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第1章　晶体学基础1

1.1 引言1

1.1.1　晶体与非晶体1

1.1.2　点阵1

1.1.3　晶胞与点阵常数2

1.2　晶系和布拉维点阵3

1.2.1　晶体的对称性3

1.2.2 晶系3

1.2.3　布拉维点阵4

1.2.4　讨论5

1.3　典型晶体结构及其几何特征7

1.3.1　典型晶体的结构7

1.3.2 晶体的几何特征7

1.4　典型晶体中的间隙8

1.4.1　面心立方晶体8

1.4.2　体心立方晶体9

1.4.3　密排六方晶体9

1.5　晶面和晶向指数11

1.5.1　晶面指数11

1.5.2　晶向指数12

1.6　六方指数13

1.6.1 晶面指数14

1.6.2　晶向指数14

1.7　晶体的堆垛方式15

1.7.1　晶体的堆垛方式15

1.7.2　堆垛层错15

1.7.3　面心立方、密排六方和棱方结构的比较16

1.8　晶体学基本公式18

1.9 同素异构和多型性转变20

1.10 晶体的极射投影20

1.10.1　球投影20

1.10.2　极射投影23

1.10.3　乌氏网及其应用24

1.10.4　标准投影25

1.10.5　应用举例28

1.11　单晶体和多晶体30

参考文献31

第2章　固体材料的结构32

2.1　基本概念32

2.1.1　固体材料的分类32

2.1.2　基本概念和术语32

2.1.3　本章内容和学习方法33

2.2　固体的结合键33

2.3　元素的晶体结构35

2.4　合金概述37

2.4.1　合金相分类37

2.4.2　影响合金晶体结构的因素38

2.5　固溶体41

2.5.1 固溶体的基本特点41

2.5.2　固溶体的分类42

2.5.3　固溶度和Hume-Rothery规则44

2.5.4　固溶体的性质与成分的关系46

2.6　离子化合物47

2.6.1　AB型离子化合物48

2.6.2　AB2型离子化合物48

2.6.3　A2B3型离子化合物49

2.6.4　ABO3型离子化合物49

2.6.5 AB2O4型离子化合物50

2.7　硅酸盐结构的基本特点51

2.8　金属间化合物（Ⅰ）正常价化合物52

2.9　金属间化合物（Ⅱ）电子化合物53

2.10 金属间化合物（Ⅲ）尺寸化合物54

2.11　金属间化合物（Ⅳ）间隙化合物56

2.12　金属间化合物（Ⅴ）复杂化合物σ相57

2.12.1　σ相的结构和形成规律57

2.12.2　形成σ相的判据——相计算初阶58

参考文献59

第3章　晶体缺陷60

3.1　概述60

3.2　点缺陷60

3.2.1　点缺陷分类60

3.2.2　点缺陷的热平衡浓度61

3.2.3　点缺陷对晶体性能的影响63

3.2.4　超平衡点缺陷的形成63

3.3　位错理论的提出64

3.4　位错的定义65

3.4.1 定义一：位错是晶体中局部滑移区的边界65

3.4.2　定义二：位错是晶体中局部切割的边界68

3.4.3　定义三：位错的普遍定义69

3.5　Burgers回路与Burgers矢量69

3.5.1　Burgers回路和Burgers矢量69

3.5.2　Burgers矢量的物理意义69

3.5.3　用柏氏矢量表征位错70

3.5.4　柏氏矢量的守恒性70

3.6　位错的运动72

3.6.1　刃型位错的运动72

3.6.2　螺型位错的运动74

3.6.3　混合位错的运动74

3.7　位错密度和晶体形变速率75

3.7.1　位错密度75

3.7.2 晶体形变速率与位错密度的关系76

3.7.3　晶体强度与位错密度的关系76

3.8　小结：位错的基本属性77

3.9　位错的应力场77

3.9.1　螺型位错的应力场78

3.9.2　刃型位错的应力场79

3.10　位错的弹性能和线张力80

3.10.1　位错的弹性能80

3.10.2　位错的线张力T和恢复力f′81

3.11　作用在位错上的力82

3.11.1　定义82

3.11.2　计算82

3.12　位错与点缺陷的交互作用84

3.12.1　溶质原子对位错的钉扎及柯氏气团的形成84

3.12.2　明显屈服与应变时效84

3.12.3　位错和空位及基体间隙原子的交互作用85

3.13　位错与位错的交互作用85

3.13.1　同号刃型位错的交互作用86

3.13.2　异号刃型位错的交互作用87

3.14　派-纳力和镜像力87

3.14.1　派-纳力87

3.14.2　镜像力88

3.15　位错的起源和增殖88

3.15.1　位错的起源88

3.15.2　位错的增殖机制与位错源89

3.16　运动中的位错93

3.16.1 自由通过93

3.16.2　绕过93

3.16.3　切过94

3.16.4　越过（攀移）94

3.17　位错的塞积94

3.17.1　位错塞积群的形成94

3.17.2　障碍物的反应力95

3.17.3　塞积群中各位错的分布95

3.18　位错的交割96

3.18.1　弯折或割阶的形成96

3.18.2　带割阶位错的运动98

3.19　面心立方晶体中的位错99

3.19.1　全位错99

3.19.2　Shockley分位错100

3.19.3　扩展位错101

3.19.4　弗兰克（Frank）分位错104

3.20　位错反应105

3.20.1　反应条件：位错反应要满足以下两个条件105

3.20.2　举例：FCC晶体中压杆位错的形成105

3.21　其他晶体中的位错106

3.21.1　体心立方晶体中的位错106

3.21.2　密排六方晶体中的位错108

3.22　位错应用举例109

3.22.1　小角度晶粒边界的位错模型109

3.22.2　晶体的气相生长111

3.22.3　晶体的实际强度112

3.22.4　加工硬化112

3.22.5　退火软化112

3.22.6　合金强化112

3.22.7　明显屈服和应变时效113

参考文献113

第4章 固体的变形和力学性质114

4.1　概述114

4.2　固体的弹性变形114

4.2.1　弹性变形114

4.2.2　弹性模量115

4.3　晶体塑性变形的微观方式（Ⅰ）——滑移116

4.3.1　滑移系统116

4.3.2　开始滑移的条件——Schmid定律117

4.3.3　激活滑移系统的确定　单滑移与多滑移119

4.3.4　滑移的伴生现象119

4.4　晶体的塑性变形方式（Ⅱ）孪生121

4.4.1　孪生和孪生系统121

4.4.2　孪生的微观特点122

4.4.3　孪生的宏观特点124

4.4.4 滑移和孪生的比较及其交互作用126

4.5　多晶体的塑性变形的微观特点127

4.5.1 晶界在多晶体塑性变形中的作用127

4.5.2 晶粒度和温度对多晶材料屈服强度的影响127

4.5.3　变形组织的不均匀性128

4.5.4　新的变形方式——晶界滑动和迁移128

4.6　内应力和加工硬化129

4.6.1 内应力129

4.6.2　加工硬化130

4.7　择优取向（晶体学织构）131

4.7.1　什么是择优取向或织构？131

4.7.2　织构的成因和分类131

4.7.3　织构的描述132

4.7.4　织构的实际意义和控制134

4.7.5　形变织构理论简介136

4.8　纤维组织（机械织构）139

4.9　固体在静载作用下的力学性能140

4.9.1　拉伸性能140

4.9.2　压缩性能144

4.9.3　硬度144

4.10　冲击韧性和塑性-脆性转变温度146

4.11　疲劳147

4.11.1　疲劳断裂147

4.11.2　经验公式149

4.11.3　疲劳断裂的过程和机制151

4.11.4　提高金属疲劳强度的途径152

4.12　蠕变153

4.12.1 引言153

4.12.2　蠕变的基本概念153

4.12.3　高温蠕变的理论和机制161

4.12.4　蠕变断裂162

4.13　材料的断裂163

4.13.1　防断安全设计的历史和现状163

4.13.2　断裂分类164

4.13.3　断裂的微观理论164

4.14　线弹性断裂力学简介166

4.14.1　基本观点166

4.14.2　断裂模型166

4.14.3　裂纹尖端的应力场167

4.14.4　平面应变与平面应力168

4.14.5　脆性断裂条件169

4.14.6　塑性变形的影响169

4.14.7　线弹性断裂力学的应用170

4.15　影响固体强度和塑性的因素172

参考文献174

第5章 固体中的扩散175

5.1　概述175

5.2　Fick定律176

5.2.1　Fick第一定律176

5.2.2　Fick第二定律176

5.3　稳态扩散177

5.3.1　气体通过固体薄膜的扩散177

5.3.2　柱对称稳态扩散179

5.3.3　球对称稳态扩散179

5.4　非稳态扩散180

5.4.1　一维无穷长固体中的扩散180

5.4.2　半无穷长固体中的扩散182

5.4.3　薄膜中的扩散183

5.4.4　有限固体中的扩散183

5.5　吴野方法185

5.6　Kirkendall效应187

5.7　分扩散系数188

5.8　扩散的微观理论和机制189

5.8.1　扩散与原子随机游动的关系189

5.8.2　Fick定律的微观形式189

5.8.3　扩散机制191

5.9　扩散的经验规律193

5.9.1　温度193

5.9.2　与相图的关系194

5.9.3　晶体结构194

5.9.4　原子尺寸194

5.9.5　固溶体类型195

5.9.6　短路扩散195

5.9.7　内应力和点阵畸变195

5.9.8　压力195

5.9.9　第三组元195

5.10　扩散热力学196

5.11　反应扩散197

5.11.1　反应扩散中新相形成的规律198

5.11.2　新相长大动力学199

5.11.3　反应扩散与材料的相容性200

5.12　离子晶体中的扩散201

5.12.1　电中性条件201

5.12.2　缺陷的多样性202

5.12.3　扩散系数与导电率的关系203

参考文献204

第6章　金属的退火205

6.1 引言205

6.2 回复206

6.2.1　回复现象的基本特点206

6.2.2　驱动力及△P-T曲线206

6.2.3　回复动力学207

6.2.4 回复机制208

6.2.5　宏观性能与微观机制的关系210

6.2.6 回复的应用——消除应力退火211

6.3　再结晶211

6.3.1　再结晶现象211

6.3.2　再结晶的热力学条件和机制212

6.3.3　再结晶温度与再结晶晶粒度215

6.3.4　再结晶动力学和晶粒度的确定215

6.4　晶粒长大217

6.4.1　现象和驱动力217

6.4.2　长大规律217

6.5　反常晶粒长大218

6.6　影响再结晶和晶粒长大的因素219

6.7　再结晶织构222

6.8　热加工与动态退火224

6.8.1　动态退火机制224

6.8.2　热加工与冷加工225

6.9　与退火相关的若干实际问题227

参考文献228

第7章　相图229

7.1　自由能229

7.2　相律231

7.3　二元相图233

7.3.1　匀晶转变233

7.3.2　杠杆定则234

7.3.3　晶内偏析235

7.3.4　化学位236

7.3.5　原成分转变238

7.3.6　相分离转变240

7.3.7　共晶转变240

7.3.8　包晶转变244

7.3.9　构图规则245

7.3.10　铁碳相图246

7.4　三元相图252

7.4.1　三元匀晶相图252

7.4.2　三元共晶相图255

7.5　铀合金相图256

参考文献260

第8章　相变261

8.1　金属的凝固261

8.1.1　晶体的形核261

8.1.2　晶体的成长263

8.1.3　铸件的晶粒结构266

8.1.4　定向凝固技术267

8.1.5　焊缝的晶粒结构268

8.2　固态相变269

8.2.1　相界269

8.2.2　均质形核269

8.2.3　异质形核272

8.2.4　相变动力学274

8.2.5　脱溶沉淀275

8.2.6　奥氏体的等温转变278

8.2.7　奥氏体转变产物区域图281

8.2.8　先析铁素体和先析渗碳体283

8.2.9　珠光体283

8.2.10　贝氏体285

8.2.11　马氏体286

8.2.12　奥氏体连续转变288

8.3　铀及其合金的相变289

8.3.1　铀的相变289

8.3.2　铀合金的相变291

参考文献292