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绪论 1

1 金属的晶体结构 4

1.1 金属的通性与金属键 4

1.2 晶体学基础 4

1.2.1 晶体与非晶体 4

1.2.2 空间点阵与晶胞 5

1.2.3 七大晶系和十四种空间点阵 6

1.2.4 晶体的对称性概念 8

1.2.6 晶面指数和晶向指数 10

1.2.5 晶体结构与空间点阵 10

1.2.7 晶面及晶向间的夹角 15

1.2.8 晶带 16

1.2.9 晶面间距 16

1.3 金属的晶体结构 17

1.3.1 金属的三种典型晶体结构 17

1.3.2 晶体的原子堆垛方式和间隙 20

1.3.3 金属的其他类型结构 25

1.4 晶体的极射投影 26

1.4.2 极射投影 27

1.4.1 球面投影 27

1.4.3 吴氏网 28

1.4.4 标准极射投影图 29

习题 31

2 纯金属的凝固 32

2.1 液态金属 32

2.1.1 液态金属的性质特点 32

2.2.1 液态金属的凝固过程 33

2.1.2 液态金属的结构 33

2.2 液态金属的凝固 33

2.2.2 金属凝固的热力学条件 35

2.3 晶核的形成 36

2.3.1 均匀形核 36

2.3.2 非均匀形核 39

2.4 晶核长大 42

2.4.1 液固相界面的微观结构 42

2.4.2 液固相界面沿液相中的温度梯度 43

2.4.4 晶体长大机制 44

2.4.3 液固相界面上原子迁移与动态过冷度 44

2.4.5 晶体长大后的界面形状 45

2.5 凝固理论的实际应用 48

2.5.1 铸态晶粒组织的控制 48

2.5.2 单晶及单向柱晶的制取 50

2.5.3 快速凝固技术与非晶态金属 52

习题 54

3.1.1 相 55

3.1.2 合金相种类 55

3.1 二元合金中存在的相 55

3 二元合金相图及合金的凝固组织 55

3.1.3 相平衡条件与相律 56

3.2 二元相图的表示法及杠杆定律 56

3.2.1 相图的表示法 56

3.2.2 杠杆定律 58

3.3 二元相图的测绘 58

3.4.1 相图分析 60

3.4.2 固溶体合金的平衡凝固及组织 60

3.4 匀晶相图及固溶体合金的凝固与组织 60

3.4.3 固溶体合金的非平衡凝固及组织 62

3.4.4 固溶体合金凝固过程中溶质的再分配 63

3.4.5 区域熔炼提纯 67

3.4.6 成分过冷及其对晶体长大形状和铸锭组织的影响 67

3.5 共晶相图及共晶系合金的凝固组织 71

3.5.1 相图分析 71

3.5.2 共晶系合金的平衡凝固和组织 71

3.5.3 共晶组织形态及其形成机理 74

3.5.4 共晶合金的非平衡凝固和组织 77

3.6 包晶相图及包晶合金的凝固组织 80

3.6.1 相图分析 80

3.6.2 包晶系合金的平衡凝固和组织 81

3.6.3 包晶系合金的非平衡凝固和组织 81

3.6.4 包晶转变的实际应用 82

3.7 偏晶相图及其合金的凝固组织 82

3.8 具有合晶反应和熔晶反应的相图 83

3.8.1 合晶反应 83

3.8.2 熔晶反应 83

3.9.2 形成不稳定化合物的二元相图 84

3.9 形成化合物的二元相图 84

3.9.1 形成稳定化合物的二元相图 84

3.10 具有固态转变的二元相图 85

3.10.1 具有共析转变的相图 85

3.10.2 具有包析转变的相图 85

3.10.3 具有偏析转变的相图 85

3.10.4 具有无序-有序转变的相图 86

3.10.5 具有固溶度变化的相图 86

3.10.6 具有磁性转变的相图 86

3.12 Fe-C相图及铁碳合金 87

3.11 建立二元相图的一些几何规则 87

3.12.1 Fe-C相图 88

3.12.2 铁碳合金的平衡结晶过程和室温平衡组织 90

3.13 相图的热力学知识 94

3.13.1 固溶体的自由能 95

3.13.2 混合相的自由能 98

3.13.3 多相平衡的条件 98

3.13.4 由二元系各相的自由能曲线绘制相图 101

习题 104

4 三元相图 106

4.1 三元相图的成分表示法 106

4.2 杠杆定律和重心法则 107

4.2.1 杠杆定律 108

4.2.2 重心法则 108

4.3 匀晶三元相图 109

4.3.1 相图的立体模型 109

4.3.2 合金凝固过程及组织 109

4.3.3 等温截面 110

4.3.4 变温截面 111

4.4 简单三元共晶相图 112

4.4.1 相图的立体模型 112

4.4.2 合金的凝固过程和组织 113

4.4.3 等温截面 114

4.4.4 变温截面 114

4.5 固态有限溶解的三元共晶相图 116

4.5.1 相图的立体模型 116

4.5.2 合金的凝固过程和组织 116

4.5.3 等温截面 119

4.5.4 变温截面 120

4.6 具有包共晶反应的三元相图 121

4.6.1 相图的立体模型 121

4.6.2 合金的凝固过程和组织 122

4.6.3 等温截面 123

4.6.4 变温截面 124

4.6.5 固相具有固溶度时的相区界面投影图 124

4.7 具有三元包晶反应的三元相图 125

4.8 形成稳定化合物的三元相图 126

4.8.1 形成一个稳定化合物的三元相图简化法 126

4.8.2 形成几个稳定化合物的三元相图简化法 127

4.9 三元相图分析方法总结 127

4.9.1 三元系的两相平衡 128

4.9.2 三元系的三相平衡 128

4.9.3 三元系的四相平衡 130

4.10 三元相图实例 132

4.10.1 Pb-Sn-Bi系 132

4.9.4 三元相图中的相区接触规则 132

4.10.2 AI-Cu-Mg系 133

4.10.3 W-C-Co系 135

4.10.4 MgO-AI203-Si02系 136

4.10.5 Fe-Cr-C系 137

习题 140

5.1.1 固溶体的类型 142

5.1.2 形成置换固溶体的一些经验规律 142

5.1 固溶体 142

5 合金相的结构及形成规律 142

5.1.3 填隙固溶体 146

5.1.4 固溶体的微观不均匀性 147

5.1.5 长程有序固溶体(超结构) 147

5.1.6 固溶体的性质 151

5.2 金属间化合物(中间相) 152

5.2.1 正常价化合物 153

5.2.2 电子化合物 153

5.2.3 原子尺寸因素化合物 154

5.2.4 金属间化合物的特性与应用 159

习题 161

6 空位与位错 162

6.1 空位 162

6.1.1 空位的热力学分析 162

6.1.2 过饱和空位 164

6.1.3 空位的迁移 164

6.1.4 空位对金属性能的影响 165

6.1.5 小结 166

6.2 位错的基本类型及特征 167

6.2.1 刃型位错 167

6.2.2 螺型位错 168

6.2.3 混合位错 169

6.3 柏氏矢量 170

6.3.1 确定柏氏矢量的方法 170

6.3.2 柏氏矢量的特征 172

6.4 位错的运动 172

6.4.1 位错滑移时的晶格阻力 172

6.4.2 刃型位错的运动 173

6.4.3 螺型位错的运动 174

6.4.5 位错运动的小结 175

6.4.4 混合位错的运动 175

6.5.1 应力分量 176

6.5 位错的应力场 176

6.5.2 螺型位错应力场 177

6.5.3 刃型位错应力场 178

6.6 位错的应变能 180

6.6.1 螺型位错的应变能 180

6.6.2 刃型位错的应变能 180

6.6.3 混合位错的应变能 180

6.7.1 位错的线张力 181

6.7 位错的受力 181

6.7.2 外力场中位错所受的力 182

6.8 位错与晶体缺陷的相互作用 184

6.8.1 位错之间的相互作用 184

6.8.2 位错的塞积 188

6.8.3 位错与点缺陷之间的交互作用 190

6.9 位错的萌生与增殖 192

6.9.1 晶体中位错的萌生 192

6.9.2 晶体中位错的增殖 193

6.10 实际晶体中的位错组态 195

6.10.1 常见的三种金属晶体结构中单位位错的柏氏矢量 195

6.10.2 层错 195

6.10.3 不全位错 197

6.10.4 位错反应与扩展位错 198

6.11 位错的观测 205

习题 207

7.1.1 表面能 209

7.1 表面 209

7 界面 209

7.1.2 表面吸附 210

7.2 晶界与亚晶界 211

7.2.1 大角度晶界 211

7.2.2 小角度晶界 212

7.2.3 亚晶界 214

7.2.4 晶界能 215

7.2.5 晶界能的实际意义 216

7.3.1 晶界的平衡偏聚 218

7.3 晶界的偏聚 218

7.3.2 晶界的非平衡偏聚 219

7.3.3 晶界偏聚的实际意义 219

7.4 孪晶界 220

7.5 相界 221

7.5.1 共格相界 221

7.5.2 半共格相界 221

7.6 复合材料的界面问题 222

习题 224

8.1.1 滑移 225

8 金属的塑性变形 225

8.1 单晶体金属的塑性变形 225

8.1.2 孪生 234

8.1.3 其他变形方式 238

8.2 多晶体的塑性变形 238

8.2.1 晶粒取向不同对塑性变形的影响 239

8.2.2 晶界对滑移的阻滞效应 239

8.2.3 晶粒大小对金属强度和塑性的影响 240

8.3.1 单相固溶体合金塑性变形的特点 242

8.3 合金的塑性变形 242

8.3.2 复相合金的塑性变形 245

8.4 金属塑性变形后的组织与性能 248

8.4.1 塑性变形对金属组织的影响 248

8.4.2 加工硬化 250

8.4.3 变形后金属中的残余应力 254

8.4.4 变形织构 256

8.4.5 塑性变形对金属其他性能的影响 257

习题 258

9 回复、再结晶与热加工 259

9.1 变形金属在加热时组织性能变化的特点 259

9.2 回复 260

9.2.1 回复动力学 260

9.2.2 回复时亚结构的变化与回复机制 261

9.2.3 回复退火的应用 264

9.3 再结晶 265

9.3.1 再结晶过程 265

9.3.3 再结晶温度 267

9.3.2 再结晶动力学 267

9.3.4 再结晶后的晶粒大小及再结晶全图 270

9.3.5 再结晶织构 273

9.3.6 退火孪晶 275

9.4 晶粒长大 275

9.4.1 正常晶粒长大 275

9.4.2 反常晶粒长大(二次再结晶) 279

9.5.1 动态回复与动态再结晶 281

9.5 金属的热加工 281

9.5.2 金属的热塑性 285

9.5.3 热加工对金属组织和性能的影响 287

9.6 超塑性 288

9.6.1 微晶超塑性的特征 289

9.6.2 微晶超塑性变形机制 291

习题 292

10 固体金属中的扩散 293

10.1 扩散方程 293

10.1.1 菲克第一定律 293

10.1.3 菲克第二定律 295

10.1.2 扩散系数的测定 295

10.1.4 菲克第二定律的解 296

10.2 固溶体合金中的扩散 299

10.2.1 固溶体合金中的自扩散 299

10.2.2 固溶体合金中的互扩散——克肯达尔效应 299

10.3 扩散问题的热力学 300

10.3.1 扩散的驱动力 300

10.3.2 上坡扩散 301

10.4.1 间隙机制 302

10.4 扩散机制 302

10.4.2 空位机制 303

10.4.3 交换机制 304

10.5 影响扩散的因素 305

10.5.1 温度的影响 305

10.5.2 晶体缺陷的影响 305

10.5.3 晶体结构的影响 307

10.5.7 第三元素(或杂质)的影响 308

10.5.6 扩散元素浓度的影响 308

10.5.5 扩散元素性质的影响 308

10.5.4 固溶体类型的影响 308

10.6 反应扩散 309

10.6.1 反应扩散的概念 309

10.6.2 反应扩散的速率 310

10.7 金属材料中扩散问题的几个实例 310

10.7.1 铸锭均匀化 310

10.7.2 渗碳 311

10.7.3 金属表面氧化 312

10.7.4 金属的粘接 314

习题 316

11 合金成分、组织设计的初步概念 317

11.1 合金成分选择与设计 317

11.1.1 结构材料的力学性能与成分、组织的关系 317

11.1.2 功能材料的成分与性能之间关系的实例 324

11.2 加工热处理工艺与合金组织性能的关系 325

11.2.1 加工热处理对合金组织、性能影响的实例 325

11.2.2 新技术、新工艺对新型材料发展的促进 327

参考文献 331