金属材料结构与性能PDF电子书下载

第1章 金属晶体与晶体结构 1

1.1　晶体的基本特性 1

1.1.1　晶体的概念 1

1.1.2 晶体的基本共性 2

1.1.3　晶体的稳定性和不完整性 3

1.2　晶体的基本对称性 3

1.2.1　点对称操作 3

1.2.2　7种晶系 6

1.2.3　平移对称操作 6

1.2.4　14种布拉菲点阵 8

1.3　金属晶体的常见结构 12

1.3.1　单质晶体结构 12

1.3.2　AX型化合物 15

1.3.3 AX2型化合物 17

1.3.4 AX3型化合物 19

1.3.5　结构转变及概率占位 22

1.3.6　拓扑密堆型化合物 23

1.4　晶体取向与多晶体织构 25

1.4.1　晶体取向 25

1.4.2　晶体学织构 27

1.4.3　取向分布函数的数学原理 29

1.4.4　织构的表达与定量分析 33

1.4.5 六方晶系与四方晶系的取向空间 35

1.5　金属晶体结构的X衍射分析简介 37

1.5.1　X射线衍射的布拉格方程 37

1.5.2　X射线衍射强度 39

1.5.3　X射线衍射的结构因子 39

1.5.4 晶体点阵类型所引发的系统消光 41

1.5.5　多晶体极图的X射线测量原理 42

1.5.6　中子衍射结构分析 43

第2章 金属中的点缺陷 45

2.1　点缺陷的热力学分析 46

2.1.1 点缺陷的基本热力学关系 46

2.1.2　空位浓度的测量 46

2.1.3 自间隙原子的产生 48

2.2　受辐照金属的点缺陷组态 50

2.2.1 自间隙原子与空位的组态 50

2.2.2　点缺陷的聚集和自组织 51

2.2.3　合金体系中持续点缺陷流引起的原子再分布 52

2.3　受辐照金属的回复与辐照损伤 53

2.3.1　辐照后的回复 53

2.3.2　辐照损伤 55

第3章 金属晶体中的线缺陷 57

3.1　位错学说的产生 57

3.1.1　理论剪切强度的估算 57

3.1.2　位错理论的提出 59

3.2　位错的几何形态 60

3.2.1　位错的基本类型 60

3.2.2　柏氏回路及位错的柏氏矢量 64

3.2.3　位错的实验观察 68

3.2.4　位错的密度 70

3.3　位错的运动 70

3.3.1　位错的运动方向 71

3.3.2　位错的滑移运动 71

3.3.3　位错的攀移运动 71

3.3.4　位错的交滑移运动 72

3.3.5　位错运动的点阵阻力——PN力 73

3.3.6　位错运动与晶体的塑性变形 73

3.3.7　位错滑移造成的取向变化 74

3.4　位错的弹性性质 76

3.4.1　应力和应变分析 76

3.4.2　位错的应力场 78

3.4.3　位错的弹性应变能 81

3.4.4　作用在位错线上的力 83

3.5　位错与溶质原子的交互作用 88

3.5.1　位错与溶质原子的弹性交互作用 88

3.5.2　位错与溶质原子的静电交互作用 89

3.5.3　位错与溶质原子的化学交互作用 90

3.6　位错增殖与塞积 90

3.6.1　位错增殖 90

3.6.2　位错塞积群 91

3.7　实际晶体结构中的位错 93

3.7.1　全位错 93

3.7.2　不全位错 94

3.7.3　面心立方金属堆垛层错的类型 95

3.7.4　体心立方金属中的位错结构 101

3.7.5　有序合金中的位错 103

第4章 金属的面缺陷 107

4.1 晶界的取向特征 108

4.1.1 晶界的空间几何特点 108

4.1.2　晶界取向差 108

4.1.3 多晶体晶界的取向差分布 111

4.1.4　平移界面及其取向特征 115

4.2　晶界的基本结构 116

4.2.1　小角度晶界结构 117

4.2.2　小角度晶界能量 120

4.2.3　大角度晶界结构与重合位置点阵 121

4.2.4　大角度晶界能量 125

4.2.5　晶界的平衡偏析 126

4.3　晶界的迁移特征 128

4.3.1　小角度晶界的迁移率 129

4.3.2　大角度晶界的迁移率 131

4.3.3 晶界上偏聚的溶质对晶界迁移的拖曳 135

4.4　金属的表面 137

4.4.1　表面张力和表面能 137

4.4.2　表面的微观形貌 141

4.4.3　表面弛豫和重构 141

4.4.4　表面吸附与表面偏析 143

4.5　相界面 144

4.5.1　相界面的基本特征 144

4.5.2　界面的平衡形貌 147

第5章　金属静载力学性能试验 151

5.1　静载拉伸性能指标 151

5.1.1　拉伸试验与拉伸曲线 151

5.1.2 比例极限 152

5.1.3　弹性极限 153

5.1.4　弹性比功 154

5.1.5　屈服强度 154

5.1.6　抗拉强度 155

5.1.7　延伸率和断面收缩率 155

5.2　拉伸真实应力-应变曲线 156

5.2.1　真实应力-应变曲线与工程应力-应变曲线的比较 156

5.2.2　金属塑性变形的加工硬化 157

5.2.3　金属的加工硬化指数与成形性 158

5.3　其他静载力学性能试验方法 159

5.3.1　压缩试验 159

5.3.2　弯曲试验 160

5.3.3　扭转试验 161

第6章 金属静载变形行为 164

6.1　弹性变形物理本质 164

6.1.1　弹性变形现象及其特点 164

6.1.2　胡克定律 165

6.1.3　弹性变形的物理本质 166

6.2　弹性常数 167

6.2.1　弹性常数的工程意义 167

6.2.2　影响弹性模量的因素 169

6.3　弹性不完整性与内耗 171

6.3.1　弹性后效 171

6.3.2　循环韧性 172

6.4　金属的塑性变形及其微观机制 173

6.4.1　金属的塑性变形及其特点 173

6.4.2　金属的塑性变形微观机制 175

6.4.3　材料塑性的工程意义 177

第7章 金属强度与强化理论 178

7.1　金属强度的本质与构成 178

7.1.1　点阵阻力 179

7.1.2　位错间的交互作用阻力 179

7.1.3　金属屈服强度的本质及构成 180

7.1.4　金属强化的一般途径 180

7.2　金属的细化晶粒强化 181

7.2.1　多晶体的屈服强度 181

7.2.2　Hall-Petch公式 181

7.2.3　细化晶粒强化的基本规律 182

7.3　金属的固溶强化 183

7.3.1　固溶强化现象 183

7.3.2　固溶强化机理 184

7.4　金属的第二相强化 185

7.4.1　分散型第二相的强化 186

7.4.2　集聚型第二相的强化 187

7.5　金属的形变强化 188

7.5.1　单晶体的形变强化 189

7.5.2　多晶体的形变强化 189

7.5.3　影响形变强化的因素 190

7.5.4　各种基本强化机制的耦合效应 193

第8章 金属的断裂与韧化 194

8.1　金属韧性断裂 195

8.1.1　纯剪切型断裂 195

8.1.2　微孔聚集型断裂 195

8.2　金属脆性断裂 200

8.2.1　解理断裂 200

8.2.2　沿晶断裂 204

8.3　金属脆化因素与脆化机制 205

8.3.1　缺口脆性 205

8.3.2 冲击脆性 210

8.3.3　低温脆性 214

8.3.4　金属韧化机制 216

第9章 金属裂纹体的断裂与断裂韧性 219

9.1　格里菲斯理论 219

9.1.1　理论断裂强度 219

9.1.2　格里菲斯断裂理论 220

9.2　线弹性断裂力学的基本原理 222

9.2.1 裂纹尖端的应力场及其强度因子KI 223

9.2.2　断裂韧性和脆断判据 225

9.2.3　裂纹尖端塑性区及其修正 226

9.2.4　裂纹扩展能量释放率 228

9.2.5 弹塑性状态的断裂判据——COD和J积分简介 229

9.3　断裂韧性测试与应用 231

9.3.1　试样制备 231

9.3.2　测试方法 231

9.3.3　试验结果的处理 233

9.3.4　断裂韧性的应用 234

第10章　金属的疲劳 236

10.1　金属机械疲劳现象 236

10.1.1　循环应力 236

10.1.2　疲劳断口特征 237

10.2　疲劳强度与疲劳寿命 237

10.2.1　高周疲劳 238

10.2.2　低周疲劳 241

10.3　疲劳损伤理论及疲劳性能的提高 243

10.3.1　疲劳裂纹的萌生 243

10.3.2　疲劳裂纹的扩展 246

10.3.3　疲劳裂纹扩展速率 247

10.3.4　提高疲劳性能的途径 248

第11章　金属的蠕变与应力松弛 251

11.1　热-力耦合变形及其时间效应 251

11.1.1　热-力耦合变形过程 251

11.1.2　载荷的时间效应 252

11.2　蠕变机理与应力松弛 253

11.2.1　金属的蠕变现象 253

11.2.2　蠕变机制 254

11.2.3　蠕变断裂过程 256

11.2.4　金属的应力松弛 257

11.3　蠕变抗力指标与影响因素 258

11.3.1　蠕变抗力指标 258

11.3.2　蠕变抗力影响因素 260

第12章　金属材料的电学性能 262

12.1　金属材料的电学基本理论 262

12.1.1　经典自由电子论 262

12.1.2 晶体能带理论 263

12.1.3　导体与非导体能带 266

12.2　金属材料的基本导电性能 268

12.2.1　电阻电阻率电导率 268

12.2.2 电学性能与微观结构之间的关系 270

12.3 半导体的导电特性 277

12.3.1　半导体导电特性概述 277

12.3.2　本征半导体的导电性 277

12.3.3　非本征半导体的导电性 280

12.3.4　半导体导电特性小结 282

12.4　金属材料的热电效应 283

12.4.1　塞贝克效应 283

12.4.2　帕耳帖效应 284

12.4.3　汤姆孙效应 285

12.4.4　热电效应的应用——热电偶 285

12.5　金属的超导原理 286

12.5.1　超导体的基本性质 286

12.5.2 BCS理论 288

12.5.3　两类超导体的基本特征 288

12.5.4　超导隧道效应 289

12.5.5　超导材料的发展 290

12.5.6　超导材料的应用 291

第13章　材料的磁性能 292

13.1　材料磁性概述 292

13.1.1　基本磁学量 292

13.1.2　磁性系统的单位 295

13.1.3　材料的抗磁性和顺磁性 296

13.2　磁性起源和原子磁矩 297

13.2.1 自由原子的磁矩 297

13.2.2　材料中的原子磁矩 300

13.3　自发磁化理论 303

13.3.1　铁磁性材料的宏观特征 303

13.3.2　外斯分子场理论 304

13.3.3　直接交换作用 305

13.3.4　稀土金属化合物中的间接交换作用 306

13.3.5　亚铁磁性“分子场”理论 307

13.3.6　亚铁磁性材料 310

13.3.7　反铁磁性和亚铁磁性的超交换作用 311

13.4　磁各向异性，磁致伸缩和退磁场 312

13.4.1　磁晶各向异性能 312

13.4.2　磁致伸缩 314

13.4.3　退磁场能 316

13.5　磁畴 318

13.5.1　磁畴壁 318

13.5.2　磁畴 320

13.5.3　不均匀和多晶体磁畴结构 322

13.5.4　单畴结构 322

13.6　磁性材料的技术磁化 323

13.6.1　技术磁化和反磁化过程 323

13.6.2　磁化曲线上的磁导率 327

13.6.3　磁滞回线上的矫顽力 330

13.6.4　剩余磁化强度 332

13.6.5　趋近饱和定律 333

13.7　铁磁性材料在交变磁场中的磁化 334

13.7.1 动态磁化过程的特点和复数磁导率 334

13.7.2　磁谱和截止频率 335

13.7.3　铁磁体的交流损耗 336

13.8　磁性测量方法 343

13.8.1　磁性材料直流特性测量 343

13.8.2　材料的交流（动态）磁性测量 347

13.9　磁电阻效应 349

第14章　材料的光学性质 353

14.1　光的基本性质 353

14.1.1　波粒二象性 353

14.1.2　光的波动性 355

14.1.3　光子的能量和动量 357

14.1.4　材料光学常数间的基本关系 358

14.2　光在材料中传播 359

14.2.1　光通过材料的现象 359

14.2.2　光在材料中的折射和反射 360

14.2.3　材料的透光性能 368

14.3　材料的光发射 374

14.3.1 激励方式 375

14.3.2　材料发光的基本性质 375

14.3.3　材料的发光过程 378

14.3.4　受激辐射和自发辐射 381

14.3.5　产生激光的条件 382

14.3.6　半导体激光 385

第15章　材料的热学性能和晶格振动 390

15.1 晶格振动 391

15.1.1　一维单原子振动 391

15.1.2　一维复式格子的情形 394

15.1.3　声学波和光学波 395

15.1.4　周期性边界条件 397

15.1.5　晶格振动的量子化声子 399

15.2　材料的热容 401

15.2.1 电子热容 401

15.2.2　晶格振动热容 402

15.2.3　德拜温度和熔点的关系 407

15.2.4　热容与材料的组织、状态的关系 407

15.2.5　差示扫描热分析 409

15.3　材料的热膨胀 410

15.3.1　热膨胀系数 410

15.3.2　热膨胀的物理本质 411

15.3.3　热膨胀系数与其他物理量之间的关系 412

15.3.4　影响热膨胀系数的因素 413

15.3.5　膨胀合金 415

15.4　材料的导热性 418

15.4.1　材料的热传导 418

15.4.2　热传导的微观机制 419

第16章　金属的储氢性能 423

16.1　储氢金属的基本特征 423

16.1.1　金属储氢的基本原理 423

16.1.2　储氢金属的分类 424

16.2　储氢金属的热力学与动力学特性 426

16.2.1　储氢金属的热力学特性 426

16.2.2　储氢金属的动力学特性 429

16.3　储氢金属的储氢结构与性能 430

16.3.1　常规储氢结构 430

16.3.2　AB5型晶体的储氢结构与性能 431

16.3.3　镁基储氢合金的结构和性能 433

16.3.4　Laves相的储氢结构与性能 434

16.3.5　其他储氢合金 435

参考文献 436