金属学原理

作者简介

内 容 简 介

本书主要讨论金属材料科学与工程的基础知识和基础理论。全书共分10章：1.晶体学；2.

金属和合金的晶体结构；3.相图；4.金属和合金中的扩散；5.凝固；6.位错；7.晶态固体的表面

和界面；8.晶体的塑性形变；9.回复和再结晶；10.固态转变。除此之外，书中还附有介绍晶体学

的补充材料，对晶体学点群进行讨论和对空间群作了简介。本书尽量引用以上领域较新的概念

和资料，并介绍建立数学模型的思路。每章后面都附有比较多的练习题，可供学生选做。在有

些章节后面还附有一些金属学问题的计算程序。本书可供“金属材料工程”专业本科生作教材

或主要参考书，也可供“材料学”硕士研究生作参考读物。

书籍目录

目 录

1晶体学（Crystallography）

1.1结晶状态及晶体的宏观特性

1.2点阵、晶体结构（Lattice，Crystal Structure）

1.3对称性，空间变换（Symmetry，SpaceTranslation）

1.3.1对称变换（操作）（SymmetryTranslati0n（Operation））

1.3.2对称变换的解析式

1.3.3点对称变换（操作）

1.3.4第一类操作和第二类操作的联系和区别

1.4晶系及布喇菲点阵

1.4.1空间点阵类型（晶系）

1.4.2布喇菲点阵（BravaisLattice）

1.5点阵几何

1.5.1点阵的阵点直线、方向指数（Directionalindices

1.5.2点阵的阵点平面及平面指数（Crystal－PlaneIndices）

1.5.3晶带（Z0ne）及晶带定律

1.5.4六方（和三方）晶系的4轴坐标系的方向指数及面指数

1.5.5倒易点阵（ReciprocalLattice）

1.5.6倒易矢量在晶体学中几何关系的应用

1.6晶体投影

1.6.1球面投影

1.6.2极射投影

1.6.3吴氏网（WulffNet）和极网（PoleNet）

1.6.4标准投影图、标准极图（StantardProjection）

参考书目

练习题

附录1－I对称元素符号

附录1－Ⅱ 任意晶系的晶面间夹角的计算程序

附录1－Ⅲ 计算和画出任意晶系任意晶面的标准投影图的程序

2晶体结构（CrystalSturcture）

2.1晶体结构符号

2.2金属单质的晶体结构

2.2.1面心立方结构

2.2.2体心立方结构

2.2.3密排六方结构

2.3非金属单质的晶体结构

2.4同素异构性（Allotropy）

2.5金属晶体中的原子大小

2.6合金相的相结构

2.6.1一次固溶体

2.6.2中间相

2.7晶体缺陷（Crystal Defect）

参考书目

练习题

3相图 （PhaseDiagrams）

3.1单元系（OneComponentSystem）

3.2二元系（BinarySystem）

3.2.1单相平衡和两相平衡

3.2.2三相平衡

3.2.3恒压二元相图的中间相

3.2.4恒压二元相图中相区的邻接关系

3.2.5有序－无序转变以及磁性转变在相图上的表示

3.2.6恒压二元相图举例

3.3三元系（TernerySystem）

3.3.1三元系相图的成分表达

3.3.2杠杆规则

3.3.3单相平衡和两相平衡

3.3.4三相平衡

3.3.5四相平衡

3.3.6生成化合物的三元系以及相图的简化分割

3.3.7实际三元相图分析和应用举例

3.4相图热力学

3.4.1自由能函数的表达式

3.4.2过剩吉布斯自由能的解析表达式

3.4.3用图解法求化学势

3.4.4用作吉布斯自由能曲线公切线的方法构造相图

3.4.5过剩吉布斯自由能数值对相图形貌的影响

3.4.6计算相图

3.4.7相图合成法

参考书目

5凝固（S0lidificati0n）

5.1凝固的热力学条件

5.1.1平衡熔点（EquilibriumMeltingTemperature）

5.1.2压力对熔点的影响

5.1.3曲率（Curvature）对熔点的影响

5.2形核（Nucleation）

5.2.1均匀形核（HomogeneousNucleati0n）

5.2.2非均匀形核（Heterogene0usNucleation）

5.3晶核的长大

5.3.1液固界面的结构

5.3.2晶核长大机制

5.4凝固中的热输运

5.4.1传热（HeatTransfer）的三种方式

5.4.2热传导方程

5.4.3凝固时界面的热能平衡

5.4.4凝固时热传导方程求解的简单例子

5.5单相固溶体凝固

5.5.1平衡分配系数（EquilibriumPartitionCoefficient）

5.5.2平衡凝固与非平衡凝固（EquilibriumandNonequilibrium

Solidificati0n）

5.5.3界面前沿的溶质原子再分布

5.5.4区域提纯（Z0ne－Refining）

5.6液/固相界面形貌（Solid－LiquidInterfaceMorphology）

5.6.1纯物质凝固时液/固相界面的稳定性

5.6.2合金凝固时液/固相界面的稳定性

5.7凝固微观组织

5.7.1强制性生长和自由生长

5.7.2胞晶的形成（CellFormation）

5.7.3胞状树枝晶（CellularDendrite）及柱状树枝晶（Columnar

Dendrite）

5.7.4自由树枝晶

5.7.5凝固参数和微观组织形态之间的关系

5.8共晶凝固和包晶凝固

5.8.1共晶的凝固（EutecticSolidification）

5.8.2包晶凝固（PeritecticSolidification）

5.9铸锭的凝固

5.9.1铸锭的宏观组织

5.9.2凝固时的体积变化以及气孔、夹杂的形成

5凝固（Solidificati0n）

5.1凝固的热力学条件

5.1.1平衡熔点（EquilibriumMelting Temperature）

5.1.2压力对熔点的影响

5.1.3曲率（Curvature）对熔点的影响

5.2形核（Nucleation）

5.2.1均匀形核（HomogeneousNucleation）

5.2.2非均匀形核（HeteroggneousNucleati0n）

5.3晶核的长大

5.3.1液固界面的结构

5.3.2晶核长大机制

5.4凝固中的热输运

5.4.1传热（HeatTransfer）的三种方式

5.4.2热传导方程

5.4.3凝固时界面的热能平衡

5.4.4凝固时热传导方程求解的简单例子

5.5单相固溶体凝固

5.5.1平衡分配系数（EquilibriumPartitionCoefficient）

5.5.2平衡凝固与非平衡凝固（Equilibriumand Nonequilibrium

Solidificati0n）

5.5.3界面前沿的溶质原子再分布

5.5.4区域提纯（Z0ne－Refining）

5.6液/固相界面形貌（Solid－LiquidInterfaceM0rphol0gy）

5.6.1纯物质凝固时液/固相界面的稳定性

5.6.2合金凝固时液/固相界面的稳定性

5.7凝固微观组织

5.7.1强制性生长和自由生长

5.7.2胞晶的形成（CellFormation）

5.7.3胞状树枝晶（CellularDendrite）及柱状树枝晶（Columnar

Dendrite）

5.7.4自由树枝晶

5.7.5凝固参数和微观组织形态之间的关系

5.8共晶凝固和包晶凝固

5.8.1共晶的凝固（EutecticSolidificati0n）

5.8.2包晶凝固（PeritecticSolidification）

5.9铸锭的凝固

5.9.1铸锭的宏观组织

5.9.2凝固时的体积变化以及气孔、夹杂的形成

5.9.3铸锭组织的控制

5.10偏析（Segregati0n）

5.10.1显微偏析

5.10.2宏观偏析

5.11熔焊（FusionWelding）

5.12特殊凝固工艺

5.12.1快速凝固（RapidSolidificationPr0cess）

5.12.2连续铸造（C0ntinuousCasting）

参考书目

练习题

6位错（Disl0cati0ns）

6.1单晶体滑移

6.1.1滑移要素―滑移系（SlipSystem）

6.1.2滑移带（SlipBand）和滑移线（SlipLine）

6.1.3施密特（Schmid）定律

6.2位错基本概念

6.2.1理论切变强度（The0reticalShearStrength）的估算

6.2.2位错概念的引入

6.3位错的几何形态

6.3.1刃位错（EdgeDislocati0n）

6.3.2螺位错（ScrewDislocati0n）

6.3.3混合位错（MixedDisl0cation）

6.3.4柏氏回路及柏氏矢量（BurgersCircuitandBurgersVect0r）

6.3.5位错核心结构

6.3.6位错的观察

6.4在弹性介质中的位错（DislocationinElasticMedia）

6.4.1直位错的应力场（ElasticFieldofaStraightDislocation）

6.4.2位错线的能量（EnergyofaStraightDislocation）

6.4.3位错受力（Forces0nDislocation）

6.4.4映像力（ImageForce）

6.4.5位错线一般形状与各向异性介质

6.5位错运动

6.5.1位错滑动（Glide）和滑移（Slip）

6.5.2交滑移（CrossSlip）

6.5.3位错的滑移速度

6.5.4位错攀移

6.5.5位错运动引起的塑性变形

6.6位错的产生和增殖

6.6.1位错的起源（OriginofDislocation）

6.6.2在应力集中处位错的非均匀形核

6.6.3位错的增殖（DislocationMultiplication）

6.7在整体中的位错

6.7.1位错间的长程交互作用（InteractionBetweenDislocations）

6.7.2位错间的短程交互作用

6.7.3带割阶的位错的滑移

6.7.4位错塞积群（DislocationPile－upGroup）

6.8特殊晶体结构中的位错

6.8.1fcc金属

6.8.2hcp金属

6.8.3bcc金属

6.8.4有序合金（OrderedAlloy）

6.9位错和溶质原子的交互作用

6.9.1位错和溶质原子的弹性交互作用

6.9.2位错与溶质原子的静电交互作用

6.9.3位错与溶质原子的化学交互作用

参考书目

练习题

7晶态固体的表面和界面

（SurfacesandInterfacesinCrystallineSolids）

7.1晶体表面

7.1.1静态表面原子状态和表面结构

7.1.2动态表面原子状态

7.1.3表面热力学参数和表面能

7.1.4晶体外形――Wulff定律

7.1.5极低温度（0K）的表面张力计算

7.1.6表面吸附及分凝

7.2晶粒界（GrainBoundary）

7.2.1小角度晶界的位错模型

7.2.2小角度界面的能量

7.2.3晶界结构的一般几何理论

7.2.4共格孪晶界（CoherentTwinBoundary）

7.2.5大角度晶界的晶界能

7.2.6晶界平衡偏析（EquilibriumSegregation）

7.2.7晶界迁移

7.3相界面（PhaseBoundary）

7.4多晶体和多相材料中的平衡

7.4.1多晶体中的平衡形貌

7.4.2相分布

参考书目

练习题

8晶体的塑性形变（PlasticDeformationofCrystals）

8.1滑移的进一步讨论

8.1.1关于临界分切应力

8.1.2交滑移（CrossSlip）

8.1.3多系滑移（Polyslip）

8.1.4在拉伸和压缩时晶体的转动

8.2起始塑性形变及流变应力

8.3单晶体的应力－应变曲线及加工硬化

8.3.1应力－应变曲线

8.3.2加工硬化理论

8.4形变孪生（DeformationTwinning）

8.4.1孪晶几何（GeometryofTwinFormation）

8.4.2六方结构晶体中的孪生

8.4.3体心立方结构晶体中的孪晶

8.4.4面心立方结构晶体中的孪生

8.4.5孪生的位错机制

8.4.6孪生的一般特点

8.5扭折带（KinkBand）和形变带（DeformationBand）

8.5.1扭折带

8.5.2形变带

8.6多晶体的塑性形变

8.6.1多晶体形变的特点

8.6.2形变过程的宏观应变协调

8.6.3形变过程的微观应变协调与微观组织变化

8.6.4影响冷形变金属和合金微观组织结构的因素

8.6.5形变过程宏观组织的变化

8.7形变织构（DeformationTexture）

8.7.1晶体取向的描述

8.7.2取向分布的描述

8.7.3形变织构的类型

8.8复相合金的塑性形变

8.9复合材料的形变

8.10形变后的残余内应力

参考书目

练习题

9回复和再结晶（RecoveryandRecrystallization）

9.1回复

9.1.1储存能的释放（ReleaseofStoredEnergy）

9.1.2电阻和密度的回复（RecoveryofResistanceandDensity）

9.1.3机械性能的回复（RecoveryofMechanicalProperties）

9.1.4回复动力学（Rec0veryKinetics）

9.1.5回复过程结构的变化

9.2再结晶

9.2.1再结晶的基本规律

9.2.2再结晶动力学

9.2.3再结晶和回复的关系

9.2.4再结晶的形核

9.2.5再结晶核心的长大

9.2.6第二相粒子的作用

9.2.7再结晶时的脱溶

9.3晶粒正常长大及二次再结晶

9.3.1晶粒正常长大

9.3.2退火孪晶

9.3.3晶粒的非正常长大

9.4再结晶织构（Recrystallizati0nTexture）

9.4.1典型金属和合金的再结晶织构

9.4.2晶粒长大时织构的发展

9.4.3再结晶织构理论

9.5热加工过程的回复和再结晶

9.5.1动态回复

9.5.2动态再结晶

参考书目

练习题

10固态转变（Transf0rmati0nsinSolids）

10.1相变驱动力（DrivingForcesofPhaseTransformation）

10.1.1纯组元多形性相变的驱动力

10.1.2脱溶（Precipitati0n）转变的驱动力

10.2相变的形核

10.2.1形核的驱动力和核心成分

10.2.2亚稳平衡过渡相的形成

10.2.3形核理论

10.2.4界面能的作用

10.2.5应变能的作用

10.2.6非均匀形核

10.2.7随时间变化的形核速率

10.3长大过程

10.3.1界面过程控制的长大

10.3.2长程扩散控制的长大

10.3.3长大时界面的不稳定性

10.4相变动力学

10.5合金脱溶

10.5.1脱溶贯序

10.5.2空位在脱溶过程中的作用

10.5.3颗粒粗化―Ostwald熟化

10.5.4时效硬化（AgeHardening）

10.6不连续反应――在移动界面上的反应（DiscontinuousReacti0ns――

Reacti0nsataMovingInterface）

10.6.1在移动晶界上的反应――共析转变

10.6.2不连续脱溶（胞状脱溶）（Discontinuousprecipitation）

10.7块型转变（MassiveTransformation）

10.8连续型转变（C0ntiuousTransformations）

10.8.1调幅分解（SpinodalDec0mp0siti0n）

10.8.2有序－无序转变（Ordered－disorderedTransformation）

10.9按长大（生长）过程特征对相变（转变）的分类

参考书目

练习题

附录 晶体学点群和空间群（Crystall0graphicP0intGr0up

andSpaceGr0up）

1群的概念及群的基本性质

2点群的描述和图示

3点群的推导方法

4确定（推导）物体点群的程序图

5空间群概念

6点式空间群

7非点式空间群

8空间群的点群和一般等效位置

9空间群的推导方法

10空间群符号

11国际表简介

参考书目

练习题

编辑推荐

《金属学原理》可供"金属材料工程"专业本科生作教材或主要参考书，也可供"材料学"硕士研究生作参考读物。

前言

本书是在我校(北京科技大学)金属材料与热处理专业的金属学课程自编教材的基础上编写而成的。我校金属材料与热处理专业的金属学课程十多年来都使用自编教材，并在使用中边讲授边修改，故全书经过了十多次使用和三次以上的修改，本书即最新完成的修改版。. 本书主要讨论金属材料科学与工程的基础知识和基础理论。通过学习，可使学生了解金属材料科学与工程的基本概念和方法。金属材料的基础知识和理论在近十多年来有很大发展，本书在编写中尽量摒弃旧的和不确切的概念和理论，采用新的和较准确的概念和理论。本书所涉及的数学和物理知识，一般都没有超出学生在大学基础课程中的学习范围。但是，由于“..

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