航空工程材料教案晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、項目 （任務）學習子情境：金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶的認識授課班級授課教師地 點課時/累計審批/日期多媒體教室2/12授課周次課程類型理論課教學方法舉例教學目標知 識 目 標能力（技能）目標1、 了解金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶實質(zhì)、晶體缺陷；2、掌握晶體缺陷對金屬材料性能的影響。 知道晶體缺陷會影響力學性能。重難點及解決方法重點：金屬的結(jié)晶實質(zhì)、晶體缺陷與機械性能的關(guān)系難點：金屬的晶體結(jié)構(gòu)，晶體缺陷解決方法：多媒體演示、模型、掛圖能力訓練任務及案例鐵在不同溫度下的晶格類型；教學回顧回顧前面所學的金屬材料的力學性能，不同的材料有不同的力學性能，是因為有不同的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)決定性能，引出金屬的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶教學過程設

2、計：1.復習上節(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。§ 學習情境 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶的認識一、 教學回顧：回顧前面所學的金屬材料的力學性能，不同的材料有不同的力學性能，是因為有不同的結(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，因而沿著一個晶體的不同方向所測得的性能不同。：以上各概念結(jié)合實體模型講解。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立方體，在立方體的八個角上和晶胞中心各有一

4、個原子，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：它的晶胞是一個立方體，在立方體的八個角上和六個面的中心各有一個原子，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正六方柱體，它是由六個呈長方形的側(cè)面和兩個呈正六邊形的上、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a來表示。在密排六方晶胞的12個角上和上、下兩個底面中心各有一個原子，另外在上、下底面之間有三個原子，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。多晶體：由多個晶粒組成的晶體，它不顯各向同性。亞晶粒或鑲嵌塊：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、實際金屬的晶體缺陷：按幾何特點分：點缺陷、線缺陷、面缺陷。1.點缺陷：指在晶體空間中，其長、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”。點缺陷附近都引起晶格畸形變形。當晶格中某些原子的熱振動能量超過

6、平均振動能量足夠大時，就可能克服周圍原子對它的作用，脫離晶格結(jié)點而轉(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，而另兩個方向上尺寸很小。這類缺陷就是各種位錯線。：用一本書和一張紙講解刃型位錯線和螺型位錯線。晶體中的位錯線是大量存在的（1041012cm/cm3），在外力作用下要運動（滑移），使晶體發(fā)生塑性變形。位錯密度 cm/cm3晶體中位錯密度的變化以及位錯在晶體內(nèi)的運動，對金屬的強度、塑性變化及組織轉(zhuǎn)變等都有著極為重要

7、的影響。下圖示意出金屬強度與位錯密度的關(guān)系。由圖可見，當金屬處于退火狀態(tài)（106108cm-2）時，強度最低。隨著位錯密度的增加或降低，都能提高金屬強度。冷塑性變形后的金屬，其位錯密度增高，故高的位錯密度也是金屬強化的重要途徑之一。而目前，尚在實驗室制作的極細的金屬晶須，因位錯密度極低而使其強度又明顯提高。3.面缺陷：指在晶體中兩個方向上尺寸很大，第三個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線的堆聚，稱為“位錯壁”。晶界的特點：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，熔點低于晶內(nèi)，原子

8、擴散速度較快，晶界阻礙位錯運動，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)，因而在常溫下會對金屬塑性變形起阻礙作用。從宏觀上來看，晶界處表現(xiàn)出有較高的強度和硬度，晶粒愈細小，晶界就愈多，它對塑性變形的阻礙作用就愈大，金屬的強度、硬度也就愈高。§ 金屬的結(jié)晶 一、結(jié)晶的概念：金屬從液態(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：金屬冷卻時的溫度時間關(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、核生成晶核長大，同時新的晶核不斷生成并長大全部液體金屬結(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、晶核長大兩過程先后或同時進行。枝晶的生長：實際生產(chǎn)中T較大，首先在晶核的棱角處以較大的成長速度形成主干（一次軸），然后長出枝干（二次軸），由枝干再生枝干（三次軸），最后填充枝間間隙，整個枝晶長成為一個晶粒。§ 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