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第1章 晶体学基础1

1.1引言1

1.2空间点阵1

1.2.1晶体的特征和空间点阵1

1.2.2晶胞、晶系和点阵类型2

1.2.3复式点阵，晶胞和原胞5

1.3晶面指数和晶向指数7

1.3.1晶面和晶向指数的确定8

1.3.2立方和六方晶体中重要晶向的快速标注12

1.4常见晶体结构及其几何特征13

1.4.1常见晶体结构13

1.4.2几何特征13

1.4.3常见晶体结构中的重要间隙15

1.5晶体的堆垛方式19

1.6晶体投影21

1.6.1球投影21

1.6.2极射投影24

1.6.3乌氏网及其应用25

1.6.4标准投影26

1.6.5极射投影练习27

1.7倒易点阵29

1.7.1倒易点阵的确定方法，倒易基矢29

1.7.2倒易点阵的基本性质30

1.7.3实际晶体的倒易点阵31

1.7.4倒易点阵的应用35

1.8菱方晶系的两种描述39

1.8.1菱方轴和六方轴的基矢关系39

1.8.2点阵常数换算公式39

1.8.3晶向指数变换40

1.8.4晶面指数变换40

习题41

第2章 固体材料的结构44

2.1引言44

2.2原子结构44

2.2.1经典模型和玻尔理论44

2.2.2波动力学理论和近代原子结构模型45

2.2.3能级图和元素的原子结构50

2.2.4原子稳定性和能级的实验测定54

2.3结合键55

2.3.1离子键56

2.3.2共价键56

2.3.3金属键57

2.3.4分子键58

2.3.5氢键58

2.4分子的结构60

2.4.1多原子体系电子状态的一般特点60

2.4.2共价分子的结构61

2.5晶体的电子结构73

2.5.1晶体的结合键73

2.5.2晶体中电子的能态74

2.5.3晶体的结合能76

2.6元素的晶体结构和性质80

2.6.1元素的晶体结构80

2.6.2元素性质的周期性83

2.7合金相结构概述86

2.7.1基本概念86

2.7.2合金成分的表示87

2.7.3合金相分类87

2.8影响合金相结构的主要因素87

2.8.1原子半径或离子半径87

2.8.2电负性90

2.8.3价电子浓度91

2.8.4其他因素92

2.9固溶体92

2.9.1什么是固溶体92

2.9.2固溶体分类92

2.9.3固溶度和H ume-Rothery规则94

2.9.4固溶体的性能与成分的关系98

2.10离子化合物100

2.10.1决定离子化合物结构的几个规则100

2.10.2典型离子化合物的晶体结构103

2.10.3氧化物结构的一般规律108

2.10.4决定无机化合物晶体结构的其他方法109

2.11硅酸盐结构简介110

2.11.1硅酸盐结构的一般特点及分类110

2.11.2含有有限硅氧团的硅酸盐110

2.11.3链状硅酸盐112

2.11.4层状硅酸盐113

2.11.5骨架状硅酸盐115

2.12金属间化合物（Ⅰ）：价化合物116

2.13金属间化合物（Ⅱ）：电子化合物120

2.14金属间化合物（Ⅲ）：尺寸因素化合物——密排相122

2.14.1密排相中原子排列的几何原则122

2.14.2几何密排相123

2.14.3拓扑密排相123

2.15间隙化合物134

2.15.1间隙化合物的分类：Hagg规则134

2.15.2间隙化合物的结构135

2.15.3间隙化合物的特性137

2.16合金相结构符号138

习题140

第3章 晶体的范性形变141

3.1引言141

3.2滑移系统和Schmid定律143

3.2.1晶体的滑移系统143

3.2.2 Schmid定律143

3.2.3 Schmid定律的应用145

3.3滑移时参考方向和参考面的变化146

3.3.1参考方向的变化146

3.3.2参考面的变化147

3.4滑移过程中晶体的转动148

3.4.1晶体转动的原因148

3.4.2晶体转动的规律149

3.4.3晶体转动的后果149

3.5滑移过程的次生现象153

3.6单晶体的硬化曲线154

3.7孪生系统和原子的运动155

3.7.1晶体的孪生系统155

3.7.2孪生时原子的运动和特点156

3.8孪生要素和长度变化规律158

3.8.1孪生引起的形状变化158

3.8.2孪生四要素和切变计算158

3.8.3孪生时长度变化规律159

3.8.4孪生时试样的最大伸长和最大缩短量161

3.9孪晶和基体的位向关系162

3.9.1位向关系162

3.9.2孪生引起的晶向变化165

3.10孪生系统的实验测定167

3.11滑移和孪生的比较169

3.12多晶体范性形变的一般特点170

3.12.1晶粒边界170

3.12.2多晶体范性形变的微观特点173

3.12.3晶粒度及其对性能的影响174

3.13冷加工金属的储能和内应力175

3.14应变硬化177

3.14.1应变硬化现象177

3.14.2实际晶体的硬化行为179

3.14.3影响应变硬化的因素180

3.14.4应变硬化在生产实际中的意义181

3.15多晶材料的择优取向（织构）182

3.15.1概述182

3.15.2织构的描述和测定方法183

3.15.3实际金属的织构和各向异性186

3.15.4织构理论概述187

3.15.5织构的实际意义及其控制方法188

3.16纤维组织和流线190

3.17晶体的断裂192

3.17.1概述192

3.17.2脆性断裂的微观理论——Griffith裂缝理论193

3.17.3金属脆性断裂的特点195

3.17.4影响金属的韧性、脆性和断裂的因素197

习题201

第4章 晶体中的缺陷203

4.1引言203

4.2点缺陷的基本属性203

4.2.1点缺陷类型203

4.2.2点缺陷的平衡浓度204

4.2.3过饱和点缺陷的形成207

4.2.4点缺陷对晶体性质的影响207

4.3点缺陷的实验研究208

4.3.1比热容实验208

4.3.2热膨胀实验209

4.3.3淬火实验211

4.3.4淬火—退火实验212

4.3.5正电子湮没实验213

4.4位错理论的提出215

4.5什么是位错216

4.5.1局部滑移216

4.5.2局部位移219

4.6位错的普遍定义与柏格斯矢量221

4.6.1柏格斯回路221

4.6.2柏氏矢量的物理意义221

4.6.3柏氏矢量和位错的表征221

4.6.4柏氏矢量的守恒性222

4.7位错的运动223

4.7.1刃型位错的运动223

4.7.2螺型位错的运动225

4.7.3混合位错的运动225

4.8位错密度和晶体的变形速率227

4.8.1位错密度的定义及其实验测定227

4.8.2位错密度和晶体的变形速率227

4.8.3位错密度和晶体的强度228

4.9位错的基本几何性质229

4.10固体弹性理论简介230

4.10.1应力分析230

4.10.2应变分析：位移和应变张量235

4.10.3胡克定律236

4.10.4平衡方程237

4.10.5柱坐标系下的应力和应变238

4.10.6弹性力学的应用简介241

4.11位错的应力场241

4.11.1螺型位错的应力场242

4.11.2刃型位错的应力场243

4.12位错的弹性能和线张力244

4.13作用于位错上的力245

4.13.1引起位错滑移的力246

4.13.2引起刃型位错攀移的力246

4.13.3一般情形下位错受的力247

4.14位错与位错间的交互作用249

4.14.1同号刃型位错间的交互作用249

4.14.2异号刃型位错间的交互作用250

4.14.3平行螺型位错间的作用力251

4.14.4螺型位错和刃型位错间的交互作用251

4.14.5位于同一滑移面上的一对平行混合位错间的交互作用251

4.14.6交叉位错间的交互作用252

4.15位错与点缺陷之间的交互作用253

4.15.1刃型位错与点缺陷的交互作用能和作用力253

4.15.2柯氏气团和明显屈服现象254

4.15.3脱钉力的计算255

4.15.4讨论256

4.16位错的起动力——派-纳力256

4.16.1位错起动力的分析——Peirls-Nabarro模型256

4.16.2讨论259

4.17镜像力260

4.18位错的起源与增殖261

4.18.1位错的起源261

4.18.2位错的增殖机制261

4.18.3位错的源地和尾闾266

4.19位错的塞积267

4.20位错的交割269

4.20.1刃型位错与刃型位错的交割269

4.20.2刃型位错与螺型位错的交割270

4.20.3螺型位错与螺型位错的交割271

4.21面心立方晶体中的位错273

4.21.1全位错273

4.21.2 Shockley分位错274

4.21.3扩展位错276

4.21.4 Frank分位错279

4.21.5压杆位错279

4.22位错反应280

4.22.1自发位错反应的条件281

4.22.2 FCC中位错反应的一般表示：Thompson四面体281

4.22.3位错反应举例283

4.23密排六方和体心立方晶体中的位错288

4.23.1密排六方晶体中的位错288

4.23.2体心立方晶体中的位错291

4.24其他晶体中的位错293

4.24.1离子晶体中的位错293

4.24.2超点阵中的位错294

4.24.3共价晶体中的位错295

4.24.4层状结构中的位错296

4.24.5聚合物晶体中的位错296

4.25小角度晶粒边界297

4.25.1倾侧晶界297

4.25.2扭转晶界300

4.25.3一般小角度晶界301

4.26位错的实验观测305

4.26.1表面法（或蚀坑法）305

4.26.2缀饰法306

4.26.3透射电镜法307

4.26.4其他方法308

4.27位错理论的应用（小结）310

习题313

第5章 材料热力学316

5.1热力学在材料科学中的意义316

5.2热力学基本参数和关系316

5.2.1热力学第一定律316

5.2.2热力学第二定律317

5.2.3热力学函数的基本关系319

5.2.4化学位320

5.3纯金属吉布斯自由能和凝固热力学321

5.4合金相热力学324

5.4.1二组元固溶体相的吉布斯自由能324

5.4.2中间相和混合相的吉布斯自由能328

5.5相平衡热力学330

5.5.1相平衡的化学位330

5.5.2化学位的图解确定330

5.5.3相平衡的公切线定则332

5.6相图热力学334

5.6.1二元连续固溶体相图的建立334

5.6.2二元系共晶相图的热力学确定335

5.6.3具有固溶度间隙相图的建立337

5.6.4含有金属间化合物相图的建立338

5.7晶体缺陷热力学339

5.7.1空位的热力学分析339

5.7.2位错的热力学分析341

5.7.3界面的热力学分析342

5.8相变热力学343

5.8.1固溶体脱溶分解的驱动力343

5.8.2由驱动力看新相形成的规律344

5.8.3调幅分解345

习题346

第6章 相图348

6.1概述348

6.1.1研究相图的意义348

6.1.2相图的表示方法348

6.1.3相图的建立349

6.1.4相图的类型和结构351

6.2相律和杠杆定律352

6.2.1相律352

6.2.2杠杆定律354

6.3二元匀晶相图355

6.3.1图形分析355

6.3.2结晶过程分析355

6.3.3结晶中的扩散过程分析356

6.3.4非平衡结晶分析357

6.4二元共晶相图359

6.4.1图形分析359

6.4.2结晶过程分析360

6.4.3共晶结晶机理363

6.4.4初生相和共晶组织分析364

6.4.5非平衡状态分析366

6.5二元包晶相图367

6.5.1图形分析367

6.5.2结晶过程分析367

6.5.3非平衡状态分析369

6.6其他二元相图369

6.6.1液态无限溶解，固态形成化合物的相图369

6.6.2液态无限溶解，固态有转变的相图371

6.6.3二组元在液态有限溶解的相图372

6.6.4二组元在液态无限溶解，固态有单析反应的相图374

6.6.5有熔晶（再熔）反应的相图374

6.7相图基本类型小结374

6.7.1相图基本型式的特点374

6.7.2相图基本单元及其组合规律——相区接触法则375

6.7.3假想相图376

6.8相图与性能关系376

6.8.1相图与力学性能关系376

6.8.2相图与铸造工艺性关系377

6.9 Fe-C合金相图378

6.9.1图形分析378

6.9.2结晶过程分析380

6.9.3组织区分析385

6.9.4虚线部分相图分析386

6.10三元相图388

6.10.1概述388

6.10.2三元匀晶相图391

6.10.3三元共晶相图394

6.10.4固态有限溶解，具有一个三相平衡区的三元相图398

6.10.5固态有限溶解，具有四相平衡区的三元相图400

6.10.6有化合物的三元相图405

习题407

第7章 界面411

7.1研究界面的意义411

7.2界面类型和结构411

7.2.1按界面两边物质状态分类411

7.2.2按界面两边晶体取向差角度分类412

7.2.3根据界面上原子排列情况和吻合程度分类414

7.3界面能量417

7.3.1表面能417

7.3.2小角界面能418

7.3.3大角界面能419

7.4界面偏聚420

7.4.1晶界偏聚方程420

7.4.2影响晶界偏聚的因素421

7.5界面迁移422

7.5.1界面迁移速度422

7.5.2界面迁移的驱动力423

7.5.3影响界面迁移率的因素425

7.6界面与组织形貌426

7.6.1单相组织形貌426

7.6.2复相组织平衡形貌428

7.7界面能的测量431

7.7.1界面张力平衡法431

7.7.2测量界面能的动力学方法432

习题432

第8章 固体中的扩散434

8.1引言434

8.2菲克定律434

8.2.1菲克第一定律434

8.2.2菲克第二定律435

8.3稳态扩散及其应用437

8.3.1一维稳态扩散438

8.3.2柱对称稳定扩散439

8.3.3球对称稳态扩散440

8.4非稳态扩散441

8.4.1一维无穷长物体的扩散442

8.4.2半无穷长物体的扩散445

8.4.3瞬时平面源446

8.4.4有限长物体中的扩散446

8.5 D-C关系，俣野方法448

8.6克根达耳效应449

8.6.1克根达耳（Kirkendall）效应450

8.6.2克根达耳效应的理论和实际意义450

8.7分扩散系数，达肯公式451

8.8扩散的微观理论和机制454

8.8.1扩散与原子的随机行走454

8.8.2菲克定律的微观形式及D的微观表示456

8.8.3扩散的微观机制457

8.8.4扩散系数和扩散激活能的计算459

8.9扩散热力学462

8.9.1菲克定律的普遍形式463

8.9.2扩散系数、溶质分布等与热力学量之间的关系464

8.10影响扩散的因素465

8.10.1温度的影响465

8.10.2成分的影响466

8.10.3晶体结构的影响469

8.10.4短路扩散470

8.11反应扩散473

8.11.1反应扩散的过程及特点473

8.11.2反应扩散动力学474

8.11.3反应扩散的实例476

8.12离子晶体中的扩散477

8.12.1离子晶体中的缺陷477

8.12.2离子晶体的扩散机制479

8.12.3离子迁移率479

8.12.4离子电导率与扩散系数的关系480

8.13扩散的实际应用——固态烧结481

8.13.1固态烧结过程481

8.13.2初期烧结阶段的半定量分析482

习题484

第9章 凝固与结晶486

9.1概述486

9.1.1研究凝固与结晶的意义486

9.1.2液态金属的结构486

9.1.3结晶的一般过程487

9.2金属凝固时的形核过程488

9.2.1均匀形核488

9.2.2非均匀形核491

9.3纯金属晶体的长大493

9.3.1宏观长大方式493

9.3.2微观长大方式494

9.4单相固溶体晶体的长大498

9.4.1平衡凝固499

9.4.2固相无扩散，液相完全混合的凝固499

9.4.3固相无扩散，液相只有扩散、无对流的凝固501

9.4.4固相无扩散，液相界面附近只有扩散，其余部分有对流的凝固501

9.4.5成分过冷503

9.4.6单相固溶体晶体的生长方式504

9.4.7晶体中的偏析504

9.5两相共晶体的长大505

9.5.1典型共晶与非典型共晶的形成505

9.5.2层片状共晶的凝固生长505

9.5.3共晶凝固中的成分过冷506

9.6金属和合金铸锭组织的形成和控制507

9.6.1铸锭三区的形成507

9.6.2铸锭组织的控制508

9.6.3特殊凝固方法509

习题510

第10章 回复与再结晶512

10.1概述512

10.1.1研究回复与再结晶的意义512

10.1.2变化条件512

10.1.3变化过程513

10.2回复514

10.2.1回复过程的特征514

10.2.2回复过程机制514

10.2.3回复动力学517

10.2.4回复的应用519

10.3再结晶519

10.3.1再结晶过程的特征519

10.3.2再结晶过程机制519

10.3.3再结晶动力学523

10.3.4再结晶温度527

10.3.5再结晶后晶粒大小530

10.4晶粒长大及其他结构变化532

10.4.1正常晶粒长大532

10.4.2反常晶粒长大535

10.4.3再结晶图536

10.4.4退火孪晶536

10.4.5再结晶织构538

10.5金属的热变形540

10.5.1动态回复和动态再结晶541

10.5.2热变形引起组织、性能的变化543

10.5.3超塑性545

习题548

第11章 固态相变（Ⅰ）——扩散型相变549

11.1固态相变通论549

11.1.1固态相变的一般特点549

11.1.2固态相变的分类552

11.2从过饱和固溶体中的脱溶（时效）556

11.2.1时效硬化现象及特点556

11.2.2脱溶过程558

11.2.3过渡相的结构561

11.2.4工业用脱溶硬化合金举例563

11.3脱溶的形核长大理论564

11.3.1固态相变的形核564

11.3.2晶核长大动力学574

11.4脱溶的调幅分解理论578

11.4.1调幅分解的条件——成分与温度范围578

11.4.2调幅分解的定量分析579

11.4.3调幅分解与形核长大两种脱溶方式的对比583

11.5颗粒粗化584

11.5.1颗粒粗化的驱动力分析584

11.5.2浓度分布585

11.5.3粗化过程和粗化速率585

11.5.4平衡颗粒尺寸586

11.6不连续沉淀587

11.6.1不连续沉淀的特征587

11.6.2长大理论588

11.7沉淀强化机制589

11.7.1位错绕过不易变形颗粒590

11.7.2位错切过易形变颗粒590

11.7.3颗粒半径最佳值592

11.7.4获得高强度材料的途径592

11.8过冷奥氏体的等温转变及连续转变曲线593

11.8.1过冷奥氏体的等温转变曲线593

11.8.2过冷奥氏体的连续冷却转变曲线598

11.9共析转变599

11.9.1概述599

11.9.2形核长大的热力学及动力学分析600

11.9.3先共析转变604

11.9.4珠光体的组织特点及力学性能605

11.10贝氏体转变607

11.10.1贝氏体转变的特点607

11.10.2贝氏体的组织形态610

11.10.3贝氏体的性能611

11.11有序—无序转变612

11.11.1概念和定义612

11.11.2有序合金类型614

11.11.3有序—无序转变的热力学分析616

11.11.4有序—无序转变的动力学分析619

11.11.5有序强化622

11.11.6其他有序—无序转变简介622

习题624

第12章 固态相变（Ⅱ）——马氏体相变627

12.1马氏体相变的基本特性627

12.1.1无扩散性627

12.1.2马氏体相变是点阵畸变式转变，有其特定结构，是低温亚稳相628

12.1.3伴随马氏体相变的宏观变形——浮凸效应629

12.1.4在马氏体相变过程中存在宏观不畸变面——惯析面630

12.1.5在基体点阵和马氏体点阵之间一般存在着确定的位向关系631

12.1.6一个板条状或透镜状的马氏体通常具有内部结构632

12.1.7马氏体相界634

12.1.8马氏体有一定的起始相变温度Ms和一定的终了相变温度Mf635

12.1.9奥氏体的热稳定化636

12.1.10塑性变形对马氏体相变的影响637

12.1.11马氏体逆转变638

12.1.12热弹性马氏体及伪弹性639

12.1.13形状记忆效应640

12.2马氏体相变机制和表象理论简介641

12.2.1钴的马氏体相变641

12.2.2铁基合金中的马氏体转变643

12.2.3马氏体相变的晶体学表象理论646

12.3马氏体相变热力学651

12.3.1马氏体相变热力学的一般特点651

12.3.2均匀形核理论及其局限性651

12.3.3非均匀形核——层错及位错在马氏体形核中的作用653

12.3.4马氏体形貌655

12.4马氏体相变动力学657

12.5马氏体的回火659

12.5.1淬火钢的回火转变及组织660

12.5.2淬火钢在回火时性能的变化664

12.6马氏体时效钢的强化机制分析666

12.6.1概述666

12.6.2马氏体时效钢的相组成667

12.6.3常规马氏体时效钢的时效硬化分析670

12.6.4一些新型马氏体时效钢671

习题671

参考文献673