金属晶体结构教案

金属工艺学教案

一、课题：第一节金属的晶体结构

二、课型：新授

三、教学内容：1.晶体与非晶体

2.金属的晶体结构

3.实际金属的晶体结构

四、教学目的：

掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备。

五、教学重点：常见的金属晶格类型

六、教学难点：实际晶体结构中的晶体缺陷

七、教学过程：

（一）、课程导入

回顾前一章所学知识。提出问题：金属材料的使用性能包括哪些？其中什么是力学性能？什么是物理性能？什么是化学性能？

金属材料的性能与金属的化学成分和内部组织结构有着密切的联系。即使是同一种金属材料，由于加工工艺不同也将使金属材料具有不同的内部结构，从而是金属材料具有不同的性能。

（二）、新课

1.晶体与非晶体

固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。

晶体：晶体是指组成微粒（原子、离子或分子）呈规则排列的物质。

非晶体：非晶体是指其组成微粒无规则堆积在一起的物质。（如松香、玻璃、沥青）晶体的特点：a.原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列；

b.具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃

c.晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性；

d4.在一定条件下有规则的几何外形

非晶体的特点：a.原子在三维空间呈不规则的排列。

b.没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显

流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。

c.各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。

晶体与非晶体的本质区别在于原子三维空间内排列是否规则。

2晶体结构的基本知识

为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起

来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几

个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形

式的几何空间格架，简称晶格。

由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为

了便于讨论通常只从晶格中，选取一个能够完全反映

晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞

在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以（晶格常数）棱边长度和棱面夹角来表示晶胞的形状和大小。

整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。

3. 常见金属的晶格类型

a.体心立方晶格：体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的八个顶角和中心各有一

个原子，晶胞中实际含有的原子数为2个。

具有体心立方晶格的金属：α-Fe、Cr、W、Mo、V、等30余种金

属。

b.面心立方晶格：面心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中

心各有一个原子，晶胞中实际含有的原子数为4个。

具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Au、Ag

c.密排六方晶格：密排六方晶格的晶胞是六方柱体，在六方柱体的十二个顶角和上

下底面中心各有一个原子，另外在上下面之间还有三个原子，晶胞

中实际含有原子数为6个。

具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti

4.金属的实际晶体结构

晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。

实际使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许

多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。

由多晶粒构成的晶体称为多晶体。

多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。两晶粒之间的

交界处称为晶界

5. 晶体缺陷

实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为三种：点缺陷、线缺陷、面缺。

a．点缺陷：点缺陷是晶体中成点状的缺陷，即在三维空间上的尺寸都很小的晶

体缺陷。

在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种

空着的位置称为空位。

同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格

位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。

b．线缺陷：线缺陷是指在三维空间的两个方向上尺寸都很小的晶体缺陷。

晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位

错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。

位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。

由于错位的存在，造成金属晶格畸变，并对金属的性能，如强度、

塑性、疲劳及原子扩散、相变过程等都将产生重要影响。

c．面缺陷：面缺陷是指二维尺度都很大，在第三个方向上的尺寸却很小，呈面

状分布的缺陷。

在晶界处，由于原子呈不规则排列，使晶格处于畸变状态，它在常

温下对金属的塑性变形起阻碍作用，从而使金属材料的强度和硬度

都有所提高。

（三）、课后作业

教材第31页，第一题中的1~7题；第二题中的1~3题

八、板书设计