第1章晶體學基礎1



1.1晶體的周期性和空間點陣1



1.1.1晶體與晶體學1



1.1.2晶體點陣與空間點陣3



1.2布拉菲點陣5



1.3晶向指數與晶面指數8



1.3.1晶向指數8



1.3.2晶面指數9



1.3.3六方晶繫的晶向指數與晶面指數11



1.4晶面間距、晶面夾角和晶帶定理12



1.4.1晶面間距12



1.4.2晶面夾角13



1.4.3晶帶定理13



1.5晶體的對稱性14



1.5.1宏素14



1.5.232種點群16



1.5.3微素18



1.5.4空間群20



1.6極射投影21



1.6.1參考球和極射投影21



1.6.2吳氏網22



1.6.3標準投影圖23







第2章固體材料的結構25



2.1基礎知識25



2.1.1原子結構25



2.1.2能級圖和原子的電子結構25



2.1.3周期表與周期性29



2.1.4晶體中的原子結合32



2.2金屬及合金相的晶體結構36



2.素的晶體結構36



2.2.2典型金屬的晶體結構37



2.2.3合金相的晶體結構47



2.3陶瓷的晶體結構69



2.3.1概述69



2.3.2離子晶體結構70



2.3.3硅酸鹽晶體結構82



2.3.4同質異構現像88



2.4非晶、準晶和納米晶89



2.4.1非晶態材料89



2.4.2準晶的結構99



2.4.3納米晶的結構102



2.5高分子的鏈結構及聚集態結構104



2.5.1高分子鏈的組成和構造（近程結構）104



2.5.2高分子鏈的構像（遠程結構）109



2.5.3高聚物的晶態結構120



2.5.4高聚物的非晶態、取向及液晶態結構128



2.5.5高分子合金的織態結構132



2.6復合材料的細觀結構134



2.6.1復合材料及其組成134



2.6.2復合材料的細觀結構136







第3章固體中的擴散139



3.1擴散定律及其應用139



3.1.1擴散定律139



3.1.2擴散第二定律140



3.1.3擴散第二定律的解及其應用141



3.2擴散微觀理論與機制144



3.2.1原子跳動和擴散距離144



3.2.2原子跳動和擴散繫數146



3.2.3擴散的微觀機制147



3.2.4擴散激活能150



3.3達肯方程152



3.3.1柯肯達爾效應152



3.3.2達肯方程與互擴散繫數152



3.4擴散的熱力學分析154



3.4.1擴散的驅動力154



3.4.2擴散繫數的普遍形式155



3.4.3上坡擴散156



3.5影響擴散的因素156



3.5.1溫度157



3.5.2成分157



3.5.3晶體結構161



3.5.4短路擴散161



3.6反應擴散163



3.6.1反應擴散的過程及特點163



3.6.2反應擴散動力學165







第4章凝固167



4.1液體的性能與結構167



4.1.1液態金屬的結構167



4.1.2高分子溶液168



4.2金屬的凝固與結晶174



4.2.1純金屬的凝固174



4.2.2固溶體合金的凝固186



4.2.3共晶合金的凝固193



4.2.4鑄錠組織與凝固技術196



4.3陶瓷的凝固206



4.4聚合物的結晶207



4.4.1結晶動力學208



4.4.2結晶熱力學212







第5章相圖214



5.1相圖基礎知識214



5.1.1研究相圖的意義214



5.1.2相圖的表示方法214



5.1.3相圖的建立216



5.1.4相圖熱力學基礎217



5.1.5杠杆定律和重心法則221



5相圖224



5.2.1純鐵的相圖224



5.2.2碳的相圖225



5相圖225



5.3勻晶相圖225



5.3共晶相圖228



5.3包晶相圖234



5.3相圖的分析與使用237



5.3.5相圖舉例243



5相圖256



5.4.1兩相平相圖256



5.4.2三相平相圖262



5.4.3四相平相圖267



5.4.4形成穩定化合相圖276



5.4相圖小結277



5.4.6相圖舉例279



5.4交互繫統相圖281







第6章固態相變的基本原理286



6.1固態相變的分類與特征286



6.1.1固態相變的分類286



6.1.2固態相變的特征288



6.2相變熱力學291



6.2.1熱力學基本原理291



6.2.2固態相變的形核293



6.3相變動力學302



6.3.1擴散性長大302



6.3.2相變動力學方程304



6.4擴散型相變305



6.4.1固溶體的析出305



6.4.2共析轉變314



6.5非擴散型相變320



6.5.1馬氏體相變的基本特征321



6.5.2馬氏體相變熱力學324



6.5.3馬氏體相變動力學327



6.5.4鋼中馬氏體的晶體結構328



6.5.5馬氏體的組織形態329



6.5.6馬氏體相變機制331



6.5.7馬氏體的力學性能332



6.6過渡型相變333



6.6.1貝氏體轉變的基本特征333



6.6.2貝氏體的組織形態334



6.6.3貝氏體的力學性能336







第7章晶體缺陷338



7.1點缺陷338



7.1.1空位與間隙原子338



7.1.2點缺陷的平衡濃度339



7.1.3點缺陷的移動341



7.1.4過飽和點缺陷342



7.1.5點缺陷對金屬性能的影響342



7.2位錯的基本知識342



7.2.1位錯概念的產生342



7.2.2位錯類型和柏氏矢量344



7.3位錯的運動349



7.3.1位錯的滑移349



7.3.2刃型位錯的攀移351



7.3.3位錯運動的ξ×v規則352



7.3.4位錯的基本幾何性質小結353



7.4位錯的彈性性質353



7.4.1位錯的應力場353



7.4.2位錯的應變能355



7.4.3位錯運動的動力與阻力357



7.4.4位錯的線張力358



7.4.5位錯間的相互作用359



7.4.6位錯間的塞積361



7.4.7位錯間的交割362



7.4.8位錯與點缺陷的交互作用365



7.5位錯的生成與增殖367



7.5.1位錯密度367



7.5.2位錯的生成367



7.5.3位錯的增殖367



7.6實際晶體中的位錯370



7.6.1實際晶體結構中的單位位錯370



7.6.2堆垛層錯371



7.6.3不全位錯372



7.6.4位錯反應378



7.6.5FCC晶體中位錯反應的一般表示：湯普森四面體380



7.6.6位錯反應舉例382







第8章材料表面與界面386



8.1基礎知識386



8.1.1物質表面387



8.1.2固體的表面自由能和表面張力388



8.1.3純金屬表面張力的估算390



8.1.4固液界面與潤濕391



8.1.5固-固界面與黏附392



8.2晶體中的界面結構393



8.2.1界面類型與結構393



8.2.2界面能量398



8.3晶體中界面的偏聚與遷移399



8.3.1晶界平衡偏析399



8.3.2界面遷移驅動力400



8.3.3影響界面遷移的因素401



8.4界面與組織形貌402



8.4.1單相組織形貌402



8.4.2復相組織形貌404



8.5高聚物的表面張力與界面張力407



8.5.1表面張力與分子間的作用力407



8.5.2高聚物表面張力的影響因素407



8.5.3高聚物界面張力411



8.6復合體繫的界面結合特性414



8.6.1復合材料界面的形成過程415



8.6.2樹脂基復合材料的界面結構及界面理論415



8.6.3非樹脂基復合材料的界面結構417



8.6.4復合材料界面破壞418



8.7材料的復合原理420



8.7.1復合材料力學性能的復合規律422



8.7.2復合材料物理性質的復合規律422







第9章金屬材料的變形與再結晶424



9.1金屬的應力-應變曲線424



9.1.1工程應力-應變曲線424



9.1.2真應力-真應變曲線425



9.2金屬的塑性變形428



9.2.1單晶體的塑性變形428



9.2.2多晶體的塑性變形438



9.2.3合金的塑性變形與強化442



9.2.4變形後的組織與性能446



9.3回復與再結晶450



9.3.1冷變形晶體的回復452



9.3.2冷變形金屬的再結晶454



9.3.3再結晶後的晶粒長大459



9.3.4再結晶織構與退火孿晶461



9.4金屬的熱變形、蠕變與超塑性463



9.4.1晶體的熱變形463



9.4.2蠕變464



9.4.3超塑性467







第10章非金屬材料的應力-應變行為與變形機制473



10.1陶瓷的彈性變形473



10.1.1陶瓷的彈性變形與彈性模量473



10.1.2顯微結構對彈性模量的影響473



10.2陶瓷材料的塑性474



10.2.1單晶陶瓷的塑性475



10.2.2多晶陶瓷的塑性476



10.2.3非晶體陶瓷的變形477



10.3陶瓷材料的強度478



10.3.1陶瓷材料的斷裂與斷裂強度478



10.3.2陶瓷材料的彎曲強度481



10.3.3陶瓷材料的壓縮強度482



10.3.4影響陶瓷材料強度的因素482



10.4高聚物的分子運動與轉變484



10.4.1分子運動的特點與材料的力學狀態484



10.4.2玻璃態與晶態的分子運動487



10.4.3玻璃化轉變及影響因素488



10.4.4高分子流動性質490



10.5高聚物的高彈性491



10.5.1高彈態與分子結構491



10.5.2能彈性與熵彈性492



10.6高聚物的黏彈性493



10.6.1黏彈性現像493



10.6.2黏彈性與力學松弛494



10.6.3黏彈性的溫度依賴性-時溫等效原理499



10.7高聚物的應力-應變行為501



10.7.1高聚物的塑性及屈服501



10.7.2聚合物的斷裂與強度504







附錄材料科學基礎專業詞彙509



參考文獻516

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。下載地址：http://www.cip.com.cn/erweima/30478130478.jsp,或掃描下方二維碼。



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















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