第1章晶體學基礎001
1.1晶體的周期性和空間點陣002
1.1.1晶體與晶體學002
1.1.2晶體點陣與空間點陣004
1.2布拉菲點陣007
1.3晶向指數與晶面指數010
1.3.1晶向指數010
1.3.2晶面指數011
1.3.3六方晶繫的晶向指數與晶面指數013
1.4晶面間距、晶面夾角和晶帶定理014
1.4.1晶面間距014
1.4.2晶面夾角014
1.4.3晶帶定理015
1.5晶體的對稱性016
1.5.1宏素016
1.5.232種點群017
1.5.3微素020
1.5.4空間群023
1.6極射投影023
1.6.1參考球和極射投影024
1.6.2吳氏網025
1.6.3標準投影圖026

第2章固體材料的結構027
2.1基礎知識028
2.1.1原子結構028
2.1.2能級圖和原子的電子結構029
2.1.3周期表與周期性032
2.1.4晶體中的原子結合036
2.2金屬及合金相的晶體結構040
2.素的晶體結構040
2.2.2典型金屬的晶體結構041
2.2.3合金相的晶體結構051
2.3陶瓷的晶體結構073
2.3.1概述073
2.3.2離子晶體結構074
2.3.3硅酸鹽晶體結構086
2.3.4同質異構現像092
2.4非晶、準晶和納米晶093
2.4.1非晶態材料093
2.4.2準晶的結構103
2.4.3納米晶的結構106
2.5高分子的鏈結構及聚集態結構108
2.5.1高分子鏈的組成和構造(近程結構)108
2.5.2高分子鏈的構像(遠程結構)113
2.5.3高聚物的晶態結構125
2.5.4高聚物的非晶態、取向及液晶態結構132
2.5.5高分子合金的織態結構136
2.6復合材料的細觀結構138
2.6.1復合材料及其組成138
2.6.2復合材料的細觀結構140

第3章固體中的擴散143
3.1擴散定律及其應用145
3.1.1擴散定律145
3.1.2擴散第二定律145
3.1.3擴散第二定律的解及其應用146
3.2擴散微觀理論與機制150
3.2.1原子跳動和擴散距離150
3.2.2原子跳動和擴散繫數152
3.2.3擴散的微觀機制154
3.2.4擴散激活能156
3.3達肯方程158
3.3.1柯肯達爾效應158
3.3.2達肯方程與互擴散繫數159
3.4擴散的熱力學分析161
3.4.1擴散的驅動力161
3.4.2擴散繫數的普遍形式161
3.4.3上坡擴散162
3.5影響擴散的因素163
3.5.1溫度163
3.5.2成分164
3.5.3晶體結構167
3.5.4短路擴散167
3.6反應擴散169
3.6.1反應擴散的過程及特點169
3.6.2反應擴散動力學171

第4章凝固173
4.1液體的性能與結構174
4.1.1液態金屬的結構174
4.1.2高分子溶液176
4.2金屬的凝固與結晶181
4.2.1純金屬的凝固182
4.2.2固溶體合金的凝固194
4.2.3共晶合金的凝固202
4.2.4鑄錠組織與凝固技術203
4.3陶瓷的凝固213
4.4聚合物的結晶214
4.4.1結晶動力學215
4.4.2結晶熱力學219

第5章相圖221
5.1相圖基礎知識222
5.1.1研究相圖的意義222
5.1.2相圖的表示方法223
5.1.3相圖的建立225
5.1.4相圖熱力學基礎226
5.1.5杠杆定律和重心法則230
5相圖233
5.2.1純鐵的相圖233
5.2.2碳的相圖234
5相圖234
5.3勻晶相圖234
5.3共晶相圖238
5.3包晶相圖244
5.3相圖的分析與使用247
5.3.5相圖舉例252
5相圖265
5.4.1兩相平相圖265
5.4.2三相平相圖272
5.4.3四相平相圖277
5.4.4形成穩定化合相圖287
5.4相圖小結288
5.4.6相圖舉例289
5.4交互繫統相圖292

第6章固態相變的基本原理297
6.1固態相變的分類與特征299
6.1.1固態相變的分類299
6.1.2固態相變的特征301
6.2相變熱力學304
6.2.1熱力學基本原理304
6.2.2固態相變的形核306
6.3相變動力學316
6.3.1擴散性長大316
6.3.2相變動力學方程318
6.4擴散型相變319
6.4.1固溶體的析出319
6.4.2共析轉變329
6.5非擴散型相變336
6.5.1馬氏體相變的基本特征337
6.5.2馬氏體相變熱力學340
6.5.3馬氏體相變動力學343
6.5.4鋼中馬氏體的晶體結構344
6.5.5馬氏體的組織形態345
6.5.6馬氏體相變機制347
6.5.7馬氏體的力學性能348
6.6過渡型相變349
6.6.1貝氏體轉變的基本特征349
6.6.2貝氏體的組織形態351
6.6.3貝氏體的力學性能354

第7章晶體缺陷355
7.1點缺陷357
7.1.1空位與間隙原子357
7.1.2點缺陷的平衡濃度357
7.1.3點缺陷的移動360
7.1.4過飽和點缺陷360
7.1.5點缺陷對金屬性能的影響361
7.2位錯的基本知識361
7.2.1位錯概念的產生361
7.2.2位錯類型和柏氏矢量363
7.3位錯的運動369
7.3.1位錯的滑移369
7.3.2刃型位錯的攀移371
7.3.3位錯運動的ξ×v規則372
7.3.4位錯的基本幾何性質小結373
7.4位錯的彈性性質373
7.4.1位錯的應力場373
7.4.2位錯的應變能375
7.4.3位錯運動的動力與阻力377
7.4.4位錯的線張力379
7.4.5位錯間的相互作用380
7.4.6位錯間的塞積382
7.4.7位錯間的交割383
7.4.8位錯與點缺陷的交互作用385
7.5位錯的生成與增殖387
7.5.1位錯密度387
7.5.2位錯的生成388
7.5.3位錯的增殖388
7.6實際晶體中的位錯390
7.6.1實際晶體結構中的單位位錯390
7.6.2堆垛層錯391
7.6.3不全位錯393
7.6.4位錯反應399
7.6.5FCC晶體中位錯反應的一般表示：湯普森四面體400
7.6.6位錯反應舉例403

第8章材料表面與界面407
8.1基礎知識408
8.1.1物質表面409
8.1.2固體的表面自由能和表面張力410
8.1.3純金屬表面張力的估算412
8.1.4固液界面與潤濕413
8.1.5固固界面與黏附415
8.2晶體中的界面結構416
8.2.1界面類型與結構416
8.2.2界面能量421
8.3晶體中界面的偏聚與遷移422
8.3.1晶界平衡偏析422
8.3.2界面遷移驅動力423
8.3.3影響界面遷移的因素424
8.4界面與組織形貌425
8.4.1單相組織形貌425
8.4.2復相組織形貌427
8.5高聚物的表面張力與界面張力430
8.5.1表面張力與分子間的作用力430
8.5.2高聚物表面張力的影響因素431
8.5.3高聚物界面張力435
8.6復合體繫的界面結合特性438
8.6.1復合材料界面的形成過程439
8.6.2樹脂基復合材料的界面結構及界面理論439
8.6.3非樹脂基復合材料的界面結構441
8.6.4復合材料界面破壞443
8.7材料的復合原理445
8.7.1復合材料力學性能的復合規律447
8.7.2復合材料物理性質的復合規律447

第9章金屬材料的變形與再結晶449
9.1金屬的應力應變曲線451
9.1.1工程應力應變曲線451
9.1.2真應力真應變曲線451
9.2金屬的塑性變形455
9.2.1單晶體的塑性變形455
9.2.2多晶體的塑性變形465
9.2.3合金的塑性變形與強化468
9.2.4變形後的組織與性能473
9.3回復與再結晶477
9.3.1冷變形晶體的回復479
9.3.2冷變形金屬的再結晶481
9.3.3再結晶後的晶粒長大487
9.3.4再結晶織構與退火孿晶489
9.4金屬的熱變形、蠕變與超塑性490
9.4.1晶體的熱變形490
9.4.2蠕變492
9.4.3超塑性495

第10章非金屬材料的應力應變行為與變形機制501
10.1陶瓷的彈性變形502
10.1.1陶瓷的彈性變形與彈性模量502
10.1.2顯微結構對彈性模量的影響503
10.2陶瓷材料的塑性503
10.2.1單晶陶瓷的塑性504
10.2.2多晶陶瓷的塑性505
10.2.3非晶體陶瓷的變形506
10.3陶瓷材料的強度508
10.3.1陶瓷材料的斷裂與斷裂強度508
10.3.2陶瓷材料的彎曲強度512
10.3.3陶瓷材料的壓縮強度512
10.3.4影響陶瓷材料強度的因素513
10.4高聚物的分子運動與轉變514
10.4.1分子運動的特點與材料的力學狀態514
10.4.2玻璃態與晶態的分子運動517
10.4.3玻璃化轉變及影響因素519
10.4.4高分子流動性質521
10.5高聚物的高彈性523
10.5.1高彈態與分子結構523
10.5.2能彈性與熵彈性523
10.6高聚物的黏彈性525
10.6.1黏彈性現像525
10.6.2黏彈性與力學松弛525
10.6.3黏彈性的溫度依賴性時溫等效原理531
10.7高聚物的應力應變行為534
10.7.1高聚物的塑性及屈服534
10.7.2聚合物的斷裂與強度537

附錄材料科學基礎專業詞彙541

參考文獻547

前言
材料科學基礎是材料科學與工程專業一門重要的專業基礎課程，為必修主干課程，也是研究生入學的必考課程。由於該門課程具有概念多、理論抽像、涉及知識面廣等特點，使學習者頗感困難。隨著*“卓越工程師教育培養計劃”的實施和“新工科”建設的不斷推進，對材料科學與工程專業的主干課程——材料科學基礎也提出了更高要求。為了培養學生掌握材料科學與工程研究的科學原理、科學方法和基本的創新方法，本教材在注重基本概念和基本理論的基礎上，適當拓展了教學內容的深度和寬度，及時吸納了材料科學領域的研究成果，包括納米晶結構、非平衡態下的材料科學問題、表面微觀結構與親/疏水特性的關繫等內容。
為了進一步推進“課程思政”建設，培養具有獨立思考能力，能夠解決實際材料工程問題的高水平專業人纔，本教材在加強課程基礎內容的同時，在每章開始增加了構思巧妙、配圖精致的導讀內容；在各章後部分，都從哲學的角度對相關內容進行了總結和分析，同時還將我國科學家研究成果有機融入課程章節體繫中，積極引導學生建立正確的價值理念和精神追求。
同時，本教材還開發了金屬層狀復合材料構件的制備與性能虛擬仿真實驗平臺（http:virtualism.nuaa.edu.cn/exp/30.html），旨在幫助學生熟練掌握材料科學基礎課程中相關知識，包括金屬的晶體結構、固相擴散、固態相變、金屬的塑性變形及材料表界面工程等內容，從而全面提升學生獨立分析、創新設計和解決疑難問題的能力。
本教材采用數字融合出版的呈現形式，提供了繫統的在線開放課程，中國大學MOOC（慕課）https：//www.icourse163.org/course/NUAA1461589176；配有豐富的在線教學內容，包括教學課件、拓展閱讀、要點總結，以豐富的二維/三維動畫、視頻、文本等將材料科學基礎中大量抽像和難以理解的概念與原理形像化地表達出來，非常有助於教師教學與學生自學。
本次修訂由陶傑提出修訂提綱，統稿由陶傑、薛烽和瀋一洲共同完成。參加本書修訂的人員有南京航空航天大學的陶傑教授、瀋一洲副教授、張平則教授、姚正軍教授和汪濤教授；東南大學的薛烽教授、周健副教授、白晶副教授和晏井利副教授；合肥工業大學的孫建副教授和崔接武副教授。南京航空航天大學許楊江山、江家威博士生參與了部分插圖和文字編輯工作，在此謹致謝意。
因編者水平有限，書中不妥或謬誤之處在所難免，懇請讀者批評指正。

編者
2021年5月於南京

第二版前言
材料技術與信息、生物、能源技術並列，被世界各國公認為當代以及今後相當長的時期內總攬人類社會全局的高科技技術。新材料技術既是一個獨立的技術領域，又對其他領域起著引導、支撐和相互依存的關鍵性作用。可以說，沒有先進的材料，就沒有先進的工業、農業和科學技術。從世界科技發展史看，重大的技術革新往往起始於材料的革新，而近代新技術的發展又促進了新材料的研制。材料的基礎理論實際上就是綜合數學、物理、化學等各種基礎知識來分析實際的材料問題。
目前，國內外材料科學基礎課程的內容並未定型，材料科學基礎教材的內容也不盡相同。有的偏重金屬材料，有的偏重無機材料，還有的偏重性能，且面比較寬。本教材是在汲取近十幾年國內有關材料大專業培養模式改革實踐經驗的基礎上，並結合南京航空航天大學、東南大學等幾所大學的傳統與特色，確定以材料的基礎理論為重點,並將金屬材料、陶瓷材料和高分子材料與復合材料的內容有機結合起來。基礎理論是共性的，適用於各種材料，是材料科學與工程專業的基礎。隨著材料科學與工程的發展，基礎理論顯得日益重要，對發展新材料、培養學生創新能力具有深遠的意義。《材料科學基礎》版自2006年由化學工業出版社出版以來，已印刷多次，得到許多高校老師和同學的喜愛。2013年本書入選“十二五”普通高等教育本科規劃教材書目。
隨著科學技術的快速發展，加之高校課程體制和教學時數的改革，特別是為適應普通高校工程教育本科專業認證要求，我們進一步完善了原教材的相關內容，並優化了原教材中的圖表，修正了其中的錯漏之處，增加了納米材料科學的新成果、非平衡態下的材料科學問題、表面微觀結構與親水疏水特性的關繫以及超塑性機理與應用等內容。
本書配有數字化教學資源，以豐富的動畫、視頻、圖表等將材料科學基礎中大量抽像的、難以理解的概念、原理形像直觀地表達出來，非常有助於教師備課和學生學習。
南京航空航天大學陶傑教授、姚正軍教授、汪濤教授、蘇新清副教授以及東南大學的薛烽教授、周健副教授全面參與了本教材的修訂工作，瀋一洲博士、王文濤博士、張平則教授、李勇教授、白晶副教授和晏井利博士參加了部分內容的修訂。
因編者水平有限，書中不妥或疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。

編者
2017年6月

版前言
本書為江蘇省普通高校“十一五”精品立項教材，是在1998年國家*高等學校專業設置調整、高等教育辦學層次普遍提升的背景下，根據材料科學與工程一級學科辦學的基礎課教學實際需要，結合多年來從事本門課程的教學實踐和體會精心編寫而成。其編寫的原則是進一步融合金屬學原理、無機非金屬材料物理化學、高分子材料科學等學科的共性科學原理和方法，從教學要求出發，著重對基本概念和基礎理論的闡述，力求教材內容的科學性、先進性和實用性，培養學生運用科學原理解決材料工程實際問題的能力。
材料科學是研究材料的成分、組織結構、制備工藝及材料性能與應用之間相互關繫的科學，其基本原理植根於凝聚態物理學、物理化學與合成化學。雖然各種材料的分支學科的學術背景不盡相同，其交叉融合需要一個歷史過程，然而進入21世紀以來，隨著科學技術的迅猛發展，學科之間的交叉融合正在加速進行，也促成了這門材料科學與工程專業本科生核心專業基礎課——材料科學基礎的日趨完善。
本教材的特點表現在：
1.適應了新世紀對人纔培養的新要求，打破傳統各類小專業之間的條塊分割，真正做到將金屬材料、陶瓷材料、高分子材料以及復合材料四者有機結合起來，建立了更為寬廣的基礎知識體繫，有關材料基礎理論更全面、更繫統、更實用；全書內容共性突出，個性分明；
2.本書是在完成面向21世紀材料類大專教學內容和課程體繫一繫列改革的基礎上編寫的，能夠反映當代教學改革的成果；
3.本書能夠體現當代材料領域所取得的理論與發展成果，如有關納米材料及一些新型功能材料等內容；
4.本書配有多媒體教學資源，以豐富的二維三維動畫、圖表、錄像等將材料科學基礎中大量抽像的、難於理解的或極其復雜的概念、原理形像直觀地表達出來，非常有助於教師備課和學生學習；
5.本書自編教材已印刷過兩版，在南京航空航天大學及東南大學已試用過五屆，獲得了有關教師及學生們的寶貴意見，對此書正式出版有很大裨益；
6.在結構編排方面突出教材編排的新穎性及易讀性。教材適應面廣，既適應於材料科學與工程一級學科本科生基礎課教學使用，亦可作為相關專業工程技術人員的參考書。
本書由南京航空航天大學陶傑、姚正軍，東南大學薛烽，合肥工業大學宮晨利、許少凡等教授編寫。具體編寫分工如下：南京航空航天大學姚正軍編寫第1章、第2章、第4章部分內容；合肥工業大學宮晨利編寫第3章、第6章；合肥工業大學許少凡編寫第5章；南京航空航天大學陶傑編寫第7章、第8章和第10章部分內容；東南大學薛烽編寫第8章部分內容、第9章；南京航空航天大學蘇新清編寫了全書的高分子材料科學內容；南京航空航天大學李勇編寫了書中的復合材料內容；南京航空航天大學向定漢、傅仁利編寫了書中的陶瓷材料相關內容；南京航空航天大學汪濤、東南大學孫揚善、合肥工業大學吳玉程參與了本書的有關章節的審定和編寫工作。全書由陶傑、姚正軍和薛烽統稿，薛烽還繪制了本書中的大部分彩圖。江蘇省教育廳、南京航空航天大學對本書的編寫和出版給予了大力支持，南京航空航天大學材料科學與技術學院的同事對本書提出了許多有益的建議，研究生陶海軍、季光明、季學來、周金堂等在本書的資料收集等方面付出了辛勤勞動，編者對這些單位和個人的無私幫助和熱情關懷表示衷心的感謝。
由於編者水平有限，書中難免存在疏漏之處，敬請讀者批評指正。

編者
2006年2月