材料科學基礎

本書為北京市高等教育精品教材立項項目教材。

本書注重材料科學與工程專業寬口徑培養的特點，在原有體繫上進行了較大的修改。本書在編寫中側重基礎性內容，同時適當反映學科前沿的最新進展；在內容上盡量涵蓋金屬、無機非金屬及高分子等材料，並盡量兼顧結構材料與功能材料，從學科的基礎層面上對各類材料進行綜合與融合。書中引入大量例題，以解釋、說明基本概念和原理。

全書分為12章，包括晶體學基礎，固體材料中的電子運動狀態，晶體結構，非晶態與半晶態，相圖，有序介質中的點缺陷和線缺陷，面缺陷和體缺陷，固體中原子的擴散，材料的形變，相變的基本原理，凝固，固態轉變等。

本書可作為普通高等學校本科材料類專業的專業基礎課教材，也可供研究生及相關人員選用。

1 晶體學基礎

1.1 晶體的基本特徵

1.2 晶體結構和點陣

1.3 對稱性

1.3.1 對稱變換(操作)

1.3.2 對稱變換的解析式

1.3.3 點對稱變換(操作)

1.4 晶系和點陣幾何

1.4.1 空間點陣類型(晶系)

1.4.2 布喇菲點陣

1.4.3 晶向指數(方向指數)

1.4.4 晶面指數

1.4.5 晶帶及晶帶定律

1.4.6 六方(和三方)晶系四軸坐標系的方向指數及平面指數

1.4.7 倒易點陣

1.4.8 倒易矢量在晶體學幾何關係中的應用

1.5 極射赤面投影

1.5.1 球面投影

1.5.2 極射投影

1.5.3 吳氏網和極網

1.5.4 標準投影圖

總結

關鍵術語

練習題

參考文獻

2 固體材料中的電子運動狀態

2.1 電子的波動性與孤立原子中的電子態

2.1.1 電子的波動性

2.1.2 孤立原子中的電子態

2.1.3 量子力學基本原理

2.1.4 微觀粒子的角動量

2.1.5 多粒子體系

2.2 金屬中電子態的量子自由電子理論

2.2.1 量子自由電子理論的要點

2.2.2 量子自由電子理論

2.2.3 金屬中自由電子的狀態

2.2.4 自由電子運動狀態的k 空間描述

2.2.5 能態密度N(E)

2.2.6 費米-狄拉克(Fermi-Dirac)分佈律

2.2.7 金屬中自由電子體系的狀態

2.2.8 費米能

2.2.9 金屬中自由電子的平均動能

2.2.10 金屬中自由電子的熱容CeV

2.3 周期勢場中的電子狀態

2.3.1 布洛赫(Bloch)定理

2.3.2 潘納-克龍尼克模型

2.3.3 周期方勢壘勢場中的電子態特徵

2.3.4 電子能量E 與波矢k 的關係

2.4 固體中的電子能帶

2.4.1 電子能量與波矢的關係

2.4.2 禁帶與電子波的散射

2.4.3 晶體的布里淵區

2.4.4 能帶間隙與能帶重疊

2.4.5 能帶中的能態密度

2.4.6 能帶形成的定性解釋

2.5 固體材料的典型電子狀態及應用

2.5.1 傳統金屬材料

2.5.2 半導體材料與絕緣體材料

2.5.3 固體材料中特殊的電子態問題

2.6 固體電子態理論的應用

2.6.1 電子的躍遷過程及相關現象

2.6.2 結合鍵類型與結合能曲線

2.6.3 電子體系內能及相關現象

總結

關鍵術語

練習題

附錄I 氫原子與類氫離子的徑向波函數Rnl(r)表及球諧函數Ylm(θ,矱)表

附錄II 電磁波、聲波頻段、波長一覽表

參考文獻

3 晶體結構

3.1 晶體結構分類和晶體結構符號

3.2 原子(離子)堆垛和配位

3.2.1 單質金屬鍵原子的緊密堆垛和配位

3.2.2 不同類金屬原子的緊密堆垛和配位

3.2.3 離子晶體的堆垛和配位

3.2.4 共價晶體和分子晶體的堆垛和配位

3.3 原子半徑和離子半徑

3.3.1 原子半徑

3.3.2 離子半徑

3.4 單質的晶體結構

3.4.1 面心立方結構

3.4.2 密排六方結構

3.4.3 體心立方結構

3.4.4 非金屬單質的晶體結構

3.5 化合物和中間相的晶體結構

3.5.1 金屬鍵化合物結構

3.5.2 具有離子性鍵的結構

3.5.3 共價結構

3.6 固溶體

3.6.1 置換固溶體

3.6.2 填隙固溶體

3.7 同素異構和多形性

3.8 准晶

總結

關鍵術語

練習題

參考文獻

4 非晶態與半晶態

4.1 非晶態

4.1.1 玻璃化溫度

4.1.2 玻璃態的形成

4.1.3 非晶態結構的描述

4.1.4 非晶態結構的硬球模型

4.2 聚合物

4.2.1 聚合物的命名和類型

4.2.2 聚合物的相對分子質量

4.2.3 聚合物的構型和構象

4.2.4 彈性體

4.2.5 聚合物凝聚態結構

4.3 液晶

4.3.1 液晶的分類

4.3.2 液晶的結構

4.3.3 液晶應用簡介

總結

關鍵術語

練習題

參考文獻

5 相圖

5.1 吉布斯相律

5.2 單元系的壓力-溫度圖(p-T 圖)

5.3 二元系相圖

5.3.1 單相平衡和兩相平衡

5.3.2 三相平衡

5.3.3 恆壓二元相圖中的中間化合物

5.3.4 有序→無序轉變以及磁性轉變在相圖中的表示

5.3.5 恆壓二元相圖中相區的鄰接關係

5.3.6 一些二元相圖示例

5.4 三元系相圖

5.4.1 三元系相圖成分表達

5.4.2 在三元系中槓桿定律的應用

5.4.3 三元相圖中各類平衡的空間結構

5.4.4 含穩定化合物的三元相圖分割為簡單的三元系

5.4.5 三元相圖簡例

5.4.6 三元相圖應用示例

5.5 相圖熱力學基礎

5.5.1 吉布斯自由能函數的表達式

5.5.2 規則溶體模型

5.5.3 用幾何作圖法求化學勢

5.5.4 用作吉布斯自由能公切線的方法構造相圖

5.5.5 固、液相完全互溶的體系

5.5.6 溶解度間隙

5.5.7 簡單共晶系

5.5.8 含有中間相的二元系

5.5.9 超額吉布斯自由能數值對相圖形貌的影響

5.6 相圖計算

5.6.1 以體系吉布斯自由能最小為判據求平衡相成分

5.6.2 以兩相的化學勢相等為判據求平衡(不一定是最穩定平衡)相成分

5.6.3 相圖合成的策略

5.7 有關相圖和熱力學的資料

總結

關鍵術語

練習題

參考文獻

6 有序介質中的點缺陷和線缺陷

6.1 點缺陷

6.1.1 空位和自間隙原子

6.1.2 離子晶體中的點缺陷

6.2 線缺陷

6.2.1 晶體中位錯的幾何特徵

6.2.2 位錯的起源和位錯的觀察

6.2.3 直位錯的彈性應力場

6.2.4 位錯的能量

6.2.5 各向異性彈性體中位錯的彈性性質

6.2.6 位錯核心結構

6.2.7 位錯受力

6.2.8 位錯運動

6.2.9 位錯與位錯以及位錯與其他缺陷之間的交互作用

6.2.10 位錯的產生和增殖

6.2.11 位錯的塞積群

6.2.12 典型晶體中的位錯

6.2.1 ch0 3 向錯

6.3 在晶態聚合物中的缺陷

總結

關鍵術語

練習題

參考文獻

7 面缺陷和體缺陷

7.1 晶體表面

7.1.1 表面張力和表面能

7.1.2 表面的微觀形貌

7.1.3 表面弛豫和重構

7.1.4 表面吸附與表面偏析

7.2 平移界面

7.3 晶界

7.3.1 小角度晶界結構

7.3.2 小角度晶界能量

7.3.3 大角度晶界結構

7.3.4 大角度晶界能量

7.3.5 晶界平衡偏析

7.3.6 晶界遷移

7.3.7 嵌段共聚物的晶界

7.4 相界面

7.5 多晶體和多相材料的平衡形貌

7.6 體缺陷

總結

關鍵術語

練習題

參考文獻

8 固體中原子的擴散

8.1 擴散的唯象理論

8.1.1 菲克定律

8.1.2 擴散方程的解

8.2 擴散機制

8.2.1 間隙機制

8.2.2 空位機制

8.2.3 換位機制

8.2.4 各種材料中的擴散機制

8.3 擴散的微觀理論

8.3.1 原子跳躍與擴散係數

8.3.2 隨機行走與擴散距離

8.3.3 相關效應

8.3.4 擴散係數的微觀意義

8.3.5 討論擴散的坐標系

8.3.6 二元系的擴散

8.4 高擴散率的通道

8.4.1 沿晶界擴散

8.4.2 沿位錯擴散

8.4.3 沿表面擴散

8.4.4 高擴散率通道網路

8.5 反應擴散

8.6 離子晶體中的擴散

8.7 在玻璃中的擴散

8.8 聚合物中的擴散

8.9 影響擴散係數的因素

8.9.1 溫度和壓力

8.9.2 材料的結構

8.9.3 組元特性和化學成分

總結

關鍵術語

練習題

參考文獻

9 材料的形變

9.1 彈性形變(晶體及彈性體的彈性形變)

9.1.1 普彈性

9.1.2 滯彈性

9.1.3 高彈性

9.2 單晶體的滑移

9.2.1 滑移要素及滑移系

9.2.2 滑移帶和滑移線

9.2.3 Schmid 定律

9.2.4 交滑移

9.2.5 多系滑移

9.2.6 拉伸和壓縮時晶體的轉動

9.3 起始塑性形變及流變應力

9.4 單晶體的應力-應變曲線及加工硬化

9.4.1 應力-應變曲線

9.4.2 加工硬化理論

9.5 形變孿晶

9.5.1 孿晶幾何

9.5.2 面心立方結構晶體中的孿晶

9.5.3 體心立方結構晶體中的孿晶

9.5.4 六方結構晶體中的孿晶

9.5.5 孿生的位錯機制

9.5.6 孿生的一般特點

9.6 多晶體的塑性變形

9.6.1 多晶體形變的特點

9.6.2 形變過程的宏觀應變協調

9.6.3 形變過程宏觀組織的變化

9.6.4 形變過程的微觀應變協調與微觀組織變化

9.6.5 影響冷形變金屬和合金微觀組織結構的因素

9.6.6 晶粒尺寸強化

9.7 形變織構

9.7.1 晶體取向的描述

9.7.2 取向分佈的描述

9.7.3 形變織構的類型

9.8 金屬形變后的殘餘內應力

9.9 聚合物的形變

9.9.1 溫度對線性非晶態聚合物形變的影響

9.9.2 熱塑性聚合物的形變

9.9.3 熱固性塑料的形變

9.9.4 聚合物中的織構/取向

總結

關鍵術語

練習題

參考文獻

10 相變的基本原理

10.1 相變分類

10.2 相變的熱力學———相變驅動力

10.2.1 純組元多形性相變的驅動力

10.2.2 脫溶轉變的驅動力

10.3 相變的形核

10.3.1 形核的驅動力和核心成分

10.3.2 相變的均勻形核

10.3.3 相變的非均勻形核

10.4 晶核的長大

10.4.1 凝固時晶核的長大

10.4.2 固態轉變時晶核的長大

10.5 轉變動力學

10.6 亞穩平衡過渡相的形成

10.7 顆粒粗化———Ostwald熟化

總結

關鍵術語

練習題

參考文獻

11 凝固

11.1 凝固的過冷與再輝

11.2 單相固溶體凝固

11.2.1 平衡凝固與非平衡凝固

11.2.2 界面前沿的溶質原子再分佈

11.2.3 區域提純

11.2.4 液-固相界面形貌

11.2.5 凝固微觀組織

11.3 共晶凝固和包晶凝固

11.3.1 共晶的凝固

11.3.2 包晶凝固

11.4 鑄錠的凝固

11.4.1 鑄錠的宏觀組織

11.4.2 凝固時的體積變化以及氣孔、夾雜的形成

11.4.3 鑄錠組織的控制

11.4.4 偏析

11.5 熔焊及特殊凝固工藝

11.5.1 熔焊

11.5.2 快速凝固

11.5.3 連續鑄造

11.6 玻璃體的形成與晶化

11.6.1 玻璃材料的結晶

11.6.2 玻璃體的晶化

11.6.3 晶化控制技術

11.7 聚合物的結晶

11.7.1 聚合物熔體結構及特徵

11.7.2 聚合物結晶過程

總結

關鍵術語

練習題

參考文獻

12 固態轉變

12.1 合金的脫溶

12.1.1 脫溶貫序、相關相結構及組織形貌

12.1.2 Al-Cu 合金脫溶熱力學分析

12.1.3 其他材料中的脫溶貫序

12.1.4 空位在脫溶過程中的作用

12.1.5 時效硬化

12.1.6 不連續脫溶(胞狀脫溶)

12.2 共析轉變

12.2.1 共析轉變機制

12.2.2 共析團生長速度

12.3 塊形轉變

12.3.1 塊形轉變的定義及轉變特點

12.3.2 塊形轉變的熱力學條件

12.3.3 塊形轉變的組織特點

12.4 連續型轉變

12.4.1 調幅分解

12.4.2 無序→有序轉變

12.5 無擴散型相變

12.5.1 馬氏體轉變熱力學

12.5.2 馬氏體轉變的晶體學及唯象理論

12.5.3 馬氏體的形核與長大

12.5.4 馬氏體轉變動力學

12.5.5 陶瓷氧化鋯中的馬氏體轉變

12.6 回復和再結晶

12.6.1 形變金屬的回復

12.6.2 形變晶體的再結晶

12.6.3 再結晶后晶粒的長大

12.6.4 有序合金的再結晶

12.6.5 熱加工過程的回復和再結晶

12.6.6 無機材料的再結晶

12.6.7 再結晶織構

12.7 燒結過程

12.7.1 固態燒結

12.7.2 液相燒結和熱壓燒結

總結

關鍵術語

練習題

參考文獻

附 錄

附錄A 元素的物理化學數據

附錄B 元素的原子及離子半徑與單化學鍵的離子特性百分數

附錄C 常用物理常數

附錄D 元素周期表