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绪论1

1 金属的晶体结构4

1.1 金属的通性与金属键4

1.2 晶体学基础4

1.2.1 晶体与非晶体4

1.2.2 空间点阵与晶胞5

1.2.3 七大晶系和十四种空间点阵6

1.2.4 晶体的对称性概念8

1.2.6 晶面指数和晶向指数10

1.2.5 晶体结构与空间点阵10

1.2.7 晶面及晶向间的夹角15

1.2.8 晶带16

1.2.9 晶面间距16

1.3 金属的晶体结构17

1.3.1 金属的三种典型晶体结构17

1.3.2 晶体的原子堆垛方式和间隙20

1.3.3 金属的其他类型结构25

1.4 晶体的极射投影26

1.4.2 极射投影27

1.4.1 球面投影27

1.4.3 吴氏网28

1.4.4 标准极射投影图29

习题31

2 纯金属的凝固32

2.1 液态金属32

2.1.1 液态金属的性质特点32

2.2.1 液态金属的凝固过程33

2.1.2 液态金属的结构33

2.2 液态金属的凝固33

2.2.2 金属凝固的热力学条件35

2.3 晶核的形成36

2.3.1 均匀形核36

2.3.2 非均匀形核39

2.4 晶核长大42

2.4.1 液固相界面的微观结构42

2.4.2 液固相界面沿液相中的温度梯度43

2.4.4 晶体长大机制44

2.4.3 液固相界面上原子迁移与动态过冷度44

2.4.5 晶体长大后的界面形状45

2.5 凝固理论的实际应用48

2.5.1 铸态晶粒组织的控制48

2.5.2 单晶及单向柱晶的制取50

2.5.3 快速凝固技术与非晶态金属52

习题54

3.1.1 相55

3.1.2 合金相种类55

3.1 二元合金中存在的相55

3 二元合金相图及合金的凝固组织55

3.1.3 相平衡条件与相律56

3.2 二元相图的表示法及杠杆定律56

3.2.1 相图的表示法56

3.2.2 杠杆定律58

3.3 二元相图的测绘58

3.4.1 相图分析60

3.4.2 固溶体合金的平衡凝固及组织60

3.4 匀晶相图及固溶体合金的凝固与组织60

3.4.3 固溶体合金的非平衡凝固及组织62

3.4.4 固溶体合金凝固过程中溶质的再分配63

3.4.5 区域熔炼提纯67

3.4.6 成分过冷及其对晶体长大形状和铸锭组织的影响67

3.5 共晶相图及共晶系合金的凝固组织71

3.5.1 相图分析71

3.5.2 共晶系合金的平衡凝固和组织71

3.5.3 共晶组织形态及其形成机理74

3.5.4 共晶合金的非平衡凝固和组织77

3.6 包晶相图及包晶合金的凝固组织80

3.6.1 相图分析80

3.6.2 包晶系合金的平衡凝固和组织81

3.6.3 包晶系合金的非平衡凝固和组织81

3.6.4 包晶转变的实际应用82

3.7 偏晶相图及其合金的凝固组织82

3.8 具有合晶反应和熔晶反应的相图83

3.8.1 合晶反应83

3.8.2 熔晶反应83

3.9.2 形成不稳定化合物的二元相图84

3.9 形成化合物的二元相图84

3.9.1 形成稳定化合物的二元相图84

3.10 具有固态转变的二元相图85

3.10.1 具有共析转变的相图85

3.10.2 具有包析转变的相图85

3.10.3 具有偏析转变的相图85

3.10.4 具有无序-有序转变的相图86

3.10.5 具有固溶度变化的相图86

3.10.6 具有磁性转变的相图86

3.12 Fe-C相图及铁碳合金87

3.11 建立二元相图的一些几何规则87

3.12.1 Fe-C相图88

3.12.2 铁碳合金的平衡结晶过程和室温平衡组织90

3.13 相图的热力学知识94

3.13.1 固溶体的自由能95

3.13.2 混合相的自由能98

3.13.3 多相平衡的条件98

3.13.4 由二元系各相的自由能曲线绘制相图101

习题104

4 三元相图106

4.1 三元相图的成分表示法106

4.2 杠杆定律和重心法则107

4.2.1 杠杆定律108

4.2.2 重心法则108

4.3 匀晶三元相图109

4.3.1 相图的立体模型109

4.3.2 合金凝固过程及组织109

4.3.3 等温截面110

4.3.4 变温截面111

4.4 简单三元共晶相图112

4.4.1 相图的立体模型112

4.4.2 合金的凝固过程和组织113

4.4.3 等温截面114

4.4.4 变温截面114

4.5 固态有限溶解的三元共晶相图116

4.5.1 相图的立体模型116

4.5.2 合金的凝固过程和组织116

4.5.3 等温截面119

4.5.4 变温截面120

4.6 具有包共晶反应的三元相图121

4.6.1 相图的立体模型121

4.6.2 合金的凝固过程和组织122

4.6.3 等温截面123

4.6.4 变温截面124

4.6.5 固相具有固溶度时的相区界面投影图124

4.7 具有三元包晶反应的三元相图125

4.8 形成稳定化合物的三元相图126

4.8.1 形成一个稳定化合物的三元相图简化法126

4.8.2 形成几个稳定化合物的三元相图简化法127

4.9 三元相图分析方法总结127

4.9.1 三元系的两相平衡128

4.9.2 三元系的三相平衡128

4.9.3 三元系的四相平衡130

4.10 三元相图实例132

4.10.1 Pb-Sn-Bi系132

4.9.4 三元相图中的相区接触规则132

4.10.2 AI-Cu-Mg系133

4.10.3 W-C-Co系135

4.10.4 MgO-AI203-Si02系136

4.10.5 Fe-Cr-C系137

习题140

5.1.1 固溶体的类型142

5.1.2 形成置换固溶体的一些经验规律142

5.1 固溶体142

5 合金相的结构及形成规律142

5.1.3 填隙固溶体146

5.1.4 固溶体的微观不均匀性147

5.1.5 长程有序固溶体(超结构)147

5.1.6 固溶体的性质151

5.2 金属间化合物(中间相)152

5.2.1 正常价化合物153

5.2.2 电子化合物153

5.2.3 原子尺寸因素化合物154

5.2.4 金属间化合物的特性与应用159

习题161

6 空位与位错162

6.1 空位162

6.1.1 空位的热力学分析162

6.1.2 过饱和空位164

6.1.3 空位的迁移164

6.1.4 空位对金属性能的影响165

6.1.5 小结166

6.2 位错的基本类型及特征167

6.2.1 刃型位错167

6.2.2 螺型位错168

6.2.3 混合位错169

6.3 柏氏矢量170

6.3.1 确定柏氏矢量的方法170

6.3.2 柏氏矢量的特征172

6.4 位错的运动172

6.4.1 位错滑移时的晶格阻力172

6.4.2 刃型位错的运动173

6.4.3 螺型位错的运动174

6.4.5 位错运动的小结175

6.4.4 混合位错的运动175

6.5.1 应力分量176

6.5 位错的应力场176

6.5.2 螺型位错应力场177

6.5.3 刃型位错应力场178

6.6 位错的应变能180

6.6.1 螺型位错的应变能180

6.6.2 刃型位错的应变能180

6.6.3 混合位错的应变能180

6.7.1 位错的线张力181

6.7 位错的受力181

6.7.2 外力场中位错所受的力182

6.8 位错与晶体缺陷的相互作用184

6.8.1 位错之间的相互作用184

6.8.2 位错的塞积188

6.8.3 位错与点缺陷之间的交互作用190

6.9 位错的萌生与增殖192

6.9.1 晶体中位错的萌生192

6.9.2 晶体中位错的增殖193

6.10 实际晶体中的位错组态195

6.10.1 常见的三种金属晶体结构中单位位错的柏氏矢量195

6.10.2 层错195

6.10.3 不全位错197

6.10.4 位错反应与扩展位错198

6.11 位错的观测205

习题207

7.1.1 表面能209

7.1 表面209

7 界面209

7.1.2 表面吸附210

7.2 晶界与亚晶界211

7.2.1 大角度晶界211

7.2.2 小角度晶界212

7.2.3 亚晶界214

7.2.4 晶界能215

7.2.5 晶界能的实际意义216

7.3.1 晶界的平衡偏聚218

7.3 晶界的偏聚218

7.3.2 晶界的非平衡偏聚219

7.3.3 晶界偏聚的实际意义219

7.4 孪晶界220

7.5 相界221

7.5.1 共格相界221

7.5.2 半共格相界221

7.6 复合材料的界面问题222

习题224

8.1.1 滑移225

8 金属的塑性变形225

8.1 单晶体金属的塑性变形225

8.1.2 孪生234

8.1.3 其他变形方式238

8.2 多晶体的塑性变形238

8.2.1 晶粒取向不同对塑性变形的影响239

8.2.2 晶界对滑移的阻滞效应239

8.2.3 晶粒大小对金属强度和塑性的影响240

8.3.1 单相固溶体合金塑性变形的特点242

8.3 合金的塑性变形242

8.3.2 复相合金的塑性变形245

8.4 金属塑性变形后的组织与性能248

8.4.1 塑性变形对金属组织的影响248

8.4.2 加工硬化250

8.4.3 变形后金属中的残余应力254

8.4.4 变形织构256

8.4.5 塑性变形对金属其他性能的影响257

习题258

9 回复、再结晶与热加工259

9.1 变形金属在加热时组织性能变化的特点259

9.2 回复260

9.2.1 回复动力学260

9.2.2 回复时亚结构的变化与回复机制261

9.2.3 回复退火的应用264

9.3 再结晶265

9.3.1 再结晶过程265

9.3.3 再结晶温度267

9.3.2 再结晶动力学267

9.3.4 再结晶后的晶粒大小及再结晶全图270

9.3.5 再结晶织构273

9.3.6 退火孪晶275

9.4 晶粒长大275

9.4.1 正常晶粒长大275

9.4.2 反常晶粒长大(二次再结晶)279

9.5.1 动态回复与动态再结晶281

9.5 金属的热加工281

9.5.2 金属的热塑性285

9.5.3 热加工对金属组织和性能的影响287

9.6 超塑性288

9.6.1 微晶超塑性的特征289

9.6.2 微晶超塑性变形机制291

习题292

10 固体金属中的扩散293

10.1 扩散方程293

10.1.1 菲克第一定律293

10.1.3 菲克第二定律295

10.1.2 扩散系数的测定295

10.1.4 菲克第二定律的解296

10.2 固溶体合金中的扩散299

10.2.1 固溶体合金中的自扩散299

10.2.2 固溶体合金中的互扩散——克肯达尔效应299

10.3 扩散问题的热力学300

10.3.1 扩散的驱动力300

10.3.2 上坡扩散301

10.4.1 间隙机制302

10.4 扩散机制302

10.4.2 空位机制303

10.4.3 交换机制304

10.5 影响扩散的因素305

10.5.1 温度的影响305

10.5.2 晶体缺陷的影响305

10.5.3 晶体结构的影响307

10.5.7 第三元素(或杂质)的影响308

10.5.6 扩散元素浓度的影响308

10.5.5 扩散元素性质的影响308

10.5.4 固溶体类型的影响308

10.6 反应扩散309

10.6.1 反应扩散的概念309

10.6.2 反应扩散的速率310

10.7 金属材料中扩散问题的几个实例310

10.7.1 铸锭均匀化310

10.7.2 渗碳311

10.7.3 金属表面氧化312

10.7.4 金属的粘接314

习题316

11 合金成分、组织设计的初步概念317

11.1 合金成分选择与设计317

11.1.1 结构材料的力学性能与成分、组织的关系317

11.1.2 功能材料的成分与性能之间关系的实例324

11.2 加工热处理工艺与合金组织性能的关系325

11.2.1 加工热处理对合金组织、性能影响的实例325

11.2.2 新技术、新工艺对新型材料发展的促进327

参考文献331