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绪论 1

第1章 材料的结构 1

1.1 材料的键合方式 1

目录 1

1.1.1 离子键 2

1.1.2 共价键 2

1.1.3 金属键 3

1.1.4 二次键 4

1.1.5 混合键 6

1.1.6 材料的结合键与性能 7

1.2.1 晶体的特征 9

1.2 晶体学基本知识 9

1.2.2 空间点阵与晶胞 10

1.2.3 晶系和布拉菲点阵 11

1.2.4 空间点阵与晶体结构的关系 13

1.2.5 晶体的对称性概念 15

1.2.6 晶面指数和晶向指数 19

1.2.7 晶面间距 23

1.2.8 晶面及晶向间的夹角 24

1.2.9 晶带 25

1.3.1 典型纯金属的晶体结构 26

1.3 纯金属的晶体结构 26

1.3.2 点阵常数与原子半径r的关系 27

1.3.3 配位数和致密度 28

1.3.4 晶体中原子堆垛方式 29

1.3.5 晶体结构中的间隙 31

1.3.6 同素异构现象 34

1.3.7 原子半径 34

1.3.8 其他晶体结构 36

1.4 合金相结构 37

1.4.1 固溶体 38

1.4.2 金属间化合物 45

1.5 陶瓷材料的晶体相结构 50

1.5.1 离子键结合的陶瓷晶体结构 51

1.5.2 共价键结合的陶瓷晶体结构 54

1.6 非晶态金属（金属玻璃） 55

1.6.1 金属玻璃的获得与分类 55

1.6.2 金属玻璃结构模型 59

1.7 准晶体 63

1.7.1 准晶体的结构模型 64

1.7.2 准晶的稳定性 67

1.8.1 高分子链结构 68

1.8 高分子材料的结构 68

1.8.2 高分子的聚集态结构 69

习题 74

第2章 空位与位错 75

2.1 空位 75

2.1.1 空位的热力学分析 76

2.1.2 空位的迁移 77

2.1.3 材料中空位的实际意义 78

2.2.1 刃型位错 79

2.2 位错的基本类型及特征 79

2.2.2 螺型位错 81

2.2.3 混合位错 82

2.3 柏氏矢量 83

2.3.1 确定柏氏矢量的方法 83

2.3.2 柏氏矢量的特征和意义 84

2.4 位错的运动 85

2.4.1 位错滑移的晶格阻力 86

2.4.2 刃型位错的运动 87

2.4.3 螺型位错的运动 88

2.4.4 混合位错的运动 89

2.5.1 位错的应变能 90

2.5 位错的应变场和应力能 90

2.5.2 位错的应力场 92

2.6 位错的受力 93

2.6.1 作用在位错上的力 93

2.6.2 位错的线张力 95

2.7 位错与晶体缺陷的交互作用 96

2.7.1 位错与点缺陷之间的交互作用 96

2.7.2 位错之间的交互作用 98

2.7.3 位错的塞积 101

2.8.1 晶体中位错的萌生 103

2.8.2 晶体中位错的增殖 103

2.8 位错的萌生与增殖 103

2.9 实际晶体中的位错组态 105

2.9.1 fcc,bcc,hcp晶体中单位位错的柏氏矢量 105

2.9.2 层错 106

2.9.3 不全位错 107

2.9.4 位错反应与扩展位错 109

2.9.5 位错的实际观察 114

习题 115

第3章 材料的表面与界面 117

3.1 材料的表面 117

3.1.1 表面晶体学 117

3.1.2 表面热力学 124

3.1.3 实际表面 128

3.2 材料的界面 131

3.2.1 界面的定义和种类 131

3.2.2 晶界 131

3.2.3 相界 138

3.2.4 多晶材料中的界面 140

习题 143

第4章 材料的凝固 144

4.1 金属液态结构与性能特点 144

4.1.1 液态金属与固态金属的比较 145

4.1.2 金属液态结构 147

4.2 金属结晶的基本规律 148

4.2.1 金属结晶的微观现象 148

4.2.2 金属结晶的宏观现象 149

4.3 晶核的长大 162

4.3.1 晶核长大的条件 162

4.3.2 液-固界面的微观结构 163

4.3.3 晶体长大的机制 163

4.3.4 纯金属长大的形态 165

4.4 结晶理论的应用 169

4.4.1 铸锭的组织及控制 169

4.5 聚合物的凝固 178

习题 179

第5章 二元合金相图及合金的凝固和组织 180

5.1 二元相图的表示方法 180

5.1.1 二元合金中存在的相 180

5.1.2 二元相图的表示、含义和杠杆定律 182

5.1.3 用实验方法测绘二元相图 185

5.2 匀晶相图及固溶体合金的凝固和组织 187

5.2.1 相图分析 187

5.2.2 固溶体合金的平衡凝固和组织 188

5.2.3 固溶体合金的非平衡凝固和组织 189

5.2.4 固溶体合金凝固过程中的溶质分布 191

5.2.5 区域熔炼 196

5.2.6 成分过冷及其对晶体成长形状和铸锭组织的影响 197

5.3 共晶相图及共晶系合金的凝固和组织 201

5.3.1 相图分析 201

5.3.2 共晶系合金的平衡凝固和组织 202

5.3.3 共晶组织及其形成机理 205

5.3.4 共晶系合金的非平衡凝固和组织 211

5.4 包晶相图及其合金的凝固和组织 215

5.4.1 相图分析 215

5.4.2 包晶系合金的平衡凝固和组织 216

5.4.3 包晶系合金的非平衡凝固和组织 217

5.5 偏晶相图及其合金的凝固和组织 218

5.4.4 包晶转变的实际应用 218

5.6 形成化合物的二元相图 220

5.6.1 形成稳定化合物的二元相图 220

5.6.2 形成不稳定化合物的二元相图 220

5.7 具有固态转变的二元相图 221

5.7.1 具有共析转变的相图 221

5.7.2 具有包析转变的相图 222

5.7.3 具有偏析转变的相图 222

5.7.4 具有熔晶转变的相图 222

5.7.7 具有磁性转变的相图 223

5.7.5 具有无序-有序转变的相图 223

5.7.6 具有固溶度变化的相图 223

5.8 如何分析和使用二元相图 224

5.8.1 相图中的线条和相区分析 224

5.8.2 结合Fe-Fe3C相图分析合金的平衡凝固过程及其组织变化 225

5.8.3 Cu-Sn合金系相图 231

5.8.4 Mg2SiO4-SiO2系相图 232

5.8.5 ZrO2-SiO2系相图 233

5.9 相图热力学基础 234

5.9.1 吉布斯自由能与成分的关系 234

5.9.2 克劳修斯-克莱普隆方程 236

5.9.3 相平衡条件 238

5.9.4 吉布斯自由能曲线与相图 241

习题 244

第6章 三元相图及合金的凝固组织 247

6.1 三元相图的成分表示法 247

6.2 三元相图的杠杆定律和重心法则 249

6.2.1 杠杆定律 249

6.2.2 重心法则 249

6.3 匀晶三元相图 250

6.3.1 相图的空间模型 250

6.3.3 等温截面（或水平截面） 251

6.3.2 合金的凝固过程及组织 251

6.3.4 变温截面（或垂直截面） 253

6.4 简单共晶三元相图 254

6.4.1 相图的空间模型 254

6.4.2 合金的凝固过程和组织 256

6.4.3 等温截面 257

6.4.4 变温截面 257

6.5 固态有限溶解的三元共晶相图 259

6.5.1 相图的空间模型 259

6.5.2 合金的凝固过程和组织 261

6.5.4 变温截面 264

6.5.3 等温截面 264

6.6 具有包共晶反应的三元相图 266

6.6.1 相图的空间模型 266

6.6.2 合金的凝固过程和组织 267

6.6.3 等温截面 269

6.6.4 变温截面 269

6.6.5 固相具有固溶度时的相区界面投影图 270

6.7 具有三元包晶反应的三元相图 271

6.8 形成稳定化合物的三元相图 273

6.8.1 形成一个稳定化合物的三元相图简化法 273

6.8.2 形成几个稳定化合物的三元相图简化法 274

6.9 三元相图总结 275

6.9.1 三元系的两相平衡 275

6.9.2 三元系的三相平衡 275

6.9.3 三元系的四相平衡 276

6.9.4 液相面投影图 279

6.9.5 三元相图中的相区接邻规则 279

6.10 三元相图实例分析 281

6.10.1 Pb-Sn-Bi系 281

6.10.2 Al-Cu-Mg系 282

6.10.3 W-C-Co系 284

6.10.4 Fe-Cr-C系 286

6.10.5 MgO-Al2O3-SiO2系 288

习题 289

第7章 固体材料中的扩散 292

7.1 扩散方程 292

7.1.1 菲克第一定律 292

7.1.2 菲克第二定律 294

7.1.3 菲克第二方程的解 296

7.2 扩散的微观机制 300

7.2.1 交换机制 300

7.2.2 间隙机制 301

7.2.3 空位机制 302

7.2.4 其他扩散机制 304

7.3 扩散系数 305

7.3.1 扩散系数的测定方法 305

7.3.2 影响扩散系数的因素 307

7.4 扩散的热力学分析 313

7.4.1 扩散驱动力 313

7.4.2 上坡扩散 314

7.5 固溶体中的扩散 315

7.5.1 固溶体中的自扩散 315

7.5.2 固溶体中的互扩散——Kirkendall效应 315

7.6.1 反应扩散的概念 316

7.6 反应扩散 316

7.6.2 反应扩散的速率 317

7.7 离子晶体中的扩散 318

7.8 非晶体中的扩散 319

7.8.1 长链聚合物中的扩散 319

7.8.2 无机玻璃中的扩散 320

7.9 材料中扩散问题的几个实例 320

7.9.1 粉体材料的烧结 320

7.9.2 渗碳 322

7.9.3 铸锭的均匀化 324

7.9.4 金属表面的氧化 325

习题 326

第8章 材料塑性变形 328

8.1 单晶体金属的塑性变形 328

8.1.1 单晶体的滑移 328

8.1.2 扭折 336

8.1.3 孪生 337

8.2 多晶体的塑性变形 340

8.2.1 晶粒边界 341

8.2.2 晶界对多晶体塑性变形的影响 341

8.2.3 多晶体塑性变形的微观特点 343

8.3.1 屈服现象 344

8.3 单相固溶体合金塑性变形特点 344

8.3.2 应变时效 345

8.4 复相合金的塑性变形 347

8.5 金属冷加工后的组织与性能的变化 348

8.5.1 金属塑性变形后的组织变化 348

8.5.2 加工硬化 351

8.5.3 变形后金属中的残余应力 353

8.5.4 多晶体材料的织构（择优取向） 354

8.6 陶瓷材料的塑性变形 356

8.7 聚合物的变形 359

8.7.1 热塑性聚合物的变形 360

8.7.2 热固性塑料的变形 363

习题 363

第9章 冷变形金属的回复、再结晶与热加工 365

9.1 概述 365

9.2 冷变形金属的回复 367

9.2.1 回复动力学 367

9.2.2 回复过程的组织变化与回复机制 368

9.3 冷变形金属的再结晶 371

9.3.1 再结晶的形核 371

9.3.2 再结晶动力学 373

9.3.3 再结晶温度 374

9.3.4 再结晶后的晶粒大小及再结晶全图 375

9.3.5 再结晶织构 377

9.3.6 退火孪晶 378

9.4 晶粒长大 378

9.4.1 正常晶粒长大 379

9.4.2 反常晶粒长大（二次再结晶） 381

9.5 金属热加工 382

9.5.1 动态回复与动态再结晶 383

9.5.2 热加工后金属的组织与性能 385

9.5.3 超塑性 385

习题 387

第10章 固态相变 390

10.1 固态相变概述 390

10.1.1 固态相变的分类 390

10.1.2 固态相变的特点 393

10.1.3 固态相变的热力学条件 394

10.1.4 固态相变的形核 395

10.1.5 新相的长大 398

10.1.6 相变动力学 400

10.2 过饱和固溶体的脱溶 402

10.2.1 脱溶的驱动力 402

10.2.2 脱溶顺序 403

10.2.3 脱溶方式及显微组织的变化 405

10.2.4 调幅分解 408

10.3 共析转变 410

10.3.1 Fe-C合金中的共析转变 410

10.3.2 珠光体的形成过程 411

10.3.3 珠光体的组织特点及力学性能 413

10.3.4 有色合金中的共析转变 413

10.4 马氏体转变 416

10.4.1 马氏体转变的特点 416

10.4.2 马氏体转变热力学 418

10.4.3 马氏体转变动力学 420

10.4.4 马氏体转变晶体学 422

10.4.5 热弹性马氏体和马氏体转变的可逆性 424

10.4.6 有色合金中的马氏体 425

10.4.7 非金属材料中的马氏体转变 427

10.5 贝氏体转变 429

10.5.1 贝氏体转变的特点 429

10.5.2 贝氏体的类型与组织形态 430

10.5.3 贝氏体转变的机制 432

10.5.4 贝氏体的性能 432

10.6 块型转变 432

10.6.1 纯金属中的块型转变 433

10.6.2 二元合金置换式固溶体中的块型转变 434

10.6.3 块型转变机制 434

10.7 有序-无序转变 435

10.7.1 有序度参量 435

10.7.2 有序化过程 437

习题 438

第11章 材料的电子结构与物理性能的基本知识 440

11.1 固体电子理论简介 440

11.1.1 经典自由电子论 440

11.1.2 量子自由电子论 441

11.1.3 能带概念的引入 443

11.2 材料的电学性能 446

11.2.1 固体的导电性 446

11.2.2 半导体 448

11.2.3 电学材料 453

11.3 材料的磁学性能 454

11.3.1 物质的磁性与原子结构 454

11.3.2 物质磁性的分类 456

11.3.3 磁畴与技术磁化 460

11.3.4 磁性材料 462

11.4.1 光和颜色 463

11.4 材料的光学性能 463

11.4.2 光辐射原理 464

11.4.3 光学材料 470

习题 473

第12章 材料的强化和韧化 474

12.1 金属材料的强韧化 474

12.1.1 金属材料的强化 474

12.1.2 金属材料的韧化 483

12.2 陶瓷材料的增韧 488

12.2.1 相变增韧 489

12.2.2 裂纹桥联增韧 491

12.2.3 裂纹偏转和微裂纹增韧 492

12.2.4 耦合增韧效应 493

12.3 高聚物的强韧化 493

12.3.1 高分子链结构的影响 495

12.3.2 高分子聚集态结构的影响 496

12.3.3 外界条件的影响 500

12.4 复合材料的强化和韧化 501

12.4.1 纤维的增强作用 501

12.4.2 纤维和晶须的增韧作用 503

习题 505

参考文献 507