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第1章 材料科学与工程引论2

1.1 材料与工程3

1.2 材料科学与工程6

1.3 材料的种类8

1.3.1 金属材料8

1.3.2 聚合物材料10

1.3.3 陶瓷材料11

1.3.4 复合材料13

1.3.5 电子材料14

1.4 材料间的竞争15

1.5 材料科学与技术的最新进展和未来趋势17

1.5.1 智能材料17

1.5.2 纳米材料19

1.6 材料设计与选择19

1.7 第1章小结20

1.8 定义21

1.9 习题22

第2章 原子结构与键合24

2.1 原子结构和亚原子粒子25

2.2 原子序数、质量数和相对原子质量28

2.3 原子的电子结构31

2.3.1 普朗克量子理论和电磁辐射31

2.3.2 氢原子的玻尔理论34

2.3.3 不确定原理和薛定谔波函数37

2.3.4 量子数、能级和原子轨道40

2.3.5 多电子原子的能态43

2.3.6 量子力学模型和元素周期表44

2.4 原子尺寸、离化能和电子亲合力的周期性变化49

2.4.1 原子尺寸的变化趋势49

2.4.2 离化能的变化趋势49

2.4.3 电子亲和力的变化趋势52

2.4.4 金属、类金属和非金属52

2.5 一次键54

2.5.1 离子键55

2.5.2 共价键61

2.5.3 金属键68

2.5.4 混合键70

2.6 二次键71

2.7 第2章小结74

2.8 定义75

2.9 习题77

第3章 材料中的晶体结构和非晶态结构84

3.1 空间点阵和晶胞85

3.2 晶系与布拉菲点阵86

3.3 主要的金属晶体结构87

3.3.1 体心立方（BCC）晶体结构89

3.3.2 面心立方（FCC）晶体结构92

3.3.3 密排六方（HCF）晶体结构93

3.4 立方晶胞中的原子位置95

3.5 立方晶胞中的晶向96

3.6 立方晶胞中晶面的米勒指数100

3.7 密排六方晶体结构中的晶面和晶向105

3.7.1 HCP晶胞中的晶面指数105

3.7.2 HCP晶胞中的晶向指数106

3.8 FCC、HCP和BCC晶体结构的比较108

3.8.1 FCC和HCP晶体结构108

3.8.2 BCC晶体结构110

3.9 体密度、面密度以及线密度的晶胞计算110

3.9.1 体密度110

3.9.2 面密度111

3.9.3 线密度113

3.10 多晶型或同素异构114

3.11 晶体结构分析115

3.11.1 X光源116

3.11.2 X光衍射117

3.11.3 晶体结构的X光衍射分析119

3.12 非晶态材料125

3.13 第3章小结126

3.14 定义127

3.15 习题128

第4章 凝固和晶体缺陷136

4.1 金属的凝固137

4.1.1 液态金属中稳定晶核的形成139

4.1.2 液态金属中晶体生长与晶粒结构的形成144

4.1.3 工业铸件中的晶粒结构145

4.2 单晶体的凝固146

4.3 金属固溶体150

4.3.1 置换式固溶体151

4.3.2 间隙式固溶体153

4.4 晶体缺陷155

4.4.1 点缺陷155

4.4.2 线缺陷（位错）156

4.4.3 面缺陷159

4.4.4 体缺陷162

4.5 鉴别微观结构和缺陷的实验技术163

4.5.1 光学金相、ASTM晶粒尺寸和晶粒直径的确定163

4.5.2 扫描电子显微镜（SEM）168

4.5.3 透射电子显微镜（TEM）169

4.5.4 高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）170

4.4.5 扫描探针显微镜和原子分辨率173

4.6 第4章小结176

4.7 定义177

4.8 习题178

第5章 热激活过程和固体中的扩散186

5.1 固体中的速率过程187

5.2 固体中的原子扩散191

5.2.1 固体中的扩散概述191

5.2.2 扩散机制191

5.2.3 稳态扩散193

5.2.4 非稳态扩散196

5.3 扩散过程的工业应用198

5.3.1 气体渗碳使钢铁表面硬化198

5.3.2 集成电路用硅晶圆的杂质扩散202

5.4 温度对固体扩散的影响204

5.5 第5章小结208

5.6 定义208

5.7 习题209

第6章 金属的力学性能（Ⅰ）214

6.1 金属与合金的成形加工215

6.1.1 金属和合金的铸造215

6.1.2 金属和合金的热轧和冷轧217

6.1.3 金属和合金的挤压221

6.1.4 锻造222

6.1.5 其他的金属成形工艺224

6.2 金属材料中的应力和应变225

6.2.1 弹性变形和塑性变形225

6.2.2 工程应力和工程应变226

6.2.3 泊松比228

6.2.4 切应力与切应变228

6.3 拉伸试验和工程应力－应变图230

6.3.1 由拉伸试验和工程应力－应变图获得的力学性能数据232

6.3.2 部分合金的工程应力－应变曲线的比较237

6.3.3 真应力和真应变237

6.4 硬度与硬度测试239

6.5 金属单晶体的塑性形变240

6.5.1 金属晶体表面的滑移带与滑移线240

6.5.2 金属晶体由滑移机制造成的塑性形变242

6.5.3 滑移系统244

6.5.4 金属单晶体的临界切应力249

6.5.5 施密特定律250

6.5.6 孪生252

6.6 多晶金属的塑性形变254

6.6.1 晶界对金属强度的影响254

6.6.2 塑性形变对晶粒形状和位错分布的影响256

6.6.3 冷塑性形变对金属强度增加的影响258

6.7 金属的固溶强化259

6.8 塑性形变金属的回复和再结晶261

6.8.1 深冷加工金属再加热之前的结构262

6.8.2 回复263

6.8.3 再结晶264

6.9 金属中的超塑性268

6.10 纳米晶金属270

6.11 第6章小结271

6.12 定义272

6.13 习题273

第7章 金属的力学性能（Ⅱ）280

7.1 金属的断裂281

7.1.1 韧性断裂282

7.1.2 脆性断裂283

7.1.3 韧度和冲击试验286

7.1.4 韧性－脆性转变温度286

7.1.5 断裂韧度289

7.2 金属的疲劳291

7.2.1 周期应力295

7.2.2 韧性金属在疲劳过程中发生的基本结构变化296

7.2.3 影响金属疲劳强度的几个主要因素297

7.3 疲劳裂纹扩展速率298

7.3.1 疲劳裂纹扩展与应力、裂纹长度的关系298

7.3.2 疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子范围作图300

7.3.3 疲劳寿命计算302

7.4 金属的蠕变和应力断裂304

7.4.1 金属的蠕变304

7.4.2 蠕变试验306

7.4.3 蠕变－断裂试验307

7.5 第7章小结308

7.6 定义309

7.7 习题309

第8章 相图316

8.1 纯物质的相图317

8.2 吉布斯相律319

8.3 冷却曲线320

8.4 二元匀晶合金系统321

8.5 杠杆定律324

8.6 合金的非平衡凝固328

8.7 二元共晶合金系统331

8.8 二元包晶合金系统339

8.9 二元偏晶系统344

8.10 不变反应345

8.11 有中间相和中间化合物的相图347

8.12 三元相图351

8.13 第8章小结354

8.14 定义355

8.15 习题357

第9章 工程合金366

9.1 铁和钢的生产368

9.1.1 高炉中的生铁生产368

9.1.2 炼钢和主要钢铁产品形式的加工369

9.2 铁－碳系统371

9.2.1 铁－铁－碳化物相图371

9.2.2 Fe-Fe3C相图中的固相371

9.2.3 Fe-Fe3C相图中的不变反应372

9.2.4 碳素钢的缓慢冷却374

9.3 普通碳素钢的热处理381

9.3.1 马氏体381

9.3.2 奥氏体的等温分解386

9.3.3 共析碳素钢的连续冷却转变曲线391

9.3.4 碳素钢的退火与正火394

9.3.5 碳素钢的回火395

9.3.6 碳素钢的分类与典型的力学性能399

9.4 低合金钢400

9.4.1 合金钢的分类400

9.4.2 合金钢中合金元素的分布402

9.4.3 合金元素对钢的共析温度影响403

9.4.4 淬硬性404

9.4.5 低合金钢典型的力学性能和应用409

9.5 铝合金409

9.5.1 析出强化（硬化）411

9.5.2 铝及其产品的一般性能418

9.5.3 锻造铝合金419

9.5.4 铸造铝合金424

9.6 第9章小结426

9.7 定义427

9.8 习题428

第10章 聚合物材料436

10.1 概述437

10.1.1 热塑性塑料438

10.1.2 热固性塑料438

10.2 聚合反应439

10.2.1 单个乙烯分子的共价键结构439

10.2.2 一个活化乙烯分子的共价键结构440

10.2.3 聚乙烯聚合的整体反应和聚合度441

10.2.4 链式聚合步骤441

10.2.5 热塑性塑料的平均相对分子质量443

10.2.6 单体的官能度444

10.2.7 非晶体线性聚合物的结构444

10.2.8 乙烯基树脂与亚乙烯基树脂446

10.2.9 均聚物与共聚物447

10.2.10 其他聚合方法450

10.3 工业用聚合方法452

10.4 一些热塑性塑料的结晶度与立体异构现象454

10.4.1 非晶态热塑性塑料的凝固454

10.4.2 半晶态热塑性塑料的凝固454

10.4.3 半晶态热塑性塑料的结构456

10.4.4 热塑性塑料的立体异构现象457

10.4.5 齐格勒（Ziegler）催化剂与纳塔（Natta）催化剂458

10.5 塑料的加工459

10.5.1 用于热塑性塑料的加工工艺460

10.5.2 用于热固性塑料的加工工艺464

10.6 通用热塑性塑料466

10.6.1 聚乙烯468

10.6.2 聚氯乙烯均聚物与共聚物471

10.6.3 聚丙乙烯473

10.6.4 聚苯乙烯473

10.6.5 聚丙烯腈474

10.6.6 苯乙烯丙烯腈（SAN）475

10.6.7 ABS475

10.6.8 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）477

10.6.9 氟塑料478

10.7 工程热塑性塑料479

10.7.1 聚酰胺（尼龙）480

10.7.2 聚碳酸酯483

10.7.3 苯氧基树脂484

10.7.4 聚甲醛485

10.7.5 热塑性聚酯486

10.7.6 聚苯硫醚487

10.7.7 聚醚酰亚胺488

10.7.8 聚合物合金488

10.8 热固性塑料（热固性树脂）489

10.8.1 酚醛塑料491

10.8.2 环氧树脂492

10.8.3 不饱和聚酯494

10.8.4 氨基树脂（尿素塑料和三聚氰胺）495

10.9 第10章小结497

10.10 定义498

10.11 习题500

第11章 陶瓷材料510

11.1 概述511

11.2 简单陶瓷的晶体结构513

11.2.1 简单陶瓷化合物中的离子键和共价键513

11.2.2 存在于离子键固体中的简单离子排列514

11.2.3 氯化铯晶体（CsCl）结构517

11.2.4 氯化钠晶体（NaCl）结构518

11.2.5 FCC与HCP晶格中的间隙位置522

11.2.6 闪锌矿晶体（ZnS）结构524

11.2.7 氟石晶体（CaF2）结构526

11.2.8 反氟石晶体结构528

11.2.9 刚玉晶体（Al2O3）结构528

11.2.10 尖晶石（MgAl2O4）晶体结构528

11.2.11 钙钛矿（CaTiO3）晶体结构528

11.2.12 碳和它的同素异形体529

11.3 硅酸盐结构533

11.3.1 硅酸盐结构的基本结构单元533

11.3.2 硅酸盐的岛状结构、链状结构及环状结构533

11.3.3 硅酸盐的片状结构533

11.3.4 硅酸盐的网络结构535

11.4 陶瓷制备过程536

11.4.1 材料准备537

11.4.2 成形537

11.4.3 热处理542

11.5 传统陶瓷和工程陶瓷544

11.5.1 传统陶瓷544

11.5.2 工程陶瓷547

11.6 陶瓷的力学性能549

11.6.1 概述549

11.6.2 陶瓷材料变形的机制549

11.6.3 影响陶瓷材料强度的因素550

11.6.4 陶瓷材料的韧度551

11.6.5 部分稳定氧化锆（PSZ）的相变增韧553

11.6.6 陶瓷的疲劳失效553

11.6.7 陶瓷研磨剂材料555

11.7 陶瓷材料的热学性能556

11.7.1 陶瓷耐火材料557

11.7.2 酸性耐火材料558

11.7.3 碱性耐火材料558

11.7.4 航天航空器用陶瓷瓦绝热片558

11.8 玻璃558

11.8.1 玻璃的定义560

11.8.2 玻璃的转变温度560

11.8.3 玻璃的结构561

11.8.4 玻璃的组成562

11.8.5 玻璃的粘性变形564

11.8.6 玻璃的形成方法566

11.8.7 钢化玻璃568

11.8.8 化学强化玻璃568

11.9 陶瓷涂层和表面工程570

11.9.1 硅酸盐玻璃涂层570

11.9.2 氧化物和碳化物涂层570

11.10 纳米技术和陶瓷571

11.11 第11章小结573

11.12 定义574

11.13 习题575

第12章 复合材料582

12.1 概述583

12.2 增强塑料类复合材料用纤维584

12.2.1 增强塑料用玻璃纤维584

12.2.2 增强塑料用碳纤维587

12.2.3 增强塑料用的芳族聚酰胺纤维589

12.2.4 增强塑料类复合材料用的碳纤维、芳族聚酰胺纤维和玻璃纤维的力学性能比较589

12.3 纤维增强塑料类复合材料591

12.3.1 纤维增强塑料的基体材料591

12.3.2 纤维增强塑料592

12.3.3 在等应变、等应力情况下的片状连续纤维塑料基体复合材料的弹性模量方程596

12.4 纤维增强塑料的开式模塑加工工艺601

12.4.1 手铺成型工艺601

12.4.2 喷射铺展成型工艺601

12.4.3 真空包热压成型工艺602

12.4.4 绕丝成型工艺603

12.5 纤维增强塑料的闭式模塑加工工艺604

12.5.1 压塑与注射成型加工工艺604

12.5.2 片状模塑复合材料（SMC）加工工艺605

12.5.3 连续挤压成型加工工艺606

12.6 金属基和陶瓷基复合材料606

12.6.1 金属基复合材料（MMCs）606

12.6.2 陶瓷基复合材料（CMCs）608

12.7 第12章小结613

12.8 定义614

12.9 习题616

第13章 材料的电学性能624

13.1 金属的电导625

13.1.1 金属电导现象的经典模型625

13.1.2 欧姆定律627

13.1.3 金属导体中电子的漂移速度631

13.1.4 金属的电阻率632

13.2 电导性的能带模型636

13.2.1 金属的能带模型636

13.2.2 绝缘体的能带模型638

13.3 本征半导体638

13.3.1 本征半导体的电导机制638

13.3.2 纯硅晶体点阵中的电荷输运639

13.3.3 元素本征半导体的能带图640

13.3.4 元素本征半导体电导的定量关系641

13.3.5 温度对本征半导体的影响643

13.4 非本征半导体645

13.4.1 n型（负型）非本征半导体645

13.4.2 p型（正型）非本征半导体647

13.4.3 非本征硅半导体材料的掺杂剂649

13.4.4 掺杂剂对非本征半导体中的载流子浓度的影响649

13.4.5 在室温条件下总电离杂质浓度对硅中载流子迁移率的影响652

13.4.6 温度对非本征半导体电导率的影响653

13.5 半导体器件655

13.5.1 pn结656

13.5.2 pn结型二极管的一些应用659

13.5.3 双极性结型晶体管660

13.6 微电子学662

13.6.1 微电子平面双极性晶体管662

13.6.2 微电子平面场效应晶体管663

13.6.3 微电子集成电路的制作666

13.7 化合物半导体673

13.8 陶瓷的电学性能676

13.8.1 介电体的基本特性676

13.8.2 陶瓷绝缘体材料678

13.8.3 陶瓷电容器材料679

13.8.4 陶瓷半导体680

13.8.5 铁电陶瓷682

13.9 纳电子学685

13.10 第13章小结686

13.11 定义687

13.12 习题690

第14章 光学性质与超导材料696

14.1 概述697

14.2 光谱和电磁波频谱697

14.3 光的折射699

14.3.1 折射率699

14.3.2 光折射的斯涅耳定律701

14.4 光的吸收、辐射和反射702

14.4.1 金属702

14.4.2 硅酸盐玻璃703

14.4.3 塑料704

14.4.4 半导体706

14.5 发光707

14.5.1 光致发光708

14.5.2 阴极发光708

14.6 射线的受激发射和激光710

14.7 光导纤维714

14.7.1 光导纤维中的光损失714

14.7.2 单模和多模光导纤维715

14.7.3 光导纤维的加工716

14.7.4 现代光导纤维通信系统718

14.8 超导材料719

14.8.1 超导态719

14.8.2 超导体的磁学性质720

14.8.3 超导体中的电流和磁场722

14.8.4 高电流、高磁场超导体723

14.8.5 高临界温度（Tc）超导氧化物725

14.9 定义727

14.10 习题728

第15章 磁学性能732

15.1 概述733

15.2 磁场和参量733

15.2.1 磁场733

15.2.2 磁感应736

15.2.3 磁导率736

15.2.4 磁化率738

15.3 磁性的类型738

15.3.1 反磁性739

15.3.2 顺磁性739

15.3.3 铁磁性739

15.3.4 原子的单个未成对电子的磁矩741

15.3.5 反铁磁性743

15.3.6 亚铁磁性743

15.4 温度对铁磁性的影响743

15.5 铁磁畴744

15.6 决定铁磁畴结构的能量类型746

15.6.1 交换能量746

15.6.2 静磁能量747

15.6.3 磁晶各向异性能747

15.6.4 畴壁能量748

15.6.5 磁致伸缩能量749

15.7 铁磁性金属的磁化和退磁751

15.8 软磁材料752

15.8.1 软磁材料的理想性能753

15.8.2 软磁材料的能量损失753

15.8.3 铁－硅合金754

15.8.4 金属玻璃755

15.8.5 镍－铁合金756

15.9 硬磁材料759

15.9.1 硬磁材料的性能759

15.9.2 铝镍钴（Alnico）合金761

15.9.3 稀土合金763

15.9.4 钕－铁－硼磁合金765

15.9.5 铁－铬－钴磁合金765

15.10 铁氧体767

15.10.1 软磁铁氧体767

15.10.2 硬磁铁氧体771

15.11 第15章小结771

15.12 定义772

15.13 习题775

附录Ⅰ：部分元素的一些性质780

附录Ⅱ：元素的离子半径782

习题解答784