3.3 金属的结晶与同素异构转变
第2章 金属结晶的基本规律(3)
根据点阵匹配原则：液态金属本身是理想的变质剂或孕育剂
3、振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或
搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一 方面也可使成长中的枝晶破碎， 使晶核数目显著增加。 方法：机械振动、电磁振动、超声振动
电磁搅拌细化晶粒示意图
第四节 铸锭(件)组织与缺陷
在实际生产中，液态 金属被浇注到锭模中 得到铸锭，而注入到 铸模中成型则得到铸 件。铸锭(件)
铸锭(件)的组织及其 存在的缺陷对其加工 和使用性能有着直接 的影响
一、铸锭(件)的组织
铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:
1、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的 过冷度（激冷）及非均匀形核作用，使表面形成 一层很细的等轴晶粒区（几mm厚）。
r＞rc时：体积自由能中占优势，ΔG下降，晶胚长大
→形成晶核
r＝rc时：晶胚可能消散或
形成晶核
rc——称为临界晶核半径。 过冷度愈大，rc愈小。
界面自由能
自
由 能
晶胚
变
化ΔG*
晶核
ΔG
rc
r
体积自由能
2) 形核功的概念
当r＞rc，晶胚形成晶核时，液体转变固 态，金属体积自由能的降低部分，只能补偿其 表面能增高部分的三分之二，其余能量升高， 需要由液相来提供。这部分能量称为形核功。
过冷度：理论结晶温度和实际
开始结晶温度之差。
过冷度值：与金属性质、冷却
速度有关；冷速越大， 过冷度越大
纯金属的冷却曲线
金属结晶热力学条件
过冷度越大ΔT 液固自由能差ΔG愈大 结晶驱动力也愈大
结晶的结构条件
结构起伏：液态金属的结构模型认为：原子排列的
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。
第3章金属与合金的结晶.
晶粒大小的影响因素
• 形核率N——单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。 • 晶核的长大速率G——单位时间内晶核向周围长大的平均 线速度。 晶粒的大小取决于形核率 N和长大速度G的相对大小 ， 34 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目Zv ： N ZV 0.9 12 G 单位面积中的晶粒数目Zs为： N Z S 1.1 G
铁有体心立方晶格的 Fe和面心立方晶格的 Fe 钴有密排六方晶格的 Co和面心立方晶格的 Co
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异构转变。由同素异构转变 所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。
在常温下的同素异构体一般用希腊字母 表示， 较高温度下的同素异构体依次用 、、 等表示。
显然，N/G越大，则Zv、Zs越大，晶粒 越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因 素，都能细化晶粒。
细化晶粒的方法： ①增加过冷度 提高冷却速度和 降低浇注温度。
此法仅对小型或薄壁件有效，对 较大的厚壁铸件不易获得大的过 冷度，整个体积不易实现均匀冷 却，而且冷却速度过大，往往导 致铸件开裂而报废；形状复杂的 件也不适用。为此，工业上还常 常采用其他的处理方法。
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线 和过冷现象 研究液态金属结晶 ——热分析法 冷却曲线平台——金属在
结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了散失的热量，使温度不 随冷却时间的增长而下降，直 至结晶终了，没有结晶潜热补 偿散失的热量，温度又重新下 降。
热电偶 液态金属 坩埚 电炉
结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。
第3章+金属的结晶与同素异构转变
3.2.3 金属结晶后的晶粒大小
2. 晶粒大小的控制 晶粒的大小取决于晶核的形成率N和长大速度G。
过冷度对N、G的影响
单位时间、单位体积内形成 的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度 叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小.
大连理工大学经济系0501班 姜珊
12
第3章 金属的结晶与同素异构转变
5
第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]: 3.1金属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
晶体的结晶---冷却曲线
金属结晶时温度与时间的 关系曲线。 曲线上水平阶段所对应的 温度称实际结晶温度T1。
曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的。
大连理工大学经济系0501班 姜珊
同素异构转变概念
物质在固态下晶体结构随 温度变化的现象。
铁的同素异构转变
大连理工大学经济系0501班 姜珊
2属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
同素异构转变特点
⑴形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺 陷、特定晶面等）。 ⑵由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 ⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力， 使材料变形或开裂。
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The End of Chapter 3.
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大连理工大学经济系0501班 姜珊
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]: 3.1金属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
3.2.1 纯金属的结晶过程
形核 和 长大 两个基本过程 液态中近程有序的小集团中的一部分成为稳定的 结晶核心，称为晶核。 晶核不断形成，不断长 大，直到液体完全消失。 每个晶核最终长成一个晶 粒，两晶粒接触后形成晶界。
金属材料与热处理教材习题答案
《金属材料与热处理》教材习题答案作者：陈志毅绪论1．金属材料与热处理是一门怎样的课程？答：金属材料与热处理这门课程的内容主要包括金属材料的基本知识、金属的性能、金属学基础知识和热处理的基本知识等。
2．什么是从属与从属材料？答：所谓金属是指由单一元素构成的具有特殊的光泽、延展性、导电性、导热性的物质。
如金、银、铜、铁、锰、锌、铝等。
而合金是指由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素通过熔炼或其它方法合成的具有金属特性的材料，所以金属材料是金属及其合金的总称，即指金属元素或以金属元素为主构成的，并具有金属特性的物质。
3．怎样才能学好金属材料与热处理这门课程？答：金属材料与热处理是一门从生产实践中发展起来，又直接为生产服务的专业基础课，具有很强的实践性，因此在学习时应结合生产实际，弄清楚重要的概念和基本理论，按照材料的成分和热处理决定其组织，组织决定其性能，性能又决定其用途这一内在关系进行学习和记忆；认真完成作业和实验等教学环节，就完全可以学好这门课程的。
第一章金属的结构与结晶1．什么是晶体和非晶体？它们在性能上有什么不同？想一想，除了金属，你在生活中还见过哪些晶体？答：原子呈有序、有规则排列的物质称为晶体；而原子呈无序、无规则堆积状态的物质称为非晶体。
晶体一般具有规则的几何形状、有一定的熔点，性能呈各向异性；而非晶体一般没有规则的几何形状和一定的熔点，性能呈各向同性。
生活中常见的食盐、冰糖、明矾等都有是典型的晶体。
2．什么是晶格和晶胞？金属中主要有哪三种晶格类型？它们的晶胞各有何特点？答：假想的能反映原子排列规律的空间格架，称为晶格。
晶格是由许多形状、大小相同的小几何单元重复堆积而成的。
我们把其中能够完整地反映晶体晶格特征的最小几何单元称为晶胞。
金属中主要有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三种晶格类型，体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体的中心；面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体六个面的中心；密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱，原子除排列于柱体的每个顶点和上、下两个底面的中心外，正六棱柱的中心还有三个原子。
金属的晶体结构与结晶
2.3 纯金属的结晶与铸锭
2.3.1 纯金属的结晶
1.金属结晶的基本概念
广义地讲，金属从一种原子排列状态过渡为另一种原子 规则排列状态的转变都属于结晶过程。金属从液态过渡 为固体晶态的转变称为一次结晶，而金属从一种固态过
渡为另一种固态的转变称为二次结晶。
2. 纯金属的冷却曲线和过冷现象
1、金属结晶温度： 纯金属的结晶是在一定温度下进行的。 如果液态金属冷却的极其缓慢，当达到达理论结晶温度之后， 稍有温度降低便会开始结晶，结晶过程中有结晶潜热放出、 补偿了温度的下降。
3. 纯金属的结晶过程
冷却速度愈快，过冷度愈大， 晶核的数量愈多，晶粒愈细小， 金属的机械强度愈高。
2.3.2 金属的铸锭组织
1 2 3
1. 表面细晶粒区 较大的过冷
2. 柱状晶粒区
铸锭垂直于其模壁散热的影响 3. 中心等轴晶粒区
图2.11 金属铸锭的组织示意图 1—表面细晶粒区 2—柱状晶粒区 3—中心等轴晶粒区
属于这种类型的金属有Mg 、 Zn 、Ti ，另外，石墨 它们大多具有较大的脆性，塑 性较差 每个晶胞的原子数
1 1 12 2 3 6 6 2
2.2 金属的实际晶体结构
2.2.1 多晶体结构和亚结构
图2.5 金属的多晶体结构示意图
图2.6 工业纯铁的显微组织
2.2.2 实际金属晶体缺陷
散热的方向性不明显，而趋于均 匀冷却的状态
2.3.3 金属的同素异构转变
同素异构性及同素异构 转变：多数固态纯金属的晶
格类型不会改变。但有些金 属(如铁、锰、锡等)的晶格会 因温度的改变而发生变 化， 固态金属在不同温度区间具 有不同晶格类型的性质，称 为同素异构性。 一些材料在 不同的温度范围有不同的晶 胞类型，材料在固态下改变 晶胞类型的过程称为同素异 构转变。
金属材料与热处理 模块二 课题三 金属的同素异构转变
必备知识
一．同素异构转变 大多数金属的晶格类型都是固定不变的，但是有少部分金属如铁（Fe）、钴(Co )、钛(Ti)、 锡(Sn)、锰(Mn)等，其晶格类型会随温度的升高或降低而发生改变。某些固态金属在不同 温度和压力下呈不同的晶体结构，同一种固态的纯金属（或其他单相物质），在加热或冷 却时由一种稳定状态变为另一种晶体结构不同的稳定状态的转变称为同素异构转变。此时 除体积变化和热效应外还会发生其他性质改变。
思考与练习
1．什么是同素异构转变？具有同素异构转变的金属有哪些？ 2．金属的同素异构转变与结晶相比有哪些异同点？ 3．写出纯铁的同素异构转变式。 4. 金刚石和石墨都是碳原子组成的，但性能却绝然相反，为什么？
谢谢观赏！
同一金属元素的晶体，以不同的晶格形式存在称为该金属的同素异晶体。同一金属的 同素异晶体，根据其稳定存在的温度，由低温到高温，依次用希腊字母α、β、γ、δ等表 示。例如，α－Fe、γ－Fe、δ－Fe；α－Co、β－Co。
必备知识
二、纯铁的同素异构转变过程 纯铁是具有同素异构转变的金属，如图所示，液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有
γ-Fe到α-Fe的同素异构转变过 程示意图
总结提升
由以上知识可知，由于温度发生了变化，锡的晶格发生了改变，导致其体积和性能发生了 变化。在13.2℃～161℃下，锡是正方晶系的晶体结构，叫做白锡。白锡稳定，因为表面 生成一层致密的氧化膜，阻止锡的进一步氧化，可作为高贵的装饰品或表壳、酒壶以及茶 壶等。但是如果温度低于13℃，锡开始发生同素异构转变，转变为它的同素异形体灰锡(α 锡)，转变速度随温度的下降而加快，如果温度低于-18℃，β锡(密度7.298克/cm3)转变为 α锡(密度5.846g/cm3)时，体积增大约20％，锡的体积膨胀，由个别点开始，向周围扩散， 降到-33℃时ห้องสมุดไป่ตู้达到高峰，一夜间就能使锡变成粉末。为避免发生这种情况，锡在储运过 程中的温度不可太低，寒冷地区不能用锡质容器或锡焊容器。如图所示为锡从高温液态冷 却到固态的转变式
2第二节金属的结晶与同素异晶转变
曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。
纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶 温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。 结晶只有在T0以下的实际 结晶温度下才能进行。 雾凇
液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的 现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温 度的差∆T称过冷度。 ∆T= T0 –T1
晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶 核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完 全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接 触后形成晶界。
（2）晶核的长大 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。 实际金属的结晶主要以树枝状长大。
金属的树枝晶 金属的树枝晶
树 枝 状 结 晶
金属的树枝晶
冰的树枝晶
3. 结晶后的晶粒大小
（1）晶粒大小对金属性能的影响
常温下，晶粒越细，晶 界面积越大，因而金属 的强度、硬度越高，同 时塑性、韧性也越好。 即细晶强化。
晶粒大小与金属强度的关系
高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动， 因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而 高温下晶粒过大、过小都不好。
3）振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅 动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另 一方面也可使成长中的枝晶 破碎，使晶核数目显著增加。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
二、金属的同素异构转变
物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素 异构转变。同素异构转变属于 相变之一—固态相变。
第二节 金属的结晶与同素异晶 转变
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变为另 一个相的过程称为相变。 因而结晶过程是相变过 程。
第五章金属学基础金属的结晶过程与同素异构转变
第五章金属学基础第二节金属的结晶过程与同素异构转变由液态金属变为固态金属的过程称为________。
A．凝固B．结晶C．再结晶D．重结晶金属从一种固态晶体结构转变成另一种固态晶体结构的过程称为重结晶，下列转变中________属于重结晶转变。
A．共晶转变B．结晶C．再结晶D．同素异构转变金属从一种固态晶体结构过渡到另一种固态晶体结构的过程称为________。
A．共晶转变B．结晶C．再结晶D．重结晶关于金属结晶过程中过冷度的描述，下列说法错误的是________。
A．过冷度是理论结晶温度与实际结晶温度的差值B．实际结晶温度高于理论结晶温度C．冷却速度越大，过冷度则越大D．过冷度是实际液态金属结晶的必要条件对纯金属而言，下列说法________是错误的。
A．不会在恒温下结晶B．不会发生相变C．都能进行形变强化D．都能进行时效强化当系统的温度________T0时，系统过热，ΔE________0，液态金属处于稳定状态，熔化自发进行。
A．大于/小于B．大于/大于C．小于/大于D．大于/小于当系统的温度________T0时，系统过冷，ΔE________0，液态金属处于稳定状态，结晶自发进行。
A．大于/小于B．大于/大于C．小于/大于D．大于/小于液态金属结晶时，过冷度ΔT________，自由能差ΔE________，所以液态金属结晶的倾向越大。
A．越大/越大B．越大/越小C．越小/越小D．越小/越大下列关于金属结晶过程的说法不正确的是________。
A．金属结晶不是瞬间完成的，结晶过程包括晶核形成与晶体长大两个基本过程B．对一个晶粒的形成来说，它具有严格区分的成核和长大两个阶段C．对整体液态金属结晶过程来说，成核与长大过程始终交叉进行，所以说结晶是成核与长大并进的过程D．尺寸增大稳定性增高的远程有序原子团称为晶胚金属的结晶过程包含________和________。
A．晶核不断形成/晶核长大B．晶粒/晶界C．晶界/亚晶界D．晶核/晶核长大液态金属在晶体长大过程中，________是其动力。
金属的同素异构转变
第二章 金属的晶体结构与结晶
第二节 金属的结晶
二、晶粒大小与控制措施
在室温下，金属的晶粒越细，其强度、硬度越高，塑性、韧性越 好。
表2-1 纯铁的晶粒大小与力学性能的关系
晶粒平均直径/μm 9.7 7.0 2.5 0.2 0.16 0.1 抗拉强度σb/MPa 168 184 215 268 270 284 断后伸长率δ10（%） 28.8 30.6 39.6 48.8 50.7 50
第二章 金属的晶体结构与结晶
第二节 金属的结晶
图2-8 冷却曲线
a)纯金属的冷却曲线
b)金属在不同冷却速度下的冷却曲线
第二章 金属的晶体结构与结晶
第二节 金属的结晶
2.纯金属的结晶过程
图2-9 纯金属的结晶过程
第二章 金属的晶体结构与结晶
第二节 纯金属的结晶
图2-12 纯铁的显微组织
图2-13 单晶体和多晶体结构示意图 a)单晶体 b)多晶体
第一节 金属的晶体结构
图2-4 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
第二章 金属的晶体结构与结晶
第一节 金属的晶体结构
三、纯金属的晶体结构
1.合金的基本概念
由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有 金属特征的物质。
组成合金最基本的、独立的单元叫组元。根据组元数目的多少， 可将合金分为二元合金、三元合金等。
复习思考题
1.什么叫晶体？什么叫非晶体？ 2.什么叫晶格？什么叫晶胞？ 3.常见的金属晶体结构有哪几种？ 4.试述铁有哪几种同素异晶体？ 5.晶体缺陷有哪几种？试述晶体缺陷对力学性能的影响。 6.什么叫固溶体？什么叫固溶强化现象？ 7.什么叫金属化合物？金属化合物有何性能特征？
8.试述纯金属的结晶过程。
金属的结晶
五、结晶过程中晶粒的大小及其影响因素
在结晶过程中， 在结晶过程中，晶核的形成和成长快慢由两个 参数来控制的： 参数来控制的：
形核率N—— 形核数／s·mm3 形核数／ 形核率 生长率G—— mm/s 生长率
最后得到的晶粒大小， 有关 最后得到的晶粒大小，与N、G有关 、 有关 在体积一定时N↑→晶粒尺寸 ； G↑→晶粒尺寸 晶粒尺寸↓； 晶粒尺寸↑ 在体积一定时 晶粒尺寸 晶粒尺寸 可见，晶粒的大小取决于比值N/G，N/G↑→d晶↓ 可见，晶粒的大小取决于比值 ， 过冷度∆T的影响 （一）过冷度 的影响 在结晶过程中G、 与过冷度 和自由能差∆F有 与过冷度∆T和自由能差 在结晶过程中 、 N与过冷度 和自由能差 有 关： ∆T ↑ → ∆F↑→G、N↑。 、 。 但是随过冷度（ ） 增大速度不同。 但是随过冷度 （ ∆T）的增大 G、N增大速度不同。 、 增大速度不同
FL
自 由 能 F
ΔF＝FL－ FS
FS
ΔT
Tn
T0
温度T 温度
无驱动力， 无驱动力，如平面上 的球、 的球、等温的两物体
可见， 自由能差∆F是靠 是靠∆T=T0 － Tn 来获得的 ， 来获得的， 可见 ， 自由能差 是靠 所以， 是结晶过程中的一个重要参数 是结晶过程中的一个重要参数。 所以，∆T是结晶过程中的一个重要参数。 说明： 金属的实际结晶温度Tn总是要低于理论结晶 说明 ： 金属的实际结晶温度 总是要低于理论结晶 温度T 温度 0。
纯金属结晶冷却曲线示意图
T0 Tn ∆T
τ
NETZSCH 404F3 高温差示扫描量热仪
主要用于对材料进行高温热分析，包括相转变温度及转 变焓、多晶形转变温度和转变焓、物质的比热、材料的 玻璃化转变温度与比热变化程度、熔点与熔化焓、晶体 的结晶温度与结晶热焓、结晶度、固化温度等。
金属的同素异构转变
由纯铁的冷却曲线（图2-19）可以看出，液态纯 铁在1538 ℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δFe。继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，δ-Fe转 变为面心立方晶格的γ-Fe，再冷却到912℃时又发生 同素异构转变，γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe。 上述转异构转变
金属的同素异构转变——在固态下，金属随温度 的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。 如铁、锰、钛、钴、锡等，在结晶后，继续冷却 时晶格类型会发生变化
19世纪末，著名物 理家居里在实验室里发 现磁石的一个物理特性， 就是当磁石加热到一定 温度时，原来的磁性就 会消失。后来，人们把 这个温度叫 “居里 点”。 居里点也称居 里温度或磁性转变点
工程材料及机械制造基础-3-金属的晶体结构及结晶
第三章 金属的晶体结构与结晶
海洋科学与技术学院 贾 非
Dalian University of Technology
12:39
主要内容
金属的晶体结构 晶体的概念 常见的金属晶格 晶体结构的致密度
实际金属的结构 多晶体结构 晶格缺陷
金属的结晶 金属的结晶过程 金属的同素异构转变 金属铸锭的组织特点
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半 个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原 子面的边缘就是刃型位错。
• 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。 • 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
• 位错密度：单位体积内所包 含的位错线总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
12:39
金属的晶体结构
立方晶系常见的晶面为：
{100} : (100)、(010)、(001)
{110} : (110)、(101)、(011)、(110)、(1 01)、(011)
{111} : (111)、(111)、(111)、(111)
12:39
{110}
Z
（011）
（110） （011） （101）
• 金属的位错密度为104~1012/cm2
• 位错对性能的影响：金属的 塑性变形主要由位错运动引 起，因此阻碍位错运动是强 化金属的主要途径。
• 减少或增加位错密度都可以 提高金属的强度。
金属晶须
退火态 (105-108/cm2)
加工硬化态 (1011-1012/cm2)
实际金属的结构
电子显微镜下的位错
3.3 金属的结晶与同素异构转变
《金属材料与热处理》导学案 主备人：栾义 审核人：栾义 编号：007爱让每一名学生都做得更好！1 §3.3 金属的结晶与同素异构转变【使用说明】1、依据学习目标，全体同学积极主动的根据教材内容认真预习并完成导学案，小组长做好监督与检查，确保每位同学都能认真及时的预习相关知识。
2、结合导学案中的问题提示，认真研读教材，回答相关问题。
3、要求每位同学认真预习、研读课本，找出不明白的问题，用红笔做好标记。
【学习目标】1、知识与技能：熟悉纯金属的结晶过程，掌握晶粒大小对金属材料性能的影响和纯铁的同素异构转变。
2、学习与方法：通过研读课本，积极讨论，踊跃展示，理解金属的结晶过程规律与金属材料的性能之间的密切关系。
3、情感态度价值观：激情投入，大胆质疑，快乐学习。
【重点难点】细化晶粒纯铁的冷却曲线【自主学习】金属的结晶 重要级别：★★★★★晶粒大小对金属力学性能的影响 重要级别：★★★★金属的同素异构转变 重要级别：★★★【合作探究】1、什么是结晶，什么是冷却曲线？2、什么是过冷现象？什么是过冷度？过冷度与什么有关？3、什么是晶核？什么是多晶体？什么是单晶体？班级： 姓名： 使用时间： 年 月 日爱让每一名学生都做得更好！ 2 4、什么是同素异构转变？具有同素异构转变的金属有哪些？5、金属结晶时，其冷却曲线为何有一段水平线？结晶由哪两个基本过程组成？6、晶粒大小对金属材料性能有什么影响？分析影响晶粒大小的因素有哪些？常用的细化晶粒的方法有哪几种？7、分析纯铁的冷却曲线，将发生的同素异构转变用式子表示出来。
8、金属的同素异构转变与液态金属的结晶相比有哪些异同点？【当堂测验】1、金属的整个结晶过程包括____________________和__________两个基本过程组成。
__________越高，__________越小，结晶后的晶粒越细小。
2、金属在__________态下，随温度的改变，由__________转变为__________的现象称为同素异构转变。
金属的同素异晶转变
金属的同素异晶转变§2-3 铁碳合金的结构及相图由铁和碳为主要元素组成的合金称为铁碳合金，钢铁材料就是铁碳合金，它是工业上应用最广的金属材料。
了解铁碳合金的结构及其相图，掌握其性能变化规律，为我们正确合理的使用钢铁材料，制定各种加工工艺提供了重要的理论依据。
一、纯铁的同素异晶转变钢铁材料之所以应用的非常广泛，其中最主要的原因是由于组成钢铁材料的主要元素铁在不同的固态温度下其晶体结构会发生改变。
纯铁的冷却曲线如图2-25所示。
从曲线上可以看到：1538℃1394℃912℃（液态）Fe←———→δ-Fe←————→γ-Fe←————→α-Fe。
结晶晶格类型转变晶格类型转变我们把这种金属在固体下，随着温度的变化，晶格由一种类型转变成为另一种类型的转变过程，称为同素异构转变（同素异晶转变）。
同素异晶转变是钢铁一个重要特性，是能够进行热处理来改变性能的基础。
同素异晶转变是通过原子的重新排列来完成的，是重结晶过程，有一定的转变温度，转变时需要过冷，有潜热产生，而且转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。
二、铁碳合金的基本相在铁碳合金中，因铁和碳在固态不同温度下，可以形成固溶体和金属化合物，其基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体。
1、铁素体铁素体：α-Fe中溶入一种或几种溶质原子构成的间隙固溶体，用符号F表示。
铁素体仍然保持α-Fe的体心立方晶格。
由于体心立方晶格的间隙很小，溶碳能力很低，在600℃时溶碳量仅为Wc=0.006%，随着温度升高，溶碳量逐渐增加，在727℃时，溶碳量Wc=0.0218%。
因此，铁素体室温时的性能与纯铁相似，强度、硬度低，塑性和韧性好。
铁素体的显微组织呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折如图2-26所示。
2、奥氏体奥氏体：γ-Fe中溶入碳和（或）其他元素形成的间隙固溶体，用符号A表示。
奥氏体仍保持γ-Fe的面心立方晶格。
由于面心立方晶格的间隙较大，因此溶碳能力也较大，在727℃时溶碳量Wc =0.77% ，随着温度的升高溶碳量逐渐增多，到1148℃时，溶碳量可达Wc =2.11%。
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《金属材料与热处理》导学案 主备人：栾义 审核人：栾义 编号：007
爱让每一名学生都做得更好！
1 §3.3 金属的结晶与同素异构转变
【使用说明】
1、依据学习目标，全体同学积极主动的根据教材内容认真预习并完成导学案，小
组长做好监督与检查，确保每位同学都能认真及时的预习相关知识。
2、结合导学案中的问题提示，认真研读教材，回答相关问题。
3、要求每位同学认真预习、研读课本，找出不明白的问题，用红笔做好标记。
【学习目标】
1、知识与技能：熟悉纯金属的结晶过程，掌握晶粒大小对金属材料性能的影响和
纯铁的同素异构转变。
2、学习与方法：通过研读课本，积极讨论，踊跃展示，理解金属的结晶过程规律
与金属材料的性能之间的密切关系。
3、情感态度价值观：激情投入，大胆质疑，快乐学习。
【重点难点】
细化晶粒
纯铁的冷却曲线
【自主学习】
金属的结晶 重要级别：★★★★★
晶粒大小对金属力学性能的影响 重要级别：★★★★
金属的同素异构转变 重要级别：★★★
【合作探究】
1、什么是结晶，什么是冷却曲线？
2、什么是过冷现象？什么是过冷度？过冷度与什么有关？
3、什么是晶核？什么是多晶体？什么是单晶体？
班级： 姓名： 使用时间： 年 月 日
爱让每一名学生都做得更好！ 2 4、什么是同素异构转变？具有同素异构转变的金属有哪些？
5、金属结晶时，其冷却曲线为何有一段水平线？结晶由哪两个基本过程组成？
6、晶粒大小对金属材料性能有什么影响？分析影响晶粒大小的因素有哪些？常用的细化晶粒的方法有哪几种？
7、分析纯铁的冷却曲线，将发生的同素异构转变用式子表示出来。
8、金属的同素异构转变与液态金属的结晶相比有哪些异同点？
【当堂测验】
1、金属的整个结晶过程包括____________________和__________两个基本过程组成。
__________越高，__________越小，结晶后的晶粒越细小。
2、金属在__________态下，随温度的改变，由__________转变为__________的现象称为同素异构转变。
【课后作业】(自己默写，组长监督)
1、理解掌握本导学案内容，并完成习题册第三章第三节相关题目。
【学后反思】。