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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3

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23

1.4.3 晶向指数（方向指数）28

1.4.4 晶面指数30

1.4.5 晶带及晶带定律33

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35

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47

1.5 极射赤面投影50

1.5.1 球面投影50

1.5.2 极射投影50

1.5.3 吴氏网和极网52

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79

2.2 金属中电子态的量子自由电子理论79

2.2.1 量子自由电子理论的要点80

2.2.2 量子自由电子理论81

2.2.3 金属中自由电子的状态83

2.2.4 自由电子运动状态的K空间描述85

2.2.5 能态密度N（E）86

2.2.6 费米-狄拉克（Fermi-Dirac）分布律86

2.2.7 金属中自由电子体系的状态88

2.2.8 费米能88

2.2.9 金属中自由电子的平均动能89

2.2.10 金属中自由电子的热容Cev90

2.3 周期势场中的电子状态92

2.3.1 布洛赫（Bloch）定理93

2.3.2 潘纳-克龙尼克模型93

2.3.3 周期方势垒势场中的电子态特征95

2.3.4 电子能量E与波矢K的关系96

2.4 固体中的电子能带98

2.4.1 电子能量与波矢的关系98

2.4.2 禁带与电子波的散射99

2.4.3 晶体的布里渊区100

2.4.4 能带间隙与能带重叠103

2.4.5 能带中的能态密度107

2.4.6 能带形成的定性解释110

2.5 固体材料的典型电子状态及应用111

2.5.1 传统金属材料111

2.5.2 半导体材料与绝缘体材料113

2.5.3 固体材料中特殊的电子态问题117

2.6 固体电子态理论的应用118

2.6.1 电子的跃迁过程及相关现象119

2.6.2 结合键类型与结合能曲线128

2.6.3 电子体系内能及相关现象142

总结145

关键术语146

练习题148

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Ym（θ，φ）表152

附录Ⅱ 电磁波、声波频段、波长一览表153

参考文献154

3 晶体结构156

3.1 晶体结构分类和晶体结构符号156

3.2 原子（离子）堆垛和配位157

3.2.1 单质金属键原子的紧密堆垛和配位158

3.2.2 不同类金属原子的紧密堆垛和配位159

3.2.3 离子晶体的堆垛和配位161

3.2.4 共价晶体和分子晶体的堆垛和配位162

3.3 原子半径和离子半径163

3.3.1 原子半径164

3.3.2 离子半径165

3.4 单质的晶体结构169

3.4.1 面心立方结构170

3.4.2 密排六方结构172

3.4.3 体心立方结构174

3.4.4 非金属单质的晶体结构177

3.5 化合物和中间相的晶体结构181

3.5.1 金属键化合物结构181

3.5.2 具有离子性键的结构192

3.5.3 共价结构212

3.6 固溶体213

3.6.1 置换固溶体214

3.6.2 填隙固溶体217

3.7 同素异构和多形性218

3.8 准晶221

总结225

关键术语226

练习题227

参考文献228

4 非晶态与半晶态229

4.1 非晶态229

4.1.1 玻璃化温度230

4.1.2 玻璃态的形成232

4.1.3 非晶态结构的描述233

4.1.4 非晶态结构的硬球模型235

4.2 聚合物241

4.2.1 聚合物的命名和类型242

4.2.2 聚合物的相对分子质量250

4.2.3 聚合物的构型和构象251

4.2.4 弹性体258

4.2.5 聚合物凝聚态结构261

4.3 液晶267

4.3.1 液晶的分类267

4.3.2 液晶的结构269

4.3.3 液晶应用简介274

总结274

关键术语275

练习题276

参考文献278

5 相图280

5.1 吉布斯相律280

5.2 单元系的压力-温度图（p-T图）280

5.3 二元系相图283

5.3.1 单相平衡和两相平衡283

5.3.2 三相平衡286

5.3.3 恒压二元相图中的中间化合物288

5.3.4 有序→无序转变以及磁性转变在相图中的表示290

5.3.5 恒压二元相图中相区的邻接关系290

5.3.6 一些二元相图示例291

5.4 三元系相图296

5.4.1 三元系相图成分表达296

5.4.2 在三元系中杠杆定律的应用297

5.4.3 三元相图中各类平衡的空间结构298

5.4.4 含稳定化合物的三元相图分割为简单的三元系304

5.4.5 三元相图简例305

5.4.6 三元相图应用示例317

5.5 相图热力学基础321

5.5.1 吉布斯自由能函数的表达式321

5.5.2 规则溶体模型322

5.5.3 用几何作图法求化学势323

5.5.4 用作吉布斯自由能公切线的方法构造相图324

5.5.5 固、液相完全互溶的体系325

5.5.6 溶解度间隙328

5.5.7 简单共晶系329

5.5.8 含有中间相的二元系332

5.5.9 超额吉布斯自由能数值对相图形貌的影响333

5.6 相图计算336

5.6.1 以体系吉布斯自由能最小为判据求平衡相成分337

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338

5.6.3 相图合成的策略340

5.7 有关相图和热力学的资料340

总结340

关键术语342

练习题342

参考文献349

6 有序介质中的点缺陷和线缺陷350

6.1 点缺陷350

6.1.1 空位和自间隙原子351

6.1.2 离子晶体中的点缺陷354

6.2 线缺陷364

6.2.1 晶体中位错的几何特征366

6.2.2 位错的起源和位错的观察371

6.2.3 直位错的弹性应力场372

6.2.4 位错的能量376

6.2.5 各向异性弹性体中位错的弹性性质378

6.2.6 位错核心结构379

6.2.7 位错受力380

6.2.8 位错运动384

6.2.9 位错与位错以及位错与其他缺陷之间的交互作用390

6.2.10 位错的产生和增殖397

6.2.11 位错的塞积群399

6.2.12 典型晶体中的位错400

6.2.13 向错419

6.3 在晶态聚合物中的缺陷423

总结423

关键术语424

练习题425

参考文献427

7 面缺陷和体缺陷428

7.1 晶体表面428

7.1.1 表面张力和表面能428

7.1.2 表面的微观形貌432

7.1.3 表面弛豫和重构433

7.1.4 表面吸附与表面偏析434

7.2 平移界面435

7.3 晶界437

7.3.1 小角度晶界结构439

7.3.2 小角度晶界能量442

7.3.3 大角度晶界结构444

7.3.4 大角度晶界能量455

7.3.5 晶界平衡偏析455

7.3.6 晶界迁移458

7.3.7 嵌段共聚物的晶界467

7.4 相界面467

7.5 多晶体和多相材料的平衡形貌471

7.6 体缺陷474

总结476

关键术语478

练习题478

参考文献481

8 固体中原子的扩散483

8.1 扩散的唯象理论483

8.1.1 菲克定律483

8.1.2 扩散方程的解485

8.2 扩散机制503

8.2.1 间隙机制503

8.2.2 空位机制503

8.2.3 换位机制504

8.2.4 各种材料中的扩散机制504

8.3 扩散的微观理论505

8.3.1 原子跳跃与扩散系数505

8.3.2 随机行走与扩散距离506

8.3.3 相关效应506

8.3.4 扩散系数的微观意义508

8.3.5 讨论扩散的坐标系511

8.3.6 二元系的扩散512

8.4 高扩散率的通道518

8.4.1 沿晶界扩散518

8.4.2 沿位错扩散521

8.4.3 沿表面扩散521

8.4.4 高扩散率通道网络522

8.5 反应扩散523

8.6 离子晶体中的扩散525

8.7 在玻璃中的扩散531

8.8 聚合物中的扩散533

8.9 影响扩散系数的因素535

8.9.1 温度和压力536

8.9.2 材料的结构536

8.9.3 组元特性和化学成分538

总结539

关键术语541

练习题541

参考文献544

9 材料的形变545

9.1 弹性形变（晶体及弹性体的弹性形变）545

9.1.1 普弹性545

9.1.2 滞弹性550

9.1.3 高弹性551

9.2 单晶体的滑移553

9.2.1 滑移要素及滑移系553

9.2.2 滑移带和滑移线554

9.2.3 Schmid定律554

9.2.4 交滑移557

9.2.5 多系滑移559

9.2.6 拉伸和压缩时晶体的转动561

9.3 起始塑性形变及流变应力563

9.4 单晶体的应力-应变曲线及加工硬化566

9.4.1 应力-应变曲线566

9.4.2 加工硬化理论570

9.5 形变孪晶570

9.5.1 孪晶几何571

9.5.2 面心立方结构晶体中的孪晶573

9.5.3 体心立方结构晶体中的孪晶573

9.5.4 六方结构晶体中的孪晶574

9.5.5 孪生的位错机制577

9.5.6 孪生的一般特点578

9.6 多晶体的塑性变形581

9.6.1 多晶体形变的特点581

9.6.2 形变过程的宏观应变协调582

9.6.3 形变过程宏观组织的变化584

9.6.4 形变过程的微观应变协调与微观组织变化586

9.6.5 影响冷形变金属和合金微观组织结构的因素589

9.6.6 晶粒尺寸强化591

9.7 形变织构593

9.7.1 晶体取向的描述593

9.7.2 取向分布的描述594

9.7.3 形变织构的类型596

9.8 金属形变后的残余内应力601

9.9 聚合物的形变602

9.9.1 温度对线性非晶态聚合物形变的影响602

9.9.2 热塑性聚合物的形变603

9.9.3 热固性塑料的形变606

9.9.4 聚合物中的织构取向607

总结612

关键术语612

练习题613

参考文献615

10.1 相变分类616

10.2 相变的热力学——相变驱动力617

10.2.1 纯组元多形性相变的驱动力618

10.2.2 脱溶转变的驱动力618

10.3 相变的形核619

10.3.1 形核的驱动力和核心成分619

10.3.2 相变的均匀形核620

10.3.3 相变的非均匀形核629

10.4 晶核的长大637

10.4.1 凝固时晶核的长大637

10.4.2 固态转变时晶核的长大642

10.5 转变动力学649

10.6 亚稳平衡过渡相的形成652

10.7 颗粒粗化——Ostwald熟化653

总结654

关键术语655

练习题656

参考文献657

11 凝固659

11.1 凝固的过冷与再辉659

11.2 单相固溶体凝固661

11.2.1 平衡凝固与非平衡凝固661

11.2.2 界面前沿的溶质原子再分布663

11.2.3 区域提纯668

11.2.4 液-固相界面形貌669

11.2.5 凝固微观组织673

11.3 共晶凝固和包晶凝固677

11.3.1 共晶的凝固677

11.3.2 包晶凝固686

11.4 铸锭的凝固688

11.4.1 铸锭的宏观组织688

11.4.2 凝固时的体积变化以及气孔、夹杂的形成691

11.4.3 铸锭组织的控制691

11.4.4 偏析692

11.5 熔焊及特殊凝固工艺694

11.5.1 熔焊694

11.5.2 快速凝固696

11.5.3 连续铸造697

11.6 玻璃体的形成与晶化698

11.6.1 玻璃材料的结晶698

11.6.2 玻璃体的晶化699

11.6.3 晶化控制技术700

11.7 聚合物的结晶700

11.7.1 聚合物熔体结构及特征701

11.7.2 聚合物结晶过程701

总结704

关键术语705

练习题706

参考文献707

12 固态转变708

12.1 合金的脱溶708

12.1.1 脱溶贯序、相关相结构及组织形貌708

12.1.2 Al-Cu合金脱溶热力学分析710

12.1.3 其他材料中的脱溶贯序712

12.1.4 空位在脱溶过程中的作用713

12.1.5 时效硬化714

12.1.6 不连续脱溶（胞状脱溶）716

12.2 共析转变717

12.2.1 共析转变机制717

12.2.2 共析团生长速度718

12.3 块形转变720

12.3.1 块形转变的定义及转变特点720

12.3.2 块形转变的热力学条件721

12.3.3 块形转变的组织特点721

12.4 连续型转变722

12.4.1 调幅分解722

12.4.2 无序→有序转变726

12.5 无扩散型相变729

12.5.1 马氏体转变热力学730

12.5.2 马氏体转变的晶体学及唯象理论731

12.5.3 马氏体的形核与长大734

12.5.4 马氏体转变动力学737

12.5.5 陶瓷氧化锆中的马氏体转变737

12.6 回复和再结晶739

12.6.1 形变金属的回复740

12.6.2 形变晶体的再结晶749

12.6.3 再结晶后晶粒的长大767

12.6.4 有序合金的再结晶774

12.6.5 热加工过程的回复和再结晶775

12.6.6 无机材料的再结晶780

12.6.7 再结晶织构780

12.7 烧结过程785

12.7.1 固态烧结785

12.7.2 液相烧结和热压烧结790

总结791

关键术语793

练习题794

参考文献795

附录797

附录A 元素的物理化学数据797

附录B 元素的原子及离子半径与单化学键的离子特性百分数801

附录C 常用物理常数805

附录D 元素周期表806