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第1章 材料科学及其进展1

1-1 材料科学的建立和内容1

1-2 材料应用和研究的新趋势5

1-2-1 材料应用的总倾向5

1-2-2 材料的使用效率不断提高6

1-2-3 不断提高结构材料的强度和韧性6

1-2-4 复合材料的应用8

1-2-5 电子材料正引人瞩目11

1-2-6 超导材料大步发展12

1-2-7 微晶、非晶态合金(金属玻璃)材料前景广阔14

1-2-8 超纯材料、能源材料的开发研究正在开拓16

1-2-9 研究特殊条件下应用的材料16

1-2-10 合成聚合物进一步发展17

1-3 材料科学发展的瞻望19

参考文献20

第2章 晶体结构21

2-1 晶体学基础21

2-1-1 晶体的对称性21

2-1-2 晶面指数和晶向指数36

2-1-3 极射赤平投影45

2-2 倒易点阵54

2-2-1 倒易点阵定义及性质54

2-2-2 倒易点阵中的衍射条件57

2-3 元素的晶体结构——金属晶体与共价晶体59

2-3-1 金属晶体结构61

2-3-2 共价晶体结构64

2-3-3 原子直径66

2-3-4 同素异构性67

2-4 合金相结构68

2-4-1 固溶体69

2-4-2 中间相81

主要参考书95

第3章 纯晶体材料的凝固96

3-1 相变概述96

3-1-1 相变的热力学分类96

3-1-2 相变驱动力和热滞99

3-1-3 形核和长大102

3-1-4 相变动力学108

3-2 均匀形核和非均匀形核111

3-3 凝固时的晶体长大116

3-4 凝固后的晶粒大小127

主要参考书131

参考文献131

第4章 二元系的相图及凝固132

4-1 相图热力学132

4-1-1 二元系的自由能曲线132

4-1-2 二元系中的相平衡135

4-1-3 相图的计算137

4-2 固溶体合金的凝固142

4-2-1 凝固过程及组织142

4-2-2 正常凝固及区域提纯148

4-2-3 成分过冷155

4-2-4 晶体形状158

4-2-5 铸件组织161

4-3 共晶系合金的凝固167

4-3-1 概述167

4-3-2 共晶组织的形态169

4-3-3 共晶组织的形成及其性质174

4-3-4 离异共晶、不正常共晶和伪共晶177

4-4 其他二元系的相图及凝固181

4-4-1 包晶合金的凝固181

4-4-2 形成化合物的二元系185

4-4-3 两组元在液态和固态都呈有限溶解的二元系187

4-5 合金铸件的缺陷190

4-5-1 缩孔190

4-5-2 偏析192

4-6 具有固态转变的二元相图202

4-6-1 具有固溶体多形性转变的相图202

4-6-2 具有共析转变的相图203

4-6-3 具有包析转变的相图204

4-6-4 具有脱溶过程的相图204

4-6-5 具有spinodal分解的相图205

4-6-6 具有固溶体-中间相转变的相图205

4-6-7 具有有序-无序相变的相图206

4-6-8 具有磁性转变的二元系206

4-7 二元相图实例207

4-7-1 SiO2-Al2O3系相图207

4-7-2 碳钢的凝固209

主要参考书226

参考文献226

第5章 三元相图227

5-1 三元相图基础227

5-1-1 三元相图中浓度表示法227

5-1-2 杠杆定理和重心规则228

5-1-3 三元固溶体的凝固232

5-1-4 简单共晶三元系235

5-1-5 三元系冷凝过程中的相平衡239

5-2 具有三相平衡的三元系241

5-3 具有四相平衡的三元系250

5-3-1 三元系中的四相平衡250

5-3-2 具有三元共晶转变的三元系251

5-3-3 具有共晶-包晶四相平衡的三元系258

5-3-4 具有三元包晶四相平衡的三元系259

5-4 具有化合物的三元系262

5-4-1 一个二元系形成化合物的三元系263

5-4-2 三个二元系都形成化合物的三元系264

5-4-3 形成三元化合物的三元系264

5-5 实际三元相图示例266

5-5-1 Al-Mg-Si系266

5-5-2 As-Ga-Zn系267

5-5-3 Al-Cu-Mg系(富Al部分)268

5-5-4 Sn-Ti-V系268

5-5-5 Bi-Cu-Mg系270

5-5-6 MgO-Al2O3-SiO2系272

主要参考书273

参考文献273

第6章 固体中的扩散274

6-1 反应途径和激活能274

6-2 玻尔兹曼分布律275

6-3 Arrhenius方程和绝对反应速率279

6-4 Fiok定律及其解282

6-5 Kirkendall效应和互扩散系数286

6-6 晶体中的空位288

6-6-1 热平衡态的空位浓度289

6-6-2 空位的迁移和结合291

6-7 扩散热力学293

6-8 扩散的原子理论296

6-9 扩散的机制298

6-9-1 直接交换298

6-9-2 间隙机制299

6-9-3 空位机制300

6-10 影响扩散的因素300

6-10-1 温度300

6-10-2 键能301

6-10-3 晶体结构及位向302

6-11 晶界扩散303

6-12 离子晶体中的扩散307

主要参考书311

参考文献312

第7章 位错313

7-1 位错的概念313

7-1-1 位错概念的引入313

7-1-2 位错的基本类型和特征316

7-1-3 位错的基本性质319

7-2 位错的应力场和应变能324

7-2-1 位错的应力场324

7-2-2 位错的应变能328

7-3 位错的受力331

7-3-1 位错的线张力331

7-3-2 外力场中位错所受的力331

7-3-3 位错间的相互作用力335

7-3-4 镜象力338

7-4 位错和点缺陷的相互作用339

7-4-1 刃位错与球形对称畸变溶质原子的弹性交互作用339

7-4-2 Cottrell气团341

7-4-3 非球形对称畸变溶质原子与位错的交互作用342

7-5 位错的运动342

7-5-1 位错的滑移343

7-5-2 位错的攀移350

7-6 位错的萌生、增殖和塞积352

7-6-1 位错的萌生352

7-6-2 位错的增殖353

7-6-3 位错的塞积357

7-7 位错的交割和带割阶位错的运动359

7-7-1 位错的几种交割类型359

7-7-2 带割阶位错的运动361

7-8 实际晶体中的位错363

7-8-1 位错反应364

7-8-2 面心立方晶体中的位错365

7-8-3 其他晶体中的位错377

7-9 位错的观测382

7-9-1 浸蚀坑法382

7-9-2 薄膜透射电镜法383

主要参考书384

第8章 界面385

8-1 晶体表面385

8-1-1 表面能385

8-1-2 表面吸附389

8-2 晶界和亚晶界390

8-2-1 小角度晶界391

8-2-2 大角度晶界396

8-3 界面的偏聚404

8-3-1 平衡偏聚405

8-3-2 非平衡偏聚406

8-4 界面能与平衡组织形貌的关系407

8-4-1 单相组织的平衡形貌407

8-4-2 复相组织的平衡形貌411

8-5 晶界的迁动415

8-5-1 驱动力417

8-5-2 迁移率419

主要参考书423

第9章 固体材料的变形和再结晶425

9-1 弹性变形426

9-1-1 广义虎克定律426

9-1-2 滞弹性和内耗431

9-2 晶体塑性变形概述433

9-3 晶体的低温变形435

9-3-1 滑移435

9-3-2 孪生443

9-3-3 扭折带(形变带)448

9-3-4 屈服现象450

9-3-5 加工硬化(应变硬化)451

9-3-6 纤维组织和织构458

9-4 回复与再结晶460

9-4-1 回复462

9-4-2 再结晶468

9-4-3 晶粒长大479

9-4-4 再结晶织构与退火孪晶484

9-5 晶体的高温形变487

9-5-1 热加工487

9-5-2 蠕变497

9-5-3 超塑性503

9-6 粘性和粘弹性变形505

9-6-1 粘性变形505

9-6-2 粘弹性变形507

主要参考书510

第10章 固态相变512

10-1 固态相变的特点512

10-1-1 固态相变时的相界面512

10-1-2 位向关系和惯习(惯析)面515

10-1-3 过渡相517

10-1-4 应变能518

10-1-5 新相的长大521

10-1-6 晶体缺陷的作用523

10-1-7 相变动力学527

10-2 同素异构(晶)相变528

10-3 脱溶分解534

10-4 spinodal分解538

10-5 马氏体相变544

10-6 有序-无序相变554

10-7 玻璃态相变562

10-8 液晶及其相变568

10-9 郎道(Landau)理论及电磁性相变571

10-9-1 郎道理论571

10-9-2 铁电-顺电态相变573

10-9-3 超导态转变和磁性转变576

10-10 软模及相变578

主要参考书581

参考文献581

第11章 金属材料的强韧性583

11-1 金属的强化583

11-1-1 细晶强化584

11-1-2 加工硬化(位错强化)588

11-1-3 固溶强化591

11-1-4 弥散强化(沉淀强化)598

11-1-5 强化因素的综合考虑608

11-2 金属材料的断裂609

11-2-1 断裂韧性610

11-2-2 断裂机制617

11-2-3 影响脆断的材质因素626

11-3 蠕变强度与蠕变断裂632

11-3-1 蠕变强度632

11-3-2 蠕变断裂634

11-4 金属的疲劳636

11-4-1 S-N疲劳曲线及疲劳过程637

11-4-2 循环塑性形变638

11-4-3 疲劳裂纹的形核643

11-4-4 疲劳裂纹的扩展645

11-4-5 影响疲劳寿命的因素650

主要参考书651

参考文献652

第12章 金属材料的耐蚀性654

12-1 水溶液腐蚀654

12-1-1 腐蚀的电化学本质655

12-1-2 电位-pH图665

12-1-3 腐蚀速度668

12-2 局部腐蚀677

12-2-1 点蚀678

12-2-2 缝隙腐蚀681

12-2-3 晶间腐蚀683

12-2-4 应力腐蚀开裂686

12-2-5 腐蚀疲劳691

12-3 金属的氧化695

12-3-1 氧化动力学696

12-3-2 金属氧化物的结构697

12-3-3 合金的氧化699

12-3-4 高温腐蚀700

12-4 腐蚀和氧化的控制701

12-4-1 正确选用金属材料和合理设计金属构件702

12-4-2 采用保护性覆盖层703

12-4-3 环境控制704

12-4-4 电化学保护705

主要参考书708

第13章 陶瓷材料709

13-1 概述709

13-2 离子晶体的结构712

13-2-1 离子晶体的晶格能712

13-2-2 离子半径、配位数和离子的堆积716

13-2-3 离子晶体的结构规则725

13-2-4 几种典型的结构型727

13-3 烧结732

13-3-1 烧结的定义732

13-3-2 烧结的动力735

13-3-3 烧结过程中的物质传递735

13-4 陶瓷的显微结构741

13-4-1 晶粒742

13-4-2 晶界744

13-5 陶瓷材料的脆性及其改善751

13-5-1 陶瓷的脆性751

13-5-2 陶瓷的强度754

13-5-3 改善陶瓷脆性的途径757

13-6 工程(结构)陶瓷材料简介759

主要参考书765

第14章 高分子材料767

14-1 用作材料的有机高分子化合物767

14-1-1 天然和合成高分子化合物767

14-1-2 高分子材料的多层次结构768

14-1-3 丰富多采的高分子材料770

14-2 大分子链的构成和形态771

14-2-1 大分子链的构成(一次结构)771

14-2-2 大分子链的形式773

14-2-3 分子的大小和平均分子量783

14-2-4 单体单元在大分子链中连接的顺序和方式786

14-2-5 立体异构体790

14-2-6 大分子链的构象(二次结构)791

14-2-7 固体材料中大分子链的构象793

14-3 高分子化合物的聚集状态(三次结构和高次结构)796

14-3-1 分子间作用力797

14-3-2 高分子材料晶体的晶胞参数和晶体形状799

14-3-3 高分子材料晶体的形态800

14-3-4 高分子材料晶体的结构模型804

14-3-5 高分子材料的结晶度概念811

14-3-6 非晶态的结构模型814

14-3-7 高分子材料的取向状态815

14-3-8 高分子材料的混和818

14-4 高分子化合物聚集状态的转变821

14-4-1 线型非晶态高分子材料的力学状态及其转变821

14-4-2 玻璃化温度823

14-4-3 结晶性高分子材料的力学状态及其转变825

14-4 体型高分子材料的力学状态及其转变826

14-4-5 玻璃化温度下的次级转变826

14-4-6 高分子材料的耐热性和耐寒性828

14-5 高分子材料的力学性质828

14-5-1 高分子材料的高弹态829

14-5-2 高弹态的热力学和统计学理论831

14-5-3 高分子材料的粘流态834

14-5-4 高分子材料的粘弹性836

14-6 高分子材料的强度841

14-6-1 高分子材料的理论强度841

14-6-2 高分子材料的拉伸破坏行为842

14-6-3 高分子材料的断裂846

14-6-4 影响力学性能的一些因素850

14-6-5 高分子材料的增强853

14-6-6 其他力学性质855

14-7 高分子材料的其他性质855

14-7-1 高分子材料的电学性质855

14-7-2 高分子材料的介电性856

14-7-3 高分子材料的导电性859

14-7-4 高分子材料的光学性质861

主要参考书864

第15章 功能材料865

15-1 半导体材料865

15-1-1 半导体物理基础866

15-1-2 硅和锗872

15-1-3 硫属元素化合物879

15-1-4 Ⅲ-V族化合物884

15-1-5 半导体表面889

15-2 磁性材料894

15-2-1 材料的磁性894

15-2-2 永磁材料901

15-2-3 软磁材料905

15-2-4 半硬磁材料906

15-2-5 旋磁材料912

15-2-6 矩磁材料913

15-2-7 压磁材料916

15-2-8 其他磁性材料919

15-3 光学材料920

15-3-1 固体激光材料920

15-3-2 光导纤维932

15-3-3 光学薄膜940

15-4 电介质材料946

15-4-1 电介质的一般特性946

15-4-2 电介质材料的分类951

15-4-3 压电材料和热释电材料952

15-4-4 铁电材料956

15-5 超导材料962

15-5-1 超导理论基础963

15-5-2 超导合金材料971

15-5-3 超导化合物材料979

15-5-4 新型超导材料982

主要参考书987