材料科学基础 修订版PDF电子书下载

第1章 晶体学基础 1

1.1引言 1

1.2空间点阵 1

1.2.1晶体的特征和空间点阵 1

1.2.2晶胞、晶系和点阵类型 2

1.2.3复式点阵，晶胞和原胞 5

1.3晶面指数和晶向指数 7

1.3.1晶面和晶向指数的确定 8

1.3.2立方和六方晶体中重要晶向的快速标注 12

1.4常见晶体结构及其几何特征 13

1.4.1常见晶体结构 13

1.4.2几何特征 13

1.4.3常见晶体结构中的重要间隙 15

1.5晶体的堆垛方式 19

1.6晶体投影 21

1.6.1球投影 21

1.6.2极射投影 24

1.6.3乌氏网及其应用 25

1.6.4标准投影 26

1.6.5极射投影练习 27

1.7倒易点阵 29

1.7.1倒易点阵的确定方法，倒易基矢 29

1.7.2倒易点阵的基本性质 30

1.7.3实际晶体的倒易点阵 31

1.7.4倒易点阵的应用 35

1.8菱方晶系的两种描述 39

1.8.1菱方轴和六方轴的基矢关系 39

1.8.2点阵常数换算公式 39

1.8.3晶向指数变换 40

1.8.4晶面指数变换 40

习题 41

第2章 固体材料的结构 44

2.1引言 44

2.2原子结构 44

2.2.1经典模型和玻尔理论 44

2.2.2波动力学理论和近代原子结构模型 45

2.2.3能级图和元素的原子结构 50

2.2.4原子稳定性和能级的实验测定 54

2.3结合键 55

2.3.1离子键 56

2.3.2共价键 56

2.3.3金属键 57

2.3.4分子键 58

2.3.5氢键 58

2.4分子的结构 60

2.4.1多原子体系电子状态的一般特点 60

2.4.2共价分子的结构 61

2.5晶体的电子结构 73

2.5.1晶体的结合键 73

2.5.2晶体中电子的能态 74

2.5.3晶体的结合能 76

2.6元素的晶体结构和性质 80

2.6.1元素的晶体结构 80

2.6.2元素性质的周期性 83

2.7合金相结构概述 86

2.7.1基本概念 86

2.7.2合金成分的表示 87

2.7.3合金相分类 87

2.8影响合金相结构的主要因素 87

2.8.1原子半径或离子半径 87

2.8.2电负性 90

2.8.3价电子浓度 91

2.8.4其他因素 92

2.9固溶体 92

2.9.1什么是固溶体 92

2.9.2固溶体分类 92

2.9.3固溶度和H ume-Rothery规则 94

2.9.4固溶体的性能与成分的关系 98

2.10离子化合物 100

2.10.1决定离子化合物结构的几个规则 100

2.10.2典型离子化合物的晶体结构 103

2.10.3氧化物结构的一般规律 108

2.10.4决定无机化合物晶体结构的其他方法 109

2.11硅酸盐结构简介 110

2.11.1硅酸盐结构的一般特点及分类 110

2.11.2含有有限硅氧团的硅酸盐 110

2.11.3链状硅酸盐 112

2.11.4层状硅酸盐 113

2.11.5骨架状硅酸盐 115

2.12金属间化合物（Ⅰ）：价化合物 116

2.13金属间化合物（Ⅱ）：电子化合物 120

2.14金属间化合物（Ⅲ）：尺寸因素化合物——密排相 122

2.14.1密排相中原子排列的几何原则 122

2.14.2几何密排相 123

2.14.3拓扑密排相 123

2.15间隙化合物 134

2.15.1间隙化合物的分类：Hagg规则 134

2.15.2间隙化合物的结构 135

2.15.3间隙化合物的特性 137

2.16合金相结构符号 138

习题 140

第3章 晶体的范性形变 141

3.1引言 141

3.2滑移系统和Schmid定律 143

3.2.1晶体的滑移系统 143

3.2.2 Schmid定律 143

3.2.3 Schmid定律的应用 145

3.3滑移时参考方向和参考面的变化 146

3.3.1参考方向的变化 146

3.3.2参考面的变化 147

3.4滑移过程中晶体的转动 148

3.4.1晶体转动的原因 148

3.4.2晶体转动的规律 149

3.4.3晶体转动的后果 149

3.5滑移过程的次生现象 153

3.6单晶体的硬化曲线 154

3.7孪生系统和原子的运动 155

3.7.1晶体的孪生系统 155

3.7.2孪生时原子的运动和特点 156

3.8孪生要素和长度变化规律 158

3.8.1孪生引起的形状变化 158

3.8.2孪生四要素和切变计算 158

3.8.3孪生时长度变化规律 159

3.8.4孪生时试样的最大伸长和最大缩短量 161

3.9孪晶和基体的位向关系 162

3.9.1位向关系 162

3.9.2孪生引起的晶向变化 165

3.10孪生系统的实验测定 167

3.11滑移和孪生的比较 169

3.12多晶体范性形变的一般特点 170

3.12.1晶粒边界 170

3.12.2多晶体范性形变的微观特点 173

3.12.3晶粒度及其对性能的影响 174

3.13冷加工金属的储能和内应力 175

3.14应变硬化 177

3.14.1应变硬化现象 177

3.14.2实际晶体的硬化行为 179

3.14.3影响应变硬化的因素 180

3.14.4应变硬化在生产实际中的意义 181

3.15多晶材料的择优取向（织构） 182

3.15.1概述 182

3.15.2织构的描述和测定方法 183

3.15.3实际金属的织构和各向异性 186

3.15.4织构理论概述 187

3.15.5织构的实际意义及其控制方法 188

3.16纤维组织和流线 190

3.17晶体的断裂 192

3.17.1概述 192

3.17.2脆性断裂的微观理论——Griffith裂缝理论 193

3.17.3金属脆性断裂的特点 195

3.17.4影响金属的韧性、脆性和断裂的因素 197

习题 201

第4章 晶体中的缺陷 203

4.1引言 203

4.2点缺陷的基本属性 203

4.2.1点缺陷类型 203

4.2.2点缺陷的平衡浓度 204

4.2.3过饱和点缺陷的形成 207

4.2.4点缺陷对晶体性质的影响 207

4.3点缺陷的实验研究 208

4.3.1比热容实验 208

4.3.2热膨胀实验 209

4.3.3淬火实验 211

4.3.4淬火—退火实验 212

4.3.5正电子湮没实验 213

4.4位错理论的提出 215

4.5什么是位错 216

4.5.1局部滑移 216

4.5.2局部位移 219

4.6位错的普遍定义与柏格斯矢量 221

4.6.1柏格斯回路 221

4.6.2柏氏矢量的物理意义 221

4.6.3柏氏矢量和位错的表征 221

4.6.4柏氏矢量的守恒性 222

4.7位错的运动 223

4.7.1刃型位错的运动 223

4.7.2螺型位错的运动 225

4.7.3混合位错的运动 225

4.8位错密度和晶体的变形速率 227

4.8.1位错密度的定义及其实验测定 227

4.8.2位错密度和晶体的变形速率 227

4.8.3位错密度和晶体的强度 228

4.9位错的基本几何性质 229

4.10固体弹性理论简介 230

4.10.1应力分析 230

4.10.2应变分析：位移和应变张量 235

4.10.3胡克定律 236

4.10.4平衡方程 237

4.10.5柱坐标系下的应力和应变 238

4.10.6弹性力学的应用简介 241

4.11位错的应力场 241

4.11.1螺型位错的应力场 242

4.11.2刃型位错的应力场 243

4.12位错的弹性能和线张力 244

4.13作用于位错上的力 245

4.13.1引起位错滑移的力 246

4.13.2引起刃型位错攀移的力 246

4.13.3一般情形下位错受的力 247

4.14位错与位错间的交互作用 249

4.14.1同号刃型位错间的交互作用 249

4.14.2异号刃型位错间的交互作用 250

4.14.3平行螺型位错间的作用力 251

4.14.4螺型位错和刃型位错间的交互作用 251

4.14.5位于同一滑移面上的一对平行混合位错间的交互作用 251

4.14.6交叉位错间的交互作用 252

4.15位错与点缺陷之间的交互作用 253

4.15.1刃型位错与点缺陷的交互作用能和作用力 253

4.15.2柯氏气团和明显屈服现象 254

4.15.3脱钉力的计算 255

4.15.4讨论 256

4.16位错的起动力——派-纳力 256

4.16.1位错起动力的分析——Peirls-Nabarro模型 256

4.16.2讨论 259

4.17镜像力 260

4.18位错的起源与增殖 261

4.18.1位错的起源 261

4.18.2位错的增殖机制 261

4.18.3位错的源地和尾闾 266

4.19位错的塞积 267

4.20位错的交割 269

4.20.1刃型位错与刃型位错的交割 269

4.20.2刃型位错与螺型位错的交割 270

4.20.3螺型位错与螺型位错的交割 271

4.21面心立方晶体中的位错 273

4.21.1全位错 273

4.21.2 Shockley分位错 274

4.21.3扩展位错 276

4.21.4 Frank分位错 279

4.21.5压杆位错 279

4.22位错反应 280

4.22.1自发位错反应的条件 281

4.22.2 FCC中位错反应的一般表示：Thompson四面体 281

4.22.3位错反应举例 283

4.23密排六方和体心立方晶体中的位错 288

4.23.1密排六方晶体中的位错 288

4.23.2体心立方晶体中的位错 291

4.24其他晶体中的位错 293

4.24.1离子晶体中的位错 293

4.24.2超点阵中的位错 294

4.24.3共价晶体中的位错 295

4.24.4层状结构中的位错 296

4.24.5聚合物晶体中的位错 296

4.25小角度晶粒边界 297

4.25.1倾侧晶界 297

4.25.2扭转晶界 300

4.25.3一般小角度晶界 301

4.26位错的实验观测 305

4.26.1表面法（或蚀坑法） 305

4.26.2缀饰法 306

4.26.3透射电镜法 307

4.26.4其他方法 308

4.27位错理论的应用（小结） 310

习题 313

第5章 材料热力学 316

5.1热力学在材料科学中的意义 316

5.2热力学基本参数和关系 316

5.2.1热力学第一定律 316

5.2.2热力学第二定律 317

5.2.3热力学函数的基本关系 319

5.2.4化学位 320

5.3纯金属吉布斯自由能和凝固热力学 321

5.4合金相热力学 324

5.4.1二组元固溶体相的吉布斯自由能 324

5.4.2中间相和混合相的吉布斯自由能 328

5.5相平衡热力学 330

5.5.1相平衡的化学位 330

5.5.2化学位的图解确定 330

5.5.3相平衡的公切线定则 332

5.6相图热力学 334

5.6.1二元连续固溶体相图的建立 334

5.6.2二元系共晶相图的热力学确定 335

5.6.3具有固溶度间隙相图的建立 337

5.6.4含有金属间化合物相图的建立 338

5.7晶体缺陷热力学 339

5.7.1空位的热力学分析 339

5.7.2位错的热力学分析 341

5.7.3界面的热力学分析 342

5.8相变热力学 343

5.8.1固溶体脱溶分解的驱动力 343

5.8.2由驱动力看新相形成的规律 344

5.8.3调幅分解 345

习题 346

第6章 相图 348

6.1概述 348

6.1.1研究相图的意义 348

6.1.2相图的表示方法 348

6.1.3相图的建立 349

6.1.4相图的类型和结构 351

6.2相律和杠杆定律 352

6.2.1相律 352

6.2.2杠杆定律 354

6.3二元匀晶相图 355

6.3.1图形分析 355

6.3.2结晶过程分析 355

6.3.3结晶中的扩散过程分析 356

6.3.4非平衡结晶分析 357

6.4二元共晶相图 359

6.4.1图形分析 359

6.4.2结晶过程分析 360

6.4.3共晶结晶机理 363

6.4.4初生相和共晶组织分析 364

6.4.5非平衡状态分析 366

6.5二元包晶相图 367

6.5.1图形分析 367

6.5.2结晶过程分析 367

6.5.3非平衡状态分析 369

6.6其他二元相图 369

6.6.1液态无限溶解，固态形成化合物的相图 369

6.6.2液态无限溶解，固态有转变的相图 371

6.6.3二组元在液态有限溶解的相图 372

6.6.4二组元在液态无限溶解，固态有单析反应的相图 374

6.6.5有熔晶（再熔）反应的相图 374

6.7相图基本类型小结 374

6.7.1相图基本型式的特点 374

6.7.2相图基本单元及其组合规律——相区接触法则 375

6.7.3假想相图 376

6.8相图与性能关系 376

6.8.1相图与力学性能关系 376

6.8.2相图与铸造工艺性关系 377

6.9 Fe-C合金相图 378

6.9.1图形分析 378

6.9.2结晶过程分析 380

6.9.3组织区分析 385

6.9.4虚线部分相图分析 386

6.10三元相图 388

6.10.1概述 388

6.10.2三元匀晶相图 391

6.10.3三元共晶相图 394

6.10.4固态有限溶解，具有一个三相平衡区的三元相图 398

6.10.5固态有限溶解，具有四相平衡区的三元相图 400

6.10.6有化合物的三元相图 405

习题 407

第7章 界面 411

7.1研究界面的意义 411

7.2界面类型和结构 411

7.2.1按界面两边物质状态分类 411

7.2.2按界面两边晶体取向差角度分类 412

7.2.3根据界面上原子排列情况和吻合程度分类 414

7.3界面能量 417

7.3.1表面能 417

7.3.2小角界面能 418

7.3.3大角界面能 419

7.4界面偏聚 420

7.4.1晶界偏聚方程 420

7.4.2影响晶界偏聚的因素 421

7.5界面迁移 422

7.5.1界面迁移速度 422

7.5.2界面迁移的驱动力 423

7.5.3影响界面迁移率的因素 425

7.6界面与组织形貌 426

7.6.1单相组织形貌 426

7.6.2复相组织平衡形貌 428

7.7界面能的测量 431

7.7.1界面张力平衡法 431

7.7.2测量界面能的动力学方法 432

习题 432

第8章 固体中的扩散 434

8.1引言 434

8.2菲克定律 434

8.2.1菲克第一定律 434

8.2.2菲克第二定律 435

8.3稳态扩散及其应用 437

8.3.1一维稳态扩散 438

8.3.2柱对称稳定扩散 439

8.3.3球对称稳态扩散 440

8.4非稳态扩散 441

8.4.1一维无穷长物体的扩散 442

8.4.2半无穷长物体的扩散 445

8.4.3瞬时平面源 446

8.4.4有限长物体中的扩散 446

8.5 D-C关系，俣野方法 448

8.6克根达耳效应 449

8.6.1克根达耳（Kirkendall）效应 450

8.6.2克根达耳效应的理论和实际意义 450

8.7分扩散系数，达肯公式 451

8.8扩散的微观理论和机制 454

8.8.1扩散与原子的随机行走 454

8.8.2菲克定律的微观形式及D的微观表示 456

8.8.3扩散的微观机制 457

8.8.4扩散系数和扩散激活能的计算 459

8.9扩散热力学 462

8.9.1菲克定律的普遍形式 463

8.9.2扩散系数、溶质分布等与热力学量之间的关系 464

8.10影响扩散的因素 465

8.10.1温度的影响 465

8.10.2成分的影响 466

8.10.3晶体结构的影响 469

8.10.4短路扩散 470

8.11反应扩散 473

8.11.1反应扩散的过程及特点 473

8.11.2反应扩散动力学 474

8.11.3反应扩散的实例 476

8.12离子晶体中的扩散 477

8.12.1离子晶体中的缺陷 477

8.12.2离子晶体的扩散机制 479

8.12.3离子迁移率 479

8.12.4离子电导率与扩散系数的关系 480

8.13扩散的实际应用——固态烧结 481

8.13.1固态烧结过程 481

8.13.2初期烧结阶段的半定量分析 482

习题 484

第9章 凝固与结晶 486

9.1概述 486

9.1.1研究凝固与结晶的意义 486

9.1.2液态金属的结构 486

9.1.3结晶的一般过程 487

9.2金属凝固时的形核过程 488

9.2.1均匀形核 488

9.2.2非均匀形核 491

9.3纯金属晶体的长大 493

9.3.1宏观长大方式 493

9.3.2微观长大方式 494

9.4单相固溶体晶体的长大 498

9.4.1平衡凝固 499

9.4.2固相无扩散，液相完全混合的凝固 499

9.4.3固相无扩散，液相只有扩散、无对流的凝固 501

9.4.4固相无扩散，液相界面附近只有扩散，其余部分有对流的凝固 501

9.4.5成分过冷 503

9.4.6单相固溶体晶体的生长方式 504

9.4.7晶体中的偏析 504

9.5两相共晶体的长大 505

9.5.1典型共晶与非典型共晶的形成 505

9.5.2层片状共晶的凝固生长 505

9.5.3共晶凝固中的成分过冷 506

9.6金属和合金铸锭组织的形成和控制 507

9.6.1铸锭三区的形成 507

9.6.2铸锭组织的控制 508

9.6.3特殊凝固方法 509

习题 510

第10章 回复与再结晶 512

10.1概述 512

10.1.1研究回复与再结晶的意义 512

10.1.2变化条件 512

10.1.3变化过程 513

10.2回复 514

10.2.1回复过程的特征 514

10.2.2回复过程机制 514

10.2.3回复动力学 517

10.2.4回复的应用 519

10.3再结晶 519

10.3.1再结晶过程的特征 519

10.3.2再结晶过程机制 519

10.3.3再结晶动力学 523

10.3.4再结晶温度 527

10.3.5再结晶后晶粒大小 530

10.4晶粒长大及其他结构变化 532

10.4.1正常晶粒长大 532

10.4.2反常晶粒长大 535

10.4.3再结晶图 536

10.4.4退火孪晶 536

10.4.5再结晶织构 538

10.5金属的热变形 540

10.5.1动态回复和动态再结晶 541

10.5.2热变形引起组织、性能的变化 543

10.5.3超塑性 545

习题 548

第11章 固态相变（Ⅰ）——扩散型相变 549

11.1固态相变通论 549

11.1.1固态相变的一般特点 549

11.1.2固态相变的分类 552

11.2从过饱和固溶体中的脱溶（时效） 556

11.2.1时效硬化现象及特点 556

11.2.2脱溶过程 558

11.2.3过渡相的结构 561

11.2.4工业用脱溶硬化合金举例 563

11.3脱溶的形核长大理论 564

11.3.1固态相变的形核 564

11.3.2晶核长大动力学 574

11.4脱溶的调幅分解理论 578

11.4.1调幅分解的条件——成分与温度范围 578

11.4.2调幅分解的定量分析 579

11.4.3调幅分解与形核长大两种脱溶方式的对比 583

11.5颗粒粗化 584

11.5.1颗粒粗化的驱动力分析 584

11.5.2浓度分布 585

11.5.3粗化过程和粗化速率 585

11.5.4平衡颗粒尺寸 586

11.6不连续沉淀 587

11.6.1不连续沉淀的特征 587

11.6.2长大理论 588

11.7沉淀强化机制 589

11.7.1位错绕过不易变形颗粒 590

11.7.2位错切过易形变颗粒 590

11.7.3颗粒半径最佳值 592

11.7.4获得高强度材料的途径 592

11.8过冷奥氏体的等温转变及连续转变曲线 593

11.8.1过冷奥氏体的等温转变曲线 593

11.8.2过冷奥氏体的连续冷却转变曲线 598

11.9共析转变 599

11.9.1概述 599

11.9.2形核长大的热力学及动力学分析 600

11.9.3先共析转变 604

11.9.4珠光体的组织特点及力学性能 605

11.10贝氏体转变 607

11.10.1贝氏体转变的特点 607

11.10.2贝氏体的组织形态 610

11.10.3贝氏体的性能 611

11.11有序—无序转变 612

11.11.1概念和定义 612

11.11.2有序合金类型 614

11.11.3有序—无序转变的热力学分析 616

11.11.4有序—无序转变的动力学分析 619

11.11.5有序强化 622

11.11.6其他有序—无序转变简介 622

习题 624

第12章 固态相变（Ⅱ）——马氏体相变 627

12.1马氏体相变的基本特性 627

12.1.1无扩散性 627

12.1.2马氏体相变是点阵畸变式转变，有其特定结构，是低温亚稳相 628

12.1.3伴随马氏体相变的宏观变形——浮凸效应 629

12.1.4在马氏体相变过程中存在宏观不畸变面——惯析面 630

12.1.5在基体点阵和马氏体点阵之间一般存在着确定的位向关系 631

12.1.6一个板条状或透镜状的马氏体通常具有内部结构 632

12.1.7马氏体相界 634

12.1.8马氏体有一定的起始相变温度Ms和一定的终了相变温度Mf 635

12.1.9奥氏体的热稳定化 636

12.1.10塑性变形对马氏体相变的影响 637

12.1.11马氏体逆转变 638

12.1.12热弹性马氏体及伪弹性 639

12.1.13形状记忆效应 640

12.2马氏体相变机制和表象理论简介 641

12.2.1钴的马氏体相变 641

12.2.2铁基合金中的马氏体转变 643

12.2.3马氏体相变的晶体学表象理论 646

12.3马氏体相变热力学 651

12.3.1马氏体相变热力学的一般特点 651

12.3.2均匀形核理论及其局限性 651

12.3.3非均匀形核——层错及位错在马氏体形核中的作用 653

12.3.4马氏体形貌 655

12.4马氏体相变动力学 657

12.5马氏体的回火 659

12.5.1淬火钢的回火转变及组织 660

12.5.2淬火钢在回火时性能的变化 664

12.6马氏体时效钢的强化机制分析 666

12.6.1概述 666

12.6.2马氏体时效钢的相组成 667

12.6.3常规马氏体时效钢的时效硬化分析 670

12.6.4一些新型马氏体时效钢 671

习题 671

参考文献 673