《汽车工程材料》教案(7,8)-金属的晶体结构

主要教学步骤和教学内容
★课程引导：（10min）
1.为什么不同的金属具有不同的力学性能？
2.为什么铜、铝的塑性比锌、镁要好？
3.金属的微观结构对其宏观力学性能有何影响？
★新课讲授：（70min）
一、晶体与非晶体
固态物质根据其原子排列排列特征，可分为晶体和非晶体两大类。

自然界中，除了少数物质，如普通玻璃、沥青、石蜡松香等外，绝大多数固态物质都是晶体。

晶体与非晶体的区别表现在许多方面非晶体内部原子排列无规则，所以没有规则的外形，没在固定的熔点，在各个方向上的原子聚集密度大致相同，故表现出各向同性。

而晶体内部的原子排列有规律，故有规则的外形，固定的熔点。

二、晶体结构的基本概念
1．晶格
将每个原子视为一个几何质点，并用一些假想的几何线条将各质点连接起来，便形成一个空间几何格架。

这种抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何格子称为晶格。

2．晶胞
由于晶体中原子作周期性规则排列，因此可以在晶格内取一个能代表晶格特征的，且由最少数原子排列成最小结构单元来表示晶格，称为晶胞。

3．晶面、晶向和晶格常数
在晶格中由一系列原子组成的平面称为晶面，晶体由重重晶面堆砌而成。

晶格中由两个以上原子中心连接而成的任一直线，都代表晶体空间的一个方向，称为晶向。

晶胞中各棱边长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ称为晶格参数。

晶胞中各棱边长度又称为晶格常数，以A为计量单位（1A=1×10-9m）。

当晶格常数a=b=c，轴间夹角α=β=γ=90°时，这种晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。

三、常见金属的晶体结构
（1）体心立方晶格bcc （2）面心立方晶格fcc （3）密排六方晶格hcp
1、体心立方晶格 bcc
体心立方晶胞示意图
八个顶角上的每个原子为相邻的八个晶胞所共有，中心的原子为该晶胞所独有，所以体心立方晶胞中的原子数为1+8×1/8=2个。

晶胞中原子排列的紧密程度可用致密度来表示。

致密度是晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。

体心立方晶格的致密度为0.68，表示体心立方晶格有68%的体积被原子所占据，其余32%为空隙。

纯铁（α-Fe）在912℃以下具有体心立方晶格，属于这类晶格类型的金属还有Cr、Mo、W、V等，它们大多具有较高的强度和韧性。

2、面心立方晶格fcc
面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体的八个角上和六个面的中心各有一个原子。

八个顶角上的每个原子为相邻的八个晶胞所共有，面中心的原子为相邻两
晶胞所共有，所以面心立方晶胞中的原子数为6×1/2+8×1/8=4个。

致密度为0.74。

面心立方晶胞示意图
纯铁（γ-Fe）在912℃以上具有面心立方晶格，属于这类晶格类型的金属还有Al、Cu、Ni、Au、Ag等，它们大多具有较高的塑性。

3、密排六方晶格hcp
密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱。

原子位于两个底面的中心处和十二个顶点上，体内还包含着三个原子。

十二个顶点上的每个原子为相邻六个晶胞所共有，上下底面中心的原子为相邻的两个晶胞所共有，而体内所包含的三个原子为该晶胞所独有，所以密排六方晶胞中的原子数为2×1/2+12×1/6+3=6个。

致密度为0.74。

密排六方晶胞示意图
属于这类晶格类型的金属有Mg、Zn、Be及高温下的Ti等，它们大多具有较大的脆性，塑性较差。

★课堂小结：（5min）
1、晶格与晶胞；
2、晶格常数
3、常见金属的3种晶体
作业：
****学院教案用纸
****职业学院教案用纸
主要教学步骤和教学内容
★课程回顾：（5min）
金属材料晶体结构的类型及性能特点
★课程导入：（5min）
1、理想晶体具有各向异性，为什么实际常见的金属是各向同性？
2、实际的金属材料晶体结构如何？对性能有什么影响？
（提出问题，学生思考并回答）
★新课讲授：（70min）
一、金属的实际晶体结构
1、单晶体与多晶体
实际金属晶体结构与理想结构的偏离
单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。

如钻石、单晶Si半导体。

多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。

如大冰块、常见的金属材料
2、晶体缺陷
点缺陷：空位、间隙原子、异类原子
线缺陷：位错
面缺陷：晶界与亚晶界
（1）点缺陷
点缺陷特征是在三个方向上尺寸都很小，不超过几个原子间距。

最常见的点缺陷是晶格空位和间隙原子。

空位是结晶时晶格上应被原子占据的结点未被占据；间隙原子则是个别具有较高能量的原子摆脱晶格对其的束缚，脱离平衡位置，跳到晶界处或晶格间隙处而形成间隙原
子，或跳到结点上形成置换原子。

点缺陷的存在使晶格发生畸变，从而引起金属强度、硬度升高，电阻增大。

（2）线缺陷
线缺陷是指在一个方向上的尺寸很大，另两个方向上尺寸很小的一种缺陷，主要是各种类型的位错。

所谓位错是晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。

位错的形式很多，其中简单而常见的刃型位错，晶体的上半部多出一个原子面(称为半原子面)，它像刀刃一样切入晶体中，使上、下两部分晶体间产生了错排现象，因而称为刃型位错。

EF线称为位错线，在位错线附近晶格发生了畸变。

造成金属强度升高。

刃形位错是最简单、最基本的一种位错，在外力作用下会产生运动、堆积和缠结，冷塑性变形就是通过晶体中位错缺陷大量增加来大幅度提高金属的强度，这种方法称为形变强化。

螺旋位错
（3）面缺陷
面缺陷特征是在一个方向上尺寸很小，而另外两个方向上尺寸很大，主要指晶界和亚晶界。

由于各个晶粒之间的位向互不相同，甚至相差达30°~40°，当一个位向的晶粒过度到另一位向的晶粒时，必然会形成一个原子排列无规则的过度层，称为晶界。

大多数相邻晶粒的位向差都在15°以上，又称之为大角晶界。

在晶体中每个晶粒内部的原子排列只是大体上整齐一致，实际还存在着许多相互间位向差很小的小尺寸晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒。

亚晶粒这间的交界面称为亚晶界。

亚晶界是由一些位错排列而成的小角度晶界。

大角晶界亚晶界小角晶界由于晶界处原子排列不规则，偏离平衡位置，因而使晶界上原子的平均能量高于晶粒内部，这部分高出的能量称为界面能（晶界能）。

界面能的存在和原子排列不规则使晶界具有一系列不同于晶内的特性。

晶粒越细小，晶界亦越多，则金属的强度和硬度亦越高。

★课程小结：（10min）
1、单晶体与多晶体的概念；
2、点缺陷、线缺陷、面缺陷；
作业：。