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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