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绪论 1

第1章　原子结构和晶体结构 4

1.1　原子的结构 4

1.1.1　材料的结构层面和应用 4

1.1.2　原子结构 5

1.1.3　元素周期表 5

1.1.4　原子结合键 7

1.1.5　结合能和原子间距 11

1.2　原子和离子排列 12

1.3　晶体结构的表示方法 13

1.3.1　点阵、晶胞和晶体结构 13

1.3.2　晶系和布拉菲点阵 14

1.4　纯金属的晶体结构 15

1.4.1　典型金属的晶体结构 15

1.4.2　同素异构或多晶型性转变 19

1.5　晶胞中的点、晶向和晶面 19

1.5.1　点的坐标 19

1.5.2　晶胞中的方向 20

1.5.3　阵点间距、线密度和堆垛密度 20

1.5.4　晶面指数 21

1.5.5　六方指数 23

1.5.6　密排面、密排方向和堆垛方式 25

1.5.7　各向异性与各向同性 25

1.5.8　重要的晶体学公式 26

1.6　间隙 27

1.6.1　间隙位置和间隙半径 27

1.6.2　配位数和半径比 29

1.7　离子晶体结构和共价晶体结构 30

1.7.1　离子晶体结构 30

1.7.2　共价晶体结构 31

1.8　晶体结构分析中的衍射技术 32

1.8.1　X射线衍射（XRD）和电子衍射 32

1.8.2　电子衍射和电子显微镜（TEM） 33

小结 34

习题 35

第2章　晶体缺陷 37

2.1　点缺陷 37

2.1.1　点缺陷的分类 37

2.1.2　点缺陷对体系热力学能和熵的影响 38

2.1.3　空位与间隙原子的平衡浓度 39

2.1.4　过饱和点缺陷 40

2.1.5　点缺陷与材料行为 41

2.2　位错 42

2.2.1　金属理论强度和位错学说的产生 42

2.2.2　位错的基本类型 44

2.2.3　柏氏矢量和柏氏回路 46

2.2.4　位错的萌生 48

2.2.5　位错密度及其与强度的关系 49

2.2.6　位错的运动 50

2.2.7　位错的观察 52

2.3　面缺陷概述 53

2.3.1　晶体表面 53

2.3.2　晶界 54

2.3.3　晶界特性 55

2.3.4　晶界的观察 56

2.3.5　堆垛层错 56

2.3.6　孪晶界 56

2.3.7　相界 57

小结 58

习题 59

第3章　凝固原理 61

3.1　金属结晶的条件和一般过程 61

3.1.1　冷却曲线与过冷现象 61

3.1.2　金属结晶的热力学条件 62

3.1.3　结晶的微观过程 62

3.2　晶核的形成 63

3.2.1　均匀形核 63

3.2.2　非均匀形核 67

3.3　晶体的长大 69

3.3.1　晶体的长大机理 69

3.3.2　晶体长大方式及其形貌 71

3.3.3　凝固时间和枝晶尺寸 73

3.3.4　对结构和性能的影响 74

3.4　晶粒大小及其控制 75

3.4.1 晶粒大小的表示法 75

3.4.2　晶粒大小与过冷度的关系 75

3.4.3　晶粒度对金属性能的影响 76

3.4.4　控制晶粒度的方法 76

3.4.5　其它控制形核的应用 77

3.5　铸锭组织 78

3.5.1　铸锭的宏观组织 78

3.5.2　铸锭组织的控制 79

3.5.3　定向凝固、单晶生长和外延生长 79

小结 80

习题 81

第4章　固态扩散 83

4.1　扩散的统计规律 83

4.1.1　菲克第一定律 83

4.1.2　菲克第二定律 84

4.1.3　菲克方程的解 85

4.1.4　柯肯达尔效应 87

4.2　扩散的驱动力 88

4.3　扩散类型和微观机理 89

4.3.1　金属中的扩散类型 89

4.3.2　晶格扩散的微观机制 90

4.3.3　离子晶体的扩散 92

4.3.4　非晶态固体中的扩散 92

4.4　影响扩散的因素 93

4.4.1　温度的影响 93

4.4.2　成分的影响 93

4.4.3　晶体结构的影响 95

4.4.4　晶体缺陷的影响 96

4.5　扩散和材料加工 97

4.5.1　金属粘接 97

4.5.2　渗碳 98

小结 99

习题 100

第5章　材料的力学性能 101

5.1　材料承受静载荷时的力学性能 101

5.1.1　材料的拉伸曲线 101

5.1.2　材料的变形及其性能指标 103

5.1.3　材料的断裂及其性能指标 105

5.1.4　材料的弯曲及其性能指标 107

5.1.5　材料的硬度 108

5.2　材料承受冲击载荷时的力学性能 110

5.2.1　冲击弯曲试验 111

5.2.2　多次冲击试验 111

5.2.3　冲击韧性及其意义 111

5.3　材料的疲劳 112

5.3.1　疲劳曲线 112

5.3.2　疲劳极限 112

5.3.3　疲劳断口 113

5.4　材料的断裂韧性 114

5.4.1　断裂韧性的概念 114

5.4.2　影响材料断裂韧性的因素 115

5.5　材料的磨损性能 115

5.5.1　磨损过程和磨损的分类 115

5.5.2　提高材料耐磨性的途径 116

5.6　材料的蠕变性能 117

5.6.1　材料的蠕变现象 117

5.6.2　蠕变性能指标 117

小结 118

习题 119

第6章　塑性变形与再结晶 120

6.1　晶体的塑性变形 120

6.1.1　单晶体的塑性变形 120

6.1.2　多晶体的塑性变形 128

6.1.3　合金的塑性变形 130

6.2　塑性变形对材料组织与性能的影响 134

6.2.1 塑性变形对材料组织的影响 134

6.2.2　塑性变形对材料性能的影晌 137

6.3　回复与再结晶 138

6.3.1　冷变形材料在加热时组织与性能的变化 138

6.3.2　回复 139

6.3.3　再结晶 141

6.3.4　再结晶后晶粒的大小 144

6.3.5　晶粒长大 145

6.4　金属的热加工变形 147

6.4.1　热加工变形与冷加工变形 147

6.4.2　动态回复与动态再结晶 148

6.4.3　热加工变形后的组织与性能 149

6.4.4　超塑性 151

小结 153

习题 153

第7章　合金的相结构与结晶 155

7.1　固态合金的相结构 155

7.1.1 固溶体 156

7.1.2　金属间化合物 157

7.2　二元合金相图的建立 160

7.2.1　二元合金相图的表示方法 160

7.2.2　二元合金相图的测定方法 161

7.2.3　相律、杠杆定律及应用 162

7.3　匀晶相图及固溶体的结晶 164

7.3.1　二元匀晶相图分析 164

7.3.2　合金的平衡结晶过程 165

7.3.3　非平衡结晶与枝晶偏析 165

7.3.4　合金凝固时溶质在液固两相中的重新分配 166

7.3.5　区域熔炼 168

7.3.6　合金凝固过程的成分过冷 168

7.4　二元共晶相图及其合金的结晶 169

7.4.1　二元共晶相图分析 170

7.4.2　典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织 170

7.4.3　不平衡结晶 172

7.5　二元包晶相图及其合金的结晶 174

7.5.1　包晶相图分析 174

7.5.2　典型包晶合金的凝固及其平衡组织 174

7.5.3 包晶合金的非平衡凝固 176

7.6　二元相图的分析方法与应用 176

7.6.1　二元相图的分析方法 176

7.6.2　根据相图推测合金的性能 177

7.7　其它类型的相图 178

7.7.1　形成化合物的相图 178

7.7.2　具有偏晶转变的相图 179

7.7.3　具有合晶转变的相图 179

7.7.4　具有熔晶转变的相图 180

7.7.5　具有固态相变的二元相图 180

7.8　三元合金相图 182

7.8.1　三元合金相图的成分表示方法 182

7.8.2　三元系平衡相的定量法则 184

7.8.3　三元匀晶相图 186

7.8.4　三元共晶相图 188

7.8.5　两相平衡、三相平衡和四相平衡的类型和一般规律 191

7.8.6　三元相图应用举例 193

小结 194

习题 196

第8章　铁碳合金与铁碳合金相图 198

8.1　铁碳合金基本组元、基本相 198

8.1.1　铁碳合金基本组元及特性 198

8.1.2　铁碳合金中的基本相、基本组织及其性能 199

8.2　Fe-Fe3C相图分析 200

8.2.1　Fe-Fe3C相图中的点线区 201

8.2.2　典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织 202

8.2.3　铁碳合金碳的质量分数与平衡组织、力学性能之间的关系 209

8.2.4　Fe-FE3C相图的应用 212

8.3　碳钢 213

8.3.1　钢中常存杂质元素的影响 213

8.3.2　碳钢的分类及应用 213

小结 214

习题 215

第9章　固态相变和热处理 217

9.1　概述 217

9.1.1　热处理的作用 217

9.1.2　钢的临界温度 218

9.2　钢在加热时的转变 219

9.2.1 共析钢的奥氏体形成过程 219

9.2.2　影响奥氏体形成速度的因素 221

9.2.3　非共析钢的奥氏体形成过程 223

9.2.4　奥氏体晶粒度及其影响因素 223

9.3　钢在冷却时的转变 226

9.3.1　概述 226

9.3.2　共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线 227

9.3.3　影响过冷奥氏体等温转变的因素 228

9.3.4　过冷奥氏体连续冷却转变曲线及其应用 231

9.3.5　珠光体转变 235

9.3.6　马氏体转变 241

9.3.7　贝氏体转变 250

9.3.8　钢在回火时的转变 256

9.4　合金的时效与调幅分解 262

9.4.1　合金的固溶与时效 262

9.4.2　调幅分解 264

9.5　钢的退火与正火 265

9.5.1　退火 265

9.5.2　正火 268

9.6　钢的淬火与回火 270

9.6.1　钢的淬火 270

9.6.2　钢的回火 277

9.6.3　淬火加热缺陷及其防止方法 278

9.7　形变热处理 279

9.7.1 高温形变热处理 279

9.7.2　低温形变热处理 280

9.8　表面淬火 280

9.8.1　感应加热表面淬火 280

9.8.2　其它表面淬火方法 282

9.9　化学热处理 283

9.9.1　化学热处理的基本过程 284

9.9.2　钢的渗碳 284

9.9.3　钢的渗氮 289

9.9.4　钢的碳氮共渗与氮碳共渗 291

9.9.5　其它化学热处理 292

9.9.6　表面化学热处理新技术 293

小结 294

习题 296

第10章　钢铁材料 299

10.1　钢的分类与编号 299

10.1.1　钢的分类 299

10.1.2　钢的编号 300

10.2　合金元素在钢中的主要作用 303

10.2.1　合金元素在钢中的存在形式 303

10.2.2　合金元素与铁和碳的相互作用 304

10.2.3　合金元素对相变的影响 306

10.2.4　合金元素对力学性能的影响 310

10.3　合金结构钢 311

10.3.1　低合金高强度钢 311

10.3.2　切削钢 314

10.3.3　渗碳钢 315

10.3.4　调质钢 318

10.3.5　弹簧钢 323

10.3.6　滚动轴承钢 325

10.4　合金工具钢 327

10.4.1　刃具钢 327

10.4.2　模具钢 333

10.4.3　量具钢 336

10.5　特殊性能钢及合金 338

10.5.1　不锈钢 338

10.5.2　耐热钢 342

10.5.3　耐磨钢 343

10.5.4　硬质合金 344

10.6　铸铁 346

10.6.1　概述 346

10.6.2　灰铸铁 349

10.6.3　可锻铸铁 351

10.6.4　球墨铸铁 352

10.6.5　蠕墨铸铁 354

10.6.6　其它铸铁简介 355

小结 357

习题 360

第11章　有色金属及其合金 362

11.1　铝及其合金 362

11.1.1　概述 362

11.1.2　铝合金的强化 363

11.1.3　铸造铝合金及其热处理 365

11.1.4　变形铝合金及其热处理 367

11.2　铜及其合金 370

11.2.1　概述 370

11.2.2　黄铜 372

11.2.3　青铜 373

11.3　钛及其合金 375

11.3.1　钛及其合金的性能特点 375

11.3.2　钛合金的分类 376

11.3.3　常用钛合金 376

11.4　镁及其合金 377

11.4.1　镁及其合金的性能特点 377

11.4.2　镁合金的分类 378

11.4.3　常用镁合金 379

11.4.4　镁合金的热处理 379

11.5　轴承合金 380

11.5.1　概述 380

11.5.2　锡基轴承合金 381

11.5.3　铝基轴承合金 381

11.5.4　铜基轴承合金 382

11.6　镍合金和钴合金 383

11.6.1　镍合金和蒙耐尔合金 383

11.6.2　超合金 383

11.7　新型及特种用途材料 384

11.7.1　非晶态合金 384

11.7.2　纳米材料 384

11.7.3　梯度材料 385

11.7.4　记忆合金 386

11.7.5　贮氢材料 386

小结 387

习题 389

第12章　非金属材料 390

12.1　陶瓷材料 390

12.1.1　概述 390

12.1.2　结构陶瓷 396

12.1.3　功能陶瓷 399

12.1.4　微晶玻璃 404

12.1.5　耐火材料 405

12.2　高分子材料 406

12.2.1　概述 406

12.2.2　塑料 409

12.2.3　橡胶 416

12.2.4　胶粘剂 419

12.3　复合材料 420

12.3.1　概述 420

12.3.2　基体和增强体 422

12.3.3　颗粒增强复合材料 426

12.3.4　纤维增强复合材料 429

12.3.5　层合复合材料 435

小结 435

习题 436

参考文献 438