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第1章 金属晶体与晶体结构1

1.1　晶体的基本特性1

1.1.1　晶体的概念1

1.1.2 晶体的基本共性2

1.1.3　晶体的稳定性和不完整性3

1.2　晶体的基本对称性3

1.2.1　点对称操作3

1.2.2　7种晶系6

1.2.3　平移对称操作6

1.2.4　14种布拉菲点阵8

1.3　金属晶体的常见结构12

1.3.1　单质晶体结构12

1.3.2　AX型化合物15

1.3.3 AX2型化合物17

1.3.4 AX3型化合物19

1.3.5　结构转变及概率占位22

1.3.6　拓扑密堆型化合物23

1.4　晶体取向与多晶体织构25

1.4.1　晶体取向25

1.4.2　晶体学织构27

1.4.3　取向分布函数的数学原理29

1.4.4　织构的表达与定量分析33

1.4.5 六方晶系与四方晶系的取向空间35

1.5　金属晶体结构的X衍射分析简介37

1.5.1　X射线衍射的布拉格方程37

1.5.2　X射线衍射强度39

1.5.3　X射线衍射的结构因子39

1.5.4 晶体点阵类型所引发的系统消光41

1.5.5　多晶体极图的X射线测量原理42

1.5.6　中子衍射结构分析43

第2章 金属中的点缺陷45

2.1　点缺陷的热力学分析46

2.1.1 点缺陷的基本热力学关系46

2.1.2　空位浓度的测量46

2.1.3 自间隙原子的产生48

2.2　受辐照金属的点缺陷组态50

2.2.1 自间隙原子与空位的组态50

2.2.2　点缺陷的聚集和自组织51

2.2.3　合金体系中持续点缺陷流引起的原子再分布52

2.3　受辐照金属的回复与辐照损伤53

2.3.1　辐照后的回复53

2.3.2　辐照损伤55

第3章 金属晶体中的线缺陷57

3.1　位错学说的产生57

3.1.1　理论剪切强度的估算57

3.1.2　位错理论的提出59

3.2　位错的几何形态60

3.2.1　位错的基本类型60

3.2.2　柏氏回路及位错的柏氏矢量64

3.2.3　位错的实验观察68

3.2.4　位错的密度70

3.3　位错的运动70

3.3.1　位错的运动方向71

3.3.2　位错的滑移运动71

3.3.3　位错的攀移运动71

3.3.4　位错的交滑移运动72

3.3.5　位错运动的点阵阻力——PN力73

3.3.6　位错运动与晶体的塑性变形73

3.3.7　位错滑移造成的取向变化74

3.4　位错的弹性性质76

3.4.1　应力和应变分析76

3.4.2　位错的应力场78

3.4.3　位错的弹性应变能81

3.4.4　作用在位错线上的力83

3.5　位错与溶质原子的交互作用88

3.5.1　位错与溶质原子的弹性交互作用88

3.5.2　位错与溶质原子的静电交互作用89

3.5.3　位错与溶质原子的化学交互作用90

3.6　位错增殖与塞积90

3.6.1　位错增殖90

3.6.2　位错塞积群91

3.7　实际晶体结构中的位错93

3.7.1　全位错93

3.7.2　不全位错94

3.7.3　面心立方金属堆垛层错的类型95

3.7.4　体心立方金属中的位错结构101

3.7.5　有序合金中的位错103

第4章 金属的面缺陷107

4.1 晶界的取向特征108

4.1.1 晶界的空间几何特点108

4.1.2　晶界取向差108

4.1.3 多晶体晶界的取向差分布111

4.1.4　平移界面及其取向特征115

4.2　晶界的基本结构116

4.2.1　小角度晶界结构117

4.2.2　小角度晶界能量120

4.2.3　大角度晶界结构与重合位置点阵121

4.2.4　大角度晶界能量125

4.2.5　晶界的平衡偏析126

4.3　晶界的迁移特征128

4.3.1　小角度晶界的迁移率129

4.3.2　大角度晶界的迁移率131

4.3.3 晶界上偏聚的溶质对晶界迁移的拖曳135

4.4　金属的表面137

4.4.1　表面张力和表面能137

4.4.2　表面的微观形貌141

4.4.3　表面弛豫和重构141

4.4.4　表面吸附与表面偏析143

4.5　相界面144

4.5.1　相界面的基本特征144

4.5.2　界面的平衡形貌147

第5章　金属静载力学性能试验151

5.1　静载拉伸性能指标151

5.1.1　拉伸试验与拉伸曲线151

5.1.2 比例极限152

5.1.3　弹性极限153

5.1.4　弹性比功154

5.1.5　屈服强度154

5.1.6　抗拉强度155

5.1.7　延伸率和断面收缩率155

5.2　拉伸真实应力-应变曲线156

5.2.1　真实应力-应变曲线与工程应力-应变曲线的比较156

5.2.2　金属塑性变形的加工硬化157

5.2.3　金属的加工硬化指数与成形性158

5.3　其他静载力学性能试验方法159

5.3.1　压缩试验159

5.3.2　弯曲试验160

5.3.3　扭转试验161

第6章 金属静载变形行为164

6.1　弹性变形物理本质164

6.1.1　弹性变形现象及其特点164

6.1.2　胡克定律165

6.1.3　弹性变形的物理本质166

6.2　弹性常数167

6.2.1　弹性常数的工程意义167

6.2.2　影响弹性模量的因素169

6.3　弹性不完整性与内耗171

6.3.1　弹性后效171

6.3.2　循环韧性172

6.4　金属的塑性变形及其微观机制173

6.4.1　金属的塑性变形及其特点173

6.4.2　金属的塑性变形微观机制175

6.4.3　材料塑性的工程意义177

第7章 金属强度与强化理论178

7.1　金属强度的本质与构成178

7.1.1　点阵阻力179

7.1.2　位错间的交互作用阻力179

7.1.3　金属屈服强度的本质及构成180

7.1.4　金属强化的一般途径180

7.2　金属的细化晶粒强化181

7.2.1　多晶体的屈服强度181

7.2.2　Hall-Petch公式181

7.2.3　细化晶粒强化的基本规律182

7.3　金属的固溶强化183

7.3.1　固溶强化现象183

7.3.2　固溶强化机理184

7.4　金属的第二相强化185

7.4.1　分散型第二相的强化186

7.4.2　集聚型第二相的强化187

7.5　金属的形变强化188

7.5.1　单晶体的形变强化189

7.5.2　多晶体的形变强化189

7.5.3　影响形变强化的因素190

7.5.4　各种基本强化机制的耦合效应193

第8章 金属的断裂与韧化194

8.1　金属韧性断裂195

8.1.1　纯剪切型断裂195

8.1.2　微孔聚集型断裂195

8.2　金属脆性断裂200

8.2.1　解理断裂200

8.2.2　沿晶断裂204

8.3　金属脆化因素与脆化机制205

8.3.1　缺口脆性205

8.3.2 冲击脆性210

8.3.3　低温脆性214

8.3.4　金属韧化机制216

第9章 金属裂纹体的断裂与断裂韧性219

9.1　格里菲斯理论219

9.1.1　理论断裂强度219

9.1.2　格里菲斯断裂理论220

9.2　线弹性断裂力学的基本原理222

9.2.1 裂纹尖端的应力场及其强度因子KI223

9.2.2　断裂韧性和脆断判据225

9.2.3　裂纹尖端塑性区及其修正226

9.2.4　裂纹扩展能量释放率228

9.2.5 弹塑性状态的断裂判据——COD和J积分简介229

9.3　断裂韧性测试与应用231

9.3.1　试样制备231

9.3.2　测试方法231

9.3.3　试验结果的处理233

9.3.4　断裂韧性的应用234

第10章　金属的疲劳236

10.1　金属机械疲劳现象236

10.1.1　循环应力236

10.1.2　疲劳断口特征237

10.2　疲劳强度与疲劳寿命237

10.2.1　高周疲劳238

10.2.2　低周疲劳241

10.3　疲劳损伤理论及疲劳性能的提高243

10.3.1　疲劳裂纹的萌生243

10.3.2　疲劳裂纹的扩展246

10.3.3　疲劳裂纹扩展速率247

10.3.4　提高疲劳性能的途径248

第11章　金属的蠕变与应力松弛251

11.1　热-力耦合变形及其时间效应251

11.1.1　热-力耦合变形过程251

11.1.2　载荷的时间效应252

11.2　蠕变机理与应力松弛253

11.2.1　金属的蠕变现象253

11.2.2　蠕变机制254

11.2.3　蠕变断裂过程256

11.2.4　金属的应力松弛257

11.3　蠕变抗力指标与影响因素258

11.3.1　蠕变抗力指标258

11.3.2　蠕变抗力影响因素260

第12章　金属材料的电学性能262

12.1　金属材料的电学基本理论262

12.1.1　经典自由电子论262

12.1.2 晶体能带理论263

12.1.3　导体与非导体能带266

12.2　金属材料的基本导电性能268

12.2.1　电阻电阻率电导率268

12.2.2 电学性能与微观结构之间的关系270

12.3 半导体的导电特性277

12.3.1　半导体导电特性概述277

12.3.2　本征半导体的导电性277

12.3.3　非本征半导体的导电性280

12.3.4　半导体导电特性小结282

12.4　金属材料的热电效应283

12.4.1　塞贝克效应283

12.4.2　帕耳帖效应284

12.4.3　汤姆孙效应285

12.4.4　热电效应的应用——热电偶285

12.5　金属的超导原理286

12.5.1　超导体的基本性质286

12.5.2 BCS理论288

12.5.3　两类超导体的基本特征288

12.5.4　超导隧道效应289

12.5.5　超导材料的发展290

12.5.6　超导材料的应用291

第13章　材料的磁性能292

13.1　材料磁性概述292

13.1.1　基本磁学量292

13.1.2　磁性系统的单位295

13.1.3　材料的抗磁性和顺磁性296

13.2　磁性起源和原子磁矩297

13.2.1 自由原子的磁矩297

13.2.2　材料中的原子磁矩300

13.3　自发磁化理论303

13.3.1　铁磁性材料的宏观特征303

13.3.2　外斯分子场理论304

13.3.3　直接交换作用305

13.3.4　稀土金属化合物中的间接交换作用306

13.3.5　亚铁磁性“分子场”理论307

13.3.6　亚铁磁性材料310

13.3.7　反铁磁性和亚铁磁性的超交换作用311

13.4　磁各向异性，磁致伸缩和退磁场312

13.4.1　磁晶各向异性能312

13.4.2　磁致伸缩314

13.4.3　退磁场能316

13.5　磁畴318

13.5.1　磁畴壁318

13.5.2　磁畴320

13.5.3　不均匀和多晶体磁畴结构322

13.5.4　单畴结构322

13.6　磁性材料的技术磁化323

13.6.1　技术磁化和反磁化过程323

13.6.2　磁化曲线上的磁导率327

13.6.3　磁滞回线上的矫顽力330

13.6.4　剩余磁化强度332

13.6.5　趋近饱和定律333

13.7　铁磁性材料在交变磁场中的磁化334

13.7.1 动态磁化过程的特点和复数磁导率334

13.7.2　磁谱和截止频率335

13.7.3　铁磁体的交流损耗336

13.8　磁性测量方法343

13.8.1　磁性材料直流特性测量343

13.8.2　材料的交流（动态）磁性测量347

13.9　磁电阻效应349

第14章　材料的光学性质353

14.1　光的基本性质353

14.1.1　波粒二象性353

14.1.2　光的波动性355

14.1.3　光子的能量和动量357

14.1.4　材料光学常数间的基本关系358

14.2　光在材料中传播359

14.2.1　光通过材料的现象359

14.2.2　光在材料中的折射和反射360

14.2.3　材料的透光性能368

14.3　材料的光发射374

14.3.1 激励方式375

14.3.2　材料发光的基本性质375

14.3.3　材料的发光过程378

14.3.4　受激辐射和自发辐射381

14.3.5　产生激光的条件382

14.3.6　半导体激光385

第15章　材料的热学性能和晶格振动390

15.1 晶格振动391

15.1.1　一维单原子振动391

15.1.2　一维复式格子的情形394

15.1.3　声学波和光学波395

15.1.4　周期性边界条件397

15.1.5　晶格振动的量子化声子399

15.2　材料的热容401

15.2.1 电子热容401

15.2.2　晶格振动热容402

15.2.3　德拜温度和熔点的关系407

15.2.4　热容与材料的组织、状态的关系407

15.2.5　差示扫描热分析409

15.3　材料的热膨胀410

15.3.1　热膨胀系数410

15.3.2　热膨胀的物理本质411

15.3.3　热膨胀系数与其他物理量之间的关系412

15.3.4　影响热膨胀系数的因素413

15.3.5　膨胀合金415

15.4　材料的导热性418

15.4.1　材料的热传导418

15.4.2　热传导的微观机制419

第16章　金属的储氢性能423

16.1　储氢金属的基本特征423

16.1.1　金属储氢的基本原理423

16.1.2　储氢金属的分类424

16.2　储氢金属的热力学与动力学特性426

16.2.1　储氢金属的热力学特性426

16.2.2　储氢金属的动力学特性429

16.3　储氢金属的储氢结构与性能430

16.3.1　常规储氢结构430

16.3.2　AB5型晶体的储氢结构与性能431

16.3.3　镁基储氢合金的结构和性能433

16.3.4　Laves相的储氢结构与性能434

16.3.5　其他储氢合金435

参考文献436