金属材料教案-金属的结晶
金属材料第三章结晶
第三章金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。
§3.1 结晶的过程和条件一、液态金属的结构特点金属键：导电性，正电阻温度系数近程有序：近程规则排列的原子集团结构起伏：近程规则排列的原子集团是不稳定的，处于时聚时散，时起时伏，此起彼伏，不断变化和运动之中，称为结构起伏。
结晶的结构条件：当近程规则排列的原子集团达到一定的尺寸时，可能成为结晶核心称为晶核, 即由液态金属的结构起伏提供了结晶核心。
结构起伏是金属结晶的结构条件。
二、结晶过程形核：液相中出现结晶核心即晶核；晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新晶核不断形成并长大；不断形核、不断长大；晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。
单晶体与多晶体三、结晶的过冷现象用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。
由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象称为过冷。
液态金属过冷是结晶的必要条件。
过冷度：△T=Tm-Tn, 其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。
四、结晶的热力学条件热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。
热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。
利用最小自由焓原理分析结晶过程。
两相自由焓差是相变的驱动力。
金属结晶的热力学条件：固相自由焓必须低于液相自由焓。
热力学条件与过冷条件的一致性。
§3.2 形核的规律形核方式：均匀形核（自发形核）与非均匀形核（非自发形核）。
一、均匀形核均匀形核：当液态金属很纯净时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。
第二章 纯金属的结晶
第二章纯金属的结晶一、名词：结晶：金属由液态转变为固态晶体的转变过程.结晶潜热：金属结晶时从液相转变为固相放出的热量。
孕育期：当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并末立即出生，而是经过了一定时间后才开始出现第一批晶核。
结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。
近程有序：液态金属中微小范围内存在的紧密接触规则排列的原子集团。
远程有序：固态晶体中存在的大范围内的原子有序排列集团。
结构起伏(相起伏)：液态金属中不断变化着的近程有序原子集团。
晶胚：过冷液体中存在的有可能在结晶时转变为晶核的尺寸较大的相起伏。
形核率：单位时间单位体积液体中形成的晶核数目。
过冷度：金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差。
均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率都相同的形核方式。
非均匀形核：新相优先出现于液相中的某些区域的形核方式。
变质处理：在浇注前向液态金属中加入形核剂以促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒的液态金属处理方法。
能量起伏：液态金属中各微观区的能量此起彼伏、变化不定偏离平衡能量的现象。
正温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况。
负温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况细晶强化：用细化晶粒来提高材料强度的方法。
晶粒度：晶粒的大小。
缩孔：液态金属凝固，体积收缩，不再能填满原来铸型，如没有液态金属继续补充而出现的收缩孔洞。
二、简答：1. 热分析曲线表征了结晶过程的哪两个重要宏观特征？答：过冷现象、结晶潜热释放现象2. 影响过冷度的因素有那些？如何影响的？答：金属的本性、纯度和冷却速度。
金属不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大；冷却速度越大，则过冷度越大。
3. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素？1）界面结构；2）界面附近的温度分布；4. 晶体长大机制有哪几种？1）二维晶核长大机制；2）螺型位错长大机制；3）垂直长大机制5、结晶过程的普遍规律是什么？答：结晶是形核和晶核长大的过程6、均匀形核的条件是什么？答：①要有结构起伏与能量起伏；②液态金属要过冷，且过冷度必须大于临界过冷度；③结晶必须在一定温度下进行。
金属材料与热处理 第三版 模块三 金属的结晶
金属材料与热处理（第三版）
Heat Treatment
模块三 纯金属的结晶
课题1 结晶现象 课题2 晶体的形核与长大 课题3 结晶的条件 课题4 晶粒大小的控制
知识准备
一、热分析法和冷却曲线
热分析法装置及冷却曲线 1一电炉;2一 坩埚;3一 金属液;4一热电偶
热力学条件：有一定的过冷度 结构条件：相起伏或结构起伏 能量条件：能量起伏 形核条件：晶胚尺寸大于临界晶核
课题4 晶粒大小的控制
✓ 任务提出：细小晶粒的金属具有更高的力学性能，晶粒 越细小，晶界就越多，材料的强度、硬度就越高，现在 我们也已经知道金属结晶所具备的条件，那么我们如何 通过具体的方法来得到细小的晶粒呢？
✓ 晶核的形成方式有两种：均质形核、异质形核 。
1、均质形核
✓ 也称为自发形核或均匀形核，这种形核方式是由金属自身的原子 按照一定的晶体结构排列形成的晶核。
✓ 这个晶核只有达到一定尺寸才能够长大为晶体，这个一定尺寸的 晶核称为临界晶核，也就是说，只有晶胚的尺寸大于临界晶核， 才能够称为晶核。
✓ 晶核一旦形成，就在液体里面形成了额外的固体的表面，增加了 能量，能量起伏提供了所需的表面能。
金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的 现象称为同素异构转变
铁的同素异构转变： Fe(bcc) 912C Fe(fcc) 1394C Fe(bcc)
T
铁的冷却曲线15381394}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
t
课题3 结晶的条件
结晶必须具备一定条件才能够进行
✓ 实际金属的结晶过程中，均质形核和异质形核是同时存在的， 但主要按异质形核的方式进行。
金属材料第三章结晶
第三章金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。
§3.1 结晶的过程和条件一、液态金属的结构特点金属键：导电性，正电阻温度系数近程有序：近程规则排列的原子集团结构起伏：近程规则排列的原子集团是不稳定的，处于时聚时散，时起时伏，此起彼伏，不断变化和运动之中，称为结构起伏。
结晶的结构条件：当近程规则排列的原子集团达到一定的尺寸时，可能成为结晶核心称为晶核, 即由液态金属的结构起伏提供了结晶核心。
结构起伏是金属结晶的结构条件。
二、结晶过程形核：液相中出现结晶核心即晶核；晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新晶核不断形成并长大；不断形核、不断长大；晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。
单晶体与多晶体三、结晶的过冷现象用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。
由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn 低于理论结晶温度Tm 的现象称为过冷。
液态金属过冷是结晶的必要条件。
过冷度：△ T=Tm -Tn ,其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。
四、结晶的热力学条件热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。
热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。
利用最小自由焓原理分析结晶过程。
两相自由焓差是相变的驱动力。
金属结晶的热力学条件：固相自由焓必须低于液相自由焓。
热力学条件与过冷条件的一致性。
§3.2 形核的规律形核方式：均匀形核（自发形核）与非均匀形核（非自发形核）。
一、均匀形核均匀形核：当液态金属很纯净时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。
金属的结构与结晶教案
金属的结构与结晶教案第一章：金属的结构1.1 金属原子的电子排布解释金属原子的电子排布特点，如自由电子的存在。
通过图示展示金属原子的电子排布。
1.2 金属键描述金属键的形成和特点，如金属原子之间的电子云共享。
使用模型或图示来解释金属键的概念。
1.3 金属的晶体结构介绍金属的晶体结构类型，如面心立方、体心立方和简单立方结构。
利用图示和实物模型来展示不同晶体结构的特点。
第二章：金属的结晶2.1 结晶过程解释金属结晶的过程，包括成核和生长阶段。
讨论影响结晶速率和晶体生长的因素。
2.2 晶粒大小和形状探讨晶粒大小和形状对金属性能的影响。
解释晶粒生长和晶界迁移的概念。
2.3 晶界的性质描述晶界的特点和性质，如晶界的能量和原子排列。
探讨晶界对金属性能的影响。
第三章：金属的塑性变形3.1 滑移机制解释金属塑性变形的滑移机制，如位错滑移。
使用图示和模型展示位错滑移的过程。
3.2 塑性变形的条件讨论金属发生塑性变形的条件，如应力、温度和晶体结构。
分析不同晶体结构对塑性变形的影响。
3.3 塑性变形的织构形成探讨塑性变形过程中织构的形成和变化。
解释织构对金属性能的影响。
第四章：金属的热处理4.1 退火处理解释退火处理的目的和过程，如消除晶界和改善塑性。
讨论退火处理对金属性能的影响。
4.2 固溶处理描述固溶处理的方法和目的，如提高金属的强度和硬度。
使用图示展示固溶处理过程中原子分布的变化。
4.3 时效处理解释时效处理的过程和作用，如形成沉淀相和提高金属的性能。
分析时效处理对金属性能的影响。
第五章：金属的腐蚀与防护5.1 腐蚀类型介绍金属腐蚀的类型，如均匀腐蚀、点蚀和腐蚀疲劳。
使用图示和实例来区分不同类型的腐蚀。
5.2 腐蚀原因讨论金属腐蚀的原因，如化学反应、电化学反应和微生物作用。
分析腐蚀过程的基本原理。
5.3 防护方法探讨金属腐蚀的防护方法，如涂层、阴极保护和腐蚀抑制剂。
解释各种防护方法的原理和应用。
第六章：金属的机械性能6.1 强度与韧性解释金属的强度和韧性概念。
金属学与热处理课件 02金属的结晶
第2章 金属的结晶 2.1 纯金属的结晶与铸锭
过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大， 过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大，能稳定存在的短程有 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是， 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是，当过冷度过大或 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻， 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻，形 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质，杂质的存在常常促使金属 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触， 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触，于是晶核就依附 于这些现成的固体表面形成。 于这些现成的固体表面形成。这种依靠外来质点作为结晶核心的方式称为非自 发形核。 发形核。 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近， 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近，它们的原 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小， 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小，从而可以减少形核 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此， 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此，当 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时， 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时，有利于形成非自发形 晶核就优先依附于这些现成的表面而形成， 核，晶核就优先依附于这些现成的表面而形成，也有些难熔金属的晶体结构与 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属， 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属，也可以成 为非自发形核的核心。在生产实际中， 为非自发形核的核心。在生产实际中，液态金属结晶时形核方式主要是非自发 形核。 形核。
工程材料 第2章 纯金属和合金的结晶-part1
水晶
结晶crystallization： 液体 凝固solidfication： 液体
晶体 固体
结晶
一、结晶的宏观现象
结晶过程的分析方法——热分析法（thermal analysis）
（一）
过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关系曲线
温 度 To T1
理论冷却曲线
G=H-TS 式中，H是焓，T是绝对温度，S是熵，可推得 dG＝Vdp－SdT 在等压时，dp=0，故上式简化 为：（dG/dT）P=-S
由于熵恒为正值，所以自由能 是随温度增高而减小。 熵的物理意义是表征系统中原 子排列混乱程度的参数。
交点温度（Tm）：两相自由能相等。
GL=GS 固态金属自由能与液态金 属的自由能之差ΔG构成了 金属结晶的驱动力。 由于金属在结晶前后液固 体积发生变化。因此，可 以通过液固单位体积自由 能的变化ΔGV来描述相变 过程。
二、晶核的长大机制
——指液态原子以什么方式添加到固相上去 （1）二维晶核长大机制 （2）螺型位错长大机制 （3）垂直长大机制 横向长大机制
（一）二维晶核长大机制 ——具有光滑界面的物质的长大机制 晶体的长大只能依靠液相中的结构起伏和能量起伏，使 一定大小的原子集团几乎同时降落到光滑界面上，形成 具有一个原子厚度并且有一定宽度的平面原子集团，使 △GS↑＜△GV↓ ，液态原子不断降落在原始原子集团周 围，自发形成了一个大于临界晶界面的稳定状态。这晶 核即为二维晶核。 晶体以这种方式长大时，其长大速度十分缓慢（单位时 间内晶体长大的线速度称为长大速度，用G表示，单位 为cm/s）。
S1 2r 2 (1 cos )
L L cos
02金属材料热处理第二章纯金属的结晶教案
第二章 纯金属的结晶大多数金属材料都是经过冶炼得到液态金属，然后再经过浇铸而得到固态金属。
由液态金属凝固成具有晶态结构固相金属的过程称为结晶。
掌握液态金属的结晶规律，对控制铸件或铸锭的组织和性能具有重要作用。
一、本章教学目的1 介绍金属结晶的基本概念和基本过程2 阐明金属实际的结晶组织及其控制二、 教学内容及要求（1）了解金属结晶的宏观现象与微观过程, 掌握金属结晶的热力学条件, 金属结晶的结构条件；（2）掌握晶核形成的均匀形核与非均匀形核机制；（3）了解晶核的长大, 液固界面的微观结构, 晶体长大机制；（4）掌握液固界面前沿液体中的温度梯度, 晶体生长的界面形状与晶体形态, 长大速度, 晶粒大小的控制；（5）掌握金属铸锭的组织与缺陷, 铸锭三晶区的形成，铸锭组织的控制。
重点：（1）晶核的形成条件与方式；（2）晶核长大界面形状与晶体形态, 晶粒大小的控制；（2）铸锭三晶区的形成与控制难点：（1）金属结晶的热力学条件、结构条件；（2）温度梯度与生长形态；（3）铸锭组织的控制。
§2-1 金属结晶的现象一、冷却曲线与过冷现象研究纯金属的结晶过程常采用热分析法，即将纯金属加热熔化成液态，然后缓慢冷却下来，记录温度随时间变化的曲线，称为冷却曲线.。
从冷却曲线上可以看出，纯金属自液态缓慢冷却时，随着冷却时间的不断增加，热量不断地向外界散失，温度也连续下降；当温度降到理论结晶温度 Tm 时，液态纯金属并未开始结晶，而是需要继续冷却到 Tm以下某一温度 Tn时，液态金属才开始结晶，这种现象称为过冷现象。
理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，即有ΔT=Tm-Tn。
如图所示，当液态纯金属的温度降到实际结晶温度 Tn开始结晶后，冷却曲线上会出现一个平台，这是由于液态纯金属在结晶时产生的结晶潜热与向外界散失的热量相等的原因，这个平台一直延续到结晶过程完毕，纯金属全部转变为固态为止，然后再继续向外散热直至冷却到室温，相应的冷却曲线呈连续下降。
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广东省技工学校文化理论课教案
共 3 页第1页
科目金属
材料
二章一节课题金属的晶体结构
授课
日期
9．14
课
时
1
班级12机电班
授
课方式讲授、分析、演示
作业
题数
2
拟
用
时
间
0.2
小
时
教学目的1、了解金属晶体结构的概念
2、掌握金属晶格的类型
选
用
教
具
挂
图
重
点金属晶格的类型
难
点
金属晶格的类型
教
学
回
顾
第一章内容。
审阅签名：年月日
共 3 页第 2 页导入：由初中所学的物理中，玻璃，松香等引入课题，提问学生，哪些是晶体，哪些是非晶体，然后提问晶体与非晶体的区分引入新课
新课
一、晶体与非晶体
1、晶体：凡原子呈有序、有规则的排例的物体。
非晶体：物质内部凡原子呈无序堆积状况的如松香沥查。
2、晶体与非晶体的区别：晶体有固定熔点非晶体没有。
二、晶体结构的概念
1、晶格和晶胞
晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的，能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。
2、晶面和晶向
晶体中由一系列原子组成的平面称为晶面
通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向
三、金属晶格的类型（画图表达让学生观看）
金属晶格的类型很多（正方晶系、立方晶系正交晶系、六方晶系）等但绝大多数（85%）金属属于以下三种晶格
共 3 页第 3
页
3、体心立方晶格
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体中心原子位于立方体八
个顶角上的原子只有原子的1/8食欲此类型金属有a-Fe(a-铁) 钨（w）钼（Mo）洛（Cr）等。
4、面心立方晶格
晶胞也是立方体，原子位于立方体八个顶角和立方体六个面中心食欲这种类型有铝（Al;）铜(Cu)γ-Fe(γ-铁)等
5、密排六方晶格：晶胞是正六棱柱体，原子排列在柱体每个顶角上和上、下
底面中心，另外三个原子排在柱体内，属于这中类型金属有镁（Mg）锌（Zn）铍（Be）等。
小结
1、晶体与非晶体的区别
2、金属晶格的三种类型
布置作业
1、晶体与非晶体的区别（课堂）
2、P25 1，2（课外）
广东省技工学校文化理论课教案
共3 页第1页
科目金属
材料
二章二节课题纯金属的结晶
授课
日期
9．14
课
时
1
班级12机电班
授
课方式讲授、分析、演示
作业
题数
拟
用
时
间
教学目的1、了解纯金属的结晶过程规律
2、理解金属结晶的过程
3、掌握晶粒大小对金属力学性能影响
选
用
教
具
挂
图
重
点金属的结晶过程
难
点
金属的结晶过程
教学回顾1、晶体与非晶体
2、晶格和晶胞
3、晶面和晶向
4、金属晶格的类型
审阅签名：年月日
共 3 页第2 页
结晶
金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为晶体（焊接过程）
一、纯金属的冷却曲线及过冷度
金属的结晶过程一般采用热分析法，热分析法是指将纯金属加热熔化成液体，然后缓慢冷却下来，在冷却过程中，每隔一定时间记录一次温度，将实验结果绘制成温度与时间关系曲线
实际中液体态金属总是冷却到理论结晶温度（T0）以下才开始结晶，实际结晶温度（T1）低于理论结晶温度（T0）的现象称“过冷现象”。
两个温度之差称过冷度（ΔT=T0-T1）。
金属结晶是过冷的大小与冷却速度有关，冷却速度越快金属实际结晶温度越低，过冷度就越大。
注：纯金属的过冷度不是一个恒定值，它的大小和方向取决于金属的性能和纯度，另一方面取决于冷却速度对同种溶液金属冷却速度越大过冷度也越大。
二、纯金属的结晶过程
形核（均匀形核和非均匀形核）与长大
1过程
将液态金属冷却到熔点以下某温度停留，液态金属并不立即开始结晶，而是经过一段孕育期后才能觉察，并在液体中形成一些极微小晶体，称为晶核。
晶核形成后便不断长大，同时又有新的晶核形成和长大，这样不断长大形核，晶体不断
共 3 页第3 页长大，直至结晶过程完全完成。
金属结晶过程都是形核与长大过程，两者交错重叠进行，这是结晶过程遵循的基本规律。
2、晶界：晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。
3、晶粒：金属结晶后，形成外形不规则而内部原子排列规则的小晶体。
4、单晶体：金属结晶后，只有一个晶粒的晶体（性能各向异性）
5、多晶体：结晶后晶体是由许多位向不同的晶粒细成，其性能呈各向同性。
二、晶粒大小对金属力学性能的影响
金属的晶粒大小对金属的力学性能有一定影响，一般状态下细晶粒金属只有较高的强度和韧性
（如图表2-1）
1）细化晶粒的根本途径是：控制形核率及长大速度
常用细化晶粒的方法有：
1)增大过冷度
2)变质处理
3)振动处理
作业
1、细化晶粒的方法有哪些？（课堂）
广东省技工学校文化理论课教案
共2页第1页
科目金属
材料
二章三节课题金属的同素异构转变
授课
日期
9．16
课
时
0．5
班级12机电班
授
课方式讲授、分析、演示
作业
题数
习题
册
拟
用
时
间
0．5
小
时
教
学目的通过教学，使学生能了解金属的同素异构转变的含义与纯
铁结晶的过程。
选
用
教
具
挂
图
重
点纯铁的同素异构转变过程
难
点
纯铁的同素异构转变过程
教
学回顾常用细化晶粒的方法。
纯金属的结晶规律。
审阅签名：年月日
教学过程
共 2 页第 2 页
1、同素异构转变
随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象
2、纯铁的同素异构转变过程（冷却曲线）
金属的同素异构转变也是跟结晶过程相似，有转变温度，转变时有过冷度，放出和吸收潜热，转变过程是一个形核和晶格核长大的过程。
小结
1、金属的缺陷包括三个方面的内容，分别从点，线，面上进行分析
2、金属同素异构转变的过程现象
作业
1、金属晶体结的缺陷包括哪几个方面内容
2、金属同素异构转变过程？
习题册做与讲约0.5课时。