金属材料与热处理第2章教案[12、13]22

教学时数：2课时
课题：§2.2纯金属的结晶
教学目标：
1．了解纯金属的结晶过程。

2．掌握晶粒大小对金属材料性能的影响。

3．掌握金属同素异构转变。

教学重点：
1．晶粒大小对金属材料性能的影响。

2．金属的同素异构转变。

教学难点：
金属的同素异构转变。

教学步骤：
（复习提问）
1．什么是晶体、非晶体？
2．什么是晶格、晶胞、有哪三种晶格类型？
3．晶体在结构上有哪些缺陷？
（引入新课）
同学们都知道，一杯水在它的凝固点（零度）以下会结成冰，那么加热融化成液体的金属在不断冷却后到某一个温度时会变成什么呢？
——固态或固体的金属。

举例：Fe在1538°C以上会变成液体，以下就是固体。

（讲授新课）
金属结晶形成的组织直接影响金属的性能，所以，研究金属的结晶过程，对改善其组织和性能具有重要意义。

一．金属的结晶过程
1．结晶
纯金属或合金由液态转变为固态的过程称为结晶。

2．结晶潜热
在结晶过程种会放出一定的热量。

3．纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程可用热分析法进行研究，将纯金属加热熔化成液体，然后以缓慢的速度冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，最后记录下来的数据绘制在温度－时间坐标图上，并画出一条温度与时间的关系曲线。

这条曲线称为冷却曲线。

（1）过冷度△T
理论结晶温度（T0）和实际结晶温度（T1）之间存在的温度差。

△T＝T0－T1
（2）金属结晶时，过冷度的大小与冷却速度有关，冷却越快，其实际结晶的温度就越低，过冷度△T也就越大。

（3）问题：
纯金属结晶时，其冷却曲线为何有一段水平线？
——由于结晶过程中释放出的结晶潜热补偿了向外界散失的热
量。

（4）金属的结晶过程由晶核的产生和长大两个基本过程组成，并且这两个过程是同时进行的。

①产生——新晶核不断产生
则结晶后得到金属晶粒数目多，晶粒细。

②长大——旧晶核不断长大
则结晶后得到金属晶粒数目少，晶粒粗。

（5）注意
纯金属的结晶过程是在冷却曲线的水平段内发生的，实际上是新
晶核不断产生，同时旧晶核不断长大的过程。

图2－7 纯金属的冷却曲线
二．金属结晶后的晶粒大小
1．晶粒大小对力学性能的影响
晶粒越细小，金属的强度、硬度就越高，塑性、韧性就越好。

原因：
晶粒越小，晶界就越曲折，晶粒与晶粒间相互咬合的机会就越多，越不利于裂纹的扩展，强度和韧性就越好。

晶粒越细，塑性变形就可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小，塑性变形就越好。

2．晶粒大小的控制
（1）增加冷过度
随冷过度增加，生核速度（形核率）和晶核长大速度（长大率）都会增加。

但是形核率增加要快，产生的晶核数显著增加。

（2）变质处理
在浇注前向金属液体中加入少量其他物质，主要是大量难熔的固体微粒充当人工合金。

（3）附加振动
在结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法。

使正在生长的晶粒破碎而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率，从而细化晶粒。

三．金属的同素异构体
1．大多数金属的晶格类型是固定不变的，但是铁、锰、锡、钛等金属的晶格类型都会随温度的升高或降低而发生变化。

2．概念
金属在固态下，随温度的变化而发生晶格类型改变的现象称为同素异构转变。

3．纯铁的冷却曲线
图2－8 纯铁的冷却曲线
1538°C ——纯铁的理论结晶温度
770°C ——纯铁磁性转变的临界温度
（巩固练习）
问：金属结晶的必要条件是什么？过冷度与冷却速度有何关系？
答：过冷是金属结晶的必要条件。

过冷度越大，冷却速度越快。

（课堂小结）
1．什么是结晶，由哪两个基本过程组成？
2．纯金属的结晶过程。

3．同素异构转变的概念和曲线。

4．主要温度点
（1）1358°C——纯铁的理论结晶温度，此线以下即为体心立方的
δ
-
Fe
（2）1394°C—。

—6同素异构转变温度，此线以下转变为面心立
方的r-Fe。

（3）912°C——同素异构转变温度，此线以下转变为体心立方的Fe
∂。

-
（4）770°C——纯铁磁性转变的临界温度，此线以下纯铁才具有磁
性，此点称为“居里点”。

（作业布置）
课堂作业：
判断题
（1）纯金属的结晶过程是一个恒温过程。

（2）所有金属都具有同素异构转变现象。

课后作业：
1．名词解释
结晶、冷过度、变质处理、同素异构转变。

2．简答题
（1）晶粒大小对金属力学性能有何影响？细化晶粒的方法有哪些？
（2）什么是金属的同素异构转变？试以纯铁为例分析同素异构转变过程。

（教后感）。