Ashark
范文一：金属的晶体结构
金属的晶体结构说课稿
尊敬的各位评委老师：
大家好！我今天说课的内容是《金属的晶体结构》，下面我将从教材分析、教法、学法、教学过程、板书设计五个方面对本课题展开说明。
一、教材分析
1. 教材的地位与作用
本节内容选自中国劳动社会保障出版社出版的中等职业技术学校机械类通用的国家重点教材《金属材料与热处理》中第一章第一节的内容，本章内容是全书的基础，是学好以后知识的关键所在，所以学好本节内容很重要。
2. 教学目标
根据教材的内容分析，结合职校学生的认知规律，我确定了以下三维教学目标：
知识目标：掌握晶体与非晶体的区别、金属的晶格类型以及常见的晶体缺陷。
能力目标：形成晶体结构的分析能力。
情感目标：通过本节课堂教学，激发学生的学习兴趣，培养学生的合作意识，培养创新精神。
3. 教学重点及难点
结合本次课的教学内容及教学要求，确定以下教学重难点：
教学重点：晶体与非晶体的概念及特点、常见的晶体缺陷 教学难点：金属的晶格类型
为了讲清教材重难点，使学生能达到本课题设定的教学目标，我再从教法与学法上谈谈。
二、教法
教无定法，贵在得法，教学中要因材施教。因此，本节课我采取讲授法、提问引导、图示对比以及多媒体辅助教学等方法来展现，充分调动学生的积极性，从而更好地理解和掌握知识点。
三、学法
我们知道“授之以鱼不如授之以渔”， 因而教学过程中，我遵循“教师为主导，学生为主体，探究为主线”的教学思路进行指导。这节课主要采取学生实验、自主探究、分析归纳等方法，加深对知识的理解和掌握，同时也体现出知识的应用性和指导性。最后我具体说说这一堂课的教学过程。
四、教学过程
首先是新课的导入，通过提问（生活中常见的铁丝和钢丝，铁丝很柔软而钢丝却很坚硬，这是什么原因导致其性能的差异呢）以调动学生的学习积极性，激发学生对本节内容的学习兴趣。
接下来是新课的讲授，我从以下几点突出本节课的重点和难点：
（1）晶体与非晶体的区别
用多媒体播放生活中常见的食盐、味精、玻璃、石蜡、橡胶等图片，采用提问方式，分析晶体与非晶体的区别，并列表格从定义、性能特点、典型物质归纳总结。
在有条件的情况下，为了更好地说明性能特点，我将安排一组实验，让学生分组进行（取一张云母薄片，在上面涂一层很薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触云母薄片，观察接触点周围的石蜡熔化后形成的形状，再在玻璃上做同样的实验，之后让学生通过实验现象，讨论交流，分析归纳，得出实验结果）。
（2）晶体结构的基本知识
这部分内容要求学生首先了解晶格（原子在晶体中排列规律的空间格架）与晶胞（能完整反映晶格特征的最小几何单元）的概念。从初中化学上石墨与金刚石的晶体结构引入晶格类型，举例讲解常见的三种晶格类型（体心、面心、密排立方晶格）的特点，并展示相关模型，加强直观性，便于学生理解一些抽象概念。
由此，可得出：晶格类型不同，原子的排列方式不同，致密度就不同，金属的力学性能也随之发生变化。
（3）金属的实际晶体结构
要学生知道单晶体与多晶体的概念，分析单晶体性能的各向异性和多晶体性能的各向同性，举例说明生活中一些常见的单晶体与多晶体。
然后是晶体缺陷的讲解，学生对照课本先自学，我适当增加提问，活跃课堂气氛。采用多媒体播放三种常见的晶体缺陷图片，即点、线、面缺陷，一一进行分析说明，并分析其对性能的影响。
随后进行课堂练习，巩固深化，完成第11页习题第一题。我会在教室里循环走动，发现同学有问题，进行逐一指导，若是共性问题，我会统一讲解。
接下来是课堂小结 ：简单扼要地总结晶体与非晶体的区别，常见的晶格类型及晶体缺陷，使学生更深刻地理解和掌握金属的晶体结构。
最后是布置作业 ：作业是课堂的延续，是对所学知识的巩固。我留下的课堂作业是 1、复习本节课的内容
2、课后习题第2、3题
3、预习下一节内容
这节课与学生的互动不多，没有及时了解学生的掌握情况，我会在下节课中改正，把教学过程变为学生渴望探求的带有情感的意向活动。
五、说板书设计
板书设计力求体现知识性和简洁性，本节课我采用了条款式板书，简洁易懂，层次分明，学生一目了然，同时也表明了学生课后需要反复学习及掌握的知识点。
我的说课完毕，谢谢各位评委老师！
范文二：金属的晶体结构
第一章金属的晶体结构
第一节 金属
1、 原子间三种结合方式：离子键、共价键、金属键。
2、金属键没有饱和性和方向性，所以金属原子可以达到紧密排列。
3、各类晶体的配位数最大为12，致密度最大为74%。面心立方晶格和密排六方晶格属于最紧密排列的晶格。因为面心立方比体心立方致密度大，所以铁从常温加热膨胀过程中，当转变为γ铁（面心立方晶体结构）时，会出现体积忽然缩小的现象；温度升高转变为δ铁（体心立方结构）时，体积忽然膨胀的现象。
4、原子以离子键和共价键结合不能达到紧密排列的状态，因为这种结合方式对原子周围的原子数有一定限制。
5、当大量金属原子结合成固体时，为使固态金属具有最低能量，大量原子必须保持在一定的平衡距离。这是金属原子趋于规则排列的重要原因。
第二节 金属的晶体结构
1、晶体的特性：有固定的熔点和凝固点；各向异性。
2、一般金属都是多晶体。
3、由两个以上晶粒组成的晶体是多晶体。只有一个晶粒的晶体的单晶体。
4、晶粒是由一个晶核长大的晶体。晶核是尺寸大于等于临界尺寸的晶胚。晶胚即冷却液中的相起伏。
5、多晶体中晶粒的位向是任意的，晶粒的各向异性被抵消，所以一般情况下整个晶体不显示各向异性。
6、晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界。
7、三种最常见的晶体结构：面心立方、体心立方、密排六方。
8、面心立方晶格和密排六方晶格属于最紧密排列的晶格。
9、面心立方体晶格的最大间隙为八面体间隙。
10、体心立方晶格的间隙有八面体间隙和四面体间隙两种。
11、体心立方的致密度比面心立方晶格的低，但它的间隙数量多，每个间隙的直径比面心立方晶格的小。
12、金属的同素异构转变：少数晶体具有多种晶体结构。金属由一种晶体结构向另一种晶体结构转变称为同素异构转变。是一种相变，也叫重结晶。
13、同素异构转变也是形核和长大的过程。这种固态下的相变结晶叫重结晶。
第三节 实际金属的晶体结构
1、晶体结构缺陷对金属的性能，特别对对结构敏感的性能有重大影响。
2、晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷。
3、点缺陷分为空位、间隙原子、置换原子。
4、所有点缺陷都会造成晶格畸变，对金属性能产生影响。
5、点缺陷会加速金属的扩散过程。因此所有与扩散有关的相变、化学热处理、高温下的塑性变形和断裂都与点缺陷有密切关系。
6、点缺陷是一种热平衡缺陷。即在一定温度下有一个平衡浓度。
7、一定温度下，异类原子形成的间隙原子和置换原子缺陷的平衡浓度称为固溶度和溶解度。通常置换原子的固溶度要比间隙原子的大的多。
8、线缺陷主要是各种型式的位错。最基本的类型有两种：
刃型位错和螺旋位错。
9、线缺陷对金属的强度、断裂和塑性变形起着决定性作用。
10、单位体积中所包含的位错线的长度称为位错密度。
11、位错密度和强度的关系如右图：
如果金属中不存在位错，它将具有极高的强度，高达
13400MPa ；退火态工业纯铁强度低于300PMPa ，相当于图
中ρm 处强度；合金化（即固溶强化）、加工硬化和热处理
可以增加位错密度，提高金属的强度。
12、面缺陷包括外表面和内界面两种。内界面又包括晶界、
亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界。
13、晶界是两个晶体结构相同，位向不同的晶粒的界面。
有小角度晶界和大角度晶界之分。多晶体金属材料中的晶
界多属于大角度晶界。大角度晶界的界面能远高于小角度晶界的界面能，所以大角度晶界的迁移速度比小角度晶界大。
14、相界是具有不同晶体结构的两相之间的分界面。相界结构分为三类共格界面、半共格截面、非共格界面。
15、亚结构和亚晶界含义是广泛的。它们泛指尺寸比晶粒更小的细微组织和这些组织的分界面。它们可以在凝固时形成，可在形变时形成，也可在回复再结晶时形成，还可以在固态相变时形成。亚结构为小角度晶界。如形变亚结构和形变退火时形成的亚晶和它们之间的界面都属于此类。
16、晶界上存在晶格畸变，对金属材料的塑性变形起阻碍作用。宏观表现为金属具有更高的强度和硬度。
17、由于界面能的存在，使晶界熔点低于晶体内部，且易于腐蚀和氧化。
18、晶界上空位、位错等缺陷多，因此原子扩散快，在发生相变时，新相晶核总是在晶界上形成。通常也有少量晶核在晶体内部缺陷处形成。
19、晶粒越细，强度和硬度越高，同时塑性韧性增加。相对于其他强化手段有着无与伦比的优势。因此金属材料，特别是在较低温使用的金属材料，一般都希望获得较细的晶粒。（在
第六章有详细讲解）
范文三：金属的晶体结构
第一节 金属的晶体结构
一、分类
固态物质按原子（或分子、离子）的聚集状态可分为晶体和非晶体两类。所谓晶体，就是组成该物质的原子（或分子、离子）在三维空间按一定规律呈周期性排列的固体。而非晶体则不呈这种周期性的规律排列，液态金属的原子排列无周期规则性，因此不为晶体；非晶体物质在各个方向上的原子聚集密度大致相同，因此表现为各向同性的特征。
晶体纯物质与非晶体纯物质在性质上的区别主要有以下两点：（1）前者熔化时具有固定的熔点，而后者却存在一个软化温度范围，没有明显的熔点；（2）前者具有各向异性，而后者却为各向同性。
二、晶体结构与空间点阵
晶体结构是指晶体中原子（或分子、离子、原子团）的具体排列情况，也就是晶体中这些质点（原子、分子、离子、原子团）在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。组成晶体的物质点不同，排列的规则不同，或者周期性不同，就可以形成各种各样的的晶体结构，即实际上存在的晶体结构可以有很多种。为了清楚的表明物质质点在空间排列的规律性，常常将构成晶体的实际质点忽略，而将它们抽象为纯粹的几何点，称之为阵点或结点。这些阵点或结点可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中心，各个阵点的周围环境都相同。这种阵点有规则地周期性重复排列所形成的空间几何图形即称为空间点阵。为了方便起见，常人为地将阵点用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格。它的实质仍是空间点阵，通常不作区别，如图1所示。
由于晶格中阵点排列具有周期性的特点，因此，为了简便起见，可以从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析阵点排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ表示，如图2所示。
图1 金属的晶格 图2 晶胞的表示方法
三、三种典型的金属晶体结构
最常见的晶体结构有三种类型，即体心立方结构，面心立方结构与密排六方结构，前两种属于立方体系，后一种属于六方晶系。
1、体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞如图3所示，其晶胞是一个立方体，所以通常只用一个 晶格常数a来表示，在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都排列有一个原子，可见，体心立方晶胞每个角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只只有1/8个原子。而中心的原子却为该晶胞所独有。所以体心立方晶胞中原子数为8×1/8＋1＝2（个）。
具有体心立方晶格的金属有α－Fe、W、Mo、V、β－Ti等。
图3 体心立方晶格
2、面心立方晶格
面心立方晶格的晶胞如图4所示，其晶胞也是一个立方体，所以也只用一个 常数a表示即可。在面心立方晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排列一个原子，面心立方晶胞每个角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的
原子却为两个晶胞所共有。所以面心立方晶胞中的原子数为8×1/8＋6×1/2＝4（个）。
具有面心立方晶格的金属有γ－Fe、Al、Cu、Ag、Au、Pb、Ni、β－Co等。
图4 面心立方晶胞
3、密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞如图5所示，其晶胞是一个六方柱体，它是由六个呈长 方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此要用两个晶格常数表示，一个是柱体的高度C，另一个是六边形的边长a。在密排六方晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。可见，密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六方晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个晶胞所共有，晶胞中内部三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为：12×1/6＋2×1/2＋3＝6（个）。
具有密排六方晶格的金属有：Mg、Zn、Be、Cd、α－Ti、Co等。
图5 密排六方晶胞
四、晶向及晶面指数
在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。为了便于研究和表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向，需要有一种统一的表示方法，这就是晶面指数和晶向指数。
1、晶向指数
晶向指数的确定步骤如下：
（1）、以晶胞的三个棱边为坐标轴x、y、z，以棱边长度（即晶格常数）作为坐标轴的长度单位；
（2）、从坐标原点引一有向直线平行于待定晶向；
（3）、在所引有向直线上任取一点（为了分析方便，可取距原点最近的那个原子），求出该点在x、y、z上的坐标值；
（4）、将三个坐标值按比例化为最小简单整数，依次写入方括号［ ］中，即得所求原子得指数。如图6所示。
同常以［ u，v，w ］表示晶向指数的普遍形式，若晶向指向坐标的负方向时，则坐标值中出现负值，这时在晶向指数的这一数字之上冠以负号。
应当指出，从晶向指数的确定步骤可以看出，晶向指数所表示的不仅仅是一条直线的位向，而是一簇平行线的方向，即所有相互平行的晶向，都具有相同的晶向指数。
图6 立方晶格中几个晶向指数
2、晶面指数
晶面指数的确定步骤如下：
（1）、以晶胞的三条相互垂直的棱边为参考坐标轴x、y、z，坐标原点O应位于待定晶面之外，以免出现零截距；
（2）、以棱边长度（即晶格常数）为度量单位，求出待定晶面在各轴上的截距；
（3）、取各截距的倒数，并化为最小简单整数，放在圆括号内，即为所求的晶面指数。
晶面指数的一般表示形式为（h,l,k）。如果所求的晶面在坐标轴上的截距为负值，则应在相应的指数上加一负号。
在某些情况下，晶面可能只与两个或一个坐标轴相交，而与其它坐标轴平行。当晶面与坐标轴平行时，就认为在该轴上的截距为∞，其倒数为0。
与晶向指数相似，某一晶面指数并不只代表某一晶体晶面，而是代表一组相互平行的晶面，即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数，如图7所示。
图7 立方晶格中晶面指数
第二节 钢的热处理
一、钢和铁的基本概念
钢和铸铁都是铁碳合金，一般把它叫做黑色金属。而铁碳合金状态图则是研究铁碳合金的基础。
工业上纯铁一般都是没有的，总是含有一定量的杂质，这些杂质主要是碳、硅、锰、磷、硫、铜、铝等共十几种。铁的熔化温度为1538℃，铁在固态下呈两种同素异性体存在，即α－铁，它是体心立方结构，γ－铁，它是面心立方结构，α－铁可在两个温度范围存在；即在低于912℃和1400～1538℃之间存在。
纯铁：＜0.0218％
生铁：2.11％＜C＜6.69％
共晶生铁：C＝4.3％
亚共晶生铁：2.11％＜C＜4.30％
过共晶生铁：4.30％＜C＜6.69％
钢：0.0218％＜C＜2.11％
共析钢：C＝0.77％
亚共析钢：0.0218％＜C＜0.77％
过共析钢：0.77％＜C＜2.11％
二、铁碳合金状态图的分析
把铁和碳按不同比例混合后加热熔化，然后冷却得到的结晶过程的简明图解叫做“铁碳合金相图”。如图1所示，现把图中各点、线、区的含义简述如下：
图1 Fe－Fe3C相图
图中ABCD为液相线，而AHJECF为固相线，在液相线以上是液相区，凡高于液相线的温度，铁碳相图呈液态、在固相线以下的温度，铁碳相图呈固态，而在液相线ABCD与固相线AHJECF之间，是两相区，即在此区域固态和液态
同时共存。
状态图中有HJB、ECF和PSK三条水平线，是指三个等温反应。
HJB水平线叫包晶反应线，在1458℃发生包晶反应，反应结果得到奥氏体。 ECF水平线叫做共晶反应线，在1148℃发生共晶反应，反应结果得到奥氏体和渗碳体的共析混合物。
PSK水平线叫共析反应线，在727℃时发生共析反应，反应结果得到铁素体与渗碳体的共析混合物。
除此之外还有ES和PQ两条曲线，它们分别表示碳在奥氏体及铁素体中的溶解度曲线。
在铁碳合金中，铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，一次铁碳相图可以视为Fe－Fe3C、Fe3C－Fe2C、Fe2C－FeC等一系列二元相图组成。由于铁与碳之间相互作用不同，使铁碳合金固态下的相结构也有固溶体和金属化合物两大类，属于固溶体相的有铁素体和奥氏体，属于化合物相的有渗碳体。
铁素体：纯铁在912℃以下是体心立方晶格的α－Fe。碳溶于α－Fe中的间隙固溶体称为铁素体常用符号F表示。
奥氏体：碳溶于 γ－Fe中的间隙固溶体，称为奥氏体，常用符号A表示。 渗碳体：碳与铁的化合物Fe3C称为渗碳体。
在图1中，A点为纯铁的熔点，D点为渗碳体的熔点，E点为在1148℃时碳在γ－Fe中的最大溶解度（2.11％）。钢和生铁即以E点为分界点，凡含碳量小于2.11％的铁碳合金称为钢，含碳量大于2.11％的铁碳合金称为生铁。
C点为共晶点，这点上的液态合金将在恒温下同时结晶出奥氏体和渗碳体说组成的细密的机械混合物（共晶体）。共晶转变后说获得的共晶体（A＋Fe3C）称为莱氏体，用Ld表示。
ABCD线为液相线，液态合金冷却到ABC线时，开始结晶出碳在γ－Fe中的固溶体—奥氏体；液态合金冷却到CD线温度时开始结晶出渗碳体。
AHJECF线为固相线，AHJE为奥氏体结晶终了线；ECF线是共晶线，液态合金冷却到共晶线温度（1148℃）时，将发生共晶转变而生成莱氏体。
ES线为碳在奥氏体中溶解度曲线，可见碳在奥氏体中的最大溶解度时在E点，随着温度的下降，溶解度减小，到727℃时，奥氏体中溶碳量仅为0.77％，
因此，凡是含碳量大于0.77％的铁碳合金，由1148℃冷却到727℃的过程中，过剩的碳将以渗碳体的形式从奥氏体中析出。为了与自液态合金中直接析出一次渗碳体（Fe3C）相区别，通常将奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。
G点为α－Fe→γ－Fe的同素异形转变温度，P点为在727℃时碳在α－Fe中最大溶解度（0.0218％）。
S点为共析点，这点上的奥氏体将在恒温下同时析出铁素体和渗碳体的细密机械混合物。这一过程称为共析转变，其反应式如下：
A0.77 F0.0218＋Fe3C
共析转变后所获得细密机械混合物（F＋Fe3C）称为珠光体，用符号P表示。 应当指出的是，共析转变与共晶转变很相似，它们都是在恒温下由一相转变成两相的机械混合物，所不同的是共晶转变是从液相发生转变，而共析转变则是从固相发生转变。
GS线为冷却时由奥氏体转变成铁素体的开始线，或者说，为加热时铁素体转变成奥氏体的终了线。GP线为冷却时奥氏体转变成铁素体的终了线，或者说，为加热时候铁素体转变成奥氏体的开始线。
PSK线称为共析线。奥氏体冷却到共析温度（727℃）时，将发生共析转变生成珠光体。因此，在1148℃—727℃间的莱氏体是由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体，用符号Ld表示。在727℃以下的莱氏体则由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体，用Ld′表示。
PQ线为碳在铁素体中的溶解度曲线，碳在铁素体中的最大溶解度是P点，随着温度的下降，溶解度逐渐减少，室温时铁素体中溶碳量几乎为零。由此，由727℃冷却到室温过程中，铁素体中过剩的碳将以渗碳体的形式析出，称为三次渗碳体（Fe3CⅢ）。
根据上面的分析结果，现把Fe－Fe3C相图中主要特性点与特性线分别列入表1、2中归纳如下。
表1 Fe－Fe3C相图中的特殊线
表2 Fe－Fe3C相图中的特殊点
三、钢的热处理
所谓钢的热处理是指通过钢在固态下加热、保温和冷却，改变钢的内部组织结构，达到其改变钢的性能的一种工艺加工方法，称为钢的热处理。钢常采用的热处理方法有退火、正火、回火及正火四种。
所谓退火，就是将钢加热到临界点以上（Ac3以上，或Ac1—Acm之间）及临界点以下（Ac1以下）各种温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的一种工艺加工方法。根据不同的工艺差异和实际需要，退火又分为完全退火、部完全退火、等温退火和临界点以下的退火（即再结晶退火）几种。
所谓正火，就是将钢加热到Ac3以上（亚共析钢）或Acm以上（共析钢），使钢全部奥氏体化，然后再静止的空气中冷却，得到珠光体组织的一种工艺加工方法。正火的目的是提高钢的硬度和机械性能，细化奥氏体组织，提高切削加工性能。正火可以看作是退火的一种特殊形式。
所谓回火，即是将钢加热到Ac1以下的工艺加工方法，它是紧接淬火后的热处理操作。回火又分为低温回火（150～250℃），这种方法用于满足足够的硬度（HRC＝59～63）及耐磨性好的零件。中温回火（300～450℃），这种方法用于需要足够的硬度（HRC=44～54），高弹性极限，并能保持一定韧性的零件。高温回火（500～650℃），这种方法用于需要有综合机械性能的零件。
所谓淬火，就是将钢加热到临界点Ac3或Ac1以上30～50℃，保温一定时间，从炉中取出后并进行快速冷却的一种加工方法称为钢的淬火热处理。经过淬火处理，使奥氏体转变为各种不平衡组织（除马氏体外，也包括索氏体、屈氏体及贝氏体）或把奥氏体保留下来。淬火的目的氏为了得到马氏体组织，从而提高钢的硬度和耐磨性，获得需要的机械性能或改变钢的某些物理化学性能。
第三节 硅钢的热处理
一 硅钢的热处理知识
硅钢实际上就是铁硅合金，硅钢的热处理就是研究硅钢性能与加热温度，时间和炉内气氛以及冷区之间的关系的一门学科。因此可以说硅钢的热处理就是铁—硅合金在加热，保温，冷却以及炉内气氛作用下，改变硅钢的组织结构，从而获得所需要的性能的工艺加工方法。
冷轧硅钢带除了热轧卷的常化退火外，冷轧后还需要进行多次各种形式的热处理。中间脱碳退火，消除加工硬化退火，氧化镁隔离涂层烘干处理，高温环行炉及罩式炉退火，拉伸热平整退火，成品退火以及绝缘层烘干烧结处理等。在这里根据铁—硅合金平衡相图来进行说明：
十九世纪末所使用的软磁材料大多采用工业纯铁，其铁芯的铁损值很大，磁感在10000高斯以下，而铁芯损值3—6W/kg。所以生产出来的发电机，电动机以及变压器等体积大，质量差，效率底。后来发现，加入少量的硅以后，能使磁
感提高，而铁损大为降低。经研究发现，硅对磁感的高低起着决定的作用，这是因为：
硅可以提高导磁率，减小矫顽力，降低磁滞损失；硅可以缩小γ区，降低涡流损失；同时硅还可以促进碳的石墨化，减少碳对磁性的有害影响。由于硅有上述作用，铁—硅合金现被广泛应用于电机，变压器以及通讯工业上。通常用的硅钢片就是Fe—Si二元合金，其它杂质很少，其平衡相图如图1所示。
图1 铁—硅合金平衡相图
所以含Si量增加，铁损P降低，而磁感B增加，但是脆性增大，加工难度大，成型困难，一般无硅电工钢含硅量在0.3％以下，低硅电工钢硅含量在0.3—0.8％，中硅电工钢硅含量在0.8—2.4％，高硅电工钢硅含量在2.5—3.4％以内。
从Fe-Si二元合金平衡图中可以看到，左边部分对生产硅钢特别有用，当硅含量低于15％时，大部分都是单相的α-铁，α-铁为体心立方结构。在广大的α-铁单相区中间有一个γ—铁区域（γ圈）γ铁具有面心立方结构。它只有当硅底于2.5％且温度在900℃以下时才存在，而低温时仍然是α-铁。在γ—区和α区间是狭窄的二相区。如果硅铁合金中，增加少量的碳，就可以使γ区扩大，α+γ二相区亦相应地变宽，（见图2所示），由该图中可以看出，随着硅含量的增加，磁性转变温度（即居里点）曲线就下降。
硅对铁—硅合金的性能有很大的影响，即使少量的硅也会十分显著地改变铁—硅合金的物理性能和机械性能。硅加入铁中能提高硬度和强度，而延伸率及冲击韧性会降低，硅对脆性特别敏感，以致使加工造成很大困难。
（Si％）
1－α＋γ＋碳化物（0.07％的碳） 2－α＋碳化物 3－磁性转变
图2 微量碳对铁碳相图α、γ相界线的影响
冷轧硅钢片的含Si量一般都在3.5％以下、含Si量越高，脆性越大，轧制成型就越困难。而对于热轧硅钢片的含Si量一般在5％以下。这是因为Fe—Si合金的塑性与温度有密切的关系，如含Si量为4.5％的硅钢在常温下很脆，但是加热到100℃左右，就能进行轧制了，下图3表示了不同含硅量在各种温度时的塑性状态。曲线以上为塑性区，曲线以下为脆性区。当铁—硅合金纯度高含碳量少时，硅的含量超过2.5％就不存在晶格转变的γ相。可是当含有少量碳时，就扩大了α+γ的区域范围。如图2是含有微量碳硅铁相图。从图中可以看出，当含有0.07％的碳时α+γ区域是两虚线所表示的范围。当含有0.01％的碳时，α+γ区域是两实线所表示的范围。生产硅钢片时，在磁性发挥的最终退火中，如果γ相的温度范围内进行退火时，会使磁性变坏，所以必须以γ相以下的温度进行退火。如果含碳量高，α+γ的范围扩大了，将影响到硅钢片合适的温度范围。冷轧无取向硅钢片依靠时间的连续退火来使它发挥磁性，但含硅量越高的硅钢就越能够用高温进行退火所以取向硅钢片依靠高温长时间在环形炉或罩式炉中退火来使它发挥磁性，因此取向硅钢含硅量必须大于2.5％，这样γ相才不复
存在。
图3 含Si量对磁性的影响
二、取向硅钢热轧卷常化退火
1.一般取向钢（Q材）的热轧卷常化退火。
一般取向钢的热轧卷是不通过常化退火的，但是有时根据性能及规格的需要，也可以进行常化退火处理。
通过常化，使热轧板卷的碳分布均匀，并使热轧的晶粒组织也进一步均匀化，从而减少成品磁性的不均匀性，起着改善磁性的作用。一般取向硅钢通过常化退火，起成品性能可以提高1/4～1/2个牌号等级。对降低铁损P15/50有明显效果。
一般取向硅钢常化与不常化退火，对成品磁性的改善，有着密切的关系，见图4所示。由图中可以看出，有些热轧卷原来组织好的通过常化处理，结果成品铁损变坏了，有些原来组织不好的，经过常化处理，铁损变好了。所以对一边取向硅热轧卷，原来组织不均匀，通过常化处理可以得到补救，如果炼钢成分控制得适当，热轧厂工艺严格控制，一般取向硅钢热轧卷可以省去常化处理。
图4 一般取向硅钢常化与不常化处理的成品磁性
1—经过常化处理 2—未经过常化处理
2.高磁感取向硅钢（QG）的常化退火。
高磁感取向硅钢是以MnS+AlN为抑制剂的，热轧卷的常化退火，对其有特殊的作用，目前生产的高磁感取向硅钢常化退火还是一道必须的工序，否则将生产不出高磁感取向硅钢的牌号。
QG才由于有AlN的存在使AlN的有用粒子必须以一定尺寸在最终冷轧前析出，为了获得AlN的合适尺寸，并控制其分布，钢板的成分（C、Si、Al等）和常化温度、时间及冷却速度，作为α→γ相转变的媒介物而相互有着密切地关系。
热轧坯经过加热和轧制后，热轧卷中含有的AlN尺寸及分布有两种，既有C型AlN和A型AlN，C型AlN是热轧过程中，高温状态下的析出物，它呈巨大盘状凝聚体，尺寸为2000—3000埃，此种AlN析出物对二次再结晶不起作用，A型AlN是在热轧厂卷取后，低温500—700℃之间的析出物，粒度较小，尺寸在200埃以下，这种AlN是在以后的热处理过程中有用的氮化物。
但是，热轧卷中的A型AlN还不能直接对二次再结晶起作用，还必须对热轧卷进行常化退火处理，将热轧卷中的A型ALN进行转换，使之边成B型AlN，这种B型AlN对二次再结晶的好坏起着主导作用。
热轧卷中的C型ALN经过Hi—B炉常化处理后，仍然是C型AlN，不发生变化，保持原有形态。而A型AlN，经过Hi-B炉后，转化为B型AlN。在常化过程中，A型AlN或其他氮化物（Si3N4等）都固熔在钢中，成为固态，通过850～400℃进行快速冷却处理时，A型ALN边成了B型AlN，这种转化主要是在700～850℃的范围内进行的，其尺寸为200～250埃。
氮在γ相中的溶解度比在α相中大10倍，因此，当α→γ相转变时存在着溶解度差，由于相变时产生应变能，就使析出的B型AlN在型态上非常弥散和不规则。其抑制力增强，提高了磁感值。这种B型AlN，在以后的脱碳退火中将进一步增多。
在制订QG材常化工艺时，必须重点考虑以下几个方面：
（1）、在不破坏热轧组织的温度范围内，常化温度应尽可能高。
（2）、要使AlN均匀细小的析出，并且弥散在晶界边缘，必须采取快速急冷的办法。
（3）、在常化退火中应该不脱碳。
（4）、均热时间不宜过长否则MnS聚集、 晶料长大、不利于以后成品磁性改善。
取向硅钢Q材及QG材热轧卷的织构：
以MnS作为有利夹杂的一般取向硅钢Q材热轧卷的结构：
表面层：主要是[1 0 0]（0 1 1）、[1 1 0]（0 0 1）为主。
中心层：主要是[0 0 1]（0 0 1）；
以MnS作为有利夹杂的QG材热轧卷结构：
表面层：主要是[1 1 0]（0 0 1）、[1 0 0]（0 1 1）为主。
中心层：主要是[1 1 2]（1 1 0）、[1 1 1]（1 1 0）、[1 1 1]（1 1 2）、
[1 0 0]（1 1 0）、[1 1 0]（0 0 1）；
由以上可以看出以MnS作为有利夹杂的一般取向硅钢，采取二次冷轧法及二次退火法，其目的是减少钢带内[0 1 1]（0 0 1）结构，产生更多的高斯结构晶粒。
如果冷轧压下率过大或过小，高斯结构将减弱甚至几乎不能形成，将影响到成品的磁性，由此可见冷轧的压下率对磁性的影响是很大的。
以MnS+AlN作为有利夹杂的高磁感取向硅钢采用一次强压下冷轧法，其目的是具有强抑制剂的情况下，采用大压下，使热轧板内偏离轧制方向的哪些[110]（0 0 1）转变为别的结构，而偏离轧向小的哪些[1 1 0]（0 0 1）结构不发生变化。这样就可以获得方向好的高斯结构基体，同时在基体中的[1 1 1]（1 1 2）结构增加，由于这种结构与[1 1 0]（0 0 1）结构有一条共边（0 1 1），所以有利于[1 1 0]（0 0 1）的发展。
在有利夹杂抑制力强时，可以适当提高二次冷轧压下率，这是因为适当提高二次冷轧压下率后可以使一次晶粒均匀，使钢带表面的[1 1 0]（0 0 1）结构增强，降低二次再结晶的温度，使二次再结晶的孕育期短等优点，这样可以获得取向度高的成品，但要注意，有利夹杂的抑制不强时，不能提高二次压下率。
三、无取向硅钢热轧卷的常化退火
在热轧后卷取时由于快速冷却，钢卷头尾温差较大，就钢带厚度方向看，表面和中心层晶粒组织不均，所以整个钢卷各部位的晶粒组织是不均匀的，特别是无取向硅钢的高牌号，铝含量比较高，在热轧后的钢带中析出一部分成品磁性有
害影响的弥散的AlN。通过Hi-B炉常化处理后，可使晶粒组织均匀，并使AlN进一步聚集长大，不至于在以后的热处理中对晶粒长大起抑制作用。在这一点上，无取向的热轧卷常化处理的作用与高磁感取向硅钢的作用恰好相反。
在制订无取向常化工艺时，主要应考虑以下两个目的，即晶粒均匀和AlN聚集长大。这就要求温度越高越好，但温度过高会使晶粒长得太大，使轧制成型困难，常会了生脆性断带，边裂等。因此常化温度一般控制在800-1000℃之间，随着钢中的Si和Al含量的增加，常化温度应相应降低。
通过生产试验证明，经过常化处理与不经过常化处理的成品磁性有明显提高，铁损P10/50可降低10-15％，磁感B50可提高100-500高斯，具体数据列入表1中。
表1 W材常化与未常化处理磁性对照表
从上表中可以看出，经过常化退从处理的无取向硅钢成品磁性有明显改善。使铁损降低，磁感提高的原因是，经常化退火处理的钢带在成品中（1 0 0）组分加强。
常化后冷却到500-600℃时需要快速冷却，防止低价氧化铁向高价氧化铁转化；
FeO 575℃ Fe2O3
在575℃是FeO转变为Fe2O3的变态点，Fe2O3是致密稳定的氧化物，不利于酸洗过程中化学反应的进行，所以在500-600℃时必须快速冷却，使FeO躲过变态点，为酸洗创造条件。
由以上可知，常化退火处理也是提高无取向钢磁性的有效途径。
范文四：硅的晶体结构
自然界物质存在的形态有气态物质、液态物质和固态物质。固态物质可根据它们的质点(原子、离子和分子)排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定的熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点、加热时在某一温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。
所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列，叫晶体的点阵或晶体格子，简称为晶格。最小的晶格，称为晶胞。晶胞的各向长度，称为品格常数。将晶格周期地重复排列起来，就构成为整个晶体。晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同一规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体(即晶粒)组成的晶体，称为多晶体。在多晶体中，每个小晶体中的原子排列顺序的位向是不同的。非晶体没有上述特征，组成它们的质点的排列是无规则的，而是“短程有序、长程无序’’的排列，所以又称为无定形态。一般的硅棒是单晶硅，粗制硅(冶金硅)和利用蒸发或气相沉积制成的硅薄膜为多晶硅，也可以为无定形硅。
硅(S1)的原子序数为14，即它的原子核周围有14个电子。这些电子围绕着原子核按一层层的轨道分布，第一层2个，第二层8个，剩下的4个排在第三层，如图所示。另图为硅的晶胞结构。它可以看作是两个面心立方晶胞沿对角线方向上位移1／4互相套构而成。这种结构被称为金刚石式结构。硅(Si)锗(Ge)等重要半导体均为金刚石式结构。1个硅原子和4个相邻的硅原子由共价键联结，这4个硅原子恰好在正四面体的4个顶角上，而四面体的中心是另一硅原子。 硅单晶的制备方法：按拉制方法不同分为无坩埚区熔(FZ)法与有坩埚直拉(CZ)法。区熔拉制的单晶不受坩埚污染，纯度较高，适于生产电阻率高于20欧/厘米的N型硅单晶（包括中子嬗变掺杂单晶）和高阻 P型硅单晶。由于含氧量低，区熔单晶机械强度较差。大量区熔单晶用于制造高压整流器、晶体闸流管、高压晶体管等器件。直接法易于获得大直径单晶，但纯度低于区熔单晶，适于生产20欧/厘米以下的硅单晶。由于含氧量高,直拉单晶机械强度较好。大量直拉单晶用于制造MOS集成电路、大功率晶体管等器件。外延片衬底单晶也用直拉法生产。硅单晶商品多制成抛光片，但对FZ单晶片与CZ单晶片须加以区别。外延片是在硅单晶片衬底（或尖晶石、蓝宝石等绝缘衬底）上外延生长硅单晶薄层而制成，大量用于制造双极型集成电路、高频晶体管、小功率晶体管等器件。
目前，市场上所供应的单晶硅多是以有坩埚直拉(CZ)法制备而成的，下面是
直拉硅单晶生长控制主要过程示意单晶硅与多晶硅的区别
单晶硅与多晶硅的区别
单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如在力学性质、电学性质等方面，多晶硅均不如单晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了，一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上。大规模集成电路的要求更高，硅的纯度必须达到九个9。目前，人们已经能制造出纯度为十二个9 的单晶硅。单晶硅是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。 高纯度硅在石英中提取，以单晶硅为例，提炼要经过以下过程：石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。 冶金级硅的提炼并不难。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。这样被还原出来的硅的纯度约98-99%，但半导体工业用硅还必须进行高度提纯(电子级多晶硅纯度要求11个9，太阳能电池级只要求6个9)。而在提纯过程中，有一项“三氯氢硅还原法(西门子法)”的关键技术我国还没有掌握，由于没有这项技术，我国在提炼过程中70%以上的多晶硅都通过氯气排放了，不仅提炼成本高，而且环境污染非常严重。我国每年都从石英石中提取大量的工业硅，以1美元／公斤的价格出口到德国、美国和日本等国，而这些国家把工业硅加工成高纯度的晶体硅材料，以46-80美元／公斤的价格卖给我国的太阳能企业。 得到高纯度的多晶硅后，还要在单晶炉
中熔炼成单晶硅，以后切片后供集成电路制造等用。
什么是单晶硅
可以用于二极管级、整流器件级、电路级以及太阳能电池级单晶产品的生产和深加工制造，其后续产品集成电路和半导体分离器件已广泛应用于各个领域，在军事电子设备中也占有重要地位。 在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天，利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始。北京2008年奥运会将把“绿色奥运”做为重要展示面向全世界展现，单晶硅的利用在其中将是非常重要的一环。现在，国外的太阳能光伏电站已经到了理论成熟阶段，正在向实际应用阶段过渡，太阳能硅单晶的利用将是普及到全世界范围，市场需求量不言而喻。河北宁晋单晶硅工业园区正是响应这种国际趋势，为全世界提供性能优良、规格齐全的单晶硅产品。 单晶硅产品包括φ3”----φ6”单晶硅圆形棒、片及方形棒、片，适合各种半导体、电子类产品的生产需要，其产品质量经过当前世界上最先进的检测仪器进行检
验，达到世界先进水平。图：
区熔硅单晶(float zone silicon crystal)
用区熔法单晶生长技术制备的半导体硅材料，是重要的硅单晶产品。由于硅熔体与坩埚容器起化学作用，而且利用硅表面张力大的特点，故采用悬浮区熔法，简称FZ法或FZ单晶。
特点和应用 由于不用坩埚，避免了来自坩埚的污染，而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以单晶的纯度高。用于制作电力电子器件、光敏二极管、射线探测器、红外探测器等。Fz单晶的氧含量比直拉硅单晶(见半导体硅材料)的氧含量低2～3个数量级，这一方面不会产生由氧形成的施主与沉积物，但其用区熔法单晶生长技术制备的半导体硅材料，是重要的硅单晶产品。由于硅熔体与坩埚容器起化学作用，而且利用硅表面张力大的特点，故采用悬浮区熔法，简称FZ法或FZ单晶。
特点和应用 由于不用坩埚，避免了来自坩埚的污染，而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以单晶的纯度高。用于制作电力电子器件、光敏二极管、射线探测器、红外探测器等。Fz单晶的氧含量比直拉硅单晶(见半导体硅材料)的氧含量低2～3个数量级，这一方面不会产生由氧形成的施主与沉积物，但其。
漩涡缺陷有害，它使载流子寿命下降，进而导致器件特性劣化。在器件工艺中它可转化为位错、层错及形成局部沉淀，从而造成微等离子击穿或使PN结反向电流增大。这种缺陷不仅使高压大功率器件性能恶化，而且使CCD产生暗电流尖峰。在单晶制备过程中减少漩涡缺陷的措施有尽量降低碳含量、提高拉晶速度等。 90年代的水平90年代以来达到的是：区熔硅单晶的最大直径为150mm，并已商品化，直径200mm的产品正在试验中。晶向一般为<><100>。
(1)气相掺杂区熔硅单晶。N型掺磷、P型掺硼。无位错、无漩涡缺陷。碳浓度[C。]<><><>
(2)中子嬗变掺杂(NTD)硅单晶。N型掺杂元素磷，无位错、无漩涡缺陷。碳浓度[C。]<><><>
范文五：金属的晶体结构
金 属 的 晶 体 结 构
班级:姓名:学号:教学目的:1.了解晶格的类型及掌握晶格缺陷对力学性能的影响。
2
转变的意义及作用。
重点:晶格的类型、相关的力学性能。难点:晶体缺陷对力学性能的影响。
教学过程:
复习回顾:
1.金属常用的力学性能指标有:、
2.金属的物理性能包括:熔点、 、导热性、导电性等。
3.硬度的测量方法有:布氏硬度、
4.纯金属的熔点是固定不变的,如纯铁的熔点为
5.判断:脆性与韧性是相同的概念。 () 强度指标中最常用的是屈服点、抗拉强度。 () 一般来说,金属的硬度越高,则强度越高。 () 讲授新课:
一、晶休的相关知识:
1.定义:固态物质按其原子的聚集状态可分为晶体与 两大类。原子按 一定顺序在空间有规则排列的物质称为 。
2.晶格与晶胞:能够完全反映晶格特征的最小几何单元叫做晶胞。
3.金属的晶体结构类型很多,常见的有以下三种:
A 、体心立方晶格。例如:铬、钼、钒等。 B 、面心立方晶格。 例如:铝、铜等。 C 、密排六方晶格。 例如:镁、锌、钛等。
二、晶界与晶体缺陷:
1.晶粒间互相接触的界面叫做
2.常见的晶体缺陷(四种) :
A 、空位与间隙原子。 注:晶格畸变将导致金属的强度、
B 、位错:是指晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。
C 、晶界:实际的金属材料大都是由许多晶粒组成的多晶体,晶粒之间形成了晶界。
D 、亚晶界:亚晶晶粒越小或位向差别越大,金属的强度硬度越
晶界与亚晶界属于面缺陷。
三、金属(钝铁)的同素异构转变:
第 2页 1.同素异构的定义:某金属在不同的温度(或压力下)具有不同的晶体结构的现 象,称为同素异构转变。
2.纯铁的冷却曲线(将下图补全) :
A 、图中纵轴表示晶格结构与 ;横轴表示 。
B 、写出下列字母的读法:δγ; α
C 、在图中钝铁 1538度凝固后为具有体心立方晶格的 ,在降至 1394度 时变为面心立方晶格的 ,在 910度时转变为体心立方晶格的 α— Fe 。 D 、 纯铁的 转变决定了钢和铸铁的组织和性能, 是钢铁能通过热处理 可以获得多种性能的内因和依据,也是钢铁材料用途广泛的重要原因。
3.判断:钛、钴等少数金属,也具有同素异构的转变现象。 ()
4.简答题:写出纯铁的同素异构转变的概括表达式?
