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1　晶体学基础2

1.1 晶体的基本特征2

1.2 晶体结构和点阵2

1.3　对称性7

1.3.1　对称变换（操作）7

1.3.2　对称变换的解析式9

1.3.3　点对称变换（操作）10

1.4 晶系和点阵几何18

1.4.1 空间点阵类型（晶系）18

1.4.2　布喇菲点阵24

1.4.3　晶向指数（方向指数）29

1.4.4 晶面指数31

1.4.5 晶带及晶带定律34

1.4.6　六方（和三方）晶系四轴坐标系的方向指数及平面指数36

1.4.7　倒易点阵39

1.4.8　倒易矢量在晶体学几何关系中的应用46

1.5　极射赤面投影50

1.5.1 球面投影50

1.5.2　极射投影51

1.5.3　吴氏网和极网54

1.5.4　标准投影图56

总结59

关键术语60

练习题61

参考文献65

2　固体材料中的电子运动状态67

2.1 电子的波动性与孤立原子中的电子态67

2.1.1　电子的波动性67

2.1.2　孤立原子中的电子态68

2.1.3　量子力学基本原理70

2.1.4　微观粒子的角动量75

2.1.5 多粒子体系及交换能79

2.2 金属中电子态的量子自由电子理论82

2.2.1 量子自由电子理论的要点83

2.2.2　量子自由电子理论83

2.2.3　金属中自由电子的状态85

2.2.4 自由电子运动状态的k空间描述87

2.2.5 能态密度N（E）88

2.2.6　费米-狄拉克（Fermi-Dirac）分布律89

2.2.7　金属中自由电子体系的状态90

2.2.8 费米能90

2.2.9　金属中自由电子的平均动能92

2.2.10 金属中自由电子的热容C？92

2.3 周期势场中的电子状态94

2.3.1　布洛赫（Bloch）定理95

2.3.2　潘纳-克龙尼克模型95

2.3.3　周期方势垒势场中的电子态特征97

2.3.4 电子能量E与波矢k的关系98

2.4 固体中的电子能带100

2.4.1 电子能量与波矢的关系100

2.4.2　禁带与电子波的散射101

2.4.3　晶体的布里渊区102

2.4.4　能带间隙与能带重叠106

2.4.5　能带中的能态密度109

2.4.6　能带形成的定性解释111

2.5 固体材料的典型电子状态及应用113

2.5.1　传统金属材料113

2.5.2 半导体材料与绝缘体材料118

2.5.3　固体材料中特殊的电子态问题131

总结133

关键术语135

练习题136

附录Ⅰ 氢原子与类氢离子的径向波函数Rnl（r）表及球谐函数Ylm（θ，φ）表139

附录Ⅱ 电磁波、声波频段、波长一览表140

参考文献141

3.1 晶体结构分类和晶体结构符号143

3 晶体结构143

3.2 原子（离子）堆垛和配位144

3.2.1 单质金属键原子的紧密堆垛和配位145

3.2.2　不同类金属原子的紧密堆垛和 配位146

3.2.3　离子晶体的堆垛和配位148

3.2.4　共价晶体和分子晶体的堆垛和配位149

3.3　原子半径和离子半径150

3.3.1 原子半径151

3.3.2　离子半径152

3.4　单质的晶体结构156

3.4.1　面心立方结构157

3.4.2　密排六方结构159

3.4.3　体心立方结构161

3.4.4　非金属单质的晶体结构164

3.5 化合物和中间相的晶体结构168

3.5.1　金属键化合物结构168

3.5.2　具有离子性键的结构179

3.5.3 共价结构199

3.6 固溶体200

3.6.1　置换固溶体201

3.6.2　填隙固溶体204

3.7 同素异构和多形性205

3.8 准晶208

总结211

关键术语213

练习题213

参考文献215

4　非晶态与半晶态216

4.1 非晶态216

4.1.1　玻璃化温度217

4.1.2　玻璃态的形成218

4.1.3　非晶态结构的描述219

4.1.4　非晶态结构的硬球模型221

4.2　聚合物227

4.2.1 聚合物的命名和类型228

4.2.2　聚合物的相对分子质量236

4.2.3　聚合物的构型和构象237

4.2.4　弹性体244

4.2.5　聚合物凝聚态结构247

4.3 液晶253

4.3.1　液晶的分类253

4.3.2　液晶的结构255

总结260

4.3.3　液晶应用简介260

关键术语261

练习题262

参考文献264

5　相图266

5.1 吉布斯相律266

5.2 单元系的压力-温度图（p-T图）266

5.3　二元系相图269

5.3.1　单相平衡和两相平衡269

5.3.2　三相平衡272

5.3.3　恒压二元相图中的中间化合物274

5.3.4　有序→无序转变以及磁性转变在相图中的表示276

5.3.5　恒压二元相图中相区的邻接关系276

5.3.6　一些二元相图示例277

5.4　三元系相图282

5.4.1 三元系相图成分表达282

5.4.2　在三元系中杠杆定律的应用283

5.4.3 三元相图中各类平衡的空间结构284

5.4.4　含稳定化合物的三元相图分割为简单的三元系290

5.4.5　三元相图简例292

5.4.6 三元相图应用示例304

5.5 相图热力学基础308

5.5.1 吉布斯自由能函数的表达式309

5.5.2　规则溶体模型310

5.5.3　用几何作图法求化学势311

5.5.4　用作吉布斯自由能公切线的方法构造相图312

5.5.5 固、液相完全互溶的体系313

5.5.6　溶解度间隙314

5.5.7　简单共晶系317

5.5.8　含有中间相的二元系319

5.5.9　超额吉布斯自由能数值对相图形貌的影响324

5.6　相图计算324

5.6.2 以两相的化学势相等为判据求平衡（不一定是最稳定平衡）相成分326

5.6.1 以体系吉布斯自由能最小为判据求平衡相成分326

5.6.3　相图合成的策略328

5.7 有关相图和热力学的资料329

总结329

关键术语330

练习题331

参考文献339

6　有序介质中的点缺陷和线缺陷340

6.1 点缺陷340

6.1.1 空位和自间隙原子341

6.1.2　离子晶体中的点缺陷344

6.2 线缺陷350

6.2.1 晶体中位错的几何特征352

6.2.2　位错的起源和位错的观察357

6.2.3　直位错的弹性应力场359

6.2.4　位错的能量362

6.2.5　各向异性弹性体中位错的弹性性质364

6.2.6　位错核心结构365

6.2.7　位错受力365

6.2.8　位错运动369

6.2.9　位错与位错以及位错与其他缺陷之间的交互作用375

6.2.10　位错的产生和增殖382

6.2.11　位错的塞积群384

6.2.12　实际晶体中的位错385

6.2.13 向错403

6.3 在晶态聚合物中的缺陷406

总结407

关键术语408

练习题409

参考文献411

7　面缺陷和体缺陷412

7.1 晶体表面412

7.1.1 表面张力和表面能412

7.1.2　表面的微观形貌416

7.1.3　表面弛豫和重构417

7.1.4 表面吸附与表面偏析418

7.2 平移界面419

7.3 晶界421

7.3.1　小角度晶界结构423

7.3.2　小角度晶界能量426

7.3.3　大角度晶界结构427

7.3.4　大角度晶界能量438

7.3.5　晶界平衡偏析439

7.3.6 晶界迁移441

7.4 相界面450

7.3.7　嵌段共聚物的晶界450

7.5 多晶体和多相材料的平衡形貌454

7.6　体缺陷457

总结459

关键术语460

练习题461

参考文献464

8　固体中原子的扩散466

8.1 扩散机制466

8.1.1 间隙机制466

8.2　扩散的唯象理论467

8.1.2 空位机制467

8.1.3　换位机制467

8.2.1 参考系468

8.2.2 菲克定律469

8.2.3　二元系的扩散470

8.2.4　扩散方程的解475

8.3　扩散的微观理论493

8.3.1 原子跳跃与扩散系数493

8.3.2　随机行走与扩散距离494

8.3.3 相关效应495

8.3.4　扩散系数的微观意义496

8.4 离子晶体中的扩散500

8.5 高扩散率的通道505

8.5.1　沿晶界扩散506

8.5.2　沿位错扩散508

8.5.3　沿表面扩散508

8.5.4 高扩散率通道网络508

8.6　在玻璃中的扩散510

8.7　在聚合物中的扩散512

8.8　反应扩散514

8.9　影响扩散系数的因素516

8.9.2　材料的结构517

8.9.1　温度和压力517

8.9.3　组元特性和化学成分518

总结520

关键术语521

练习题522

参考文献525

9　材料的形变526

9.1 弹性形变（晶体及弹性体的弹性形变）526

9.1.1 普弹性526

9.1.2　滞弹性530

9.1.3　高弹性532

9.2　单晶体的滑移533

9.2.1 滑移要素及滑移系534

9.2.2　滑移带和滑移线535

9.2.3 Schmid定律536

9.2.4　交滑移537

9.2.5 多系滑移540

9.2.6　拉伸和压缩时晶体的转动542

9.3　起始塑性形变及流变应力543

9.4 单晶体的应力-应变曲线及加工硬化546

9.4.1 应力-应变曲线546

9.4.2　加工硬化理论550

9.5 形变孪晶551

9.5.1 孪晶几何552

9.5.2　面心立方结构晶体中的孪生553

9.5.3　体心立方结构晶体中的孪晶554

9.5.4　六方结构晶体中的孪生555

9.5.5　孪生的位错机制557

9.5.6　孪生的一般特点558

9.6 多晶体的塑性变形561

9.6.1 多晶体形变的特点561

9.6.2　形变过程的宏观应变协调及宏观组织变化562

9.6.3　形变过程宏观组织的变化565

9.6.4　形变过程的微观应变协调与微观组织变化566

9.6.5 影响冷形变金属和合金微观组织结构的因素569

9.6.6　晶粒尺寸强化571

9.7 形变织构573

9.7.1 晶体取向的描述573

9.7.2　取向分布的描述574

9.7.3　形变织构的类型577

9.8 聚合物的形变581

9.8.1 温度对线性非晶态聚合物形变的影响581

9.8.2　热塑性聚合物的形变581

9.8.3 聚合物中的织构／取向586

总结590

关键术语590

练习题591

参考文献593

10　相变的基本原理594

10.1 相变分类594

10.2 相变的热力学——相变驱动力595

10.2.1 纯组元多形性相变的驱动力596

10.2.2　脱溶转变的驱动力596

10.3.1 形核的驱动力和核心成分597

10.3 相变的形核597

10.3.2　相变的均匀形核598

10.3.3　相变的非均匀形核607

10.4 晶核的长大614

10.4.1　凝固时晶核的长大614

10.4.2　固态转变时晶核的长大620

10.5 转变动力学627

10.6　亚稳平衡过渡相的形成630

10.7　颗粒粗化——Ostwald熟化630

总结632

练习题633

关键术语633

参考文献635

11　凝固636

11.1 凝固的过冷与再辉636

11.2 单相固溶体凝固638

11.2.1　平衡凝固与非平衡凝固638

11.2.2　界面前沿的溶质原子再分布640

11.2.3　区域提纯645

11.2.4　液-固相界面形貌646

11.2.5　凝固微观组织650

11.3.1　共晶的凝固654

11.3 共晶凝固和包晶凝固654

11.3.2　包晶凝固663

11.4　铸锭的凝固665

11.4.1　铸锭的宏观组织665

11.4.2　凝固时的体积变化以及气孔夹杂的形成668

11.4.3　铸锭组织的控制668

11.4.4　偏析669

11.5 熔焊及特殊凝固工艺671

11.5.1　熔焊671

11.5.2　快速凝固673

11.6　玻璃体的形成与晶化674

11.5.3　连续铸造674

11.7 聚合物的结晶676

11.7.1 聚合物熔体结构及特征677

11.7.2　聚合物结晶过程677

总结680

关键术语681

练习题681

参考文献683

12.1 合金的脱溶684

12.1.1 脱溶贯序684

12　固态转变684

12.1.2　空位在脱溶过程中的作用690

12.1.3 时效硬化691

12.1.4　不连续脱溶（胞状脱溶）692

12.2　共析转变694

12.3 块形转变697

12.4　连续型转变699

12.4.1 调幅分解699

12.4.2　无序→有序转变702

12.5 无扩散型相变705

12.5.1　马氏体转变热力学706

12.5.2　马氏体转变的晶体学及唯象理论707

12.5.3　马氏体的形核与长大711

12.5.4　马氏体转变动力学713

12.5.5　陶瓷氧化锆中的马氏体转变714

12.6　回复和再结晶716

12.6.1　形变金属的回复718

12.6.2　形变晶体的再结晶728

12.6.3　再结晶后晶粒的长大746

12.6.4　有序合金的再结晶753

12.6.5　热加工过程的回复和再结晶753

12.6.6　无机材料的再结晶759

12.6.7　再结晶织构760

12.7.1 固态烧结765

12.7　烧结过程765

12.7.2　液相烧结和热压烧结770

总结771

关键术语773

练习题773

参考文献775

附录776

附录A　元素周期表776

附录B 元素的物理化学数据777

附录C 元素的原子及离子半径与单化学键的离子特性百分数781

附录D 常用物理常数785