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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