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第1章 导言1

学习目标2

1.1 历史展望2

1.2 材料科学与工程2

1.3 为什么学习材料科学与工程？4

1.4 材料的分类4

重要材料——碳酸饮料容器8

1.5 先进材料9

1.6 现代材料需求10

1.7 工艺结构性能应用间的相互关系11

总结13

参考文献14

习题14

第2章 原子结构与原子键15

学习目标16

2.1 概述16

原子结构16

2.2 基本概念16

2.3 原子中的电子17

2.4 元素周期表22

固体中的原子键23

2.5 键合力与键能23

2.6 原子间主价键25

2.7 次价键或范德华键28

重要材料——水（结冰后体积膨胀）30

2.8 分子31

总结31

参考文献33

习题33

工程基础问题35

第3章 金属和陶瓷的结构36

学习目标37

3.1 概述37

晶体结构37

3.2 基本概念37

3.3 晶胞38

3.4 金属晶体结构38

3.5 密度计算——金属43

3.6 陶瓷晶体结构43

3.7 密度计算——陶瓷48

3.8 硅酸盐陶瓷49

3.9 碳52

3.10 多晶型和同素异形体53

3.11 晶系53

重要材料——碳纳米管54

晶体点阵、晶向、晶面56

重要材料——锡（同素异形体转变）56

3.12 点坐标57

3.13 晶向58

3.14 晶面63

3.15 线密度和面密度67

3.16 密排晶体结构68

晶体和非晶材料70

3.17 单晶70

3.18 多晶材料71

3.19 各向异性72

3.20 X射线衍射：晶体结构的确定72

3.21 非晶固体76

总结78

参考文献81

习题82

工程基础问题88

第4章 高分子结构89

学习目标90

4.1 概述90

4.2 碳氢化合物分子90

4.3 聚合物分子92

4.4 高分子化学93

4.5 分子量97

4.6 分子形状99

4.7 分子结构100

4.8 分子构型101

4.9 热塑性和热固性聚合物104

4.10 共聚物105

4.11 聚合物的结晶度106

4.12 聚合物晶体109

总结110

参考文献113

习题113

工程基础问题116

第5章 固体缺陷117

学习目标118

5.1 概述118

点缺陷118

5.2 金属中的点缺陷118

5.3 陶瓷中的点缺陷120

5.4 固体中的杂质123

5.5 高分子中的点缺陷126

5.6 成分表述126

其他缺陷129

5.7 位错——线缺陷129

5.8 面缺陷132

5.9 体缺陷134

5.10 原子振动135

重要材料——催化剂（以及表面缺陷）135

显微组织观察136

5.11 显微镜基本概念136

5.12 显微技术137

5.13 晶粒尺寸测定140

总结142

参考文献146

习题146

设计问题150

工程基础问题150

第6章 扩散151

学习目标152

6.1 概述152

6.2 扩散机制153

6.3 稳态扩散154

6.4 非稳态扩散156

6.5 影响扩散的因素160

6.6 半导体材料中的扩散165

重要材料——集成电路互连铝线168

6.7 其他扩散路径169

6.8 离子化合物和聚合物中的扩散169

总结171

参考文献175

习题175

设计问题179

工程基础问题180

第7章 力学性能181

学习目标182

7.1 概述182

7.2 应力和应变概念183

弹性变形186

7.3 应力-应变行为186

7.4 滞弹性189

7.5 材料的弹性性能190

力学行为——金属192

7.6 拉伸性能193

7.7 真应力和真应变199

7.8 塑性变形后的弹性回复201

7.9 压缩、剪切、扭转变形202

力学行为——陶瓷202

7.10 弯曲强度202

7.11 弹性行为204

7.12 孔隙率对陶瓷力学性能的影响204

力学行为——高分子205

7.13 应力-应变行为205

7.14 宏观变形207

7.15 黏弹性208

硬度及其他力学性能212

7.16 硬度212

7.17 陶瓷材料的硬度217

7.18 高分子的撕裂强度与硬度218

物性多样性和设计／安全因素218

7.19 材料性能多样性218

7.20 设计／安全因素220

总结222

参考文献227

习题228

设计问题238

工程基础问题239

第8章 变形和强化机制241

学习目标242

8.1 概述242

金属的变形机制242

8.2 历史243

8.3 位错的基本概念243

8.4 位错的特征245

8.5 滑移系246

8.6 单晶体的滑移248

8.7 多晶体的塑性变形250

8.8 孪晶产生的变形252

金属的强化机制253

8.9 晶粒细化强化253

8.10 固溶强化254

8.11 应变强化256

回复、再结晶和晶粒长大259

8.12 回复259

8.13 再结晶259

8.14 晶粒长大263

陶瓷材料变形机制264

8.15 晶体陶瓷265

8.16 非晶陶瓷265

聚合物变形及增强机制266

8.17 半结晶聚合物的变形266

8.18 影响半结晶聚合物的力学性能的因素269

重要材料——收缩包装聚合物薄膜271

8.19 弹性体的变形271

总结273

参考文献279

习题279

设计问题285

工程基础问题285

第9章 失效286

学习目标287

9.1 概述287

断裂288

9.2 断裂基础288

9.3 延性断裂288

断口研究289

9.4 脆性断裂290

9.5 断裂力学原理292

9.6 陶瓷的脆性断裂299

9.7 高分子的断裂302

9.8 断裂韧性测试304

疲劳308

9.9 交变应力308

9.10 S-N曲线310

9.11 高分子材料的疲劳312

9.12 裂纹的萌生与扩展312

9.13 影响疲劳寿命的因素314

9.14 环境因素316

蠕变317

9.15 广义蠕变行为317

9.16 应力和温度的影响318

9.17 数据外推法320

9.18 高温用合金321

9.19 陶瓷和高分子材料的蠕变321

总结322

参考文献325

习题326

设计问题331

工程基础问题332

第10章 相图333

学习目标334

10.1 概述334

定义和基本概念334

10.2 溶解度极限335

10.3 相335

10.4 显微结构336

10.5 相平衡336

10.6 单组分（一元）相图337

二元相图338

10.7 二元匀晶系统338

10.8 相图分析340

10.9 匀晶合金显微组织演变343

10.10 匀晶合金的力学性能346

10.11 二元共晶系统347

重要材料——无铅钎料351

10.12 共晶合金显微组织演变352

10.13 存在中间相或化合物的平衡相图357

10.14 共析和包晶反应359

10.15 同成分相变360

10.16 陶瓷相图361

10.17 三元相图365

10.18 吉布斯相律365

铁-碳系统367

10.19 铁碳（Fe-Fe3C）相图367

10.20 铁碳合金显微组织演变369

10.21 其他合金元素的影响376

总结376

参考文献380

习题380

工程基础问题388

第11章 相变389

学习目标390

11.1 概述390

金属中的相变390

11.2 基本概念391

11.3 相变动力学391

11.4 亚稳态与平衡态400

铁-碳合金中显微结构与性能的改变400

11.5 等温转变图401

11.6 连续冷却转变图409

11.7 铁-碳合金的力学行为412

11.8 回火马氏体416

11.9 铁-碳合金的相变及力学性能的回顾418

重要材料——形状记忆合金419

沉淀硬化421

11.10 热处理422

11.11 硬化机制423

11.12 其他说明425

高分子中的结晶、熔化和玻璃化转变现象426

11.13 结晶426

11.14 熔化427

11.15 玻璃化转变427

11.16 熔化温度和玻璃化温度427

11.17 熔化温度和玻璃化温度的影响因素428

总结430

参考文献435

习题436

设计问题441

工程基础问题442

第12章 电学性能443

学习目标444

12.1 概述444

电导444

12.2 欧姆定律444

12.3 电导率445

12.4 电子和离子导电446

12.5 固体能带结构446

12.6 能带传导与原子成键模型448

12.7 电子迁移率450

12.8 金属的电阻率450

12.9 工业合金的电学特性453

重要材料——铝电导线453

半导电性455

12.10 本征半导体455

12.11 杂质半导体457

12.12 温度对载流子浓度的影响460

12.13 影响载流子迁移率的因素462

12.14 霍尔效应465

12.15 半导体器件467

离子型陶瓷和聚合物的电导472

12.16 离子型材料的电导472

12.17 聚合物的电学性能473

介电性能474

12.18 电容器474

12.19 场矢量和极化475

12.20 极化类型478

12.21 与频率相关的相对介电常数480

12.22 介电强度481

12.23 介电材料481

材料的其他电学特性481

12.24 铁电性481

12.25 压电性482

总结483

参考文献489

习题490

设计问题495

工程基础问题496

第13章 材料类型及其应用497

学习目标498

13.1 概述498

金属合金的类型498

13.2 铁合金498

13.3 非铁金属及其合金509

重要材料——欧元硬币所用的金属合金517

陶瓷的种类518

13.4 玻璃518

13.5 玻璃陶瓷519

13.6 黏土制品520

13.7 耐火材料521

13.8 磨料523

13.9 水泥523

13.10 先进陶瓷524

重要材料——压电陶瓷526

13.11 金刚石和石墨527

聚合物的类型528

13.12 塑料528

重要材料——酚醛台球531

13.13 橡胶531

13.14 纤维533

13.15 其他应用533

13.16 先进高分子材料535

总结538

参考文献541

习题542

设计问题543

工程基础问题544

第14章 材料的合成、制备和加工545

学习目标546

14.1 概述546

金属的制备546

14.2 成型加工547

14.3 铸造548

14.4 其他技术549

金属的热加工551

14.5 退火工艺551

14.6 钢的热处理553

陶瓷材料制造561

14.7 玻璃和玻璃陶瓷的制造与加工562

14.8 黏土制品的制造与加工566

14.9 粉末压制570

14.10 流延成型572

聚合物的合成与加工573

14.11 聚合反应573

14.12 聚合物添加剂575

14.13 塑料成型技术576

14.14 橡胶的成型579

14.15 纤维和薄膜的成型579

总结580

参考文献585

习题586

设计问题588

工程基础问题589

第15章 复合材料590

学习目标591

15.1 概述591

颗粒增强复合材料593

15.2 大颗粒复合材料593

15.3 弥散增强复合材料596

纤维增强复合材料597

15.4 纤维长度的影响597

15.5 纤维取向和浓度的影响598

15.6 纤维相606

15.7 基体相607

15.8 聚合物基复合材料608

15.9 金属基复合材料613

15.10 陶瓷基复合材料614

15.11 碳／碳复合材料615

15.12 混杂复合材料616

15.13 纤维增强复合材料的加工616

结构复合材料618

15.14 层状复合材料619

15.15 夹芯板619

重要材料——纳米复合涂层620

总结621

参考文献624

习题624

设计问题628

工程基础问题629

第16章 材料腐蚀和降解630

学习目标631

16.1 概述631

金属的腐蚀631

16.2 电化学因素632

16.3 腐蚀速率638

16.4 腐蚀速率预测639

16.5 钝化645

16.6 环境影响646

16.7 腐蚀形式646

16.8 腐蚀环境653

16.9 腐蚀防护654

16.10 氧化656

陶瓷材料的腐蚀659

聚合物的降解659

16.11 溶胀和溶解659

16.12 键断裂661

16.13 风化662

总结663

参考文献666

习题666

设计问题670

工程基础问题670

第17章 热学性能671

学习目标672

17.1 概述672

17.2 热容672

17.3 热膨胀675

重要材料——因瓦和其他低膨胀系数合金677

17.4 热导率678

17.5 热应力681

总结682

参考文献684

习题684

设计问题686

工程基础问题687

第18章 磁学性能688

学习目标689

18.1 概述689

18.2 基本概念689

18.3 反磁性和顺磁性692

18.4 铁磁性694

18.5 反铁磁性和亚铁磁性695

18.6 温度对磁性行为的影响698

18.7 磁畴和磁滞现象699

18.8 磁各向异性702

18.9 软磁材料703

重要材料——用于变压器铁芯的铁-硅合金704

18.10 硬磁材料705

18.11 磁存储器707

18.12 超导现象710

总结713

参考文献715

习题716

设计例题719

工程基础问题719

第19章 光学性能720

学习目标721

19.1 概述721

基本概念721

19.2 电磁辐射721

19.3 光与固体间的相互作用723

19.4 原子和电子间的相互作用724

金属材料的光学性质725

非金属材料的光学性质726

19.5 折射726

19.6 反射727

19.7 吸收728

19.8 透射731

19.9 颜色731

19.10 绝缘体中的不透明和半透明733

光学现象的应用733

19.11 发光733

19.12 光电导734

重要材料——发光二极管734

19.13 激光736

19.14 光纤通信740

总结742

参考文献745

习题745

设计问题747

工程基础问题747

第20章 材料科学与工程学科中涉及的经济、环境及社会问题748

学习目标749

20.1 概述749

经济因素749

20.2 组件设计750

20.3 材料750

20.4 制造技术750

环境和社会因素751

20.5 材料科学与工程中的回收问题753

重要材料——生物可降解的和可生物再生的高分子材料／塑胶材料755

总结758

参考文献758

设计问题759

附录A 国际单位制（SI）760

附录B 部分工程材料的性能762

附录C 部分工程材料的成本和相对成本797

附录D 常见聚合物的重复单元结构803

附录E 常见聚合物玻璃化转变温度和熔点807