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导论1

一、材料科学的重要地位1

二、各种材料概况2

三、材料性能与内部结构的关系7

四、材料的制备与加工工艺对性能的影响8

五、什么是材料科学10

参考文献11

第一章 材料结构的基本知识12

第一节 原子结构12

一、原子的电子排列12

二、元素周期表及性能的周期性变化14

第二节 原子结合键17

一、一次键17

二、二次键19

三、混合键21

四、结合键的本质及原子间距22

五、结合键与性能25

第三节 原子排列方式26

一、晶体与非晶体26

二、原子排列的研究方法29

第四节 晶体材料的组织30

一、组织的显示与观察30

二、单相组织31

三、多相组织32

第五节 材料的稳态结构与亚稳态结构33

小 结35

习 题36

参考文献37

第二章 材料中的晶体结构38

第一节 晶体学基础38

一、空间点阵和晶胞38

二、晶系和布拉菲点阵39

三、晶向指数和晶面指数40

第二节 纯金属的晶体结构45

一、典型金属的晶体结构45

二、多晶型性51

三、晶体结构中的原子半径52

第三节 离子晶体的结构54

一、离子晶体的主要特点54

二、离子半径、配位数和离子的堆积55

三、离子晶体的结构规则57

四、典型离子晶体的结构58

第四节 共价晶体的结构60

一、共价晶体的主要特点60

二、典型共价晶体的结构61

小结62

习题62

参考文献64

第三章 高分子材料的结构65

第一节 高分子材料概述65

一、高分子材料的基本概念65

二、高分子材料的合成67

三、高分子材料的分类69

第二节 高分子链的结构及构象70

一、高分子链的化学组成70

二、结构单元的键接方式和构型71

三、高分子链的几何形状73

四、高分子链的构象及柔顺性74

第三节 高分子的聚集态结构76

一、晶态聚合物的结构76

二、非晶态聚合物的结构78

三、聚合物的结晶度与玻璃化温度79

第四节 高分子材料的性能与结构82

一、高分子材料的主要性能特点82

二、高分子材料的性能与结构的关系83

三、改变高分子材料性能的途径86

小结89

习题90

参考文献91

第四章 晶体缺陷92

第一节 点缺陷92

一、点缺陷的类型92

二、点缺陷的产生93

三、点缺陷与材料行为96

第二节 位错的基本概念97

一、位错与塑性变形97

二、晶体中的位错模型及位错易动性98

三、柏氏矢量102

四、位错的运动104

五、位错密度109

六、位错的观察109

第三节 位错的能量及交互作用111

一、位错的应变能111

二、位错的线张力114

三、位错的应力场及与其他缺陷的交互作用116

四、位错的分解与合成119

第四节 晶体中的界面124

一、晶界的结构与晶界能124

二、表面及表面能127

三、表面吸附与晶界内吸附128

四、润湿行为130

五、界面能与显微组织的变化132

小结133

习 题134

参考文献137

第五章 材料的相结构及相图138

第一节 材料的相结构138

一、固溶体138

二、中间相144

第二节 二元相图及其类型149

一、相图的基本知识149

二、一元系相图152

三、二元系相图154

四、相图与性能的关系170

第三节 复杂相图分析172

一、分析方法172

二、复杂相图分析举例173

三、铁-碳合金相图175

第四节 相图的热力学基础189

一、吉布斯自由能与成分的关系189

二、克劳修斯-克莱普隆方程192

三、相平衡条件193

四、吉布斯自由能曲线与相图195

第五节 三元系相图及其类型199

一、三元相图的表示方法199

二、三元相图的建立201

三、三元匀晶相图203

四、具有两相共晶反应的三元系相图209

五、三元系中的相平衡分析214

六、具有四相平衡反应的三元系相图216

七、三元系相图实例分析226

习 题229

参考文献231

第六章 材料的凝固与气相沉积232

第一节 材料凝固时晶核的形成232

一、均匀形核232

二、形核率235

三、非均匀形核237

第二节 材料凝固时晶体的生长239

一、材料的熔化熵对晶体生长的影响239

二、温度梯度对晶体生长的影响240

第三节 固溶体合金的凝固242

一、合金凝固的三种典型情况242

二、成分过冷及其对晶体生长的影响246

第四节 共晶合金的凝固247

一、共晶体的结构247

二、杂质对共晶生长的影响250

三、偏离共晶成分的合金凝固253

第五节 制造工艺与凝固组织253

一、铸锭与铸件的凝固组织及偏析253

二、连续铸造和熔化焊的凝固组织256

第六节 用凝固法材料的制备技术257

一、区域熔炼257

二、制备单晶259

三、用快速冷凝法制备金属玻璃260

四、定向凝固261

第七节 材料非晶态262

一、材料的非晶态概述262

二、常用材料的非晶态263

第八节 材料的气-固转变265

一、凝聚-蒸发的平衡265

二、蒸发267

三、凝聚268

第九节 气相沉积法的材料制备技术269

一、硅芯片的外延生长270

二、用化学气相沉积制取B纤维和SiC纤维271

三、用惰性气体凝结法制取纳米材料272

习 题273

参考文献276

第七章 扩散与固态相变277

第一节 扩散定律及其应用277

一、扩散第一定律277

二、扩散第二定律279

第二节 扩散机制283

一、间隙扩散和空位扩散283

二、互扩散和柯肯达尔效应286

三、扩散系数的计算286

第三节 影响扩散的因素与扩散驱动力288

一、影响扩散的因素288

二、扩散驱动力290

第四节 几个特殊的有关扩散的实际问题291

一、离子晶体的扩散291

二、烧结293

三、纳米晶体材料的扩散问题295

第五节 固态相变中的形核296

一、固相的相界面296

二、均匀形核与非均匀形核300

第六节 固态相变的晶体成长301

一、扩散控制长大301

二、界面控制长大303

第七节 扩散型相变305

一、Al-Cu合金的淬火时效305

二、陶瓷材料中的脱溶沉淀反应307

三、合金中的调幅分解309

四、玻璃中的调幅分解312

第八节 无扩散相变313

一、马氏体相变的基本特征313

二、马氏体转变的晶体学316

三、马氏体的形态与性能318

四、陶瓷材料中的马氏体相变320

习 题321

参考文献322

第八章 材料的变形与断裂323

第一节 金属变形概述323

第二节 金属的弹性变形324

第三节 滑移与孪晶变形325

一、滑移观察325

二、滑移机制326

三、滑移面和滑移方向328

四、孪晶变形329

第四节 单晶体的塑性变形331

一、施密特定律331

二、单滑移、多滑移和交滑移333

第五节 多晶体的塑性变形336

一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响336

二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响337

第六节 纯金属的变形强化338

一、位错的交割338

二、位错的反应340

三、位错的增殖341

第七节 合金的变形与强化343

一、单相合金的变形与强化343

二、低碳钢的屈服和应变时效344

三、第二相对合金变形的影响347

第八节 冷变形金属的组织与性能349

一、冷变形金属的力学性能349

二、冷变形金属的组织349

三、形变织构350

四、残余应力352

第九节 金属的断裂352

一、理论断裂强度352

二、实际断裂强度353

第十节 冷变形金属的回复阶段355

一、回复阶段性能与组织的变化355

二、回复动力学355

三、回复机制356

第十一节 冷变形金属的再结晶358

一、再结晶的形核359

二、再结晶动力学359

三、影响再结晶的因素361

四、再结晶后的晶粒长大362

第十二节 金属的热变形、蠕变与超塑性365

一、金属热变形过程以及对组织与性能的影响365

二、金属的蠕变367

三、金属的超塑性368

第十三节 陶瓷晶体的变形369

第十四节 高分子材料（聚合物）的变形371

一、热塑性塑料的变形371

二、热固性塑料的变形373

习题374

参考文献375

第九章 固体材料的电子结构与物理性能376

第一节 固体的能带理论376

一、能带的形成376

二、金属的能带结构与导电性377

三、费密能378

四、半导体与绝缘体380

第二节 半导体381

一、本征半导体381

二、掺杂半导体383

第三节 材料的磁性385

一、原子的磁矩385

二、抗磁体、顺磁体和铁磁体387

三、磁化曲线与磁畴结构389

第四节 材料的光学性能392

一、光的吸收与透射392

二、材料的发光性能394

第五节 材料的热学性能397

一、摩尔热容397

二、热膨胀398

三、导热性能399

第六节 功能材料举例400

一、光导纤维400

二、磁性材料401

小 结402

习题403

参考文献404

第十章 材料概论405

第一节 金属材料405

一、碳钢与微合金化钢405

二、合金钢408

三、有色金属410

四、铸铁413

第二节 高分子材料415

一、高分子材料的强度与韧性415

二、工程塑料与橡胶417

第三节 工程结构陶瓷材料418

第四节 复合材料422

一、纤维增强作用422

二、纤维增韧概念425

三、复合材料类型及应用426

习题427

参考文献428