Lecture Notes on Equilibrium Point Defects and Thermophysical Properties of Metals pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Publishing Company

作者:Yaakov Kraftmakher

出品人:

页数:300

译者:

出版时间:2000-09

价格:USD 88.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9789810241407

丛书系列:

图书标签:

• 金属材料
• 点缺陷
• 平衡态
• 热物理性质
• 材料科学
• 固态物理
• 缺陷物理
• 金属物理
• 相平衡
• 热力学

平衡点缺陷与金属热物理性质：理论解析与实验洞察 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，探索金属材料中平衡点缺陷的形成机制、结构特性及其与宏观热物理性质之间的内在联系。不同于以往将点缺陷研究与材料宏观性能割裂开来的传统模式，本研究将两者紧密结合，强调微观结构对宏观行为的决定性影响，并辅以扎实的理论基础与翔实的实验数据，力求揭示材料内部的奥秘。 第一部分：平衡点缺陷的理论框架与统计力学 本部分将系统地介绍平衡点缺陷的基本概念、分类及其在晶体结构中的存在形式。我们将从原子尺度出发，深入探讨不同类型点缺陷（如空位、填隙原子、取代原子）的形成能、迁移能以及它们在热力学平衡状态下的浓度。 晶格畸变与原子排列： 空位 (Vacancies): 详细阐述晶格中一个原子位置的缺失如何导致周围原子层的局部畸变，并分析形成空位所需的能量。我们将考察不同晶体结构（如面心立方、体心立方、六方密堆积）中空位的形成能差异，并探讨其与结合能、原子半径等因素的关系。 填隙原子 (Interstitials): 探讨外来原子占据晶格间隙位置的现象，分析其对晶格造成的挤压畸变。我们将区分自填隙原子（溶质原子自身）和间隙溶质原子，并讨论它们各自的形成能和迁移特性。 取代原子 (Substitutional Atoms): 深入研究溶质原子取代基体原子位置的情况，分析其可能导致的晶格膨胀或收缩，以及对电子结构的潜在影响。我们将讨论固溶度与取代原子尺寸、电负性等参数之间的关系。 热力学平衡与浓度演化： 熵的贡献： 详细解析空位和填隙原子形成过程中熵增的来源，包括构型熵（位置的随机性）和振动熵（原子振动频率的改变）。 吉布斯自由能最小化原理： 建立形成点缺陷的吉布斯自由能方程，强调自由能最小化是决定平衡点缺陷浓度的根本动力。我们将推导不同温度下空位、填隙原子和取代原子的平衡浓度公式，并探讨其温度依赖性。 统计分布： 引入玻尔兹曼分布等统计力学概念，解释点缺陷在晶格中的概率分布规律。 缺陷相互作用与团簇形成： 缺陷间的吸引与排斥： 分析点缺陷之间由于静电相互作用、弹性应力场相互作用等因素导致的吸引或排斥。 低聚物 (Oligomers) 和团簇 (Clusters): 探讨两个或多个点缺陷聚集形成更稳定结构的现象，如空位二聚体、空位三聚体等。我们将分析团簇形成的驱动力，以及它们对材料性能可能产生的积极或消极影响。 点缺陷与位错的相互作用： 简要介绍点缺陷对位错运动的阻碍作用，以及位错对点缺陷浓度的影响。 第二部分：金属热物理性质的微观根源 本部分将聚焦于金属材料的关键热物理性质，并深入剖析这些宏观性质如何由其内部的点缺陷微观结构所决定。我们将强调理解点缺陷在其中扮演的关键角色，从而为设计和优化金属材料提供理论依据。 扩散 (Diffusion): 空位机制扩散： 详细阐述空位在扩散过程中的核心作用。我们将分析溶质原子或基体原子如何通过跃迁至相邻空位来完成扩散过程。 填隙原子机制扩散： 探讨填隙原子（尤其是小尺寸原子）快速扩散的机制，以及其对某些合金（如氢在金属中的扩散）的重要性。 Frank-Turnbull 机制与 Pinner 机制： 介绍在特定条件下可能存在的更复杂的扩散机制。 扩散系数的温度依赖性： 深入解析扩散系数的阿伦尼乌斯关系，并推导其与空位形成能、迁移能以及缺陷浓度的关系。我们将探讨如何通过调控点缺陷浓度来影响扩散速率，并举例说明其在热处理、烧结等过程中的应用。 热膨胀 (Thermal Expansion): 原子振动幅度与晶格膨胀： 解释宏观热膨胀源于原子振动频率随温度升高而增大，导致平均原子间距增大。 点缺陷对热膨胀的影响： 分析空位和填隙原子如何增加晶格的自由体积，从而在一定程度上加速宏观膨胀。我们将探讨其对材料热膨胀系数的贡献，尤其是在高温下。 各向异性热膨胀： 讨论晶体结构各向异性与点缺陷的结合如何导致某些材料表现出显著的各向异性热膨胀。 比热容 (Specific Heat Capacity): 晶格振动（声子）的贡献： 介绍比热容的主要来源是增加晶格振动的能量。 点缺陷的激励能： 深入分析点缺陷（尤其是空位）的形成能和激活能如何贡献于材料的总比热容，尤其是在低温区域。我们将讨论空位团簇对低温比热容异常的影响。 电子的比热贡献： 简要介绍自由电子在比热容中的作用，并讨论点缺陷对电子结构的影响是否会间接影响电子的比热贡献。 热导率 (Thermal Conductivity): 声子输运： 解释热量主要通过晶格振动（声子）在材料中传递。 点缺陷的声子散射： 详细阐述点缺陷（空位、填隙原子、取代原子）如何作为杂质和畸变源，散射声子，从而降低材料的热导率。我们将分析缺陷浓度、尺寸和分布对热导率的影响。 电子输运： 讨论自由电子在金属热导率中的作用，以及点缺陷对电子输运的影响（例如，电导率的降低）。 高温下点缺陷的影响： 探讨在高温下，空位浓度显著增加时，对热导率可能产生的复杂影响。 机械性能（与热相关的部分）: 屈服强度与应变硬化（受点缺陷影响）: 简要讨论点缺陷，尤其是空位团簇和填隙原子，如何成为位错运动的障碍，从而提高材料的屈服强度和硬度。 高温蠕变 (High-Temperature Creep): 深入分析点缺陷（特别是空位）在高温蠕变过程中的关键作用，例如Nabarro-Herring 蠕变和 Coble 蠕变。我们将讨论如何通过调控点缺陷浓度和迁移率来控制材料的高温蠕变速率。 第三部分：实验技术与数据解析 为了验证和深化理论模型的有效性，本部分将介绍一系列用于研究金属中平衡点缺陷及其热物理性质的先进实验技术。我们将强调如何综合运用多种技术，以获得全面而准确的数据。 点缺陷表征技术： X射线衍射 (XRD): 分析晶格参数的变化，推断点缺陷（如取代原子、空位）的存在及其浓度。 电子显微学 (TEM/SEM): 直接观察晶格缺陷、位错、团簇等微观结构，并结合能量色散X射线谱 (EDS) 分析元素分布。 Positron Annihilation Spectroscopy (PAS): 一种灵敏的探测空位及其团簇的技术，通过测量正电子与物质湮灭产生的伽马射线的能量和时间来分析缺陷特性。 Dilatometry (膨胀测量): 精确测量材料在不同温度下的体积或长度变化，从而获得热膨胀数据，并间接推断缺陷对膨胀的贡献。 Differential Scanning Calorimetry (DSC) / Differential Thermal Analysis (DTA): 测量材料在升温或降温过程中的热量变化，用于确定相变温度，以及检测与缺陷形成/消失相关的热效应，如空位形成能。 Specific Heat Measurement (比热测量): 精确测量材料在不同温度下的比热容，以分离出缺陷对低温比热容的贡献。 Hall Effect Measurement (霍尔效应测量): 探测载流子浓度和迁移率的变化，从而间接了解点缺陷对电子结构的影响。 热物理性质测量技术： Diffusion Annealing and Analysis (扩散退火与分析): 通过控制退火时间和温度，并利用蒔克尔法 (Matano-Boltzmann analysis) 等方法，精确测量扩散系数。 Laser Flash Method (激光闪射法): 一种快速精确测量材料热导率和热扩散系数的技术。 Steady-State Methods (稳态法): 如热管法等，用于测量材料在恒定温度梯度下的热导率。 High-Temperature Mechanical Testing (高温力学测试): 如高温拉伸试验、蠕变试验等，用于评估材料在高温下的机械性能，并分析缺陷对其的影响。 数据整合与模型验证： 理论计算与实验数据的对比： 强调将理论计算得到的缺陷形成能、迁移能等参数与实验测量数据进行对比，以验证理论模型的准确性。 多尺度模拟方法： 简要介绍第一性原理计算 (Ab initio calculations)、分子动力学模拟 (Molecular Dynamics) 等计算方法在预测缺陷性质和模拟扩散过程中的应用，以及如何将其结果与实验数据相结合。 参数拟合与优化： 讨论如何利用实验数据对理论模型中的参数进行拟合和优化，以获得更精确的预测。 结论与展望 本书的最后部分将对全书内容进行总结，并展望平衡点缺陷与金属热物理性质研究的未来发展方向。我们将强调理解点缺陷在理解和设计高性能金属材料中的重要性，并指出未来研究可能集中在以下几个方面： 新型金属合金的设计： 基于对点缺陷与热物理性质关系的深刻理解，设计具有优异高温性能、耐磨损性或特定热管理特性的新型合金。 纳米尺度材料中的点缺陷： 探索在纳米尺度下，点缺陷的行为和对材料性能的影响是否会发生显著变化，以及如何在纳米材料中调控点缺陷。 复杂环境下的点缺陷行为： 研究在强辐射、高压或腐蚀性环境等复杂条件下，点缺陷的形成、演化及其对材料性能的影响。 机器学习与人工智能在材料研究中的应用： 探讨如何利用机器学习和人工智能技术，加速对点缺陷行为的预测和对材料性能的优化。 通过理论解析、实验验证和数据洞察的有机结合，本书旨在为材料科学家、工程师以及对金属材料微观结构与宏观性能之间关系感兴趣的读者提供一个坚实的研究基础和宝贵的参考。

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