金屬學(xué)與熱處理：電子教案

電子教案

課題緒論-1.1金屬需2課時(shí)

教

學(xué)

目

的1、了解材料的分類的金屬學(xué)與熱處理的研究?jī)?nèi)容

要

求2、掌握金屬的原子結(jié)構(gòu)、金屬鍵及結(jié)合力與結(jié)合能

教學(xué)

重點(diǎn)金屬鍵，結(jié)合力與結(jié)合能

教學(xué)教案編寫日期

點(diǎn)

難金屬的結(jié)合力與結(jié)合能

年月日

教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程提示與補(bǔ)充

緒論

一、什么是材料

材料：是具有一定性能，可以用來(lái)制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的

物質(zhì)。

?材料存在于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關(guān)。

?材料是人類文明、社會(huì)進(jìn)步、科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。

?材料是全球新技術(shù)革命的四大標(biāo)志之一。

二、材料的分類

按化學(xué)組成分類

?金屬材料

?無(wú)機(jī)非金屬材料

?高分子材料

?復(fù)合材料

材料理論的發(fā)展范疇：

?金屬學(xué)

?陶瓷學(xué)

?高分子物理學(xué)

材料各有特點(diǎn)、也有許多共性和相通之處，將他們的微觀特性和宏觀規(guī)律

以統(tǒng)一理論概括——材料科學(xué)。

三、什么是金屬學(xué)

金屬學(xué)：是研究金屬或合金的化學(xué)成分、組織、結(jié)構(gòu)及性能之間的相互關(guān)

系及變化規(guī)律的科學(xué)。

化學(xué)成分：組成物質(zhì)的基本元素及其含量。

?化學(xué)成分主要由冶煉和鑄造控制，特別是靠冶煉來(lái)保證。

?化學(xué)成分不同，金屬材料的性能不同。

例如：鐵，鋁，金性能各不相同。

結(jié)構(gòu):原子在空間有規(guī)律排列的形式。

教案

?結(jié)構(gòu)不同，性能不同。

組織:用肉眼和借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡觀察到的金屬材料內(nèi)部各種

相的晶粒大小、形態(tài)和分布。

組織不同，性能也不同。

金屬材料的性能:

工藝性能；

?使用性能。

工藝性能：能適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)工藝要求的能力，在于能不能保證生產(chǎn)、制作。

?包括：鑄造性能、鍛造性能、切削加工性能，熱處理性能，焊接性能。

使用性能：在使用中應(yīng)具備的性能，在于保證能不能應(yīng)用。

?包括：物理性能，化學(xué)性能，機(jī)械性能（強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性）

改變金屬材料的性能：

內(nèi)在因素——成分、結(jié)構(gòu)、組織

外在因素——各種加工處理工藝（外在因素通過(guò)改變內(nèi)在因素改變材料

的性能）

四、熱處理

熱處理：將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，獲得所

需要性能的一種工藝。

熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應(yīng)用。

在機(jī)床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過(guò)熱處理。

?在汽車、拖拉機(jī)制造業(yè)中需熱處理的零件達(dá)70-80%。

至于模具、滾動(dòng)軸承則要100%經(jīng)過(guò)熱處理。

?總之，重要的零件都要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍苁褂谩?/p>

任務(wù)：研究固態(tài)相變的規(guī)律性，研究金屬或合金熱處理組織與性能之間的

關(guān)系以及熱處理理論在工業(yè)生產(chǎn)中和應(yīng)用。

地位：（1）工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域：工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的技術(shù)，是提高產(chǎn)品質(zhì)量和

壽命的關(guān)鍵工序，是發(fā)揮材料潛力、達(dá)到機(jī)械零部件輕量化的主要手段。（2）材

料研究領(lǐng)域：研制和開發(fā)新材料。

五、金屬學(xué)與熱處理研究的具體內(nèi)容：

三大理論：

?晶體結(jié)構(gòu)理論（正常結(jié)構(gòu)、晶體缺陷）；

?結(jié)晶理論（純金屬、二元合金、三元合金）；

?固態(tài)轉(zhuǎn)變理論（塑變和回復(fù)再結(jié)晶、擴(kuò)散；五大轉(zhuǎn)變：珠光體轉(zhuǎn)變、奧

氏體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變、回火轉(zhuǎn)變）。

一大中心：成分、組織、結(jié)構(gòu)、性能關(guān)系。

二大圖形：相圖、C曲線圖。

四把火：正火、退火、淬火、回火。

令本課程特點(diǎn)：

?大部分概念不是定量的，而是定性的，很少演繹、推理、計(jì)算：

?對(duì)生產(chǎn)實(shí)際中的現(xiàn)象要進(jìn)行歸納分析，找出各種事物和因素之間聯(lián)系以

及它們相互制約的規(guī)律，并去解決實(shí)際問(wèn)題；

教案

?初學(xué)者常認(rèn)為這門課程內(nèi)容龐雜，實(shí)際上系統(tǒng)性強(qiáng)。

令本課程學(xué)習(xí)方法

多進(jìn)行歸納和總結(jié)；

?利用習(xí)題深刻理解教學(xué)內(nèi)容，學(xué)會(huì)分析問(wèn)題。

令學(xué)習(xí)參考書：

?1、崔忠圻主編：《金屬學(xué)與熱處理》，機(jī)械工業(yè)出版社，2007年5月第

2版

?2、石德珂主編：《材料科學(xué)基礎(chǔ)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2003年7月第2

版。

3、王順興主編：《金屬熱處理原理與工藝》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，

2009年9月第1版。

第一章金屬的晶體結(jié)構(gòu)

什么是金屬？

傳統(tǒng)定義：金屬是具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤的物

質(zhì)

?嚴(yán)格定義：金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)，其電阻隨溫度的升高

而增加：而非金屬的電阻溫度系數(shù)為負(fù)值。

第一節(jié)金屬

一、金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

原子結(jié)構(gòu)理論：

原子=原子核（質(zhì)子+中子）+核外電子

核外電子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相等；

?核外電子按能級(jí)的不同由低到高分層排列；

?內(nèi)層電子的能量低，最為穩(wěn)定；

原子中的所有電子都按著量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)動(dòng)著

金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

?最外層電子數(shù)很少，W3

外層電子容易脫離原子核的束縛而變成自由電子

?過(guò)渡族金屬元素在次外層尚未填滿電子的情況下，最外層就先填充了電

子

二、金屬鍵

離子鍵：由電子轉(zhuǎn)移（失去電子者為陽(yáng)離子，獲得電子者為陰離子）

形成的。即正離子和負(fù)離子之間由于靜電引力所形成的化學(xué)鍵。如Na+Cl-

共價(jià)鍵：相鄰原子共用它們外部的價(jià)電子，在理想情況下達(dá)到電子的

飽和狀態(tài)。如金剛石

金屬鍵：處于集聚狀態(tài)的金屬原子，全部或大部將它們的價(jià)電子貢獻(xiàn)

出來(lái)，為其整個(gè)原子集體所公有，形成電子云（電子氣）。貢獻(xiàn)出價(jià)電子的

原子，則變?yōu)檎x子，沉浸在電子云中，它們依靠運(yùn)動(dòng)于其間的公有化的

自由電子的靜電作用而結(jié)合起來(lái)，這種結(jié)合方式叫做金屬鍵，它沒(méi)有飽和

性和方向性。

教案

金屬特性的金屬鍵理論解釋：

?(1)自由電子在電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)形成電流，從而顯示出良好的導(dǎo)

電性。

?(2)隨著溫度升高，正離子振動(dòng)的振幅要加大，對(duì)自由電子通過(guò)的阻礙

作用也加大，因而，金屬的電阻是隨溫度的升高而增加的，即具有正的

電阻溫度系數(shù)。

?(3)自由電子的運(yùn)動(dòng)和正離子的振動(dòng)可以傳遞熱能，因而使金屬具有較

好的導(dǎo)熱性。

三、結(jié)合力與結(jié)合能

雙原子作用力模型：原子一個(gè)在0點(diǎn)，一個(gè)在遠(yuǎn)處向0點(diǎn)原子靠近。

?兩原子相距無(wú)限遠(yuǎn)，引力和斥力都趨近于零；

隨原子間距的減小，引力增加，斥力也增加，且斥力增加快；

?當(dāng)r=ro時(shí)，引力等于斥力，合力為零。兩原子既不會(huì)自動(dòng)靠近，也

不會(huì)自動(dòng)離開，此時(shí)，原子的勢(shì)能最低。

?ro為原子結(jié)合的平衡間距。

?r>ro原子之間的引力大于排斥力，相互吸引；

?r<ro原子之間的排斥力大于引力，相互排斥。

?任何對(duì)ro的偏離，都會(huì)使原子的能量增加，使原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，

原子就有回到低能量狀態(tài)即平衡態(tài)的趨勢(shì)，解釋了為什么常見金屬中的

原子總是趨向于緊密排列。

?不同金屬，其作用力曲線的曲率和勢(shì)阱深度不同。

教案

課題1.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)(1)需2課時(shí)

教

學(xué)

目

的1、掌握晶體與非晶態(tài)的特點(diǎn)，晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣

要

求2、掌握三種典型的晶體結(jié)構(gòu)

教學(xué)

重點(diǎn)空間點(diǎn)陣、三種典型晶體結(jié)構(gòu)

教學(xué)教案編寫日期

點(diǎn)

難三種典型晶體結(jié)構(gòu)的原子數(shù)、配位數(shù)、致密度

年月日

教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程提示與補(bǔ)充

復(fù)習(xí)

新授課內(nèi)容

一、晶體與非晶體

晶體：物質(zhì)的原子、分子在三維空間周期性、規(guī)則排列的固體。例如：

金屬。

?晶體的特性：有固定的熔點(diǎn)，各向異性。

非晶體：物質(zhì)的原子、分子在三維空間無(wú)周期性、規(guī)則排列。例如：

玻璃。

?非晶體的特性：無(wú)固定的熔點(diǎn)，各向同性。

二、晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣

晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子在三維空間有規(guī)律的周期性的具體排列方式。

組成晶體的原子種類不同或者排列規(guī)則不同，可以有各種各樣的晶體結(jié)構(gòu)。

為研究晶體中的原子、分子的排列情況，將它們抽象成為規(guī)則排列于空

間的無(wú)數(shù)個(gè)幾何點(diǎn)，稱之為陣點(diǎn)。這些點(diǎn)可以是原子、分子的中心，也可

以是原子團(tuán)、分子團(tuán)的中心。

1,空間點(diǎn)陣

由等同點(diǎn)規(guī)則地、周期性重復(fù)排列所組成的三維陣列。簡(jiǎn)稱點(diǎn)陣。

陣點(diǎn)：空間點(diǎn)陣中的點(diǎn)。

?晶格：在表達(dá)空間點(diǎn)陣的幾何圖形時(shí)，用假象的平行線條將陣點(diǎn)連接起

來(lái)，構(gòu)成的三維幾何格架。

2、晶胞(單胞)

能代表整個(gè)空間點(diǎn)陣特征的最小單元體。

晶胞的選取原則：

?(1)能充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性：

?(2)平行六面體內(nèi)相同的棱角盡可能多；

?(3)平行六面體內(nèi)棱間夾角應(yīng)具有最多的直角；

?(4)滿足以上條件的前提下具有最小的體積。

教案

描述晶胞（單胞）：

?點(diǎn)陣參數(shù)：晶胞中的三個(gè)棱邊長(zhǎng)度a、b、c,三個(gè)棱邊夾角a、0、丫。

點(diǎn)陣常數(shù)（晶格常數(shù)）：晶胞中的三個(gè)棱邊的長(zhǎng)度a、b、c。

三、3種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)

所有晶體可歸納為七種晶系（七大晶系）。

按照“每個(gè)陣點(diǎn)周圍環(huán)境相同，，的要求，法國(guó)的晶體學(xué)家布拉菲首先用

數(shù)學(xué)的方法確定，只能有14種空間點(diǎn)陣。

這14種空間點(diǎn)陣以后就被稱為“布拉菲點(diǎn)陣”。

?三種典型的晶體結(jié)構(gòu)

（一）體心立方結(jié)構(gòu)

?晶格常數(shù)：a=b=c；a=p=y=90°

?晶胞原子數(shù)：2

原子半徑：4

?配位數(shù)：8

?致密度：0.68

（二）面心立方結(jié)構(gòu)

面心立方晶格：在晶胞的每個(gè)角上和晶胞的六個(gè)面的中心都排一個(gè)原子。

具有面心立方晶格的金屬有Y-Fe、Al等。

?晶格常數(shù)：a=b=c；a=p=y=90°

?晶胞原子數(shù)：4

?原子配位數(shù)：12

?致密度：0.74

V2

-----a

?半徑：4

（三）密排六方結(jié)構(gòu)

教案

密排六方晶格的晶胞是一個(gè)六方柱體，有六個(gè)呈長(zhǎng)方形的側(cè)面和兩個(gè)

呈六邊形的底面所組成。在晶胞的福個(gè)角上和上、下底面的中心都排列一

個(gè)原子，另外在晶胞中間還有三個(gè)原子。

具有密排六方晶格的金屬有Mg、Zn。

▼

?晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)a,底面間距c

?側(cè)面間角120。，側(cè)面與底面夾角90。

?晶胞原子數(shù)：6

?原子半徑：a/2

?：?配位數(shù)：12

?致密度：0.74

（四）原子的堆垛方式（選學(xué)）及間隙

密排六方：密排面為（0001）ABABAB.......

體心立方堆垛：密排面為（110）ABABAB.......

面心立方堆垛：密排面為（111）ABCABCABC.......

面心立方結(jié)構(gòu)間隙

＞間隙有兩種:四面體間隙和八面體間隙

八面體間隙:位于晶胞體中心和每個(gè)棱邊的中點(diǎn)，由6個(gè)面心原子所

圍成，間隙半徑rB=0.146a,間隙數(shù)量為4個(gè)。

四面體間隙:由一個(gè)頂點(diǎn)原子和三個(gè)面心原子圍成，其大小:，B=0.06m

間隙數(shù)量為8個(gè)。

體心立方晶格間隙

＞間隙：也是兩種，為八面體和四面體間隙

八面體間隙:位于晶胞六面體每個(gè)面的中心和每個(gè)棱的中心由一個(gè)面

上四個(gè)角和相鄰兩個(gè)晶胞體心共6個(gè)原子圍成，即數(shù)量為6。大小為

rB=0.067a

四面體間隙:由兩個(gè)體心原子和兩個(gè)頂角原子所圍成大小小=0./264

有12個(gè)。

教案

課題1.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)（1）需2課時(shí)

教學(xué)

目的

掌握晶向指數(shù)及晶面指數(shù)的標(biāo)定方法

要求

教學(xué)

晶向，晶向指數(shù)，晶向族；晶面，晶面指數(shù)，晶面族

重點(diǎn)

教學(xué)教案編寫日期

已知晶向指數(shù)和晶面指數(shù)畫晶向和晶面

難點(diǎn)年月日

教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程提示與補(bǔ)充

復(fù)習(xí)

新授課內(nèi)容

四、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)

?晶向：任意兩個(gè)原子之間連線所指的方向。

?晶面：原子組成的二維平面。

為了便于確定和區(qū)別晶體中不同方位的晶向和晶面，國(guó)際上通用Miller

指數(shù)統(tǒng)一標(biāo)定晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。

晶向指數(shù)的確定：

>①建立坐標(biāo)系

>②確定坐標(biāo)值

>③化整并加方括號(hào)口

晶向指數(shù)的另一種確定方法

>確定起點(diǎn)的坐標(biāo)[xl,yl,zl]

>確定終點(diǎn)的坐標(biāo)[x2,y2,z2]

>得到矢量[x2-xl,y2-yl,z2-zl]

>化整

教案

說(shuō)明：

①一個(gè)晶向代表相互平行，方向一致的所有晶向

②兩晶向相互平行但方向相反，則數(shù)字相同但符號(hào)相反。

晶向族：晶體中原子排列情況相同但空間位向不同的一組晶向。＜uvw＞

如：＜111＞

注意：如果不是立方晶系，改變晶向指數(shù)的順序所表示的晶向可能不是等

同的

幾個(gè)重要的晶向：

＞軸向：＜100＞

面對(duì)角線:＜110＞

＞體對(duì)角線:＜111＞

＞頂點(diǎn)到相對(duì)的面心方向：＜112＞

晶面指數(shù)的確定

＞建立坐標(biāo)注意：坐標(biāo)原點(diǎn)不能選在待定晶面上。

＞求截距

＞取倒數(shù)

＞化整并加圓括號(hào)()

(MZ)代表了一組平行的晶面，

＞平行平面的晶面指數(shù)相同，或數(shù)字相同而正負(fù)號(hào)相反。

晶面族：晶體中具有等同條件(原子排列情況和面間距完全相同)而只是

空間位向不同的各族晶面。用｛〃〃/｝表示。

＞在立方晶系中,相同指數(shù)的晶面和晶向必定垂直。

六方晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù)：

＞根據(jù)六方晶系的對(duì)稱特點(diǎn)，對(duì)六方晶系采用al,a2,a3及c四個(gè)晶軸,

al,a2,a3之間的夾角均為120度，這樣，其晶面指數(shù)就以(hki1)四個(gè)指

數(shù)來(lái)表示。

＞根據(jù)幾何學(xué)可知，三維空間獨(dú)立的坐標(biāo)軸最多不超過(guò)三個(gè)。前三個(gè)指數(shù)

中只有兩個(gè)是獨(dú)立的，它們之間存在以下關(guān)系：i=—(h+k)。

五、晶體的各向異性

晶體的各向異性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡

相同，由此導(dǎo)致晶體在不同方向的物理化學(xué)特性也不同，這就是晶體的各

教案

向異性。晶體的各向異性具體表現(xiàn)在晶體不同方向上的彈性膜量、硬度、

熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、電阻率、電位移矢量、電極化強(qiáng)度、磁化率和折射

率等都是不同的。各向異性作為晶體的一個(gè)重要特性具有相當(dāng)重要的研究

價(jià)值。常用密勒指數(shù)來(lái)標(biāo)志晶體的不同取向。

六、多晶型性

同素異晶轉(zhuǎn)變大部分金屬只有一種晶體結(jié)構(gòu)，但也有少數(shù)金屬如Fe、

Mn、Ti、Co等具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型。當(dāng)外部條件（如

溫度和壓力）改變時(shí)，金屬內(nèi)部由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變稱

為多晶型轉(zhuǎn)變或同素異晶轉(zhuǎn)變。鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變?cè)跓崽幚碇杏蟹浅Ｖ卮?/p>

的意義。

教案

課題1.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)需2課時(shí)

教

學(xué)

目

的1、掌握實(shí)際金屬中各種缺陷的特點(diǎn)

要

求2、掌握金屬的多晶型性

教學(xué)

重點(diǎn)金屬的晶體缺陷

教學(xué)教案編寫日期

點(diǎn)

難線缺陷

年月日

教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程提示與補(bǔ)充

復(fù)習(xí)

新授課內(nèi)容

第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

晶體缺陷：

原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域

晶體缺陷的分類：

＞點(diǎn)缺陷：缺陷在三個(gè)方向的尺寸很小，相當(dāng)于原子尺寸。如空位、間隙

＞線缺陷：缺陷在兩個(gè)方向的尺寸很小，另一個(gè)方向上的尺寸相對(duì)很大。

如位錯(cuò)

＞面缺陷：缺陷在一個(gè)方向上的尺寸很小，另兩個(gè)方向的尺寸相對(duì)很大。

如晶界、亞晶界

一、點(diǎn)缺陷

(-)空位

在晶體中，位于點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上的原子并非靜止的，而是以其平衡位置為

中心作熱振動(dòng)。原子的振動(dòng)能是按幾率分布.，有起伏漲落的。當(dāng)某一原子

具有足夠大的振動(dòng)能而使振幅增大到一定限度時(shí)，就可能克服周圍原子對(duì)

它的制約作用，跳離其原來(lái)的位置，使點(diǎn)陣中形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位。

離開平衡位置的原子有三個(gè)去處：

＞一是遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點(diǎn)位置上，而使晶體內(nèi)部留下空

位，稱為肖脫基(Schottky)空位；

＞二是擠入點(diǎn)陣的間隙位置，而在晶體中同時(shí)形成數(shù)目相等的空位和間隙

原子，則稱為弗蘭克爾(Frenkel)空位；

＞三是跑到其它空位中，使空位消失或使空位移位。

(二)間隙原子

處于晶格間隙中的原子即為間隙原子。

教案

特征：

＞間隙原子所造成的晶格畸變遠(yuǎn)較空位嚴(yán)重。

＞間隙原子也是一種熱平衡缺陷，在一定溫度下有一平衡濃度，對(duì)于異類

間隙原子來(lái)說(shuō)，常將這?平衡濃度稱為固溶度或溶解度。

（三）置換原子

占據(jù)在原來(lái)基體原子平衡位置上的異類原子稱為置換原子。

＞置換原子周圍也存在晶格畸變

＞置換原子的固溶度（或溶解度）通常比間隙原子的要大得多。

由于空位和間隙原子的存在，使晶體發(fā)生了晶格畸變，晶體性能發(fā)生

改變，如屈服強(qiáng)度升高、電阻增大、體積膨脹等。

晶體中的空位和間隙原子處于不斷地運(yùn)動(dòng)和變化之中，在一定溫度下，

晶體內(nèi)存在一定平衡濃度的空位和間隙原子，空位和間隙原子的運(yùn)動(dòng)，是

金屬中原子擴(kuò)散的主要方式，對(duì)金屬材料的熱處理過(guò)程極為重要。

二、線缺陷-位錯(cuò)

位錯(cuò)是晶格中的某處有一列或若干列原子發(fā)生了某些有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)

象。這種錯(cuò)排現(xiàn)象是晶體內(nèi)部局部滑移造成的，根據(jù)局部滑移的方式不同，

可以形成不同類型的位錯(cuò)，最簡(jiǎn)單、最基本的類型有刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)

兩種。

（-）刃型位錯(cuò)

設(shè)有一簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的晶體，在切應(yīng)力的作用下發(fā)生局部滑移，發(fā)生

局部滑移后晶體內(nèi)在垂直方向出現(xiàn)了一個(gè)多余的半原子面，顯然在晶格內(nèi)

產(chǎn)生了缺陷，這就是位錯(cuò)，這種位錯(cuò)在晶體中有一個(gè)刀刃狀的多余半原子

面，所以稱為刃型位錯(cuò)。

b)

位錯(cuò)：

＞正刃型位錯(cuò)：半原子面在滑移面上方的刃型位錯(cuò)，1

＞負(fù)力型位錯(cuò)：半原子面在滑移面下方的刃型位錯(cuò)，T

刃型位錯(cuò)特征

＞刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外的半原子面。

＞刃型位錯(cuò)線為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。它不一定是直線，

也可以是折線或曲線，但它必與滑移方向相垂直。

＞滑移面必定是同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑

教案

移。由于在刃型位錯(cuò)中，位錯(cuò)線與滑移矢量互相垂直，因此，由它們所構(gòu)

成的平面只有一個(gè)。

＞刃型位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)晶格畸變管道，位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣

發(fā)生彈性畸變，既有切應(yīng)變，又有正應(yīng)變。

（二）螺型位錯(cuò)

螺型位錯(cuò)具有以下重要特征：

＞①螺型位錯(cuò)沒(méi)有額外半原子面；

＞②螺型位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)的晶格畸變管道，其中只有切

應(yīng)變，而無(wú)正應(yīng)變；

＞③位錯(cuò)線與滑移方向平行，位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的方向與位錯(cuò)線垂直。

,JaD

。上以原子?

（三）柏氏矢量

柏氏矢量的確定方法：

＞首先選定位錯(cuò)線的正向，例如，常規(guī)定出紙面的方向?yàn)槲诲e(cuò)線的正方向。

＞在實(shí)際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯(cuò)（避開位錯(cuò)線附近的嚴(yán)重畸

變區(qū)）以一定的步數(shù)作一右旋閉合回路，稱為柏氏回路。

＞在完整晶體中按同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，該回路并不封閉，由

終點(diǎn)Q向起點(diǎn)M引一矢量，使該回路閉合，這個(gè)矢量b就是實(shí)際晶體中位

錯(cuò)的柏氏矢量。

柏氏矢量的特性：

＞用柏氏矢量可以判斷位錯(cuò)的類型。位錯(cuò)線與柏氏矢量垂直就是刃型位

錯(cuò)，與柏氏矢量平行就是螺型位錯(cuò)。

＞可以表示晶格畸變的大小。柏氏矢量越大，晶格畸變?cè)絿?yán)重?？梢员硎?/p>

晶體滑移的方向和大小。滑移的大小即柏氏矢量b,滑移方向即柏氏矢量的

方向。

＞同一條位錯(cuò)線的柏氏矢量是恒定不變的。

＞對(duì)個(gè)位錯(cuò)來(lái)說(shuō)，同時(shí)包含位錯(cuò)線和柏氏矢量的晶面是潛在的滑移面。

（四）位錯(cuò)密度

＞晶體中位錯(cuò)的量通常用位錯(cuò)密度來(lái)表示。

教案

＞位錯(cuò)密度是指單位體積內(nèi)，位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度。

三、面缺陷

面缺陷：外表面（表面或自由界面）和內(nèi)界面（晶界、亞晶界、攣晶

界、堆垛層錯(cuò)、相界）

（-）晶體表面：固體與氣、液介質(zhì)接觸的界面

在晶體表面上，原子排列情況與晶內(nèi)不同,表面原子會(huì)偏離其正常的平

衡位置，并影響到鄰近的幾層原子，造成表層的點(diǎn)陣畸變，使它們的能量

比內(nèi)部原子高，這幾層高能量的原子層稱為表面。

（二）晶界

晶體結(jié)構(gòu)相同但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界

根據(jù)相鄰晶粒之間位向差的大小不同可將晶界分為兩類：

＞小角度晶界：相鄰晶粒的位向差＜10°晶界。亞晶界均屬小角度晶界，

一般小于2°o

＞大角度晶界：相鄰晶粒的位向差＞10。晶界，多晶體中90%以上的晶界

屬于此類。

小角度晶界

最簡(jiǎn)單的小角度晶界是對(duì)稱傾側(cè)晶界,由?系列柏氏矢量互相平行的

同號(hào)刃型位錯(cuò)垂直排列而成，晶界兩邊對(duì)稱。

大角度晶界

＞多晶體材料中各晶粒之間的晶界通常為大角度晶界。

＞晶界可看成壞區(qū)與好區(qū)交替相間組合而成。隨著位向差的增大，壞區(qū)的

面積將相應(yīng)增加。

＞純金屬中大角度晶界的寬度不超過(guò)3個(gè)原子間距。

（三）亞晶界

晶粒本身也不是完整的理想晶體，它是由許多尺寸很小、位向差也很

小的小晶塊鑲嵌而成的這些小晶塊稱為亞晶粒。

＞亞晶粒之間的交界面稱為亞晶界。亞晶界對(duì)金屬同樣有強(qiáng)化作用。

（四）堆垛層錯(cuò)

在實(shí)際晶體中，晶面堆垛順序發(fā)生局部差錯(cuò)而產(chǎn)生的一種晶體缺陷稱

為堆垛層錯(cuò)。

＞通常發(fā)生于面心立方金屬。

＞金屬的層錯(cuò)能越小，則層錯(cuò)出現(xiàn)的幾率越大。

（五）相界

相：是指成分相同、）結(jié)構(gòu)相同、有界面和其它部分分開的物質(zhì)的均勻

組成部分。

相界的結(jié)構(gòu)有三類，即共格界面、半共格界面和非共格界面。

（六）晶界特性

＞晶界運(yùn)動(dòng)

＞內(nèi)吸附

＞晶界對(duì)金屬材料的塑性變形起著阻礙作用

＞發(fā)生相變時(shí)，首先在晶界形核

教案

課題2.1金屬結(jié)晶的現(xiàn)象-2.3金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件需2課時(shí)

教

學(xué)

目

的1、掌握金屬結(jié)晶的現(xiàn)象

要

求2、掌握金屬結(jié)晶的熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)條件

教學(xué)

重點(diǎn)過(guò)冷現(xiàn)象，金屬結(jié)晶過(guò)程，金屬結(jié)晶的熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)條件

教學(xué)教案編寫日期

過(guò)冷現(xiàn)象，金屬結(jié)晶過(guò)程

難點(diǎn)年月日

教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程提示與補(bǔ)充

第二章純金屬的結(jié)晶

一般金屬制品是如何制得的？：

熔煉一澆鑄(鑄件和鑄錠)：液態(tài)-固態(tài)凝固！結(jié)晶！

金屬及合金的結(jié)晶組織對(duì)其性能以及隨后的加工有很大的影響，而結(jié)

晶組織的形成與結(jié)晶過(guò)程密切相關(guān)。

＞對(duì)于鑄件和焊件來(lái)說(shuō)，結(jié)晶過(guò)程基本上決定了材料的使用性能和壽命。

＞對(duì)于鑄錠，影響軋制和鍛壓工藝性能!使用性能！

因此，研究和控制金屬的結(jié)晶成為提高金屬力學(xué)性能和工藝性能的重要手

段。

第一節(jié)金屬結(jié)晶的現(xiàn)象

一、結(jié)晶過(guò)程的宏觀現(xiàn)象

(-)過(guò)冷現(xiàn)象

＞理論結(jié)晶溫度：純金屬液體在無(wú)限緩慢冷卻條件下結(jié)晶的溫度。

＞過(guò)冷現(xiàn)象：實(shí)際的結(jié)晶過(guò)程冷速都很快，液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以卜

開始結(jié)晶的現(xiàn)象。

＞過(guò)冷度AT：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值。

AT=To-T,

58

L__VA____k,

\---------v——4-

時(shí)間，min

教案

影響過(guò)冷度的因素：

＞過(guò)冷度隨金屬的本性、純度以及冷卻速度的差異而不同。金屬不同，過(guò)

冷度的大小不同；金屬純度越高，過(guò)冷度越大；冷卻速度越大，過(guò)冷度越

大，實(shí)際結(jié)晶溫度越低。

＞金屬總是在一定的過(guò)冷度下結(jié)晶，過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件。對(duì)于一定的

金屬來(lái)說(shuō)，過(guò)冷度有一最小值，若過(guò)冷度小于此值，結(jié)晶過(guò)程就不能進(jìn)行。

(-)結(jié)晶潛熱

為什么冷卻曲線上會(huì)出現(xiàn)一平臺(tái)？

金屬結(jié)晶時(shí)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嘁懦鰺崃?，稱為結(jié)晶潛熱。由于結(jié)晶

潛熱的釋放，補(bǔ)償了散失到周圍環(huán)境的熱量，使溫度并不隨冷卻時(shí)間的延

長(zhǎng)而下降，所以在冷卻曲線上出現(xiàn)了平臺(tái)。結(jié)晶結(jié)束，沒(méi)有結(jié)晶潛熱補(bǔ)償

散失的熱量，溫度又重新下降。

二、金屬結(jié)晶的微觀過(guò)程

結(jié)晶過(guò)程就是形核和長(zhǎng)大的過(guò)程！

第二節(jié)金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件

液態(tài)金屬必須在一定的過(guò)冷條件下才能結(jié)晶，這是由熱力學(xué)條件決定

的。

WIT

熱力學(xué)第二定律：在等溫等壓條件下，物質(zhì)系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能

較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

這說(shuō)明，只有引起體系自由能降低的過(guò)程才能自發(fā)進(jìn)行。

結(jié)晶能否發(fā)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，那么液相將自發(fā)地轉(zhuǎn)化為固相，

使系統(tǒng)的自由能降低，處于更為穩(wěn)定的狀態(tài)，即發(fā)生結(jié)晶。

＞液相金屬和固相金屬的自由能之差，就是促進(jìn)轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力。

溫度升高，原子活動(dòng)能力提高，因而原子排列的混亂程度增加，即燧

值增加I,系統(tǒng)的自由能隨溫度的升高而降低。且液態(tài)金屬自由能隨溫度降

低的趨勢(shì)大于固態(tài)金屬。

教案

液、固兩相的自由能隨溫度而變化的曲線斜率不同，則兩線必然在某

一溫度交，此時(shí)液相和固相的自由能相等，意謂著兩相可以同時(shí)共存，既

不熔化也不結(jié)晶，處于動(dòng)平衡狀態(tài)。

>交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度就是理論結(jié)晶溫度TO。

高于To溫度時(shí)，液態(tài)金屬比固態(tài)金屬的自由能低，金屬處于液態(tài)才是

穩(wěn)定的；低于T。溫度時(shí)，金屬處于固態(tài)才穩(wěn)定。

因此，液態(tài)金屬要結(jié)晶，就必須處于To溫度以下，金屬必須過(guò)冷，使

液態(tài)和固態(tài)之間存在一個(gè)自由能差。這個(gè)自由能差就是促進(jìn)液體結(jié)晶的驅(qū)

動(dòng)力。液、固兩相自由能的差值越大，則相變驅(qū)動(dòng)力越大，結(jié)晶速度也越

快。

△Gv=H,TS,(HcTS0=H,HcT(S匚H?-TAS

/%熔化潛熱，AHf>0

4Gv=-4H/~TAS

當(dāng)T=7相時(shí)，AGv=0,4S=-

當(dāng)Tv%H寸，JGV=-4HfAT/Tm

Tm；理論結(jié)晶溫度.

過(guò)冷度AT越大，相變驅(qū)動(dòng)力越大.

第三節(jié)金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件

金屬的結(jié)晶是晶核的形成和長(zhǎng)大的過(guò)程，晶核的形成是有條件的。

在固態(tài)金屬晶體中，大范圍內(nèi)的原子是呈有序排列的，稱之為長(zhǎng)程有序。

在液態(tài)金屬中，原子做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在大范圍內(nèi)原子是無(wú)序分布的，但是在小

范圍內(nèi)，存在著許多類似于晶體中原子有規(guī)則排列的小原子集團(tuán)，稱之為短程

有序。

在理論結(jié)晶溫度以上，這些短程有序的原子集團(tuán)是不穩(wěn)定的，瞬時(shí)出現(xiàn)，

瞬時(shí)消失，此起彼伏。這種不斷變化著的短程有序原子集團(tuán)稱為結(jié)構(gòu)起伏，或

稱為相起伏。

相起伏特點(diǎn)：

>(1)瞬時(shí)出現(xiàn)，瞬時(shí)消失，此起彼伏；

>(2)相起伏或大或小，不同尺寸相起伏出現(xiàn)的幾率不同，過(guò)大或過(guò)小

的相起伏出現(xiàn)幾率均小；

>(3)過(guò)冷度越大，最大相起伏尺寸越大。

只有在過(guò)冷液體中出現(xiàn)的尺寸較大的相起伏，才有可能在結(jié)晶時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榫?/p>

核，因此這些尺寸較大的相起伏被稱為晶胚。

教案

課題2.4晶核的形成需2課時(shí)

教學(xué)

目的

掌握晶核形成的兩種方式的特點(diǎn)

要求

教學(xué)

均勻形核與非均勻形核

重點(diǎn)

教學(xué)教案編寫日期

臨界形核半徑與形核功

難點(diǎn)年月日

教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程提示與補(bǔ)充

復(fù)習(xí)

新授課內(nèi)容

第四節(jié)晶核的形成

形核方式有兩種：一種是均勻形核;另一種是非均勻形核。

＞均勻形核：是指完全依靠液態(tài)金屬中的晶胚形核的過(guò)程，液相中各區(qū)域

出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的。理想情況！

＞非均勻形核：是指晶胚依附于液態(tài)金屬中的固態(tài)雜質(zhì)表面形核的過(guò)程。

工程實(shí)際中材料的凝固主要以非均勻形核方式進(jìn)行！

但均勻形核的基本規(guī)律十分重要，它不僅是研究晶體材料凝固問(wèn)題的理論

基礎(chǔ)，而且也是研究固態(tài)相變的基礎(chǔ)。

一、均勻形核

（一）形核時(shí)的能量變化AG和臨界晶核半徑rK

在過(guò)冷的液態(tài)金屬中，晶胚形成的同時(shí)，體系自由能的變化包括轉(zhuǎn)變?yōu)楣?/p>

態(tài)的那部分體積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

假設(shè)晶胚為球體，半徑為r,貝人

教案

4,

△G=—jrr-AG+4/rr9-a

3v

令A(yù)dA丁G二八°儆/日一記2。

kbHQT

當(dāng)時(shí)，隨晶胚尺寸增大，自由能增加，晶胚瞬間消失，不能變成晶核.

當(dāng)廠＞々時(shí)，隨晶胚尺寸增大，自由能降低，晶胚比較容易形成晶核.

當(dāng)廠=々時(shí),晶胚可能消失，也可能長(zhǎng)大形成晶核.

過(guò)冷度47越大，臨界形核半徑珠越小.

/7K；臨界過(guò)冷度

當(dāng)AT＜ATK時(shí),＜rK,晶胚不可能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш恕?/p>

當(dāng)2時(shí),廠,心＞々，無(wú)論尺寸大小的晶胚均可成為晶核，結(jié)晶過(guò)程

易于進(jìn)行.

因而，液態(tài)金屬能否結(jié)晶，很重要的一點(diǎn)是看晶胚的尺寸是否達(dá)到了臨界晶核

半徑的要求。

（二）形核功

形核功：形成臨界晶核時(shí)，體積自由能的下降只補(bǔ)償了表面能的2/3,還有

1/3的表面能需要另外供給，既需要對(duì)形核作功，這部分功叫….

412o?丫（2o?丫1Ff2o-Y12

3IAGjIAGj3["GJJ3

臨界形核功相當(dāng)于表面能的1/3,這意味著固、液之間自山能差只能供給形

成臨界晶核所需表面能的2/3,其余1/3的能量靠能量起伏來(lái)補(bǔ)足。

能量起伏:在一定溫度下，系統(tǒng)有一定的自由能，這是指宏觀平均能量.但

是在微區(qū)各處的能量此起彼伏，變化不定.微區(qū)能量偏離平衡能量的現(xiàn)象，叫…

晶核形成=過(guò)冷液體中的相起伏+能量起伏

形核功與過(guò)冷度的關(guān)系：

＞臨界形核功與過(guò)冷度的平方成反比，

＞過(guò)冷度增大，臨界形核功顯著降低，結(jié)晶過(guò)程容易進(jìn)行

（三）形核率

形核率：是指單位時(shí)間內(nèi)單位體積液體中形成晶核的數(shù)量。用N=NI*N2

表示。

當(dāng)△7不大時(shí)，形核率主要受形核功因子控制，△7增大，形核率增大，

在A7非常大時(shí)，形核率主要受擴(kuò)散因子的控制，隨增加，形核率降低。

二、非均勻形核（異質(zhì)形核或非自發(fā)形核）

（一）臨界晶核半徑和形核功

教案

臨界晶核半徑：〃=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，液體中的固體相質(zhì)點(diǎn)就是現(xiàn)成的晶核，可

以在上面直接結(jié)晶長(zhǎng)大.

>6=180°,AGK^AGK,均勻形核與非均勻形核所需要的能量起伏相同.

>0<0<180°,AGK'VAGK，0越小，非均勻形核越容易，需要的過(guò)冷度也

越小.

（二）形核率

>1.過(guò)冷度的影響

>2.固體雜質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響

>3.固體雜質(zhì)形貌的影響

>4.過(guò)熱度的影響

>5.其他因素的影響

小結(jié)：金屬形核的要點(diǎn)

>液態(tài)金屬的結(jié)晶必須在過(guò)冷的液體中進(jìn)行，液態(tài)金屬的過(guò)冷度必須大

于臨界過(guò)冷度，晶胚尺寸必須大于臨界晶核半徑收.前者提供形核的驅(qū)

動(dòng)力，后者是形核的熱力學(xué)要求.

>取值大小與晶核的表面能成正比，與過(guò)冷度成反比。過(guò)冷度越大，則

收值越小，形核率越大，但是形核率有一個(gè)極大值。如果表面能越大，形

核所需要的過(guò)冷度也應(yīng)越大，因此，能夠降低表面能的辦法都能夠促進(jìn)形

核。

>均勻形核需要結(jié)構(gòu)起伏，也需要能量起伏，二者都是液體本身存在的

自然現(xiàn)象。

>晶核的形成過(guò)程是原子的擴(kuò)散遷移過(guò)程，因此結(jié)晶必須在一定的溫度下

進(jìn)行。

>在工業(yè)生產(chǎn)中，液體金屬的凝固總是以非均勻形核的方式進(jìn)行的。

教案

課題1.5晶核長(zhǎng)大需2課時(shí)

教

學(xué)

1、掌握固液界面的微觀結(jié)構(gòu)及晶體長(zhǎng)大機(jī)制

目

的

2、掌握界面的溫度梯度分布及晶體生長(zhǎng)的界面形態(tài)

要

求

3、掌握晶體長(zhǎng)大速度與晶粒大小的控制

教學(xué)

固液界面的微觀結(jié)構(gòu)，晶體長(zhǎng)大機(jī)制，固液界面前沿液體中的溫度梯度，晶體形態(tài)，

重點(diǎn)

晶體長(zhǎng)大速度與晶粒大小的控制

教學(xué)教案編寫日期

點(diǎn)

難固液界面的微觀結(jié)構(gòu)，晶體長(zhǎng)大機(jī)制

年月日

教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程提示與補(bǔ)充

復(fù)習(xí)

新授課內(nèi)容

第五節(jié)晶核長(zhǎng)大

當(dāng)液態(tài)金屬中出現(xiàn)第一批晶核后，金屬的結(jié)晶過(guò)程就開始了。新晶核不斷

產(chǎn)生，對(duì)每一個(gè)晶粒來(lái)說(shuō)，晶核出現(xiàn)后，馬上就進(jìn)入長(zhǎng)大階段。

>宏觀過(guò)程：晶體的界面向液體的推進(jìn)

>微觀過(guò)程：原子從液相中擴(kuò)散到晶體表面

晶體長(zhǎng)大的條件：

>1）原子擴(kuò)散——較高溫度；

>2）晶體表面接納原子——表面結(jié)構(gòu)

>3）應(yīng)符合熱力學(xué)條件——過(guò)冷

決定晶體長(zhǎng)大方式和速度的主要因素是界面結(jié)構(gòu)和固液界面前沿液體中

的溫度梯度。

一、固液界面的微觀結(jié)構(gòu)

>（?）光滑界面：顯微尺寸看粗糙，原子尺寸看光滑平整。

>（二）粗糙界面：顯微尺寸看平整，原子尺寸看界面高低不平。

a）b）

液-固界面的微觀結(jié)構(gòu)：

>假設(shè)界面上可能的原子位置數(shù)為N,其中NA個(gè)位置為固相原子所占據(jù)，

那么界面上被固相原子占據(jù)的位置的比例為x=NA/N。

教案

＞如果x=50%,即界面上有50%的位置為固相原子所占據(jù)，這樣的截面

為粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置為固相原子所占據(jù)，這

樣的截面為光滑界面。

＞界面的平衡結(jié)構(gòu)應(yīng)該是界面能最低的結(jié)構(gòu)，在光滑界面上任意添加原子

時(shí)，其界面自由能的變化：

a＜2時(shí)，在x=0.5處，界面能具有極小值，這意味著界面上約有一

半的原子位置被固相原子占據(jù)著，形成粗糙界面。

a25時(shí)，在x=l和x=0處，界面能具有兩個(gè)極小值，這表明界面上

絕大多數(shù)原子位置被固相原子占據(jù)或空著，為光滑界面。

金屬一般為粗糙界面，高分子往往為光滑界面。

二.晶體長(zhǎng)大機(jī)制

1.光滑界面材料的長(zhǎng)大機(jī)制

（微觀光滑、宏觀粗糙一無(wú)機(jī)化合物或亞金屬材料的界面）：

＞（1）二維晶核長(zhǎng)大機(jī)制.

＞（2）螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大機(jī)制。

2.粗糙界面材料的長(zhǎng)大機(jī)制

（微觀粗糙、宏觀平整一金屬或合金材料的界面）：連續(xù)長(zhǎng)大機(jī)制。

三、固液界面前沿液體中的溫度梯度

固液界面前沿液體中的溫度梯度有兩種情況：

＞（一）正溫度梯度:液相中的溫度隨至界面距離的增加而提高的溫度分布

狀況.結(jié)晶潛熱通過(guò)已結(jié)晶的固相和型壁散失.

＞（二）負(fù)溫度梯度:液相中的溫度隨至界面距離的增加而降低的溫度分布

狀況.結(jié)晶潛熱通過(guò)過(guò)冷液體散失.

四、晶體生長(zhǎng)的界面形狀…晶體形態(tài)

（一）正溫度梯度下

結(jié)晶潛熱通過(guò)已結(jié)晶的固相和型壁散失，相界面向液相中的推移速度受散

熱速率的控制.

液固界面基本呈平直狀.

＞光滑界面：小晶面互成一定角度，呈鋸齒狀.

＞粗糙界面：平行于等溫面的平直界面.

（二）負(fù)溫度梯度下

晶界的移動(dòng)不受已結(jié)晶的固相和型壁的散熱控制.

粗糙界面：

＞樹枝晶：液態(tài)金屬在結(jié)晶中各個(gè)方向上發(fā)展不同，而形成的樹枝狀晶體.

＞等軸晶:如果枝晶在三維空間得到均衡發(fā)展，各個(gè)方向上的一次軸近似

相等，這樣形成的晶粒，叫.

＞柱狀晶：如果枝晶在一個(gè)方向上的一次軸長(zhǎng)得很長(zhǎng)，而在其他方向上受

到阻礙，而形成的細(xì)長(zhǎng)晶粒.

光滑界面：只有杰克遜因子較高的物質(zhì)仍然保持著光滑界面形態(tài)。

＞由于液固界面前沿的液體中過(guò)冷度較大，晶體優(yōu)先沿過(guò)冷度較大方向生

長(zhǎng)出空間骨架，形同樹F,稱為一次品軸。

教案

＞在一次晶軸增長(zhǎng)和變粗的同時(shí)，其上會(huì)出現(xiàn)很多凸出尖端，它們長(zhǎng)大成

為枝干，稱為二次晶軸。

＞對(duì)一定的晶體來(lái)說(shuō),二次晶軸與一次晶軸有確定的角度，在立方晶系中，

二者是相互垂直的。

＞二次晶軸生長(zhǎng)到一定程度后，又在它上面長(zhǎng)出三次晶軸，如此不斷地成

長(zhǎng)和分枝，形成如樹枝狀的骨架，稱為樹枝晶。

五、長(zhǎng)大速度

長(zhǎng)大速度與過(guò)冷度關(guān)系

非金屬

＞當(dāng)過(guò)冷度小時(shí)，液固兩相自由能差小，結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力小，晶體的長(zhǎng)大

速度小。

＞當(dāng)過(guò)冷度大時(shí)，溫度過(guò)低，原子的擴(kuò)散困難，晶體的長(zhǎng)大速度小。

金屬

＞結(jié)晶溫度高，形核與長(zhǎng)大都快，它的過(guò)冷能力小，所以未到過(guò)冷到

較低溫度時(shí)，結(jié)晶已經(jīng)結(jié)束了。

總結(jié)：晶體長(zhǎng)大要點(diǎn)

＞1.具有粗糙界面的金屬，長(zhǎng)大機(jī)制為連續(xù)長(zhǎng)大，長(zhǎng)大速度大，所需過(guò)冷

度??；

＞2.具有光滑界面的金屬化合物、半金屬（Si、Sb等）或非金屬等，長(zhǎng)大

機(jī)制為二維晶核長(zhǎng)大或螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大方式，長(zhǎng)大速度慢，所需過(guò)冷度大；

＞3.晶體成長(zhǎng)的界面形態(tài)與界面前沿的溫度梯度和界面的微觀結(jié)構(gòu)有

關(guān)，正溫度梯度下，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈鋸齒狀；粗

糙界面的形態(tài)為平行于Tm等溫面的平直界面，呈平面長(zhǎng)大方式。負(fù)溫度

梯度下，一般金屬和半金屬的界面都呈樹枝狀，只有杰克遜因子較高的物

質(zhì)仍然保持著光滑界面形態(tài)。

六、晶粒大小的控制

細(xì)化晶粒不僅能提高材料的強(qiáng)度和硬度，還能提高材料的韌性和塑性。工

業(yè)上將通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化.

＞晶粒度：晶粒的大小，通常用晶粒的平均面積或直徑表示。

＞晶粒大小的影響因素：形核率和長(zhǎng)大速度。晶粒的大小取決于形核率N

與長(zhǎng)大速度G的比值，N/Go

工業(yè)中細(xì)化晶粒的方法

＞1、控制過(guò)冷度：在一定范圍內(nèi)，過(guò)冷度越大，N/G越大，晶粒越細(xì)。

＞2、變質(zhì)處理：在澆鑄前往液態(tài)金屬中加入形核劑，促進(jìn)形成大量的非

均勻晶核來(lái)細(xì)化晶粒。

＞3、振動(dòng)和攪拌：輸入能量提高形核率；使凝固過(guò)程中正在長(zhǎng)大的晶體

破碎，增加核心。

教案

課題1.6金屬鑄錠的宏觀組織與缺陷需2課時(shí)

教學(xué)

目的1、掌握金屬鑄錠的三晶區(qū)，了解其形成控制方法

要求2、掌握鑄錠缺陷

教學(xué)

金屬鑄錠的三晶區(qū)，鑄錠缺陷

重點(diǎn)

教學(xué)教案編寫日期

金屬鑄錠的三晶區(qū)的形成

難點(diǎn)年月日

教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過(guò)程提示與補(bǔ)充

復(fù)習(xí)

新授課內(nèi)容

第六節(jié)金屬鑄錠的宏觀組織與缺陷

為什么要了解金屬鑄錠的宏觀組織與缺陷？

＞冶煉金屬后得到的鑄錠、鑄造零件毛坯、焊接的焊縫等都是凝固體，它

們?cè)诮M織結(jié)構(gòu)上有共同的特點(diǎn)。所以，以鑄錠為例來(lái)討論凝固體的結(jié)構(gòu)組

織。

＞鑄件：鑄態(tài)組織影響力學(xué)性能和使用壽命

＞鑄錠：鑄態(tài)組織影響壓力加工性能及加工后金屬制品的組織和性能。所

以要了解鑄態(tài)組織和形成規(guī)律，以改善組織。

＞鑄態(tài)組織包括晶粒大小、形狀和取向、合金元素和雜質(zhì)的分布及鑄錠中

的缺陷等。

一、鑄錠三晶區(qū)的形成

(-)表層細(xì)晶區(qū)

當(dāng)高溫的金屬液體倒入鑄模后，由于溫度較低的模壁有強(qiáng)烈的吸熱和散熱

作用，使靠近模壁的一薄層液體產(chǎn)生極大的過(guò)冷，結(jié)晶首先從模壁處開始。模

教案

壁的一薄層液體產(chǎn)生極大的過(guò)冷，結(jié)晶首先從模壁處開始。模壁作為非均

勻形核的基底，在這一薄層液體中立即產(chǎn)生大量晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生長(zhǎng)。

由于晶核數(shù)量多，臨近的晶核很快彼此相遇，不能繼續(xù)生長(zhǎng)，在靠近模壁處形

成一薄層等軸細(xì)晶區(qū)。

＞優(yōu)點(diǎn)：晶粒細(xì)小組織致密，力學(xué)性能好

＞缺點(diǎn)：細(xì)晶區(qū)很薄,沒(méi)有實(shí)際意義

（二）柱狀晶區(qū)

在細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，模壁的溫度由于被液態(tài)金屬加熱而迅速升高；金屬

凝固后收縮，使細(xì)晶區(qū)和模壁脫離，形成空氣層，阻礙了液態(tài)金屬的散熱；細(xì)

晶區(qū)的形成釋放出大量結(jié)晶潛熱，導(dǎo)致液體金屬冷卻速度降低，過(guò)冷度減小，

形核速率降低。垂直于模壁方向散熱最快，晶體沿其相反方向擇優(yōu)生長(zhǎng)，形成

柱狀晶。

＞優(yōu)點(diǎn)：組織致密，性能有方向性

＞缺點(diǎn)：有弱面

在柱狀晶區(qū)中，因?yàn)橄嗷テ叫械闹鶢罹У慕佑|面及相鄰垂直的樹枝狀晶區(qū)

的交界面較為脆弱，并常聚集著易熔雜質(zhì)和非金屬夾雜物，使鑄錠在力加工時(shí),

容易沿這些脆弱面開裂。

■柱狀晶的應(yīng)用

對(duì)于雜質(zhì)多、塑性差的金屬及合金，如鋼鐵、銀基合金等，不希望形成發(fā)

達(dá)的柱狀晶。但對(duì)于塑性好的鋁、銅等有色金屬及合金，即使全部為柱狀晶組

織，也能順利通過(guò)熱軋而不致開裂。柱狀晶的性能有明顯的方向性，沿晶軸方

向的強(qiáng)度較高，對(duì)于那些主要受單向載荷的機(jī)器零件，例如汽輪機(jī)葉片等，柱

狀晶結(jié)構(gòu)是非常理想的。

■影響生成柱狀晶的因素

＞熔化溫度高

＞澆注溫度高

＞澆注速度大

（三）中心等軸晶區(qū)

隨柱狀晶區(qū)的長(zhǎng)大，模壁溫度升高，散熱的方向性不明顯，同時(shí)錠模中心

部分的液態(tài)金屬的溫度逐漸降低并漸趨均勻，最終幾乎同時(shí)進(jìn)入過(guò)冷狀態(tài)，并

以非均勻方式形核，由于在不同方向上的生長(zhǎng)速度相同，因而便形成了等軸晶

粒。中心部分的液態(tài)金屬的冷卻速度較慢，過(guò)冷度較小，故晶粒就較粗大。

■等軸晶的特點(diǎn)

＞優(yōu)點(diǎn)：不存在明顯的弱面，各晶粒的取向各不相同，性能不具有方向性

＞缺點(diǎn)：組織不致密

＞一般的鑄件都要求有發(fā)達(dá)的等軸晶組織。

二、鑄錠組織的控制

鑄錠的表層細(xì)晶區(qū)，組織較致密，機(jī)械性能較好。但由于細(xì)晶區(qū)總是比較

薄的，故對(duì)整個(gè)鑄錠的性能影響不大。

一般鋼錠（鋼鐵或鍥合金）不希望柱狀晶區(qū)過(guò)大。但是，柱狀晶組織比較

致密。它不象等軸晶那樣容易形成疏松。因此，對(duì)塑性較好的有色金屬（鋁），

教案

有時(shí)為了獲得較致密的鑄錠。反而要使柱狀晶區(qū)擴(kuò)大。因?yàn)樵跓釅毫庸r(shí)，

由于這些金屬本身具有良好的塑性，不致于發(fā)生開裂。

等軸晶區(qū)不存在上述那種脆弱的交界面，而方向不同的晶粒彼此交錯(cuò)咬合,

各方向上的機(jī)械性能均較好。但由于各個(gè)等軸晶粒在生長(zhǎng)過(guò)程中互相交叉，有

可能造成許多封閉的小區(qū)，并將殘留在這些小區(qū)中的液體相互隔絕起來(lái)。當(dāng)這

些液體結(jié)晶收縮時(shí).，由于得不到外界液體的補(bǔ)充。就形成很多微小的縮孔(縮

松)。

因此，等軸晶區(qū)的組織就比較疏松。這又使該區(qū)的機(jī)械性能降低。

(-)促進(jìn)柱狀晶生長(zhǎng)的方法：

■總體：

>(1)加大液相沿垂直鑄錠模壁方向的散熱能力

——促進(jìn)散熱的方向性

>(2)降低液相內(nèi)部非均勻形核的可能性

■具體：

>(1)提高鑄錠模的冷卻能力。

如：金屬模代替砂型模；增加金屬鑄模的厚度等

注意：此方法僅適于尺寸較大的鑄件，但不適于尺寸較小的鑄件

原因：若鑄模冷卻能力很大，反而促進(jìn)等軸晶的發(fā)展(增加形核率)。

例：連鑄小截面鋼坯時(shí)，采用水冷結(jié)晶器，連鑄錠全部獲得細(xì)小的等

軸晶粒。

>(2)提高鑄模中心區(qū)溫度，增大溫度梯度。

具體：提高澆注溫度與澆注速度。

>(3)提高熔化溫度，減少非均勻形核數(shù)目。

熔化溫度越高，液態(tài)金屬過(guò)熱度越大，非金屬夾雜物溶解越多，從而減

少了柱狀晶前沿液體中形核的可能性，有利于柱狀晶區(qū)的發(fā)展。

(-)控制鑄錠組織在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

例如：

>1、磁性鐵合金<001>方向?qū)Т怕首畲螅鶢罹У囊淮屋S正好也是這個(gè)方

向。

——發(fā)展柱狀晶，獲得最好的磁學(xué)性能。

>2、燃?xì)廨啓C(jī)葉片，其負(fù)荷具有方向性，要求在葉片軸線方向有較高的

強(qiáng)度。

——使柱狀晶的長(zhǎng)度方向和葉片軸線方向平行。

三、鑄錠缺陷

1.縮孔

金屬凝固時(shí)體積要收縮，金屬收縮后，原來(lái)能填滿鑄型的液態(tài)金屬，凝固

后就不能再填滿，如果沒(méi)有液態(tài)金屬繼續(xù)補(bǔ)充的話，就會(huì)出現(xiàn)孔洞，稱為縮孔。

縮孔是一種重要的鑄造缺陷，對(duì)性能影響很大，它的出現(xiàn)是不可避免的，

一般在軋制前予以切除。

2.氣孔

金屬液體比固體溶解的氣體多，凝固時(shí)要析出氣體；鑄型中的水分、得模

教案

表面的銹皮等與液體作用時(shí)可能產(chǎn)生氣體；澆注時(shí)液體流動(dòng)過(guò)程也可能卷進(jìn)氣

體。如果氣體在凝固時(shí)來(lái)不及逸出，就會(huì)保留在金屬內(nèi)部，形成氣泡。如果表

面凝固快，氣體停留在表面附近，則形成所謂的皮卜氣孔。

鑄錠中的封閉的氣孔可在熱加工時(shí)焊合,張開的氣孔需要切除.鑄件中出現(xiàn)

氣孔則只能報(bào)廢.

3.夾雜物

根據(jù)的來(lái)源，通常把夾雜物分為外來(lái)的和內(nèi)生的兩大類?；烊虢饘僦械臓t

襯耐火材料或爐渣顆粒（包括剛帶入的、或與金屬液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而在成分和

結(jié)構(gòu)上已有相當(dāng)大改變的）屬于外來(lái)夾雜物；在熔煉、凝固過(guò)程中，熔融金屬

中含有的各化學(xué)元素的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，來(lái)不及排除，仍保留在固態(tài)金屬中，稱

為內(nèi)生夾雜物。

教案

課題3.1合金中的相-3.2合金的相結(jié)構(gòu)需2課時(shí)

教

學(xué)

目

的1、掌握合金中的基本概念

要

求2、掌握合金中的兩種相結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及類型

教學(xué)

重點(diǎn)基本概念，固溶體，金屬化合物

教學(xué)