材料科學與工程基礎

材料科程基礎

：[]威廉·卡麗（ .,.）、衛·威（ .）著

叢：

出版日期：2016年8月 書號：978-7-122-22495-8

開本：16K　787×1092　1/16 裝幀：平 版次：1版1次 頁數：808頁

本書是《材料科學與工程基礎》的第四版，相比前三版，本版補充修改了若干新的章節，並對其他章節進行了修改和擴展。全書分為20章，分別介紹了導言；原子結構與原子鍵；金屬和陶瓷的結構；高分子結構；固體缺陷；擴散；力學性能；變形和強化機制；失效；相圖；相變；電學性能；材料類型及其應用；材料的合成、製備和加工；複合材料；材料腐蝕和降解；熱學性能；磁學性能；光學性能；材料科學與工程學科中涉及的經濟、環境及社會問題。附錄部分給出了相關性能參數。

本書可供材料科學與工程專業師生參考，也可供相關行業從業人員使用。

第1章　導言 /001

學習目標　/002

1.1　歷史展望　/002

1.2　材料科學與工程　/002

1.3　為什麼學習材料科學與工程？　/004

1.4　材料的分類　/004

重要材料—碳酸飲料容器　/008

1.5　先進材料　/009

1.6　現代材料需求　/010

1.7　工藝/結構/性能/應用間的相互關係　/011

總結　/013

參考文獻　/014

習題　/014

第2章　原子結構與原子鍵 /015

學習目標　/016

2.1　概述　/016

原子結構　/016

2.2　基本概念　/016

2.3　原子中的電子　/017

2.4　元素周期表　/022

固體中的原子鍵　/023

2.5　鍵合力與鍵能　/023

2.6　原子間主價鍵　/025

2.7　次價鍵或范德華鍵　/028

重要材料—水（結冰后體積膨脹）　/030

2.8　分子　/031

總結　/031

參考文獻　/033

習題　/033

工程基礎問題　/035

第3章　金屬和陶瓷的結構 /036

學習目標　/037

3.1　概述　/037

晶體結構　/037

3.2　基本概念　/037

3.3　晶胞　/038

3.4　金屬晶體結構　/038

3.5　密度計算—金屬　/043

3.6　陶瓷晶體結構　/043

3.7　密度計算—陶瓷　/048

3.8　硅酸鹽陶瓷　/049

3.9　碳　/052

3.10　多晶型和同素異形體　/053

3.11　晶系　/053

重要材料—碳納米管　/054

晶體點陣、晶向、晶面　/056

重要材料—錫（同素異形體轉變）　/056

3.12　點坐標　/057

3.13　晶向　/058

3.14　晶面　/063

3.15　線密度和面密度　/067

3.16　密排晶體結構　/068

晶體和非晶材料　/070

3.17　單晶　/070

3.18　多晶材料　/071

3.19　各向異性　/072

3.20　X射線衍射：晶體結構的確定　/072

3.21　非晶固體　/076

總結　/078

參考文獻　/081

習題　/082

工程基礎問題　/088

第4章　高分子結構 /089

學習目標　/090

4.1　概述　/090

4.2　碳氫化合物分子　/090

4.3　聚合物分子　/092

4.4　高分子化學　/093

4.5　分子量　/097

4.6　分子形狀　/099

4.7　分子結構　/100

4.8　分子構型　/101

4.9　熱塑性和熱固性聚合物　/104

4.10　共聚物　/105

4.11　聚合物的結晶度　/106

4.12　聚合物晶體　/109

總結　/110

參考文獻　/113

習題　/113

工程基礎問題　/116

第5章　固體缺陷 /117

學習目標　/118

5.1　概述　/118

點缺陷　/118

5.2　金屬中的點缺陷　/118

5.3　陶瓷中的點缺陷　/120

5.4　固體中的雜質　/123

5.5　高分子中的點缺陷　/126

5.6　成分表述　/126

其他缺陷　/129

5.7　位錯—線缺陷　/129

5.8　面缺陷　/132

5.9　體缺陷　/134

5.10　原子振動　/135

重要材料—催化劑（以及表面缺陷）　/135

顯微組織觀察　/136

5.11　顯微鏡基本概念　/136

5.12　顯微技術　/137

5.13　晶粒尺寸測定　/140

總結　/142

參考文獻　/146

習題　/146

設計問題　/150

工程基礎問題　/150

第6章　擴散 /151

學習目標　/152

6.1　概述　/152

6.2　擴散機制　/153

6.3　穩態擴散　/154

6.4　非穩態擴散　/156

6.5　影響擴散的因素　/160

6.6　半導體材料中的擴散　/165

重要材料—集成電路互連鋁線　/168

6.7　其他擴散路徑　/169

6.8　離子化合物和聚合物中的擴散　/169

總結　/171

參考文獻　/175

習題　/175

設計問題　/179

工程基礎問題　/180

第7章　力學性能 /181

學習目標　/182

7.1　概述　/182

7.2　應力和應變概念　/183

彈性變形　/186

7.3　應力-應變行為　/186

7.4　滯彈性　/189

7.5　材料的彈性性能　/190

力學行為—金屬　/192

7.6　拉伸性能　/193

7.7　真應力和真應變　/199

7.8　塑性變形后的彈性回復　/201

7.9　壓縮、剪切、扭轉變形　/202

力學行為—陶瓷　/202

7.10　彎曲強度　/202

7.11　彈性行為　/204

7.12　孔隙率對陶瓷力學性能的影響　/204

力學行為—高分子　/205

7.13　應力-應變行為　/205

7.14　宏觀變形　/207

7.15　黏彈性　/208

硬度及其他力學性能　/212

7.16　硬度　/212

7.17　陶瓷材料的硬度　/217

7.18　高分子的撕裂強度與硬度　/218

物性多樣性和設計/安全因素　/218

7.19　材料性能多樣性　/218

7.20　設計/安全因素　/220

總結　/222

參考文獻　/227

習題　/228

設計問題　/238

工程基礎問題　/239

第8章　變形和強化機制 /241

學習目標　/242

8.1　概述　/242

金屬的變形機制　/242

8.2　歷史　/243

8.3　位錯的基本概念　/243

8.4　位錯的特徵　/245

8.5　滑移系　/246

8.6　單晶體的滑移　/248

8.7　多晶體的塑性變形　/250

8.8　孿晶產生的變形　/252

金屬的強化機制　/253

8.9　晶粒細化強化　/253

8.10　固溶強化　/254

8.11　應變強化　/256

回復、再結晶和晶粒長大　/259

8.12　回復　/259

8.13　再結晶　/259

8.14　晶粒長大　/263

陶瓷材料變形機制　/264

8.15　晶體陶瓷　/265

8.16　非晶陶瓷　/265

聚合物變形及增強機制　/266

8.17　半結晶聚合物的變形　/266

8.18　影響半結晶聚合物的力學

性能的因素　/269

重要材料—收縮包裝聚合物薄膜　/271

8.19　彈性體的變形　/271

總結　/273

參考文獻　/279

習題　/279

設計問題　/285

工程基礎問題　/285

第9章　失效 /286

學習目標　/287

9.1　概述　/287

斷裂　/288

9.2　斷裂基礎　/288

9.3　延性斷裂　/288

斷口研究　/289

9.4　脆性斷裂　/290

9.5　斷裂力學原理　/292

9.6　陶瓷的脆性斷裂　/299

9.7　高分子的斷裂　/302

9.8　斷裂韌性測試　/304

疲勞　/308

9.9　交變應力　/308

9.10　S-N曲線　/310

9.11　高分子材料的疲勞　/312

9.12　裂紋的萌生與擴展　/312

9.13　影響疲勞壽命的因素　/314

9.14　環境因素　/316

蠕變　/317

9.15　廣義蠕變行為　/317

9.16　應力和溫度的影響　/318

9.17　數據外推法　/320

9.18　高溫用合金　/321

9.19　陶瓷和高分子材料的蠕變　/321

總結　/322

參考文獻　/325

習題　/326

設計問題　/331

工程基礎問題　/332

第10章　相圖 /333

學習目標　/334

10.1　概述　/334

定義和基本概念　/334

10.2　溶解度極限　/335

10.3　相　/335

10.4　顯微結構　/336

10.5　相平衡　/336

10.6　單組分（一元）相圖　/337

二元相圖　/338

10.7　二元勻晶系統　/338

10.8　相圖分析　/340

10.9　勻晶合金顯微組織演變　/343

10.10　勻晶合金的力學性能　/346

10.11　二元共晶系統　/347

重要材料—無鉛釺料　/351

10.12　共晶合金顯微組織演變　/352

10.13　存在中間相或化合物的平衡相圖　/357

10.14　共析和包晶反應　/359

10.15　同成分相變　/360

10.16　陶瓷相圖　/361

10.17　三元相圖　/365

10.18　吉布斯相律　/365

鐵-碳系統　/367

10.19　鐵碳（Fe-Fe3C）相圖　/367

10.20　鐵碳合金顯微組織演變　/369

10.21　其他合金元素的影響　/376

總結　/376

參考文獻　/380

習題　/380

工程基礎問題　/388

第11章　相變 /389

學習目標　/390

11.1　概述　/390

金屬中的相變　/390

11.2　基本概念　/391

11.3　相變動力學　/391

11.4　亞穩態與平衡態　/400

鐵-碳合金中顯微結構與性能的改變　/400

11.5　等溫轉變圖　/401

11.6　連續冷卻轉變圖　/409

11.7　鐵-碳合金的力學行為　/412

11.8　回火馬氏體　/416

11.9　鐵-碳合金的相變及力學性能的回顧　/418

重要材料—形狀記憶合金　/419

沉澱硬化　/421

11.10　熱處理　/422

11.11　硬化機制　/423

11.12　其他說明　/425

高分子中的結晶、熔化和玻璃化轉變現象　/426

11.13　結晶　/426

11.14　熔化　/427

11.15　玻璃化轉變　/427

11.16　熔化溫度和玻璃化溫度　/427

11.17　熔化溫度和玻璃化溫度的影響因素　/428

總結　/430

參考文獻　/435

習題　/436

設計問題　/441

工程基礎問題　/442

第12章　電學性能 /443

學習目標　/444

12.1　概述　/444

電導　/444

12.2　歐姆定律　/444

12.3　電導率　/445

12.4　電子和離子導電　/446

12.5　固體能帶結構　/446

12.6　能帶傳導與原子成鍵模型　/448

12.7　電子遷移率　/450

12.8　金屬的電阻率　/450

12.9　工業合金的電學特性　/453

重要材料—鋁電導線　/453

半導電性　/455

12.10　本徵半導體　/455

12.11　雜質半導體　/457

12.12　溫度對載流子濃度的影響　/460

12.13　影響載流子遷移率的因素　/462

12.14　霍爾效應　/465

12.15　半導體器件　/467

離子型陶瓷和聚合物的電導　/472

12.16　離子型材料的電導　/472

12.17　聚合物的電學性能　/473

介電性能　/474

12.18　電容器　/474

12.19　場矢量和極化　/475

12.20　極化類型　/478

12.21　與頻率相關的相對介電常數　/480

12.22　介電強度　/481

12.23　介電材料　/481

材料的其他電學特性　/481

12.24　鐵電性　/481

12.25　壓電性　/482

總結　/483

參考文獻　/489

習題　/490

設計問題　/495

工程基礎問題　/496

第13章　材料類型及其應用 /497

學習目標　/498

13.1　概述　/498

金屬合金的類型　/498

13.2　鐵合金　/498

13.3　非鐵金屬及其合金　/509

重要材料—歐元硬幣所用的金屬合金　/517

陶瓷的種類　/518

13.4　玻璃　/518

13.5　玻璃陶瓷　/519

13.6　黏土製品　/520

13.7　耐火材料　/521

13.8　磨料　/523

13.9　水泥　/523

13.10　先進陶瓷　/524

重要材料—壓電陶瓷　/526

13.11　金剛石和石墨　/527

聚合物的類型　/528

13.12　塑料　/528

重要材料—酚醛桌球　/531

13.13　橡膠　/531

13.14　纖維　/533

13.15　其他應用　/533

13.16　先進高分子材料　/535

總結　/538

參考文獻　/541

習題　/542

設計問題　/543

工程基礎問題　/544

第14章　材料的合成、製備和加工 /545

學習目標　/546

14.1　概述　/546

金屬的製備　/546

14.2　成型加工　/547

14.3　鑄造　/548

14.4　其他技術　/549

金屬的熱加工　/551

14.5　退火工藝　/551

14.6　鋼的熱處理　/553

陶瓷材料製造　/561

14.7　玻璃和玻璃陶瓷的製造與加工　/562

14.8　黏土製品的製造與加工　/566

14.9　粉末壓制　/570

14.10　流延成型　/572

聚合物的合成與加工　/573

14.11　聚合反應　/573

14.12　聚合物添加劑　/575

14.13　塑料成型技術　/576

14.14　橡膠的成型　/579

14.15　纖維和薄膜的成型　/579

總結　/580

參考文獻　/585

習題　/586

設計問題　/588

工程基礎問題　/589

第15章　複合材料 /590

學習目標　/591

15.1　概述　/591

顆粒增強複合材料　/593

15.2　大顆粒複合材料　/593

15.3　彌散增強複合材料　/596

纖維增強複合材料　/597

15.4　纖維長度的影響　/597

15.5　纖維取向和濃度的影響　/598

15.6　纖維相　/606

15.7　基體相　/607

15.8　聚合物基複合材料　/608

15.9　金屬基複合材料　/613

15.10　陶瓷基複合材料　/614

15.11　碳/碳複合材料　/615

15.12　混雜複合材料　/616

15.13　纖維增強複合材料的加工　/616

結構複合材料　/618

15.14　層狀複合材料　/619

15.15　夾芯板　/619

重要材料—納米複合塗層　/620

總結　/621

參考文獻　/624

習題　/624

設計問題　/628

工程基礎問題　/629

第16章　材料腐蝕和降解 /630

學習目標　/631

16.1　概述　/631

金屬的腐蝕　/631

16.2　電化學因素　/632

16.3　腐蝕速率　/638

16.4　腐蝕速率預測　/639

16.5　鈍化　/645

16.6　環境影響　/646

16.7　腐蝕形式　/646

16.8　腐蝕環境　/653

16.9　腐蝕防護　/654

16.10　氧化　/656

陶瓷材料的腐蝕　/659

聚合物的降解　/659

16.11　溶脹和溶解　/659

16.12　鍵斷裂　/661

16.13　風化　/662

總結　/663

參考文獻　/666

習題　/666

設計問題　/670

工程基礎問題　/670

第17章　熱學性能 /671

學習目標　/672

17.1　概述　/672

17.2　熱容　/672

17.3　熱膨脹　/675

重要材料—因瓦和其他低膨脹係數合金　/677

17.4　熱導率　/678

17.5　熱應力　/681

總結　/682

參考文獻　/684

習題　/684

設計問題　/686

工程基礎問題　/687

第18章　磁學性能 /688

學習目標　/689

18.1　概述　/689

18.2　基本概念　/689

18.3　反磁性和順磁性　/692

18.4　鐵磁性　/694

18.5　反鐵磁性和亞鐵磁性　/695

18.6　溫度對磁性行為的影響　/698

18.7　磁疇和磁滯現象　/699

18.8　磁各向異性　/702

18.9　軟磁材料　/703

重要材料—用於變壓器鐵芯的鐵–硅合金　/704

18.10　硬磁材料　/705

18.11　磁存儲器　/707

18.12　超導現象　/710

總結　/713

參考文獻　/715

習題　/716

設計例題　/719

工程基礎問題　/719

第19章　光學性能 /720

學習目標　/721

19.1　概述　/721

基本概念　/721

19.2　電磁輻射　/721

19.3　光與固體間的相互作用　/723

19.4　原子和電子間的相互作用　/724

金屬材料的光學性質　/725

非金屬材料的光學性質　/726

19.5　折射　/726

19.6　反射　/727

19.7　吸收　/728

19.8　透射　/731

19.9　顏色　/731

19.10　絕緣體中的不透明和半透明　/733

光學現象的應用　/733

19.11　發光　/733

19.12　光電導　/734

重要材料—發光二極體　/734

19.13　激光　/736

19.14　光纖通信　/740

總結　/742

參考文獻　/745

習題　/745

設計問題　/747

工程基礎問題　/747

第20章　材料科學與工程學科

中涉及的經濟、環境

及社會問題 /748

學習目標　/749

20.1　概述　/749

經濟因素　/749

20.2　組件設計　/750

20.3　材料　/750

20.4　製造技術　/750

環境和社會因素　/751

20.5　材料科學與工程中的回收問題　/753

重要材料—生物可降解的和可生物再生的高分子材料/塑膠材料　/755

總結　/758

參考文獻　/758

設計問題　/759

附錄A　國際單位制（SI） /760

附錄B　部分工程材料的性能 /762

附錄C　部分工程材料的成本和相對成本 /797

附錄D　常見聚合物的重複單元結構 /803

附錄E　常見聚合物玻璃化轉變溫度和熔點 /807