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第1章 固体的晶体结构1

1.1　晶体结构及其特性1

1.1.1 晶体的概念1

1.1.2　晶体的特性1

1.2　晶体结构的周期性2

1.2.1　空间点阵3

1.2.2　晶胞和原胞4

1.3　晶体结构的对称性5

1.3.1　基本对称操作6

1.3.2 晶系7

1.4　晶体结构的表征9

1.4.1 晶列和晶向指数9

1.4.2 晶面指数10

1.4.3　六方晶系的晶向指数和晶面指数11

1.5　常见晶体结构11

1.6　实际晶体的结构特征14

1.6.1 晶体的各向异性14

1.6.2　多晶型性14

1.7　倒易点阵14

1.7.1　倒格子基矢定义14

1.7.2　倒格子的性质15

1.7.3 晶面间距、晶面和晶向夹角16

第2章　量子理论的建立18

2.1　量子观点的形成——量子化概念18

2.1.1　普朗克量子论18

2.1.2　爱因斯坦的光量子论19

2.1.3　玻尔的量子论19

2.2　波粒二相性——物质波及其物理意义20

2.2.1　德布罗意物质波20

2.2.2　波函数及其性质22

2.2.3　量子力学建立23

2.3　测不准关系24

2.4　薛定谔方程24

2.4.1　薛定谔方程及力学量24

2.4.2　薛定谔方程物理意义讨论26

2.5　薛定谔方程应用举例28

2.6　经典价键理论及其意义40

2.6.1　元素周期表和原子轨道理论的合理性40

2.6.2　经典晶体结合的基本价键理论41

第3章 固体能带理论基础43

3.1 固体中的电子状态和能带的形成43

3.2　周期势场中的电子状态和能带结构44

3.3　布里渊区和能带理论47

3.4　导体、半导体和绝缘体49

3.5　能带理论意义及其局限性51

第4章　晶体的结构缺陷及其运动52

4.1 点缺陷52

4.1.1　点缺陷结构52

4.1.2　点缺陷的能量和运动52

4.1.3　点缺陷的运动53

4.1.4　热平衡点缺陷54

4.1.5　热力学非平衡条件下的点缺陷55

4.2　位错55

4.2.1　位错结构56

4.2.2　位错的结构特征57

4.2.3　位错的应力场58

4.2.4　位错的运动60

4.3　位错和缺陷相互作用63

4.3.1　位错和点缺陷间相互作用63

4.3.2　位错和位错的相互作用63

4.4　晶体中位错的产生及其观察66

4.4.1　位错的产生和消失66

4.4.2　位错的增殖66

4.5　常见晶体中的特殊位错结构68

4.5.1　面心立方晶体中的位错68

4.5.2　体心立方体晶体中的位错72

4.5.3　密排六方结构晶体中的位错72

4.6　晶界和相界73

4.6.1 晶界73

4.6.2　相界83

第5章 固体表面和界面结构与特性85

5.1 固体表面和界面结构85

5.1.1 固体表面结构85

5.1.2　理想表面结构85

5.1.3　清洁表面结构87

5.1.4　实际表面结构92

5.2　吸附和偏析94

5.2.1 吸附95

5.2.2　偏析99

第6章　合金热力学基础103

6.1　热力学的基本概念103

6.1.1　概念103

6.1.2　热力学一般定义104

6.2　热力学第一定律105

6.2.1　热力学第一定律105

6.2.2　物理量106

6.3　化学热力学109

6.3.1　化学势概念109

6.3.2　相平衡110

6.4　热力学统计规律111

6.4.1 系统微观运动状态描述111

6.4.2　麦克斯韦-玻尔兹曼统计规律113

6.4.3　费米-狄拉克统计规律115

6.4.4　玻色-爱因斯坦统计规律118

第7章　合金相与相图121

7.1 合金相121

7.1.1　合金相的分类121

7.1.2　影响合金相的主要因素121

7.2 固溶体122

7.2.1　固溶体的分类122

7.2.2　置换固溶体123

7.2.3　间隙固溶体124

7.2.4　有序固溶体124

7.2.5　固溶体的性能124

7.2.6　金属化合物125

7.3　热力学平衡与相图125

7.3.1　相与结构125

7.3.2　相律126

7.3.3　单元系相图126

7.3.4　二元相图127

7.3.5　三元相图132

7.4 Fe-C相图133

第8章 固体中的扩散138

8.1　菲克定律和扩散方程的解138

8.1.1 菲克定律138

8.1.2　扩散方程的解139

8.2　扩散的原子理论141

8.2.1　扩散的微观机制141

8.2.2　原子迁移和扩散系数142

8.3　影响扩散的因素145

8.4　扩散热力学146

8.4.1　扩散热力学146

8.4.2　调幅分解148

8.4.3　调幅分解的组织和性能150

8.5　反应扩散150

8.6　离子晶体中的扩散150

第9章　相变151

9.1　相变及其分类151

9.1.1　相变的概念151

9.1.2　相变的热力学基础及相变分类151

9.1.3　相变微观机制理论154

9.2　脱溶沉淀-扩散相变158

9.2.1　相图和热处理158

9.2.2　析出过程的热力学159

9.2.3　脱溶沉淀方式159

9.2.4　脱溶沉淀特征161

9.3　钢在热处理过程中的相转变现象162

9.3.1　奥氏体的形核163

9.3.2　奥氏体长大163

9.3.3　奥氏体晶粒长大及控制164

9.4　奥氏体等温转变165

9.4.1　珠光体转变165

9.4.2　贝氏体转变168

9.4.3　马氏体转变171

9.5　有序无序转变173

9.5.1　有序结构173

9.5.2　有序无序转变173

9.5.3　有序无序转变对性能影响175

第10章　晶体的塑性形变和再结晶177

10.1　材料的形变特性177

10.1.1　应力-应变关系177

10.1.2　弹性变形与弹性模量178

10.2　弹性和滞弹性178

10.2.1 弹性变形的特征和弹性模量178

10.2.2　弹性变形的本质179

10.2.3　滞弹性和内耗179

10.2.4　黏弹性180

10.3　单晶体的塑性变形180

10.3.1　滑移和滑移系181

10.3.2　滑移的临界分切应力181

10.3.3　形变和位错运动关系182

10.3.4　单晶体的形变形式184

10.4　多晶体的塑性变形及其机制186

10.4.1 多晶体的塑性变形过程特点186

10.4.2　多晶体塑性变形的机制和影响因素187

10.4.3　多相合金的塑性变形189

10.5　塑性变形对金属组织和性能的影响191

10.5.1　塑性变形对组织结构的影响191

10.5.2　塑性变形对金属性能的影响192

10.6 回复与再结晶195

10.6.1　概述195

10.6.2 回复196

10.6.3　再结晶197

10.6.4　晶粒长大199

第11章　材料的强化203

11.1　概述203

11.2　合金强化204

11.2.1　概念和现象204

11.2.2　固溶强化及其理论204

11.2.3　分散强化207

11.2.4　两相合金强化209

11.3　加工硬化及其位错理论209

11.3.1　塑性变形过程和屈服现象209

11.3.2　加工硬化位错理论210

11.4　马氏体强化及其应用211

11.5　复合材料及其强化213

11.5.1　概述213

11.5.2　颗粒增强复合材料213

11.5.3　纤维增强复合材料215

11.5.4　复合材料的界面216

第12章 断裂218

12.1　断裂及断裂力学概述218

12.1.1　概述218

12.1.2　断裂力学初步218

12.1.3　断裂韧性221

12.2　断裂物理基础223

12.2.1　断裂类型223

12.2.2　韧性断裂224

12.2.3　脆性断裂225

12.2.4　微观裂纹形核机制226

12.3　韧性-脆性转变现象227

12.3.1　变温造成的韧脆性转变227

12.3.2　韧性-脆性转变的影响因素228

12.3.3　环境引起的脆性转变229

12.4　断裂理论的研究与发展229

第13章　疲劳231

13.1　交变应力与疲劳231

13.1.1　交变载荷与循环应力231

13.1.2　疲劳的分类232

13.1.3 S-N曲线与疲劳极限232

13.2　材料的疲劳循环特性234

13.2.1　应力-应变响应234

13.2.2　循环硬化和软化235

13.2.3　循环硬化的不同阶段235

13.3　疲劳过程中的宏、微观特征236

13.3.1　疲劳断口特征236

13.3.2　滑移线和滑移带237

13.3.3　侵入和挤出237

13.3.4　循环变形后的位错结构238

13.3.5　循环过程中的位错结构240

13.4　疲劳模型及理论241

13.4.1　总寿命模型241

13.4.2　长裂纹扩展模型242

13.4.3　短裂纹扩展模型243

第14章　蠕变246

14.1　概论246

14.1.1　蠕变现象246

14.1.2　蠕变强度和蠕变类型246

14.1.3　蠕变曲线249

14.2　蠕变理论250

14.2.1　蠕变的时间律252

14.2.2　蠕变的温度律252

14.2.3　蠕变的应力律253

14.2.4　稳态蠕变理论254

14.2.5　蠕变的结构理论255

14.3　蠕变断裂机制255

14.3.1　应力集中理论256

14.3.2　空位聚集理论258

14.4　蠕变的组织结构和性能变化及影响因素258

14.4.1　蠕变的形变机制和物理性能变化259

14.4.2　蠕变强度的影响因素263

第15章　晶格振动和材料的热学性质263

15.1　一维单原子链264

15.1.1　周期性边界条件265

15.1.2　格波266

15.2　一维复式晶格振动266

15.2.1　一维双复式晶格振动色散关系267

15.2.2　声学波与光学波267

15.2.3　相邻原子运动情况分析268

15.2.4　长波近似269

15.2.5　三维晶格振动269

15.2.6　晶格振动的量子化和声子270

15.3 比热容的量子理论270

15.3.1　经典理论的困难270

15.3.2　晶格比热的量子理论一般公式271

15.3.3　爱因斯坦模型272

15.3.4　德拜模型274

15.4　非谐效应：热膨胀274

15.4.1　非简谐效应275

15.4.2　晶体的热胀系数277

第16章 固体材料的电学性质277

16.1 固体电学性能概述277

16.1.1 材料的导电类型277

16.1.2　电导率和迁移率279

16.2 固体材料的导电机制279

16.2.1 自由电子近似下的导电性280

16.2.2　有效质量和有效电子密度282

16.3　金属材料的电性能282

16.3.1　金属的导电机制282

16.3.2　金属电导率的影响因素282

16.3.3 固溶体286

16.3.4　金属间化合物289

16.3.5 金属电阻研究的意义290

16.4　绝缘体及其介电特性291

16.4.1　绝缘体291

16.4.2 电介质及其介电行为291

16.5　超导电性293

16.5.1　超导现象和概念293

16.5.2　超导的特征294

16.5.3 BSC理论296

16.5.4　超导的应用296

第17章　材料的磁学特性298

17.1　材料磁性的物理基础298

17.1.1　磁矩及其物理本质298

17.1.2　磁化现象与磁化强度299

17.1.3　固体磁性300

17.2　材料的磁化曲线及磁滞回线301

17.2.1　磁化曲线和磁滞回线301

17.2.2　材料磁学物理量及其物理意义302

17.3 自发磁化与磁畴结构303

17.3.1 自发磁化303

17.3.2　磁畴及其结构303

17.3.3　技术磁化305

17.4　磁性材料的各种物理效应306

17.4.1　磁光效应306

17.4.2　磁致伸缩效应308

17.4.3　磁各向异性308

第18章　半导体中的电子状态及其界面特性312

18.1　半导体中的载流子及其导电行为312

18.2　半导体中载流子的运动和有效质量314

18.2.1 电子和空穴的有效质量314

18.2.2　半导体中电子的速度314

18.2.3　半导体中的电子加速度315

18.2.4　状态密度函数315

18.3　半导体的类型和特征318

18.3.1　本征半导体318

18.3.2　杂质半导体和杂质能级320

18.3.3 n-型半导体321

18.3.4　少数载流子浓度322

18.4　半导体中载流子的输运323

18.4.1　载流子迁移率323

18.4.2　非平衡载流子325

18.5　半导体器件接触326

18.5.1 p-n结326

18.5.2　金属-半导体接触336

18.5.3　半导体表面电子状态339

18.5.4　异质结341

第19章　纳米材料与非晶343

19.1　纳米材料及其奇异性343

19.1.1　概述343

19.1.2　纳米材料特性上的奇异性344

19.2　纳米材料的特性345

19.2.1 强度345

19.2.2　塑性347

19.2.3　弹性模量348

19.2.4　超塑性348

19.2.5　纳米材料的磁性能349

19.2.6　材料的热学性能349

19.2.7　纳米材料的光学性质350

19.2.8　材料的电学性质352

19.2.9　纳米材料的介电性质352

19.3　非晶材料及其特性353

19.3.1 概述353

19.3.2　金属玻璃的微观结构354

19.3.3　金属玻璃的优异特性357

思考与习题360

参考文献368