一组平行的晶面，

＞平行平面的晶面指数相同，或数字相同而正负号相反。

晶面族：晶体中具有等同条件(原子排列情况和面间距完全相同)而只是

空间位向不同的各族晶面。用｛〃〃/｝表示。

＞在立方晶系中,相同指数的晶面和晶向必定垂直。

六方晶系的晶向指数和晶面指数：

＞根据六方晶系的对称特点，对六方晶系采用al,a2,a3及c四个晶轴,

al,a2,a3之间的夹角均为120度，这样，其晶面指数就以(hki1)四个指

数来表示。

＞根据几何学可知，三维空间独立的坐标轴最多不超过三个。前三个指数

中只有两个是独立的，它们之间存在以下关系：i=—(h+k)。

五、晶体的各向异性

晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽

相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各

教案

向异性。晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性膜量、硬度、

热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射

率等都是不同的。各向异性作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究

价值。常用密勒指数来标志晶体的不同取向。

六、多晶型性

同素异晶转变大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、

Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。当外部条件（如

温度和压力）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称

为多晶型转变或同素异晶转变。铁的同素异晶转变在热处理中有非常重大

的意义。

教案

课题1.3实际金属的晶体结构需2课时

教

学

目

的1、掌握实际金属中各种缺陷的特点

要

求2、掌握金属的多晶型性

教学

重点金属的晶体缺陷

教学教案编写日期

点

难线缺陷

年月日

教学内容与教学过程提示与补充

复习

新授课内容

第三节实际金属的晶体结构

晶体缺陷：

原子偏离规则排列的不完整性区域

晶体缺陷的分类：

＞点缺陷：缺陷在三个方向的尺寸很小，相当于原子尺寸。如空位、间隙

＞线缺陷：缺陷在两个方向的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。

如位错

＞面缺陷：缺陷在一个方向上的尺寸很小，另两个方向的尺寸相对很大。

如晶界、亚晶界

一、点缺陷

(-)空位

在晶体中，位于点阵结点上的原子并非静止的，而是以其平衡位置为

中心作热振动。原子的振动能是按几率分布.，有起伏涨落的。当某一原子

具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对

它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。

离开平衡位置的原子有三个去处：

＞一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空

位，称为肖脱基(Schottky)空位；

＞二是挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙

原子，则称为弗兰克尔(Frenkel)空位；

＞三是跑到其它空位中，使空位消失或使空位移位。

(二)间隙原子

处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。

教案

特征：

＞间隙原子所造成的晶格畸变远较空位严重。

＞间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类

间隙原子来说，常将这•平衡浓度称为固溶度或溶解度。

（三）置换原子

占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。

＞置换原子周围也存在晶格畸变

＞置换原子的固溶度（或溶解度）通常比间隙原子的要大得多。

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，如屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等。

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。

二、线缺陷-位错

位错是晶格中的某处有一列或若干列原子发生了某些有规律的错排现

象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，

可以形成不同类型的位错，最简单、最基本的类型有刃型位错和螺型位错

两种。

（-）刃型位错

设有一简单立方结构的晶体，在切应力的作用下发生局部滑移，发生

局部滑移后晶体内在垂直方向出现了一个多余的半原子面，显然在晶格内

产生了缺陷，这就是位错，这种位错在晶体中有一个刀刃状的多余半原子

面，所以称为刃型位错。

b)

位错：

＞正刃型位错：半原子面在滑移面上方的刃型位错，1

＞负力型位错：半原子面在滑移面下方的刃型位错，T

刃型位错特征

＞刃型位错有一个额外的半原子面。

＞刃型位错线为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，

也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直。

＞滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑

教案

移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构

成的平面只有一个。

＞刃型位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，位错周围的点阵

发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。

（二）螺型位错

螺型位错具有以下重要特征：

＞①螺型位错没有额外半原子面；

＞②螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，其中只有切

应变，而无正应变；

＞③位错线与滑移方向平行，位错线运动的方向与位错线垂直。

,JaD

。上以原子•

（三）柏氏矢量

柏氏矢量的确定方法：

＞首先选定位错线的正向，例如，常规定出纸面的方向为位错线的正方向。

＞在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位错线附近的严重畸

变区）以一定的步数作一右旋闭合回路，称为柏氏回路。

＞在完整晶体中按同样的方向和步数作相同的回路，该回路并不封闭，由

终点Q向起点M引一矢量，使该回路闭合，这个矢量b就是实际晶体中位

错的柏氏矢量。

柏氏矢量的特性：

＞用柏氏矢量可以判断位错的类型。位错线与柏氏矢量垂直就是刃型位

错，与柏氏矢量平行就是螺型位错。

＞可以表示晶格畸变的大小。柏氏矢量越大，晶格畸变越严重。可以表示

晶体滑移的方向和大小。滑移的大小即柏氏矢量b,滑移方向即柏氏矢量的

方向。

＞同一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的。

＞对个位错来说，同时包含位错线和柏氏矢量的晶面是潜在的滑移面。

（四）位错密度

＞晶体中位错的量通常用位错密度来表示。

教案

＞位错密度是指单位体积内，位错线的总长度。

三、面缺陷

面缺陷：外表面（表面或自由界面）和内界面（晶界、亚晶界、挛晶

界、堆垛层错、相界）

（-）晶体表面：固体与气、液介质接触的界面

在晶体表面上，原子排列情况与晶内不同,表面原子会偏离其正常的平

衡位置，并影响到邻近的几层原子，造成表层的点阵畸变，使它们的能量

比内部原子高，这几层高能量的原子层称为表面。

（二）晶界

晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界

根据相邻晶粒之间位向差的大小不同可将晶界分为两类：

＞小角度晶界：相邻晶粒的位向差＜10°晶界。亚晶界均属小角度晶界，

一般小于2°o

＞大角度晶界：相邻晶粒的位向差＞10。晶界，多晶体中90%以上的晶界

属于此类。

小角度晶界

最简单的小角度晶界是对称倾侧晶界,由•系列柏氏矢量互相平行的

同号刃型位错垂直排列而成，晶界两边对称。

大角度晶界

＞多晶体材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界。

＞晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。随着位向差的增大，坏区的

面积将相应增加。

＞纯金属中大角度晶界的宽度不超过3个原子间距。

（三）亚晶界

晶粒本身也不是完整的理想晶体，它是由许多尺寸很小、位向差也很

小的小晶块镶嵌而成的这些小晶块称为亚晶粒。

＞亚晶粒之间的交界面称为亚晶界。亚晶界对金属同样有强化作用。

（四）堆垛层错

在实际晶体中，晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷称

为堆垛层错。

＞通常发生于面心立方金属。

＞金属的层错能越小，则层错出现的几率越大。

（五）相界

相：是指成分相同、）结构相同、有界面和其它部分分开的物质的均匀

组成部分。

相界的结构有三类，即共格界面、半共格界面和非共格界面。

（六）晶界特性

＞晶界运动

＞内吸附

＞晶界对金属材料的塑性变形起着阻碍作用

＞发生相变时，首先在晶界形核

教案

课题2.1金属结晶的现象-2.3金属结晶的结构条件需2课时

教

学

目

的1、掌握金属结晶的现象

要

求2、掌握金属结晶的热力学和结构条件

教学

重点过冷现象，金属结晶过程，金属结晶的热力学和结构条件

教学教案编写日期

过冷现象，金属结晶过程

难点年月日

教学内容与教学过程提示与补充

第二章纯金属的结晶

一般金属制品是如何制得的？：

熔炼一浇铸(铸件和铸锭)：液态-固态凝固！结晶！

金属及合金的结晶组织对其性能以及随后的加工有很大的影响，而结

晶组织的形成与结晶过程密切相关。

＞对于铸件和焊件来说，结晶过程基本上决定了材料的使用性能和寿命。

＞对于铸锭，影响轧制和锻压工艺性能!使用性能！

因此，研究和控制金属的结晶成为提高金属力学性能和工艺性能的重要手

段。

第一节金属结晶的现象

一、结晶过程的宏观现象

(-)过冷现象

＞理论结晶温度：纯金属液体在无限缓慢冷却条件下结晶的温度。

＞过冷现象：实际的结晶过程冷速都很快，液态金属在理论结晶温度以卜

开始结晶的现象。

＞过冷度AT：理论结晶温度与实际结晶温度的差值。

AT=To-T,

58

L__VA____k,

\---------v——4-

时间，min

教案

影响过冷度的因素：

＞过冷度随金属的本性、纯度以及冷却速度的差异而不同。金属不同，过

冷度的大小不同；金属纯度越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越

大，实际结晶温度越低。

＞金属总是在一定的过冷度下结晶，过冷是结晶的必要条件。对于一定的

金属来说，过冷度有一最小值，若过冷度小于此值，结晶过程就不能进行。

(-)结晶潜热

为什么冷却曲线上会出现一平台？

金属结晶时从液相转变为固相要放出热量，称为结晶潜热。由于结晶

潜热的释放，补偿了散失到周围环境的热量，使温度并不随冷却时间的延

长而下降，所以在冷却曲线上出现了平台。结晶结束，没有结晶潜热补偿

散失的热量，温度又重新下降。

二、金属结晶的微观过程

结晶过程就是形核和长大的过程！

第二节金属结晶的热力学条件

液态金属必须在一定的过冷条件下才能结晶，这是由热力学条件决定

的。

WIT

热力学第二定律：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能

较高的状态向自由能较低的状态转变。

这说明，只有引起体系自由能降低的过程才能自发进行。

结晶能否发生，要看液相和固相自由能的高低。

＞如果固相的自由能比液相的自由能低，那么液相将自发地转化为固相，

使系统的自由能降低，处于更为稳定的状态，即发生结晶。

＞液相金属和固相金属的自由能之差，就是促进转变的驱动力。

温度升高，原子活动能力提高，因而原子排列的混乱程度增加，即燧

值增加I,系统的自由能随温度的升高而降低。且液态金属自由能随温度降

低的趋势大于固态金属。

教案

液、固两相的自由能随温度而变化的曲线斜率不同，则两线必然在某

一温度交，此时液相和固相的自由能相等，意谓着两相可以同时共存，既

不熔化也不结晶，处于动平衡状态。

>交点对应的温度就是理论结晶温度TO。

高于To温度时，液态金属比固态金属的自由能低，金属处于液态才是

稳定的；低于T。温度时，金属处于固态才稳定。

因此，液态金属要结晶，就必须处于To温度以下，金属必须过冷，使

液态和固态之间存在一个自由能差。这个自由能差就是促进液体结晶的驱

动力。液、固两相自由能的差值越大，则相变驱动力越大，结晶速度也越

快。

△Gv=H,TS,(HcTS0=H,HcT(S匚H©-TAS

/%熔化潜热，AHf>0

4Gv=-4H/~TAS

当T=7相时，AGv=0,4S=-

当Tv%H寸，JGV=-4HfAT/Tm

Tm；理论结晶温度.

过冷度AT越大，相变驱动力越大.

第三节金属结晶的结构条件

金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，晶核的形成是有条件的。

在固态金属晶体中，大范围内的原子是呈有序排列的，称之为长程有序。

在液态金属中，原子做不规则运动，在大范围内原子是无序分布的，但是在小

范围内，存在着许多类似于晶体中原子有规则排列的小原子集团，称之为短程

有序。

在理论结晶温度以上，这些短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现，

瞬时消失，此起彼伏。这种不断变化着的短程有序原子集团称为结构起伏，或

称为相起伏。

相起伏特点：

>(1)瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏；

>(2)相起伏或大或小，不同尺寸相起伏出现的几率不同，过大或过小

的相起伏出现几率均小；

>(3)过冷度越大，最大相起伏尺寸越大。

只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏，才有可能在结晶时转变为晶

核，因此这些尺寸较大的相起伏被称为晶胚。

教案

课题2.4晶核的形成需2课时

教学

目的

掌握晶核形成的两种方式的特点

要求

教学

均匀形核与非均匀形核

重点

教学教案编写日期

临界形核半径与形核功

难点年月日

教学内容与教学过程提示与补充

复习

新授课内容

第四节晶核的形成

形核方式有两种：一种是均匀形核;另一种是非均匀形核。

＞均匀形核：是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程，液相中各区域

出现新相晶核的几率都是相同的。理想情况！

＞非均匀形核：是指晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程。

工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进行！

但均匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研究晶体材料凝固问题的理论

基础，而且也是研究固态相变的基础。

一、均匀形核

（一）形核时的能量变化AG和临界晶核半径rK

在过冷的液态金属中，晶胚形成的同时，体系自由能的变化包括转变为固

态的那部分体积引起的自由能卜降和形成晶胚新表面引起的自由能的增加。

\G=V\Gv+S（y

假设晶胚为球体，半径为r,贝人

教案

4,

△G=—jrr-AG+4/rr9-a

3v

令AdA丁G二八°儆/日一记2。

kbHQT

当时，随晶胚尺寸增大，自由能增加，晶胚瞬间消失，不能变成晶核.

当厂＞々时，随晶胚尺寸增大，自由能降低，晶胚比较容易形成晶核.

当厂=々时,晶胚可能消失，也可能长大形成晶核.

过冷度47越大，临界形核半径珠越小.

/7K；临界过冷度

当AT＜ATK时,＜rK,晶胚不可能转变为晶核。

当2时,厂,心＞々，无论尺寸大小的晶胚均可成为晶核，结晶过程

易于进行.

因而，液态金属能否结晶，很重要的一点是看晶胚的尺寸是否达到了临界晶核

半径的要求。

（二）形核功

形核功：形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3,还有

1/3的表面能需要另外供给，既需要对形核作功，这部分功叫….

412o•丫（2o•丫1Ff2o-Y12

3IAGjIAGj3["GJJ3

临界形核功相当于表面能的1/3,这意味着固、液之间自山能差只能供给形

成临界晶核所需表面能的2/3,其余1/3的能量靠能量起伏来补足。

能量起伏:在一定温度下，系统有一定的自由能，这是指宏观平均能量.但

是在微区各处的能量此起彼伏，变化不定.微区能量偏离平衡能量的现象，叫…

晶核形成=过冷液体中的相起伏+能量起伏

形核功与过冷度的关系：

＞临界形核功与过冷度的平方成反比，

＞过冷度增大，临界形核功显著降低，结晶过程容易进行

（三）形核率

形核率：是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。用N=NI*N2

表示。

当△7不大时，形核率主要受形核功因子控制，△7增大，形核率增大，

在A7非常大时，形核率主要受扩散因子的控制，随增加，形核率降低。

二、非均匀形核（异质形核或非自发形核）

（一）临界晶核半径和形核功

教案

临界晶核半径：〃=2b3

△"/AT

3

力-小AZ-''AZ2-3COS6>+COS6>

形核功：AGA=-（4%瓦J-----------------）

ae=o,AGK^O,不需要形核功，液体中的固体相质点就是现成的晶核，可

以在上面直接结晶长大.

>6=180°,AGK^AGK,均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同.

>0<0<180°,AGK'VAGK，0越小，非均匀形核越容易，需要的过冷度也

越小.

（二）形核率

>1.过冷度的影响

>2.固体杂质结构的影响

>3.固体杂质形貌的影响

>4.过热度的影响

>5.其他因素的影响

小结：金属形核的要点

>液态金属的结晶必须在过冷的液体中进行，液态金属的过冷度必须大

于临界过冷度，晶胚尺寸必须大于临界晶核半径收.前者提供形核的驱

动力，后者是形核的热力学要求.

>取值大小与晶核的表面能成正比，与过冷度成反比。过冷度越大，则

收值越小，形核率越大，但是形核率有一个极大值。如果表面能越大，形

核所需要的过冷度也应越大，因此，能够降低表面能的办法都能够促进形

核。

>均匀形核需要结构起伏，也需要能量起伏，二者都是液体本身存在的

自然现象。

>晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下

进行。

>在工业生产中，液体金属的凝固总是以非均匀形核的方式进行的。

教案

课题1.5晶核长大需2课时

教

学

1、掌握固液界面的微观结构及晶体长大机制

目

的

2、掌握界面的温度梯度分布及晶体生长的界面形态

要

求

3、掌握晶体长大速度与晶粒大小的控制

教学

固液界面的微观结构，晶体长大机制，固液界面前沿液体中的温度梯度，晶体形态，

重点

晶体长大速度与晶粒大小的控制

教学教案编写日期

点

难固液界面的微观结构，晶体长大机制

年月日

教学内容与教学过程提示与补充

复习

新授课内容

第五节晶核长大

当液态金属中出现第一批晶核后，金属的结晶过程就开始了。新晶核不断

产生，对每一个晶粒来说，晶核出现后，马上就进入长大阶段。

>宏观过程：晶体的界面向液体的推进

>微观过程：原子从液相中扩散到晶体表面

晶体长大的条件：

>1）原子扩散——较高温度；

>2）晶体表面接纳原子——表面结构

>3）应符合热力学条件——过冷

决定晶体长大方式和速度的主要因素是界面结构和固液界面前沿液体中

的温度梯度。

一、固液界面的微观结构

>（•）光滑界面：显微尺寸看粗糙，原子尺寸看光滑平整。

>（二）粗糙界面：显微尺寸看平整，原子尺寸看界面高低不平。

a）b）

液-固界面的微观结构：

>假设界面上可能的原子位置数为N,其中NA个位置为固相原子所占据，

那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x=NA/N。

教案

＞如果x=50%,即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的截面

为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占据，这

样的截面为光滑界面。

＞界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加原子

时，其界面自由能的变化：

a＜2时，在x=0.5处，界面能具有极小值，这意味着界面上约有一

半的原子位置被固相原子占据着，形成粗糙界面。

a25时，在x=l和x=0处，界面能具有两个极小值，这表明界面上

绝大多数原子位置被固相原子占据或空着，为光滑界面。

金属一般为粗糙界面，高分子往往为光滑界面。

二.晶体长大机制

1.光滑界面材料的长大机制

（微观光滑、宏观粗糙一无机化合物或亚金属材料的界面）：

＞（1）二维晶核长大机制.

＞（2）螺型位错长大机制。

2.粗糙界面材料的长大机制

（微观粗糙、宏观平整一金属或合金材料的界面）：连续长大机制。

三、固液界面前沿液体中的温度梯度

固液界面前沿液体中的温度梯度有两种情况：

＞（一）正温度梯度:液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布

状况.结晶潜热通过已结晶的固相和型壁散失.

＞（二）负温度梯度:液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布

状况.结晶潜热通过过冷液体散失.

四、晶体生长的界面形状…晶体形态

（一）正温度梯度下

结晶潜热通过已结晶的固相和型壁散失，相界面向液相中的推移速度受散

热速率的控制.

液固界面基本呈平直状.

＞光滑界面：小晶面互成一定角度，呈锯齿状.

＞粗糙界面：平行于等温面的平直界面.

（二）负温度梯度下

晶界的移动不受已结晶的固相和型壁的散热控制.

粗糙界面：

＞树枝晶：液态金属在结晶中各个方向上发展不同，而形成的树枝状晶体.

＞等轴晶:如果枝晶在三维空间得到均衡发展，各个方向上的一次轴近似

相等，这样形成的晶粒，叫.

＞柱状晶：如果枝晶在一个方向上的一次轴长得很长，而在其他方向上受

到阻碍，而形成的细长晶粒.

光滑界面：只有杰克逊因子较高的物质仍然保持着光滑界面形态。

＞由于液固界面前沿的液体中过冷度较大，晶体优先沿过冷度较大方向生

长出空间骨架，形同树F,称为一次品轴。

教案

＞在一次晶轴增长和变粗的同时，其上会出现很多凸出尖端，它们长大成

为枝干，称为二次晶轴。

＞对一定的晶体来说,二次晶轴与一次晶轴有确定的角度，在立方晶系中，

二者是相互垂直的。

＞二次晶轴生长到一定程度后，又在它上面长出三次晶轴，如此不断地成

长和分枝，形成如树枝状的骨架，称为树枝晶。

五、长大速度

长大速度与过冷度关系

非金属

＞当过冷度小时，液固两相自由能差小，结晶的驱动力小，晶体的长大

速度小。

＞当过冷度大时，温度过低，原子的扩散困难，晶体的长大速度小。

金属

＞结晶温度高，形核与长大都快，它的过冷能力小，所以未到过冷到

较低温度时，结晶已经结束了。

总结：晶体长大要点

＞1.具有粗糙界面的金属，长大机制为连续长大，长大速度大，所需过冷

度小；

＞2.具有光滑界面的金属化合物、半金属（Si、Sb等）或非金属等，长大

机制为二维晶核长大或螺型位错长大方式，长大速度慢，所需过冷度大；

＞3.晶体成长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有

关，正温度梯度下，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈锯齿状；粗

糙界面的形态为平行于Tm等温面的平直界面，呈平面长大方式。负温度

梯度下，一般金属和半金属的界面都呈树枝状，只有杰克逊因子较高的物

质仍然保持着光滑界面形态。

六、晶粒大小的控制

细化晶粒不仅能提高材料的强度和硬度，还能提高材料的韧性和塑性。工

业上将通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化.

＞晶粒度：晶粒的大小，通常用晶粒的平均面积或直径表示。

＞晶粒大小的影响因素：形核率和长大速度。晶粒的大小取决于形核率N

与长大速度G的比值，N/Go

工业中细化晶粒的方法

＞1、控制过冷度：在一定范围内，过冷度越大，N/G越大，晶粒越细。

＞2、变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非

均匀晶核来细化晶粒。

＞3、振动和搅拌：输入能量提高形核率；使凝固过程中正在长大的晶体

破碎，增加核心。

教案

课题1.6金属铸锭的宏观组织与缺陷需2课时

教学

目的1、掌握金属铸锭的三晶区，了解其形成控制方法

要求2、掌握铸锭缺陷

教学

金属铸锭的三晶区，铸锭缺陷

重点

教学教案编写日期

金属铸锭的三晶区的形成

难点年月日

教学内容与教学过程提示与补充

复习

新授课内容

第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷

为什么要了解金属铸锭的宏观组织与缺陷？

＞冶炼金属后得到的铸锭、铸造零件毛坯、焊接的焊缝等都是凝固体，它

们在组织结构上有共同的特点。所以，以铸锭为例来讨论凝固体的结构组

织。

＞铸件：铸态组织影响力学性能和使用寿命

＞铸锭：铸态组织影响压力加工性能及加工后金属制品的组织和性能。所

以要了解铸态组织和形成规律，以改善组织。

＞铸态组织包括晶粒大小、形状和取向、合金元素和杂质的分布及铸锭中

的缺陷等。

一、铸锭三晶区的形成

(-)表层细晶区

当高温的金属液体倒入铸模后，由于温度较低的模壁有强烈的吸热和散热

作用，使靠近模壁的一薄层液体产生极大的过冷，结晶首先从模壁处开始。模

教案

壁的一薄层液体产生极大的过冷，结晶首先从模壁处开始。模壁作为非均

匀形核的基底，在这一薄层液体中立即产生大量晶核，并同时向各个方向生长。

由于晶核数量多，临近的晶核很快彼此相遇，不能继续生长，在靠近模壁处形

成一薄层等轴细晶区。

＞优点：晶粒细小组织致密，力学性能好

＞缺点：细晶区很薄,没有实际意义

（二）柱状晶区

在细晶区形成的同时，模壁的温度由于被液态金属加热而迅速升高；金属

凝固后收缩，使细晶区和模壁脱离，形成空气层，阻碍了液态金属的散热；细

晶区的形成释放出大量结晶潜热，导致液体金属冷却速度降低，过冷度减小，

形核速率降低。垂直于模壁方向散热最快，晶体沿其相反方向择优生长，形成

柱状晶。

＞优点：组织致密，性能有方向性

＞缺点：有弱面

在柱状晶区中，因为相互平行的柱状晶的接触面及相邻垂直的树枝状晶区

的交界面较为脆弱，并常聚集着易熔杂质和非金属夹杂物，使铸锭在力加工时,

容易沿这些脆弱面开裂。

■柱状晶的应用

对于杂质多、塑性差的金属及合金，如钢铁、银基合金等，不希望形成发

达的柱状晶。但对于塑性好的铝、铜等有色金属及合金，即使全部为柱状晶组

织，也能顺利通过热轧而不致开裂。柱状晶的性能有明显的方向性，沿晶轴方

向的强度较高，对于那些主要受单向载荷的机器零件，例如汽轮机叶片等，柱

状晶结构是非常理想的。

■影响生成柱状晶的因素

＞熔化温度高

＞浇注温度高

＞浇注速度大

（三）中心等轴晶区

随柱状晶区的长大，模壁温度升高，散热的方向性不明显，同时锭模中心

部分的液态金属的温度逐渐降低并渐趋均匀，最终几乎同时进入过冷状态，并

以非均匀方式形核，由于在不同方向上的生长速度相同，因而便形成了等轴晶

粒。中心部分的液态金属的冷却速度较慢，过冷度较小，故晶粒就较粗大。

■等轴晶的特点

＞优点：不存在明显的弱面，各晶粒的取向各不相同，性能不具有方向性

＞缺点：组织不致密

＞一般的铸件都要求有发达的等轴晶组织。

二、铸锭组织的控制

铸锭的表层细晶区，组织较致密，机械性能较好。但由于细晶区总是比较

薄的，故对整个铸锭的性能影响不大。

一般钢锭（钢铁或锲合金）不希望柱状晶区过大。但是，柱状晶组织比较

致密。它不象等轴晶那样容易形成疏松。因此，对塑性较好的有色金属（铝），

教案

有时为了获得较致密的铸锭。反而要使柱状晶区扩大。因为在热压力加工时，

由于这些金属本身具有良好的塑性，不致于发生开裂。

等轴晶区不存在上述那种脆弱的交界面，而方向不同的晶粒彼此交错咬合,

各方向上的机械性能均较好。但由于各个等轴晶粒在生长过程中互相交叉，有

可能造成许多封闭的小区，并将残留在这些小区中的液体相互隔绝起来。当这

些液体结晶收缩时.，由于得不到外界液体的补充。就形成很多微小的缩孔(缩

松)。

因此，等轴晶区的组织就比较疏松。这又使该区的机械性能降低。

(-)促进柱状晶生长的方法：

■总体：

>(1)加大液相沿垂直铸锭模壁方向的散热能力

——促进散热的方向性

>(2)降低液相内部非均匀形核的可能性

■具体：

>(1)提高铸锭模的冷却能力。

如：金属模代替砂型模；增加金属铸模的厚度等

注意：此方法仅适于尺寸较大的铸件，但不适于尺寸较小的铸件

原因：若铸模冷却能力很大，反而促进等轴晶的发展(增加形核率)。

例：连铸小截面钢坯时，采用水冷结晶器，连铸锭全部获得细小的等

轴晶粒。

>(2)提高铸模中心区温度，增大温度梯度。

具体：提高浇注温度与浇注速度。

>(3)提高熔化温度，减少非均匀形核数目。

熔化温度越高，液态金属过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，从而减

少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶区的发展。

(-)控制铸锭组织在实际生产中的应用

例如：

>1、磁性铁合金<001>方向导磁率最大，柱状晶的一次轴正好也是这个方

向。

——发展柱状晶，获得最好的磁学性能。

>2、燃气轮机叶片，其负荷具有方向性，要求在叶片轴线方向有较高的

强度。

——使柱状晶的长度方向和叶片轴线方向平行。

三、铸锭缺陷

1.缩孔

金属凝固时体积要收缩，金属收缩后，原来能填满铸型的液态金属，凝固

后就不能再填满，如果没有液态金属继续补充的话，就会出现孔洞，称为缩孔。

缩孔是一种重要的铸造缺陷，对性能影响很大，它的出现是不可避免的，

一般在轧制前予以切除。

2.气孔

金属液体比固体溶解的气体多，凝固时要析出气体；铸型中的水分、得模

教案

表面的锈皮等与液体作用时可能产生气体；浇注时液体流动过程也可能卷进气

体。如果气体在凝固时来不及逸出，就会保留在金属内部，形成气泡。如果表

面凝固快，气体停留在表面附近，则形成所谓的皮卜气孔。

铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合,张开的气孔需要切除.铸件中出现

气孔则只能报废.

3.夹杂物

根据的来源，通常把夹杂物分为外来的和内生的两大类。混入金属中的炉

衬耐火材料或炉渣颗粒（包括刚带入的、或与金属液发生化学反应而在成分和

结构上已有相当大改变的）属于外来夹杂物；在熔炼、凝固过程中，熔融金属

中含有的各化学元素的化学反应产物，来不及排除，仍保留在固态金属中，称

为内生夹杂物。

教案

课题3.1合金中的相-3.2合金的相结构需2课时

教

学

目

的1、掌握合金中的基本概念

要

求2、掌握合金中的两种相结构的特点及类型

教学

重点基本概念，固溶体，金属化合物

教学