工程材料教案-晶体结构与结晶

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1、课程名称：《工程材料》第2周，第2讲次摘要授课题目（章、节）第二章晶体结构与结晶第一节金属的晶体结构第二节实际金属结构第四节金属的结晶本讲目的要求及重点难点：【目的要求】1.熟悉晶体的基本概念；2.掌握常见金属的晶体结构及金属的实际晶体结构；3.掌握结晶，影响晶核形成和长大的因素及细化晶粒的办法。【重点】1.有关金属结构的基本概念；常见的金属晶格类型、实际金属晶体缺陷；2.纯铁同素异构转变；3.金属结晶过程的基本规律及其影响因素；4.过冷度的定义及冷却速度与过冷度的关系；细化晶粒的办法。【难点】纯铁同素异构转变、金属结

2、晶过程、规律及其影响因素。内容【本讲课程的引入】在自然界中，固体物质按其内部结构可分为晶体和非晶体两大类。除了少数物质属于非晶体外，大多数物质是晶体。我们所要研究的固体金属基本上都是晶体物质，为了搞清金属的内部结构，我们首先学习纯金属的晶体结构。晶体：晶体的原子在空间做有规则的排列。（晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结果。）非晶体：原子的排列是不规则的。【本课程的内容】第一节纯金属的晶体结构一、晶体结构的基本知识（一）基本概念1、晶格：晶体中原子排列的格式。图2-1所

3、示。图示的晶格是为了分析问题的简便而做了原子排列近似处理，即把原子近似地看成刚性小球，并简化成一点，用假想的线连结起来，使之构成一个空间格子。原子排列简化近似：1.将实际晶体结构视为完整无缺理想晶体；2.把原子看成是不动的等径刚球质点；3.原子在三维空间紧密堆积；4.没有局部排列不规则的缺陷；12将假想的平行直线将所有质点的中心连接起来，构成一个三维的几何格架。2、晶胞：为研究问题的方便，通常取晶格的一个基本单元来进行分析，晶格的一个基本单元叫晶胞。整个晶胞由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而形成。图2-2

4、所示。3、晶格参数与晶格常数：不同的金属，其晶胞的大小和形状也不尽相同，描述它们的几何参数称为晶格参数，包括晶胞的三个棱边长度a、b、c和三个棱边的夹角α、β、γ，如图2-3所示。其中决定晶胞大小的三个棱长又叫做晶格常数。单位A，1A=10-8cm。常见金属的晶格常数在2.5--5.0A。不同的金属除了晶格常数不同外，原子排列格式—晶格也不相同，最常见的晶格有以下几种。图2-1晶格示意图图2-2晶胞示意图图2-3晶格常数（二）晶格的类型1、体心立方晶格：如图2-4(a)所示，晶胞是一个立方体，晶格参数a=b=c，α=β

5、=γ=90○，原子排列于立方体的各个结点和立方体的中心。在一个体心立方晶胞中，含有多少个原子？属于这类晶格的金属有：Cr、M0、W、V、αFe（912℃以下的纯铁）。2、面心立方晶格：如图2-4(b)所示，其晶胞亦是一个立方体，原子除了分布于立方体的8个顶点外，在每个面的中心也分布着一个原子。在一个面心立方晶胞中，含有多少个原子？属于这类晶格的金属有：Cu、Al、Ni、Au、Ag、γFe（912-1394℃的纯铁）等。3、密排六方晶格：如图2-4(c)所示，晶胞是一个六方柱体，晶格参数a=b≠c,α=β=90○，γ=1

6、20○。属于这类晶格的金属有：Be、Mg、Zn、Ca等。图2-4晶格类型示意图(a)体心立方晶格(b)面心立方晶格(c)密排六方晶格（三）单晶体的各向异性在晶体中，由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，因而在同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能不同，这种现象叫做“各向异性”。单晶体具有各向异性的特征，而多晶体一般不具有各向异性。12二纯金属的实际结构如上我们讨论的是理想单晶体的结构，单晶体材料只有经过特殊制做才能获得，例如半导体工业中的单晶硅。但在实际金属材料中，其晶体结构和理想晶体相差甚远。因此有必要在了解了理想晶

7、体结构之后，进一步讨论实际金属的结构。（一）多晶体结构和亚结构在机器制造业中使用的金属都是多晶体，即材料内部包含了许许多多的小晶体，其中的每一个小的晶体都称之为一个晶粒，相邻的晶粒间晶格的位向有明显的差别，晶粒之间原子排列不规律的区域（晶粒之间分界面）称为晶界，如图2-5。由许多晶粒所组成的结构称之为多晶体结构。图2-5多晶体显微组织照片和微观示意图1、多晶体结构：多晶体结构中，晶粒的尺寸一般很小，如钢铁材料一般为0.1～0.001mm左右，必须在显微镜下才能看到。在显微镜下观察到的各种晶粒的形态、大小和分布情况，叫做

8、“显微组织”。多晶体材料不显示各向异性，这种状态称之为“伪无向性”。2、亚结构：多晶体的不同晶粒之间，晶格的位向不相同，即使在同一个实际金属的晶粒内部，其晶格位向也不尽相同，内部存在着尺寸更小、位向差也更小的小晶块，它们互相嵌镶成一个晶粒，如图2-6所示。这种结构称之为亚结构，亦称为亚晶粒或嵌镶块。两相邻亚结构的边界叫亚晶界。图2