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第1篇 晶体学基础 1

绪论 1

第1章 纯金属的晶体结构 1

1.1金属的概念 1

1.1.1金属的定义 1

1.1.2金属原子的结构特点 1

1.1.3金属原子的键合方式 2

1.1.4金属原子间的结合力与结合能 2

1.2金属的晶体性 3

1.2.1晶体的特性 3

1.2.2空间点阵 4

1.2.3晶体、晶系与布拉菲格子 4

1.2.4晶向指数与晶面指数 5

1.3典型金属的晶体结构 8

1.3.1晶胞原子数 9

1.3.2原子半径 10

1.3.3配位数 10

1.3.4致密度 10

1.3.5晶胞中的间隙 11

1.3.6原子堆垛方式 12

1.4其它金属的晶体结构 13

1.4.1亚金属的晶体结构 13

1.4.2镧系金属的晶体结构 13

1.4.3多晶型性 15

1.5点缺陷 15

1.5.1空位 16

1.5.2间隙原子 16

1.5.3置换原子 17

1.5.4点缺陷的平衡浓度 17

1.5.5点缺陷的运动 17

1.6位错 17

1.6.1位错类型 17

1.6.2柏氏矢量与柏氏回路 19

1.6.3柏氏矢量的性质与表示方法 21

1.6.4位错密度 21

1.6.5位错运动 22

1.7面缺陷 23

1.7.1自由表面 23

1.7.2晶界 24

1.7.3孪晶界 26

1.7.4相界 26

1.7.5层错 27

习题 27

第2章 合金相结构 28

2.1固溶体 28

2.1.1置换固溶体 29

2.1.2间隙固溶体 31

2.1.3有序固溶体及固溶体微观不均匀性 32

2.1.4固溶体性能特点 33

2.2中间相 34

2.2.1正常价化合物 34

2.2.2电子化合物 35

2.2.3间隙相与间隙化合物 37

2.2.4拓朴密堆相 38

习题 39

第2篇 凝固理论及应用 40

第3章 金属的结晶 40

3.1金属结晶的基本条件 40

3.1.1金属结晶的过冷现象 40

3.1.2金属结晶的热力学条件 40

3.1.3结晶过程的一般规律 42

3.1.4金属结晶的结构条件 42

3.2形核 42

3.2.1均匀形核 42

3.2.2非均匀形核 45

3.3晶核长大 48

3.3.1晶核长大条件 48

3.3.2液固界面结构 48

3.3.3晶体长大方式 50

3.3.4晶体长大形态 51

3.3.5长大速度 52

3.4结晶理论实际应用 53

3.4.1细化晶粒 53

3.4.2铸锭的组织控制 54

3.5急冷凝固技术 56

3.5.1非晶态合金 56

3.5.2微晶合金 57

3.5.3准晶态合金 58

习题 59

第4章 金属的结晶 60

4.1二元合金相图与合金凝固 60

4.1概述 60

4.1.1二元合金相图的表示方法 60

4.1.2二元合金相图的测定 60

4.1.3相律 61

4.1.4杠杆定理 62

4.2匀晶相图及固溶体合金结晶 62

4.2.1匀晶相图分析 62

4.2.2固溶体合金的平衡结晶过程 63

4.2.3固溶体合金的非平衡结晶及技晶偏析 64

4.2.4固溶体合金的非平衡结晶与宏观偏析 65

4.2.5固溶体合金的成份过冷与晶体形态 68

4.3共晶相图及共晶合金结晶 71

4.3.1共晶相图分析 71

4.3.2合金的平衡结晶过程 71

4.3.3共晶合金的非平衡结晶 73

4.3.4共晶与初晶的组织形貌 75

4.4包晶相图 78

4.4.1包晶相图分析 78

4.4.2合金的平衡结晶过程 79

4.4.3包晶系合金的非平衡结晶 81

4.4.4包晶转变在生产中的应用 81

4.5其它类型二元合金相图 82

4.5.1具有其它三相平衡转变的二元相图 82

4.5.2两组元形成化合物时二元相图 83

4.5.3具有磁性转变和有序转变的二元相图 84

4.6二元合金相图的基本方法 84

4.6.1分析相图的基本方法 84

4.6.2利用相图可判断合金的热处理类型 86

4.6.3利用相图可判断合金的性能 86

4.7合金热力学对相图的解释 87

4.7.1自由焓——成份曲线 87

4.7.2公切线法则 88

4.7.3用自由焓——成份曲线绘制相图 89

习题 89

第5章 铁碳合金相图 91

5.1铁碳合金的组元和基本相 91

5.1.1铁碳合金的组元 91

5.1.2铁碳合金中的基本相 91

5.2铁碳合金相图分析 92

5.2.1相图中特性点 92

5.2.2相图中特性线 93

5.3铁碳合金平衡结晶过程 94

5.3.1工业纯铁的平衡结晶过程 95

5.3.2共析钢的平衡结晶过程 95

5.3.3亚共析钢的平衡结晶过程 97

5.3.4过共析钢的平衡结晶过程 98

5.3.5共晶合金的平衡结晶过程 99

5.3.6亚共晶白口铁的平衡结晶过程 100

5.3.7过共晶白口铁的平衡结晶过程 101

5.4碳对铁碳合金的平衡组织与性能影响 101

5.5钢中杂质对钢组织和性能的影响 103

5.5.1硅、锰对钢的组织和性能的影响 104

5.5.2硫和磷对钢的组织和性能的影响 104

5.5.3氢、氮、氧对钢的组织和性能的影响 105

5.6钢锭的组织和缺陷 106

5.6.1镇静钢锭的组织和缺陷 106

5.6.2沸腾钢锭的组织和缺陷 107

习题 108

第6章 三元合金相图 109

6.1三元相图的基本知识 109

6.1.1概述 109

6.1.2三元相图成份表示法 109

6.1.3杠杆定律 110

6.1.4重心法则 111

6.2三元匀晶相图 111

6.2.1相图空间结构 111

6.2.2合金凝固过程及组织 111

6.2.3等温截面（水平截面） 111

6.2.4等温线投影图 113

6.2.5变温截面（垂直截面） 113

6.3固态下互不溶解的三元共晶相图 114

6.3.1相图空间结构 114

6.3.2投影图及合金结晶过程 115

6.4固态下有限溶解的三元共晶相图 116

6.4.1相图空间结构 116

6.4.2三元共晶系的空间投影图 118

6.4.3合金结晶过程及组织 118

6.4.4变温截面（垂直截面） 121

6.4.5等温截面（水平截面） 122

6.5三元包共晶相图 123

6.5.1相图的空间结构 123

6.5.2包共晶系投影图及结晶过程分析 124

6.5.3等温截面（水平截面） 125

6.5.4变温截面（垂直截面） 126

6.6三元相图中三相平衡与四相平衡 127

6.6.1三相平衡 127

6.6.2四相平衡 128

6.7三元相图实例分析 130

6.7.1变温截面（Fe-Cr-C系） 130

6.7.2等温截面（Fe-Cr-C系） 131

6.7.3液相面投影图（Al-Cu-Mg系） 132

6.7.4固溶度面投影图（Al-Mg-Si系） 133

习题 134

第3篇 形变理论及其应用 138

第7章 金属与合金的塑性变形 138

7.1应力——应变曲线 138

7.1.1工程应力——应变曲线 138

7.1.2真应力——应变曲线 139

7.1.3弹性变形 140

7.2单晶体的塑性变形 141

7.2.1滑移 141

7.2.2滑移的位错机制 147

7.2.3孪生 148

7.3位错在塑性变形中的行为 150

7.3.1位错的交截 150

7.3.2位错的增殖 152

7.3.3位错的塞积 153

7.4多晶体的塑性变形 154

7.4.1多晶体塑性变形特点 154

7.4.2晶粒大小对机械性能的影响 154

7.5合金的塑性变形 155

7.5.1单相固溶体合金的塑性变形 155

7.5.2多相合金的塑性变形 157

7.6塑性变形对金属组织和性能的影响 159

7.6.1组织结构的变化 159

7.6.2性能变化 160

7.6.3残留应力 161

7.6.4变形结构 161

7.7金属的断裂 162

7.7.1断口形态 162

7.7.2影响金属材料断裂性质的基本因素 164

7.7.3断裂韧性 165

习题 167

第8章 回复与再结晶 169

8.1变形金属在加热时的变化 169

8.1.1显微组织和性能的变化 169

8.1.2加热过程中能量释放的情况 170

8.2回复 170

8.2.1回复动力学 171

8.2.2回复的机理 171

8.2.3回复以后金属性能的变化 172

8.3再结晶 173

8.3.1再结晶晶核形成与长大 173

8.3.2再结晶温度及其影响因素 174

8.4晶粒长大 176

8.4.1晶粒正常长大 176

8.4.2晶粒异常长大——二次再结晶 178

8.5再结晶退火后组织与性能 179

8.5.1再结晶全图 179

8.5.2再结晶织构 179

8.5.3退火孪晶 180

8.6金属的热加工 180

8.6.1动态回复与动态再结晶 181

8.6.2热加工后的组织与性能 182

8.7超塑性加工 183

8.7.1超塑性的表示 183

8.7.2影响超塑性的因素 184

8.7.3超塑性变形后组织变化 184

8.7.4超塑性变形的机制 185

习题 186

第4篇 固态相变理论及应用 187

第9章 固态金属中的扩散 187

9.1概述 187

9.1.1扩散的驱动力 187

9.1.2扩散的微观机制及扩散激活能 187

9.1.3扩散系数 188

9.1.4固态扩散的分类 189

9.2扩散定律 190

9.2.1扩散第一定律 190

9.2.2扩散第二定律 190

9.3影响扩散的因素 192

9.3.1温度的影响 192

9.3.2晶体结构的影响 192

9.3.3固溶体类型对扩散的影响 192

9.3.4固溶体浓度对扩散的影响 192

9.3.5晶体缺陷对扩散的影响 193

9.3.6化学成份对扩散的影响 193

习题 193

第10章 热处理原理与工艺 194

10.1概述 194

10.1.1热处理的分类 194

10.1.2钢的临界温度 194

10.2钢的加热转变 195

10.2.1奥氏体的形成 195

10.2.2奥氏体晶粒长大及其控制 197

10.3钢的冷却转变 199

10.3.1过冷奥氏体的等温转变 199

10.3.2过冷奥氏体的连续转变（CCT图） 206

10.3.3IT图与CCT图的比较与应用 206

10.4钢的退火与正火 207

10.4.1珠光体转变过程及影响因素 207

10.4.2退火工艺 208

10.4.3正火正艺 210

10.5钢的淬火 211

10.5.1马氏体转变的动力学特点 211

10.5.2影响马氏体转变的因素 212

10.5.3钢的淬火工艺 213

10.5.4淬火缺陷及防止 217

10.5.5贝氏体转变 219

10.6钢的淬透性 223

10.6.1淬透性的概念 223

10.6.2淬硬层深度的确定 223

10.6.3影响淬透性的因素 224

10.6.4淬透性的测定方法 224

10.6.5淬透性曲线的应用 226

10.7钢的回火 229

10.7.1钢在回火时的组织变化 229

10.7.2淬火钢回火后的组织与性能变化 230

10.7.3回火工艺 230

10.7.4回火脆性 232

10.8钢的表面热处理 233

10.8.1感应加热表面热处理 233

10.8.2火焰加热表面热处理 234

10.8.3激光加热表面热处理 234

10.8.4电子束加热表面热处理 235

10.9钢的化学热处理 236

10.9.1化学热处理概述 236

10.9.2钢的渗碳 237

10.9.3钢的氮化 240

10.9.4钢的碳氮共渗 241

10.9.5钢的渗硼 242

10.9.6钢的渗铝 243

10.10表面热处理新技术 244

10.10.1热喷涂技术 244

10.10.2气相沉积技术 246

10.10.3离子注入 247

10.10.4化学镀 248

习题 248

第5篇 工程材料 251

第11章 工业用钢 251

11.1概述 251

11.2钢的分类及编号 251

11.2.1钢的分类 251

11.2.2钢的编号 252

11.3合金元素在钢中的作用 253

11.3.1合金元素与铁和碳的相互作用 253

11.3.2合金元素在钢中的分布 256

11.3.3合金元素对钢的相变的影响 256

11.4工程构件用钢 260

11.4.1工程构件用钢的性能要求 260

11.4.2工程构件用钢的合金化 260

11.4.3常用工程构件用钢 260

11.5机器零件用钢 262

11.5.1机器零件用钢的性能及合金化特点 263

11.5.2常用机器零件用钢 263

11.6工具钢 271

11.6.1刃具钢 272

11.6.2量具钢 278

11.6.3模具钢 279

11.7特殊钢 282

11.7.1不锈钢 282

11.7.2耐热钢 287

11.7.3耐磨钢 293

习题 294

第12章 铸铁 296

12.1概论 296

12.1.1铸铁组织与性能特点 296

12.1.2铸铁的石墨化 296

12.1.3铸铁的分类 298

12.2常用铸铁 299

12.2.1灰口铸铁 299

12.2.2可锻铸铁 302

12.2.3球墨铸铁 304

12.2.4蠕墨铸铁 308

12.3合金铸铁 309

12.3.1耐磨铸铁 309

12.3.2耐蚀铸铁 310

习题 311

第13章 有色金属及其合金 312

13.1铝及铝合金 312

13.1.1纯铝 312

13.1.2铝的合金化及强化途径 313

13.1.3铝合金的分类 314

13.1.4变形铝合金 314

13.1.5铸造铝合金 322

13.2铜及铜合金 324

13.2.1纯铜 324

13.2.2铜的合金化及强化方法 325

13.2.3黄铜 325

13.2.4青铜 329

13.2.5白铜 331

13.3钛及钛合金 333

13.3.1纯钛 333

13.3.2钛的合金化 333

13.3.3工业钛合金 333

13.3.4钛合金的热处理 334

13.4轴承合金 336

13.4.1轴承合金性能要求 336

13.4.2锡基轴承合金 337

13.4.3铅基轴承合金 338

13.4.4铜基轴承合金 338

13.4.5铝基轴承合金 339

习题 341

第14章 粉末冶金材料 342

14.1粉末冶金原理和生产过程 342

14.1.1粉末的制取 342

14.1.2压制成型 343

14.1.3烧结 343

14.1.4烧结后处理 343

14.2结构材料 343

14.2.1制造零件用的结构材料 343

14.2.2减摩材料 344

14.2.3摩擦材料 345

14.2.4多孔材料 346

14.3工具材料 347

14.3.1硬质合金 347

14.3.2超硬材料 349

14.3.3粉末高速钢 350

14.4其它粉末冶金材料 350

14.4.1耐热材料 350

14.4.2电磁材料 352

14.4.3原子能工程材料 353

习题 354

第15章 非金属机械工程材料 355

15.1高分子材料 355

15.1.1高分子材料的基本概念 355

15.1.2高分子化合物的结构与性能 357

15.1.3工程塑料 366

15.2工程陶瓷材料 370

15.2.1陶瓷材料的物质结构与显微组织 371

15.2.2陶瓷材料的制作工艺及分类 375

15.2.3陶瓷材料的性能及应用 377

15.3复合材料 379

15.3.1复合材料的分类及命名 379

15.3.2复合材料的增强机制 380

15.3.3复合材料的性能特点 381

15.3.4常用复合材料 382

15.3.5未来材料发展方向 388

习题 389

参考文献 390