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第一篇 材料结构基础3

1 原子结构与结合键3

1.1 原子结构3

1.1.1 孤立原子的结构3

1.1.2 固体中的电子态5

1.2 固体材料中原子间的结合6

1.2.1 原子结合键的类型7

1.2.2 结合能与结合力9

1.3 原子半径与离子半径11

1.3.1 原子半径与离子半径的定义11

1.3.2 原子半径与离子半径的周期性规律11

1.3.3 原子半径与结合键的关系12

总结14

重要术语14

练习与思考15

参考文献16

2 晶体结构17

2.1 晶体的基本特性17

2.1.1 晶体的概念及其对称特征17

2.1.2 晶体的基本共性18

2.1.3 实际晶体的存在形式18

2.2 晶体的基本对称性19

2.2.1 晶体平移对称性与点阵理论19

2.2.2 晶体的点对称性21

2.2.3 七种晶系22

2.2.4 十四种布拉菲点阵23

2.3 晶体的晶向与晶面指数25

2.3.1 晶向指数的常规表达方法25

2.3.2 晶面指数的常规表达方法27

2.3.3 六方晶系的晶向指数及晶面指数28

2.3.4 晶面间距30

2.3.5 晶带定律32

2.4 晶体的常见结构32

2.4.1 单质晶体结构与原子的堆垛33

2.4.2 常见的化合物结构与离子晶体的鲍林规则36

2.4.3 拓扑密堆结构42

2.4.4 固溶体44

2.4.5 晶体取向与多晶体织构46

2.5 非晶、准晶与液晶51

2.5.1 非晶体51

2.5.2 准晶52

2.5.3 液晶53

总结55

重要术语55

练习与思考56

参考文献57

3 晶体缺陷58

3.1 晶体中的点缺陷58

3.1.1 点缺陷的种类及平衡浓度58

3.1.2 点缺陷的形成59

3.1.3 温度对点缺陷浓度的影响60

3.2 晶体中位错及其弹性性质61

3.2.1 金属晶体中的位错现象61

3.2.2 位错的几何形态63

3.2.3 位错的应力场与应变能64

3.2.4 位错的运动67

3.2.5 位错受力68

3.3 实际晶体中的位错71

3.3.1 全位错及位错合成反应的Frank判据71

3.3.2 面心立方A1晶体的肖克莱位错与堆垛层错72

3.3.3 面心立方A1晶体的弗兰克位错与面角位错74

3.3.4 其他单质晶体的位错结构76

3.3.5 有序合金中的位错77

3.4 位错的增殖及其与溶质原子的交互作用79

3.4.1 位错的增殖79

3.4.2 科氏气团80

3.4.3 史诺克气团81

3.4.4 铃木气团82

3.5 晶界的基本结构82

3.5.1 晶界结构的取向特征82

3.5.2 小角度晶界的位错结构83

3.5.3 大角度晶界结构与重合位置点阵85

3.5.4 晶界能87

3.6 表面与相界面89

3.6.1 表面与表面能89

3.6.2 表面的微观形貌89

3.6.3 表面吸附与偏析90

3.6.4 多相组织的相界面91

总结92

重要术语93

练习与思考94

参考文献96

4 固态扩散97

4.1 扩散的宏观规律97

4.1.1 菲克第一定律97

4.1.2 菲克第二定律98

4.1.3 扩散方程的解及应用99

4.1.4 置换型固溶体中的互扩散现象103

4.1.5 反应扩散105

4.2 扩散的微观机制107

4.2.1 扩散机制107

4.2.2 扩散系数与原子跳动108

4.2.3 无规行走与扩散距离108

4.2.4 相关效应109

4.2.5 扩散系数的微观意义及扩散激活能110

4.2.6 扩散的热力学分析112

4.3 扩散系数的影响因素114

4.3.1 温度114

4.3.2 熔点114

4.3.3 晶体结构115

4.3.4 晶体缺陷116

4.3.5 合金成分118

4.4 离子晶体、玻璃及聚合物中的扩散119

4.4.1 离子晶体中的扩散119

4.4.2 玻璃中的扩散119

4.4.3 聚合物中的扩散121

总结123

重要术语124

练习与思考124

参考文献126

5 材料结构衍射分析127

5.1 X射线衍射分析127

5.1.1 X射线衍射的布拉格方程127

5.1.2 X射线衍射强度128

5.1.3 X射线衍射的结构因子129

5.1.4 晶体点阵类型所引发的系统消光130

5.1.5 多晶体的X射线衍射谱131

5.2 电子背散射衍射（EBSD）分析132

5.2.1 电子背散射衍射原理132

5.2.2 菊池带与晶体取向134

5.2.3 电子背散射衍射（EBSD）技术的应用136

5.3 电子衍射入门137

5.3.1 电子束的衍射特征137

5.3.2 电子衍射成像过程137

5.3.3 电子衍射结构分析浅述138

总结139

重要术语140

练习与思考140

参考文献140

第二篇 相图与显微组织145

6 相图145

6.1 基本概念145

6.1.1 相与组元145

6.1.2 相平衡与相变146

6.1.3 相律149

6.1.4 相图的基本概念150

6.1.5 相图中的成分变量151

6.2 单元系相图152

6.2.1 单元系相图实例152

6.2.2 单元系相图的结构分析154

6.3 二元系相图154

6.3.1 二元相图的一般规律155

6.3.2 二元相图实例158

6.4 三元系与高元系相图162

6.4.1 三元相图的一般规律162

6.4.2 重心法则——三元系平衡相的定量法则166

6.4.3 多元相图的投影图与截面图167

6.5 相图的构建171

6.5.1 相图的试验测定171

6.5.2 基于自由能曲线构建相图173

6.5.3 相图计算（CALPHAD）174

总结177

重要术语178

练习与思考179

参考文献180

7 材料的凝固182

7.1 金属凝固的基本过程182

7.1.1 凝固的热力学条件182

7.1.2 凝固的形核过程183

7.1.3 结晶核的长大186

7.2 金属与合金的凝固189

7.2.1 纯物质的凝固189

7.2.2 单相固溶体的凝固190

7.2.3 共晶凝固201

7.2.4 包晶凝固205

7.2.5 铸锭组织的形成及控制206

7.3 特殊凝固技术211

7.3.1 定向凝固211

7.3.2 区域提纯211

7.3.3 特殊凝固212

7.3.4 连续铸坯的低倍组织214

7.4 非金属的凝固214

7.4.1 陶瓷及耐火材料的凝固214

7.4.2 无机非金属玻璃的形成与晶化216

7.4.3 聚合物的结晶218

总结222

重要术语223

练习与思考224

参考文献225

8 固态相变226

8.1 固态相变及其常见分类226

8.1.1 固态相变与分类依据226

8.1.2 扩散型转变227

8.1.3 无扩散型转变230

8.1.4 形核长大型转变的分类232

8.2 扩散型固态相变基础234

8.2.1 热力学基础234

8.2.2 热激活形核236

8.2.3 热激活长大241

8.2.4 热激活型转变动力学245

8.3 时效硬化合金中的脱溶247

8.3.1 形核长大型与调幅分解型脱溶248

8.3.2 吉布斯-汤姆逊效应与脱溶相的粒子粗化250

8.3.3 合金的脱溶序列及时效硬化252

总结255

重要术语256

练习与思考257

参考文献258

9 材料的形变与再结晶260

9.1 材料的冷变形260

9.1.1 晶体的弹性变形261

9.1.2 单晶体的塑性变形264

9.1.3 多晶体的塑性变形273

9.1.4 聚合物的塑性变形275

9.2 形变过程的组织演变278

9.2.1 形变过程宏观组织的变化278

9.2.2 形变过程微观组织的变化278

9.2.3 影响冷形变金属和合金微观组织结构的因素279

9.2.4 形变织构的形成与特点280

9.3 回复与再结晶281

9.3.1 形变金属的回复283

9.3.2 形变金属的再结晶287

9.4 再结晶后晶粒的长大295

9.4.1 正常晶粒长大296

9.4.2 异常晶粒长大298

9.5 材料的热变形与动态组织演变299

9.5.1 热变形对应的应力-应变曲线299

9.5.2 动态回复与动态再结晶机制及组织301

9.5.3 再结晶织构的形成与特点303

总结303

重要术语305

练习与思考306

参考文献307

索引308