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第一章 金属及合金的晶体结构 1

1-1 晶体学基础 1

一、晶体与非晶体 1

二、空间点阵 2

(一)空间点阵的概念 2

(二)晶胞 3

(三)晶系 3

(四)布拉菲点阵 5

(五)晶体结构与空间点阵 5

三、晶向指数和晶面指数 6

(一)晶向指数 6

(二)晶面指数 7

(三)六方晶系指数 9

(四)晶带 10

(五)晶面间距 10

四、晶体的对称性 11

(一)对称要素 12

(二)点群及空间群 14

五、晶体的极射投影 15

(一)参考球和极射投影 15

(二)吴氏网 16

(三)标准投影 16

1-2 金属的晶体结构 18

一、典型的金属晶体结构 18

(一)面心立方结构(A1) 20

(二)体心立方结构(A2) 21

(三)密排六方结构(A3) 22

(四)多晶型性 23

二、晶体中原子的堆垛方式 23

三、晶体结构中的间隙 25

四、原子半径 27

五、亚金属的晶体结构 30

(一)金刚石型结构(A4) 30

(二)其他亚金属结构 30

1-3 合金相结构 31

一、固溶体 32

(一)置换固溶体 32

(二)间隙固溶体 37

(三)固溶体的微观不均匀性 38

(四)固溶体的点阵畸变 39

二、中间相 40

(一)正常价化合物 41

(二)电子化合物 42

(三)具有砷化镍结构的相 44

(四)间隙相和间隙化合物 45

(五)拓扑密堆相(TCP相) 49

(六)超结构(有序固溶体) 56

第二章 金属晶体的缺陷 63

2-1 点缺陷 63

一、空位和间隙原子 63

二、点缺陷的移动 66

三、过饱和点缺陷 66

四、点缺陷对金属性能的影响 67

2-2 位错的基本概念 67

一、位错学说的产生 67

二、刃型位错和柏氏矢量 69

(一)刃型位错 69

(二)柏氏矢量 70

三、螺型位错 71

四、混合型位错 72

五、位错密度 73

2-3 位错的运动 74

一、位错的滑移 74

(一)刃型位错 74

(二)螺型位错 75

(三)混合型位错 76

二、位错攀移 76

2-4 位错的弹性性质 77

一、应力和应变分量 77

二、位错的应力场 79

(一)螺型位错应力场 79

(二)刃型位错应力场 79

三、位错的应变能 80

四、作用在位错上的力 81

五、位错的线张力 82

六、位错间的力 83

2-5 实际晶体结构中的位错 85

一、实际晶体结构中的单位位错 85

二、堆垛层错 86

三、不全位错 87

四、位错反应及扩展位错 88

五、汤普森四面体及记号 90

2-6 位错源和位错增殖 90

一、晶体中位错的形成 91

二、弗兰克-瑞德位错源--位错的增殖 91

三、其他方式的位错增殖 93

2-7 位错的实验观测 94

一、浸蚀法 94

二、位错的电子显微镜观察 95

(一)直接观察 96

(二)水纹图象法 96

(三)衍衬法 97

2-8 金属界面 98

一、概述 98

二、小角度晶界 99

三、大角度晶界 102

四、晶界能 104

五、孪晶界 105

六、晶界的特性 106

七、外表面 107

第三章 固体金属中的扩散 108

3-1 扩散方程 108

一、扩散第一定律 108

二、扩散第二定律 109

三、扩散第二方程的应用举例 110

3-2 影响扩散的因素 113

一、温度 113

二、固溶体类型 113

三、晶体结构 113

四、浓度 114

五、合金元素 114

六、晶界扩散和表面扩散 115

3-3 扩散问题的热力学分析 116

一、扩散的驱动力 116

二、扩散原子的迁移率 116

三、上坡扩散 117

3-4 扩散机制 117

一、间隙扩散 117

二、置换扩散 119

(一)柯肯达尔效应 119

(二)空位扩散机制 119

三、晶界扩散 120

四、位错扩散 121

3-5 反应扩散 122

一、反应扩散的概念 122

二、反应扩散速度 123

第四章 金属的凝固 124

4-1 液态金属 124

一、液态金属的一些性质 124

(一)金属熔化时体积的变化 124

(二)熔化潜热 125

(三)熔化熵 125

(四)衍射分析的结果 125

二、液态金属的结构 126

4-2 熔液的过冷与凝固过程 127

一、金属凝固的热力学条件 127

二、过冷现象 128

三、形核与生长 129

4-3 形核 129

一、均匀形核 129

(一)晶核形成时的能量变化 129

(二)形核率 131

二、不均匀形核 132

4-4 生长 135

一、液-固界面上原子迁移过程的动力学 135

二、液-固界面处的温度梯度 136

三、液-固界面的微观结构 136

四、晶体生长机制和生长速率 138

五、纯金属凝固时的生长形态 139

(一)在正的温度梯度下 139

(二)在负的温度梯度下 140

4-5 凝固理论的应用举例 141

一、金属凝固后的晶粒大小 141

二、抽取单晶体 142

(一)垂直提拉法 143

(二)尖端形核法 143

二、非晶态金属 143

第五章 二元相图和合金的凝固 145

5-1 相平衡与相图 145

一、相平衡 145

(一)相的概念 145

(二)合金的相平衡条件 146

(三)相律 147

二、相图的表示和实验测定方法 148

(一)单元系相图 148

(二)二元系相图 149

5-2 相图的热力学基础 151

一、固溶体的自由能 151

(一)固溶体自由能的计算方法 152

(二)固溶体的自由能-成分曲线 154

二、多相合金的自由能 155

三、二元合金的相平衡 156

四、从自由能-成分曲线推测相图 158

五、二元相图的一些几何规律 161

5-3 匀晶相图和固溶体的凝固 162

一、匀晶相图 162

二、固溶体的平稳凝固 163

三、固溶体的不平衡凝固 164

四、合金凝固时的溶质分布 165

(一)液体中溶质完全混合的情况 166

(二)液体中溶质部分混合的情况 167

(三)液体中溶质仅通过扩散而混合的情况 168

五、区域熔炼 169

六、合金中的成分过冷 170

(一)成分过冷的概念 170

(二)出现成分过冷的临界条件 171

(三)影响成分过冷的因素 172

七、固溶体凝固时的晶体生长 172

5-4 共晶相图及共晶转变 176

一、共晶相图 176

二、共晶合金的平衡凝固 177

(一)含Sn量小于19%的合金 177

(二)共晶合金 177

(三)亚共晶合金 178

(四)过共晶合金 179

三、共晶组织及其形成机理 179

(一)组织形态 179

(二)金属-金属型共晶 180

(三)金属-非金属型共晶 183

四、亚共晶及过共晶组织 185

五、共晶合金的不平衡凝固 186

(一)伪共晶 186

(二)不平衡共晶组织 188

(三)离异共晶 188

5-5 包晶相图及包晶转变 188

一、相图 188

二、具有包晶转变合金的平衡凝固 189

(一)含42.4%Ag的Pt-Ag合金(合金1) 189

(二)42.4%〈Ag%〈66.3%的Pt-Ag合金(合金II) 190

(三)10.5%〈Ag%〈42.4%的Pt-Ag合金(合金III) 190

三、具有包晶转变合金的不平衡凝固 191

四、包晶转变的应用 192

5-6 二元相图的分析和使用 192

一、其他类型的二元相图 192

(一)熔晶、偏晶和合晶相图 193

(二)两组元形成化合物的相图 193

(三)具有固态转变的二元相图 194

二、复杂二元相图的分析方法 197

(一)分析步骤 197

(二)复杂二元相图分析举例 198

(三)应用相图时要注意的问题 200

三、根据相图分析合金热处理的可能性 201

四、根据相图判断合金的性能 201

5-7 铁碳相图和碳钢 203

一、铁碳相图 203

二、典型铁碳合金的平衡凝固 204

(一)含碳0.01%的合金(工业纯铁) 204

(二)含碳0.77%的合金(共析钢) 205

(三)含碳0.40%的合金(亚共析钢) 205

(四)含碳1.2%的合金(过共析钢) 207

(五)含碳4.3%的合金(共晶白口铸铁) 207

(六)含碳3.0%的合金(亚共晶白口铸铁) 208

(七)含碳5.0%的合金(过共晶白口铸铁) 208

三、碳分对钢的组织和性能的影响 210

四、杂质元素对钢的组织和性能的影响 211

(一)硅和锰的影响 211

(二)硫的影响 211

(三)磷的影响 213

(四)氮的影响 213

(五)氢的影响 214

(六)氧的影响 214

5-8 合金铸件的组织与缺陷 214

一、铸锭(件)的宏观组织 215

(一)三晶区的形成机理 215

(二)铸锭(件)组织的控制 217

二、枝晶间距 218

三、偏析 219

(一)宏观偏析 219

(二)显微偏析 219

四、缩孔 222

(一)缩孔的类型 222

(二)凝固方式对缩孔的影响 222

(三)散热条件对集中缩孔的影响 223

(四)一般疏松与中心疏松 224

五、晶粒取向 224

六、钢锭的组织与缺陷 225

(一)镇静钢 226

(二)沸腾钢 228

第六章 三元合金相图 229

6-1 三元相图的成分表示方法 229

一、浓度三角形 229

二、在浓度三角形中具有特定意义的线 230

三、三元合金相图成分的其他表示方法 230

6-2 组元在液态及固态均无限溶解的相图 231

一、相图分析 231

二、水平截面 234

三、垂直截面 234

6-3 组元在液态无限溶解、具有共晶转变的相图 235

一、组元在固态完全不溶、具有共晶转变的相图 235

(一)相图分析 235

(二)水平截面 236

(三)重心法则 237

(四)垂直截面 238

(五)投影图 239

(六)相区接触法则 240

二、组元在固态有限溶解、具有共晶转变的相图 240

(一)组元在固态有限溶解时相图的基本特征 240

(二)组元在固态有限溶解、具有共晶转变的相图 242

6-4 三元合金相图举例 245

一、Fe-C-Si三元系的垂直截面 245

二、Fe-Cr-C三元系的垂直截面 247

(一)相图分析 247

(二)三元合金中的四相平衡转变 249

(三)典型合金相变过程分析 249

三、Fe-Cr-C三元系的水平截面 250

(一)典型合金的相组成 250

(二)三相平衡转变时相浓度的变化 251

(三)关于单相区 252

四、Al-Cu-Mg三元系的液相面投影图 252

五、Fe-C-P三元系的投影图 254

(一)相图分析 254

(二)典型合金相变过程分析 255

六、三元合金相图小结 257

第七章 金属及合金的塑性变形 260

7-1 金属的应力-应变曲线 260

一、工程应力-应变曲线 260

二、真应力-真应变曲线 262

(一)真应力和真应变 262

(二)真应力-真应变曲线 263

(三)流变曲线 264

(四)应变速率敏感性 264

7-2 单晶体的塑性变形 265

一、滑移 266

(一)滑移的几何学 266

(二)滑移的位错机制 271

二、孪生 278

(一)孪生的特点 279

(二)孪生的几何学 280

(三)孪生的机制 282

三、晶体的扭折 282

7-3 多晶体的塑性变形 283

一、多晶体变形的特点 284

二、晶界(晶粒大小)的影响 285

三、屈服现象 286

(一)现象 286

(二)屈服现象的解释 287

7-4 金属经塑性变形后的组织与性能 289

一、塑性变形对金属组织的影响 289

(一)显微组织的变化 289

(二)变形金属的亚结构 290

二、塑性变形后金属性能的变化 291

(一)性能变化情况 291

(二)加工硬化 292

(三)择优取向(形变织构) 295

(四)残留应力和点阵畸变 296

7-5 合金的塑性变形 297

一、固溶体的塑性变形 298

(一)固溶强化 298

(二)有序强化 300

二、多相合金的塑性变形 301

(一)聚合型两相合金的塑性变形 301

(二)弥散分布型两相合金的塑性变形 303

第八章 回复与再结晶 307

8-1 概述 307

8-2 回复 308

一、回复的作用 308

二、回复的动力学 309

三、回复的机制 309

(一)低温回复 309

(二)中温回复 310

(三)高温回复 310

四、回复退火的应用 313

8-3 再结晶 313

一、再结晶现象 313

二、再结晶的动力学 315

三、再结晶过程中的形核 317

四、再结晶温度 319

五、影响再结晶的主要因素 319

六、再结晶后晶粒大小 322

8-4 晶粒长大 323

一、晶界移动的驱动力 324

二、晶粒的稳定形状 325

三、正常晶粒长大 326

四、影响晶粒长大的因素 328

(一)温度 328

(二)分散相微粒 328

(三)晶粒间的位向差 330

(四)微量杂质的存在 330

(五)表面的热蚀沟 331

五、异常晶粒长大(二次再结晶) 333

六、表面能所提供的晶界移动驱动力 335

七、再结晶图 336

八、退火孪晶 336

8-5 再结晶织构 338

8-6 金属材料的热加工 340

一、动态回复与动态再结晶 341

二、热加工对金属材料组织与性能的影响 343

三、超塑性 345

第九章 固态金属中的相变 348

9-1 总论 348

一、固态相变的特点 348

(一)相界面 348

(二)位向关系 349

(三)惯习面 349

(四)应变能 350

(五)晶体缺陷的影响 350

(六)原子的扩散 350

二、固态相变的分类 350

(一)按热力学分类 350

(二)按原子迁移情况分类 353

(三)其他分类方法 353

三、固态相变的形核 353

(一)均匀形核 353

(二)非均匀形核 354

四、生长(相界面的移动) 356

(一)生长机制 356

(二)生长速率 357

9-2 扩散型相变 359

一、沉淀 360

(一)沉淀的条件 360

(二)沉淀过程举例 360

(三)沉淀类型 361

(四)沉淀相的聚集长大 362

二、共析转变 364

(一)形核 364

(二)共析领域的生长 365

三、调幅分解 366

9-3 马氏体相变 367

一、马氏体转变的晶体学 367

(一)马氏体的形态和亚结构 367

(二)表面浮突效应及变形特点 368

(三)晶体学位向关系 370

(四)马氏体转变的晶体学表象理论 370

二、动力学 371

三、热弹性马氏体与形状记忆效应 372