全國中職機械類教材（勞社版）第1章金屬的結構與結晶《金屬材料與熱處理》系列課件（第6、7版）P.6

第一章：金屬的結構與結晶本章學習目標

不同的金屬材料具有不同的力學性能，即使是同一種金屬材料，在不同的狀態下其力學性能也有不同。金屬力學性能的這些差異，從本質上看，是由內部結構所決定的。因此，掌握金屬材料的內部結構及其對金屬性能的影響，對于選用和加工金屬材料，都具有重要的意義。P.61.熟悉金屬的晶體結構，了解晶體的缺陷；2.了解純金屬的結晶過程，掌握晶粒大小對其性能的影響；

3.掌握生產中常用細化晶粒的方法；

4.·純鐵的同素異構轉變。第一章：金屬的結構與結晶

金屬的晶體結構金屬的結構與結晶晶體與非晶體晶格的類型單晶體與多晶體晶體缺陷純金屬的結晶純金屬的結晶過程晶粒長大對金屬材料的影響同素異構轉變本章知識結構P.6觀察結晶過程（試驗）

本節教學要求學習目的：了解金屬的晶體結構。

★重點：有關金屬結構的基本概念：晶面、晶向、晶體、晶格、單晶體、晶體，金屬晶格的三種常見的類型。

★難點：金屬的晶體缺陷及其對金屬性能的影響。§1-1金屬的晶體結構金屬的結構65鋼的顯微組織金屬構件P.61、晶體：晶體是指其原子（離子或分子）在空間呈規則排列的物體。（晶體內的原子之所以在空間是規則排列，主要是由于各原子之間的相互吸引力與排斥力相平衡的結果。）

原子在空間呈規則排列的固體物質稱為“晶體”。絕大多數固態金屬及合金都是晶體。§1-1金屬的晶體結構一、晶體與非晶體金剛石晶體晶體P.62、非晶體：在物質內部，凡原子呈無序堆積狀態的（如普通玻璃、松香、樹脂等）。

非晶體的原子則是無規律、無次序地堆積在一起的。晶體與非晶體非晶體注意：晶體與非晶體的關鍵區別是，原子排列是否有規律性。§1-1金屬的晶體結構一、晶體與非晶體P.7注意：晶體與非晶體的區別是，原子排列是否有規律性。§1-1金屬的晶體結構一、晶體與非晶體P.7項目晶體非晶體定義原子呈規則排列的物質。原子無序，無規則堆積的物……性能特點具有規則的幾何外形，有一定的熔點，性能呈各向異性。沒有規則的外形，沒有固定的熔點，呈各向同性。典型物質石英、云母、明礬、食鹽、硫酸銅、糖、味精。玻璃、蜂蠟、松香、瀝青、橡膠。表1－1晶體與非晶體的對比

你能區分下列物質是晶體還是非晶體？§1-1金屬的晶體結構一、晶體與非晶體P.7想一想玻璃壺石英蜂蠟食鹽1、晶體結構的概念

1）晶格和晶胞

§1-1金屬的晶體結構二、金屬晶格的類型晶體晶格晶胞晶格：把晶體點陣中的結點，假想用一系列平行直線連接起來構成空間格子（陣點）稱為晶格。晶胞：構成晶格的最基本單元。由于晶體中原子排列的規律性，可以用晶胞來描述其排列特征。P.7

晶面：點陣中的結點所構成的平面。

晶向：點陣中的結點所組成的直線。陣點（結點）：把原子（離子或分子）抽象為規則排列于空間的幾何點，稱為陣點或結點。點陣：陣點（或結點）在空間的排列方式稱晶體。

晶面與晶向§1-1金屬的晶體結構二、金屬晶格的類型

2）晶面和晶向P.7

2、金屬晶格的類型

是指金屬中原子排列的規律。絕大多數金屬晶格屬于體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格這三類。

§1-1金屬的晶體結構二、金屬晶格的類型體心立方晶胞占據1+8/8=2個原子1）體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞是由八個原子構成的立方體，并且在立方體的體中心還有一個原子。屬于這種晶格的金屬有：鉻Cr、釩V、鎢W、鉬Mo、及α-鐵（α-Fe）。P.8金屬晶格的類型是指金屬中原子排列的規律。2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是由八個原子構成的立方體，但在立方體的每個面上還各有一個原子。屬于這種晶格的金屬有：Al、Cu、Ni、Pb（γ－Fe）等。

§1-1金屬的晶體結構二、金屬晶格的類型面心立方晶胞占據6/2+8/8=4個原子P.8金屬晶格的類型是指金屬中原子排列的規律。3）密排六方晶格密排六方晶格：由12個原子構成的簡單六方晶體，且在上下兩個六方面心還各有一個原子，而且簡單六方體中心還有3個原子。屬于這種晶格的金屬有鈹（Be）、Mg、Zn、鎘（Cd）等。

§1-1金屬的晶體結構二、金屬晶格的類型密排六方晶胞占據3+2/2+12/6=6個原子P.8整個物體是由許多雜亂無章的排列著的小晶體組成的。（普通金屬材料都是多晶體）

§1-1金屬的晶體結構三、單晶體和多晶體水晶（單晶體）鍍鋅板晶粒（多晶體）工業純鐵顯微組織（多晶體）單晶體與多晶體只由一個晶粒組成的晶體。（晶格排列方位完全一致。必須人工制作，如單晶硅。）

2、多晶體

多晶體具有各向同性：因晶粒之間排列雜亂，總體顯出各方向性能一致。單晶體具有各向異性：是單晶體沿各不同晶面或晶向具有不同性能的現象。

1、單晶體P.9金屬是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶體組成的，小晶體稱為晶粒。晶粒間交界的地方稱為晶界。

§1-1金屬的晶體結構三、單晶體和多晶體晶粒與晶界3、晶粒

4、晶界P.9晶體缺陷：晶體中出現的各種不規則的原子堆積現象。1）點缺陷：空位、間隙原子和置代原子

2）線缺陷：位錯

§1-1金屬的晶體結構四、晶體缺陷晶體缺陷空位、間隙和置換位錯晶體中的空位、間隙原子、雜質原子都是點缺陷。可認為是晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體的位錯局部滑移造成。滑移部分與未滑移部分的交界線即為位錯線。P.101、晶體缺陷：晶體中出現的各種不規則的原子堆積現象。3）面缺陷：晶界與亞晶界

§1-1金屬的晶體結構四、晶體缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界的區別：晶界之間的原子排列方向角度較大，亞晶界之間的原子排列方向角度較小。P.10

本節教學要求學習目的：

★掌握金屬結晶的概念，純金屬

★同素異構轉變的概論，掌握鐵的同素異構轉變式。教學重點與難點：

★細化晶粒的方法及晶粒大小對力學性能的影響是教學的難點。

★純金屬冷卻曲線及過冷度是教學重點。§1-2純金屬的結晶P.10§1-2純金屬的結晶金屬由原子不規則排列的液體，轉變為原子規則排列的固體的過程，稱為結晶。

結晶是一個放熱的過程，稱為結晶潛熱。熱分析法液體晶體煉鋼澆注結晶現象

分析金屬的結晶過程是分析金屬的重要手段。P.101、純金屬的冷卻曲線及過冷度

1）金屬的結晶必須在低于其理論結晶溫度（熔點To)下才能進行。

2）理論結晶溫度和實際結晶溫度之差稱這“過冷度”（△T=T0-T1）。

過冷度也是完成結晶的推動力。3）金屬結晶時過冷度的大小與冷卻速度有關。

（冷卻速度越快，金屬的實際結晶溫度越低，過冷度也就越大。）§1-2純金屬的結晶一、純金屬的結晶過程純金屬結晶時的冷卻曲線P.102、純金屬的結晶過程在一定過冷度的條件下，金屬液通過晶核形成、晶核長大來完成其結晶過程。

純金屬的結晶在是在恒溫下進行的。§1-2純金屬的結晶一、純金屬的結晶過程純金屬的結晶過程－－形核和晶長大液態金屬形核晶核長大完全結晶P.11結晶體觀察：§1-2純金屬的結晶一、純金屬的結晶過程P.12觀察玻璃上的冰花（樹枝晶粒）鍍鋅鐵皮表面上的樹枝狀晶粒一般室溫下，細晶粒金屬具有較高的強度和韌性。

細化晶粒的意義：細晶粒，晶界總面積增大，對塑性變形的抗力大，強度提高。同時細晶粒，變形分散，變形不易斷裂，提高了韌性，保持了塑性。

1、影響晶粒大小的因素

金屬晶粒大小取決于結晶時的形核率、長大速度。

細化晶粒，則要形核率越高、長大速度越慢。§1-2純金屬的結晶二、晶粒大小對金屬材料的影響2、常用的細化晶粒的方法

增加過冷度：增大核率效果明顯（晶長大速度增加不多）；

變質處理：在液體金屬中加入變質劑(孕育劑)，以細化晶粒和改善組織的工藝措施。

振動處理：使樹枝晶破碎，晶核數增加，晶粒細化。P.12鋁合金的粗、細晶粒1、同素異構轉變

金屬在固態下，隨溫度的改變由一種晶格轉變為另一晶格的現象稱為同素異構轉變。§1-2純金屬的結晶三、同素異構轉變2、具有同素異構轉變的金屬鐵、鈷、鈦、錫、錳等金屬具有同素異構轉變。

同一金屬的同素異構晶體按其穩定存在的溫度，由低溫到高溫依次用希臘字母α，β，γ，δ等表示。

如純鐵，有α-Fe、γ-Fe、δ-Fe純鐵的同素異構轉變P.13§1-2純金屬的結晶三、同素異構轉變3、純鐵的同素異構轉變

1394°C912°C體心面心體心δ-Feγ-Feα-Fe4、金屬的同素異構轉變與金屬結晶的比較金屬的同素異構轉變也稱為“重結晶”。與液態金屬結晶的相似處：有一定轉變溫度，有過冷現象；有潛熱放出和吸收；也由形核、核長大來完成。與液態金屬結晶的不同處：屬固態相變，轉變需較大的過冷度；新晶核優先在原晶界處形核；轉變中有體積的變化，會產生較大內應力。金屬的同素異構轉變過程P.14§1-2純金屬的結晶

準晶體與“準科學家”謝赫特曼和他的“準晶體”P.15閱讀材料

“當我告訴人們，我發現了準晶體的時候，所有人都嘲笑我。但我并不在意，我知道我是對的，他們是錯的，時間終于證明了這一點。”－－

2011年諾貝爾化學獎得主謝赫特曼§1-3金屬結晶的觀察（試驗）P.16一、試驗目的1．通過觀察透明鹽類的結晶過程及組織特征，理解金屬的結晶理論。2．通過觀察鑄錠表面，建立金屬晶體以樹枝狀形態成長的直觀認識。

由于液態金屬的結晶過程難以直接觀察，而鹽類也是晶體物質，其溶液的結晶過程和金屬很相似，區別僅在于鹽類是在室溫下依靠溶劑蒸發使溶液過飽和而結晶，金屬則主要依靠過冷，故完全可通過觀察透明