航空工程材料教案晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、項(xiàng)目 （任務(wù)）學(xué)習(xí)子情境：金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶的認(rèn)識(shí)授課班級(jí)授課教師地 點(diǎn)課時(shí)/累計(jì)審批/日期多媒體教室2/12授課周次課程類型理論課教學(xué)方法舉例教學(xué)目標(biāo)知 識(shí) 目 標(biāo)能力（技能）目標(biāo)1、 了解金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶實(shí)質(zhì)、晶體缺陷；2、掌握晶體缺陷對(duì)金屬材料性能的影響。 知道晶體缺陷會(huì)影響力學(xué)性能。重難點(diǎn)及解決方法重點(diǎn)：金屬的結(jié)晶實(shí)質(zhì)、晶體缺陷與機(jī)械性能的關(guān)系難點(diǎn)：金屬的晶體結(jié)構(gòu)，晶體缺陷解決方法：多媒體演示、模型、掛圖能力訓(xùn)練任務(wù)及案例鐵在不同溫度下的晶格類型；教學(xué)回顧回顧前面所學(xué)的金屬材料的力學(xué)性能，不同的材料有不同的力學(xué)性能，是因?yàn)橛胁煌慕Y(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)決定性能，引出金屬的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶教學(xué)過程設(shè)

2、計(jì)：1.復(fù)習(xí)上節(jié)課的內(nèi)容。2.多媒體演示、模型、掛圖演示金屬的晶體結(jié)構(gòu)，金屬晶格的常見類型。3.多媒體演示、掛圖演示金屬的多晶結(jié)構(gòu)，幾種晶體缺陷。4.多媒體演示、掛圖演示金屬的結(jié)晶過程.5.多媒體演示、掛圖演示金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變。§ 學(xué)習(xí)情境 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶的認(rèn)識(shí)一、 教學(xué)回顧：回顧前面所學(xué)的金屬材料的力學(xué)性能，不同的材料有不同的力學(xué)性能，是因?yàn)橛胁煌慕Y(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)決定性能，引出金屬的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶。二、晶體的概念：固體物質(zhì)分晶體和非晶體兩大類。兩者的根本區(qū)別在于內(nèi)部微粒（分子、原子、離子）是否在空間有規(guī)律排列。晶體的內(nèi)部微粒在空間是有規(guī)律排列的。金屬的晶體結(jié)構(gòu)：金屬原子在空間按一定

3、的幾何規(guī)律排列的具體情況。晶格：為了描述金屬晶體中原子的排列規(guī)律，常用假想的線條把原子中心連接起來，構(gòu)成表示晶體中原子排列形式的空間格子稱為晶格。晶面：晶格中各種方位的原子層。晶向：晶格中連接原子中心的任一直線所指的方向。晶胞：能代表晶格特征的基本幾何單元。晶胞各鄰邊尺寸稱為晶格常數(shù)。晶胞各鄰邊相互間夾角分別以、表示。（共有七大晶系，十四種晶格）各向異性：由于晶體中原子的規(guī)則排列，晶格中不同晶面和晶向的原子密度不同，因而沿著一個(gè)晶體的不同方向所測(cè)得的性能不同。：以上各概念結(jié)合實(shí)體模型講解。三、金屬晶格的常見類型1.體心立方晶格：體心立方晶格的晶胞是一個(gè)立方體，在立方體的八個(gè)角上和晶胞中心各有一

4、個(gè)原子，如下圖所示。屬于這種晶格類型的金屬有鉻（Cr）、鎢（W）、鉬（Mo）、釩（V）、鐵（-Fe）等。2. 面心立方晶格：它的晶胞是一個(gè)立方體，在立方體的八個(gè)角上和六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，如下圖所示。屬于這種晶格類型的金屬有鋁（Al）、銅（Cu）、鎳（Ni）、金（Au）、銀（Ag）、鐵（-Fe）等。3.密排六方：密排六方晶格的晶胞是一個(gè)正六方柱體，它是由六個(gè)呈長(zhǎng)方形的側(cè)面和兩個(gè)呈正六邊形的上、下底面所組成。因此晶胞的大小要用柱體的高度c和六邊形的邊長(zhǎng)a來表示。在密排六方晶胞的12個(gè)角上和上、下兩個(gè)底面中心各有一個(gè)原子，另外在上、下底面之間有三個(gè)原子，如下圖所示。屬于這種晶格類型的金屬有鎂（

5、Mg）、鋅（Zn）、鈹（Be）、鈦（-Ti）等。四、金屬的多晶體結(jié)構(gòu)：晶粒：顯微鏡下觀察到的外形不規(guī)則的小晶體。晶界：晶粒之間的界面。顯微組織：金相組織，金屬顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。多晶體：由多個(gè)晶粒組成的晶體，它不顯各向同性。亞晶?；蜩偳秹K：每一晶粒內(nèi)存在著許多尺寸很小，晶格位向差也很小的小晶塊，相互鑲嵌構(gòu)成晶粒，這些小晶塊稱為亞晶?；蜩偳秹K。：只有在亞晶粒內(nèi)部，晶格位向才完全一致。五、實(shí)際金屬的晶體缺陷：按幾何特點(diǎn)分：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷。1.點(diǎn)缺陷：指在晶體空間中，其長(zhǎng)、寬、高尺寸都很小的一種缺陷。常見的有“晶格空位”和“間隙原子”。點(diǎn)缺陷附近都引起晶格畸形變形。當(dāng)晶格中某些原子的熱振動(dòng)能量超過

6、平均振動(dòng)能量足夠大時(shí)，就可能克服周圍原子對(duì)它的作用，脫離晶格結(jié)點(diǎn)而轉(zhuǎn)移到晶格間隙中去。由于原子間作用力的平衡被破壞，使周圍原子發(fā)生靠攏或撐開，因此，晶格發(fā)生歪曲(亦稱晶格畸變)，使金屬的強(qiáng)度提高，塑性下降。2.線缺陷：指在晶體中沿某一方向伸展成線狀的缺陷。其特征是在某一方向上尺寸很大，而另兩個(gè)方向上尺寸很小。這類缺陷就是各種位錯(cuò)線。：用一本書和一張紙講解刃型位錯(cuò)線和螺型位錯(cuò)線。晶體中的位錯(cuò)線是大量存在的（1041012cm/cm3），在外力作用下要運(yùn)動(dòng)（滑移），使晶體發(fā)生塑性變形。位錯(cuò)密度 cm/cm3晶體中位錯(cuò)密度的變化以及位錯(cuò)在晶體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)金屬的強(qiáng)度、塑性變化及組織轉(zhuǎn)變等都有著極為重要

7、的影響。下圖示意出金屬?gòu)?qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系。由圖可見，當(dāng)金屬處于退火狀態(tài)（106108cm-2）時(shí)，強(qiáng)度最低。隨著位錯(cuò)密度的增加或降低，都能提高金屬?gòu)?qiáng)度。冷塑性變形后的金屬，其位錯(cuò)密度增高，故高的位錯(cuò)密度也是金屬?gòu)?qiáng)化的重要途徑之一。而目前，尚在實(shí)驗(yàn)室制作的極細(xì)的金屬晶須，因位錯(cuò)密度極低而使其強(qiáng)度又明顯提高。3.面缺陷：指在晶體中兩個(gè)方向上尺寸很大，第三個(gè)方向上尺寸很小而呈面狀分布的一種缺陷。如：晶界、亞晶界等。它們都是因晶格中不同區(qū)域之間的“晶格方位過渡”所造成的。亞晶界可看作一種位錯(cuò)線的堆聚，稱為“位錯(cuò)壁”。晶界的特點(diǎn)：晶界的能量高，雜質(zhì)多，易被腐蝕，相變首先在晶界上發(fā)生，熔點(diǎn)低于晶內(nèi)，原子

8、擴(kuò)散速度較快，晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，在這里不易發(fā)生塑性變形。晶界處原子的不規(guī)則排列，使晶格處于歪扭畸變狀態(tài)，因而在常溫下會(huì)對(duì)金屬塑性變形起阻礙作用。從宏觀上來看，晶界處表現(xiàn)出有較高的強(qiáng)度和硬度，晶粒愈細(xì)小，晶界就愈多，它對(duì)塑性變形的阻礙作用就愈大，金屬的強(qiáng)度、硬度也就愈高。§ 金屬的結(jié)晶 一、結(jié)晶的概念：金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程叫結(jié)晶。每種金屬在其平衡結(jié)晶溫度（T0）下，液態(tài)金屬與其晶體平衡共存（既不結(jié)晶也不熔化。例：冰水混合物）。實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度（T0）。冷卻曲線：金屬冷卻時(shí)的溫度時(shí)間關(guān)系曲線。結(jié)晶潛熱：解釋冷卻曲線中的水平線。過冷度：TT0T1二、金屬的結(jié)晶過程：晶

9、核生成晶核長(zhǎng)大，同時(shí)新的晶核不斷生成并長(zhǎng)大全部液體金屬結(jié)晶完成，形成許多外形不規(guī)則的晶粒，由于各晶粒由不同晶核生成，晶格位向不同，形成晶界。：晶核生成、晶核長(zhǎng)大兩過程先后或同時(shí)進(jìn)行。枝晶的生長(zhǎng)：實(shí)際生產(chǎn)中T較大，首先在晶核的棱角處以較大的成長(zhǎng)速度形成主干（一次軸），然后長(zhǎng)出枝干（二次軸），由枝干再生枝干（三次軸），最后填充枝間間隙，整個(gè)枝晶長(zhǎng)成為一個(gè)晶粒。§ 金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變：在固態(tài)下存在著兩種以上晶格形式的金屬，隨溫度的改變，固態(tài)金屬由一種晶格形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格形式的現(xiàn)象。同素異晶體：由同素異晶（構(gòu)）轉(zhuǎn)變得到的不同晶格的晶體。：同一金屬的同素異晶體，按其穩(wěn)定存在的溫度，由低溫到高溫