金属材料科学基础

本教材编排主线为从微观结构到组织再到性能，因此第1章为金属的晶体学基础，第2章为晶体缺陷，第3章为固态金属中的扩散，第4章为单元系相图及液固和气固相变，第5章为二元相图及合金的凝固，第6章为三元相图及典型三元合金凝固分析，第7章为材料的变形及回复与再结晶，第8章为材料的亚稳态结构。本教材在编写时加强了对一些重要理论应用公式的推导介绍，建议教师在授课时酌情取舍；读者在学习本教材时要培养先建立数学物理模型，简化求解讨论，再解决实际问题的实用理工科思想。 本教材可以作为偏金属类的材料科学与工程、材料成型及控制工程等专业的教材。

第1章 金属的晶体学基础 1
1.1 原子结构 1
1.2 原子间的键合 3
1.2.1 金属键 3
1.2.2 离子键 4
1.2.3 共价键 4
1.2.4 范德瓦耳斯键 5
1.2.5 氢键 5
1.2.6 混合键 6
1.2.7 结合键的本质与原子间距 7
1.2.8 结合键与性能 8
1.2.9 原子的电负性 8
1.3 原子排列方式 9
1.4 晶体学基础 10
1.4.1 空间点阵和晶胞 10
1.4.2 密勒指数 13
1.4.3 晶体对称性 18
1.4.4 极射投影 20
1.4.5 倒易点阵 22
1.5 金属的晶体结构 23
1.5.1 典型金属晶体结构 23
1.5.2 原子堆垛方式和间隙 26
1.5.3 多晶型性 28
1.6 合金相结构 28
1.6.1 固溶体 29
1.6.2 中间相 32
1.7 晶体材料组织及其观察 37
课后练习题 39
第2章 晶体缺陷 41
2.1 点缺陷 41
2.1.1 点缺陷的类型 41
2.1.2 点缺陷的平衡浓度 42
2.1.3 点缺陷的运动 44
2.2 位错 44
2.2.1 位错的基本类型和特征 45
2.2.2 柏氏矢量 48
2.2.3 位错运动 50
2.2.4 位错的弹性性质 56
2.2.5 位错的生成和增殖 63
2.2.6 实际晶体结构中的位错 66
2.2.7 位错的观察 72
2.3 界面及表面 73
2.3.1 晶界 73
2.3.2 孪晶界和相界 76
2.3.3 表面 78
课后练习题 81
第3章 固态金属中的扩散 83
3.1 扩散的宏观规律 83
3.1.1 菲克第一定律 83
3.1.2 菲克第二定律 84
3.1.3 扩散定律的应用 85
3.2 扩散驱动力 88
3.3 扩散的微观理论与机制 90
3.3.1 原子的跃迁 90
3.3.2 扩散机制 91
3.3.3 扩散系数 95
3.3.4 扩散激活能 96
3.4 反应扩散 99
3.5 扩散的影响因素 100
课后练习题 102
第4章 单元系相图及液固和气固相变 104
4.1 单元系相变热力学及相平衡 104
4.1.1 相平衡状态和相律 104
4.1.2 单元系相图 104
4.2 金属凝固的理论与应用 106
4.2.1 液态金属结构 106
4.2.2 凝固的热力学条件 106
4.2.3 形核 107
4.2.4 晶体长大 113
4.2.5 结晶动力学及凝固组织 116
4.2.6 凝固理论的应用举例 119
4.3 气固-相变与薄膜生长 122
4.3.1 蒸气压 122
4.3.2 蒸发和凝聚的热力学条件 123
4.3.3 气体分子的平均自由程 123
课后练习题 124
第5章 二元相图及合金的凝固 125
5.1 相图的表示和实验测定 125
5.2 计算相图的热力学基础 126
5.2.1 固溶体的自由能-成分曲线 127
5.2.2 多相平衡的公切线原理 127
5.2.3 混合物的自由能和杠杆法则 128
5.2.4 自由能-成分曲线计算相图举例 129
5.2.5 二元相图的几何规律 130
5.3 二元相图分析 131
5.3.1 匀晶相图和固溶体凝固 131
5.3.2 共晶相图及其合金凝固 134
5.3.3 包晶相图及其合金凝固 138
5.3.4 溶混间隙相图与调幅分解 140
5.3.5 其他类型的二元相图 141
5.3.6 复杂二元相图的分析方法 147
5.3.7 根据相图推测合金的性能 148
5.3.8 铁碳合金的组织及其性能 149
5.4 二元合金的凝固理论 155
5.4.1 固溶体的凝固理论 155
5.4.2 共晶凝固理论 163
5.4.3 合金铸锭（件）的组织与缺陷 169
5.4.4 合金的铸造和二次加工 174
5.5 高分子合金和陶瓷合金简介 175
课后练习题 176
第6章 三元相图及典型三元合金凝固分析 180
6.1 三元相图的基础 180
6.1.1 三元相图成分表示方法 180
6.1.2 三元相图的空间模型 183
6.1.3 三元相图的截面图和投影图 183
6.1.4 三元相图中的杠杆定律及重心定律 185
6.2 具有两相共晶反应的三元相图 188
6.3 固态互不溶解的三元共晶相图 191
6.4 固态有限互溶的三元共晶相图 195
6.5 包共晶型三元相图 198
6.6 具有四相平衡包晶转变的三元相图 200
6.7 形成稳定化合物的三元相图 201
6.8 三元相图举例 202
6.9 三元相图小结 205
课后练习题 207
第7章 材料的变形及回复与再结晶 209
7.1 弹性和黏弹性 209
7.1.1 弹性变形的微观解释 209
7.1.2 弹性变形的特征和弹性模量 210
7.1.3 弹性的不完整性 212
7.1.4 黏弹性 214
7.2 晶体的塑性变形 214
7.2.1 单晶体的塑性变形 215
7.2.2 多晶体的塑性变形 224
7.2.3 合金的塑性变形 227
7.2.4 塑性变形对材料组织与性能的影响 232
7.3 回复和再结晶 237
7.3.1 冷变形金属在加热时的组织与性能变化 237
7.3.2 回复 238
7.3.3 再结晶 240
7.3.4 晶粒长大 246
7.3.5 再结晶退火后的组织 251
7.4 热变形与动态回复、再结晶 252
7.4.1 动态回复与动态再结晶 252
7.4.2 热加工对组织性能的影响 255
7.4.3 蠕变 256
7.4.4 超塑性 257
7.5 陶瓷材料和高聚物的变形特点 259
课后练习题 262
第8章 材料的亚稳态结构 263
8.1 纳米晶材料 263
8.1.1 纳米晶材料的结构 264
8.1.2 纳米晶材料的性能及其形成 265
8.2 准晶态 267
8.3 非晶态材料 268
8.3.1 非晶态的形成 269
8.3.2 非晶态的结构 272
8.3.3 非晶态的性能 273
8.3.4 高分子的玻璃化转变 274
8.4 固态相变形成的亚稳相 276
8.4.1 亚稳相热力学基础 276
8.4.2 固溶体脱溶分解产物 278
8.4.3 马氏体转变 286
8.4.4 贝氏体转变 293
课后练习题 295
参考文献 296