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译者序1

作者介绍1

序言1

前言1

第1章 材料科学与工程1

1.1 引言1

1.2 材料在技术发达社会中的作用2

1.3 工程专业和材料4

1.4 材料的主要类别5

1.4.1 金属5

1.4.2 陶瓷6

1.4.3 聚合物6

1.4.4 复合材料7

1.4.5 半导体9

1.5 材料的性质和材料工程10

1.6 工程材料的综合方法11

1.7 工程专家的地位和道德规范13

总结14

第1篇 基本原理17

第2章 原子尺度的结构17

2.1 引言17

2.2 原子结构18

2.3 热力学和动力学20

2.4 一次键22

2.4.1 离子键23

2.4.2 共价键25

2.4.3 金属键26

2.4.4 键的类型对工程性能的影响28

2.5 键-能曲线29

2.6 原子的堆垛和配位数32

2.7 二次键38

2.8 混合键40

2.9 聚合物分子的结构41

总结43

习题44

第3章 晶体结构47

3.1 引言47

3.2 布拉维点阵和单胞48

3.3 每个点阵只有一个原子的晶体及六方晶体50

3.3.1 体心立方晶体50

3.3.2 面心立方晶体52

3.3.3 密排六方结构54

3.4 密勒指数56

3.4.1 点的坐标56

3.4.2 方向指数57

3.4.3 面指数59

3.4.4 六方系中的指数61

3.5 晶体结构的密度和堆垛因子61

3.5.1 线密度61

3.5.2 面密度63

3.5.3 体密度64

3.5.4 原子的堆垛因子及配位数65

3.5.5 密排结构66

3.6.1 在FCC结构中的间隙67

3.6 间隙位置和尺寸67

3.6.2 在BCC结构中的间隙69

3.6.3 在HCP结构中的间隙69

3.7.1 每个阵点位置具有两个原子的晶体70

3.7.2 每个阵点有3个原子的晶体73

3.7.3 其他晶体结构74

3.7 每个阵点含多个原子的晶体76

3.8 液晶76

3.9 单晶和多晶材料77

3.10 同素异构及多形性78

3.11 各向异性79

3.12 X射线衍射79

总结83

习题84

第4章 点缺陷和扩散89

4.1 引言89

4.2 点缺陷90

4.2.1 晶体中的空位和间隙原子90

4.2.2 在离子晶体中的空位及间隙原子92

4.3 杂质93

4.3.1 晶体中的杂质93

4.3.2 在离子晶体中的杂质97

4.4 固态扩散98

4.4.1 扩散的实际例子98

4.4.2 扩散的物理描述[菲克(Fick)第一定律]100

4.4.3 在共价和金属晶体中的扩散机制103

4.4.4 不同浓度水平的扩散104

4.4.5 在离子晶体中的扩散机制106

4.4.6 在聚合物中的扩散机制107

4.4.7 菲克(Fick)第二定律108

总结113

习题114

第5章 线、面和体缺陷117

5.1 引言117

5.2 线缺陷、滑移和塑性变形117

5.2.1 形变单晶体的切变强度118

5.2.2 晶态材料中的滑移及刃型位错121

5.2.3 其他类型的位错124

5.2.4 在金属晶体中的滑移面和滑移方向127

5.2.5 在离子、共价和聚合物晶体内的位错130

5.2.6 位错对性质的其他影响133

5.3 面缺陷133

5.3.1 晶体中的自由表面134

5.3.2 晶体中的晶粒界134

5.3.3 晶粒尺寸的测量135

5.3.4 晶粒界扩散136

5.3.5 其他面缺陷137

5.4 体缺陷139

5.5 金属中的强化机制140

5.5.1 合金的强化140

5.5.2 应变硬化141

5.5.3 晶粒细化142

5.5.4 沉淀硬化143

总结144

习题145

第6章 非晶态与半晶态材料148

6.1 引言148

6.2 玻璃转变温度149

6.3 粘性变形152

6.4 无定形和半晶态聚合物的结构和性质154

6.4.1 聚合物分类154

6.4.2 摩尔质量159

6.4.3 聚合物的构象及构型161

6.4.4 决定聚合物结晶度的因素163

6.4.5 半晶态聚合物165

6.4.6 结构与Tg的关系165

6.5 玻璃的结构和性能166

6.5.1 离子玻璃168

6.5.2 共价玻璃171

6.5.3 金属玻璃171

6.6 橡胶和弹性体的结构和性质172

6.6.1 热固性弹性体172

6.6.2 热塑性弹性体174

6.6.3 橡胶中的晶化174

6.6.4 弹性模量对温度的依赖关系175

6.6.5 橡胶的弹性176

总结178

习题178

第7章 相平衡与相图183

7.1 引言183

第2篇 微观结构183

7.2 单元系相图185

7.3 二元系中的相平衡187

7.3.1 成分的描述187

7.3.2 理想的同晶型系统188

7.3.3 处于平衡的相及杠杆规则190

7.3.4 同晶型合金的凝固和组织193

7.3.5 确定液相线和固相线195

7.3.6 具体的同晶型系统195

7.3.7 偏离理想的行为196

7.4 共晶相图200

7.4.1 共晶系中术语的定义200

7.4.2 共晶合金的熔化和凝固201

7.4.3 非共晶合金的凝固203

7.4.4 测定相图的方法206

7.4.5 含两个共晶的相图208

7.5 包晶相图210

7.6 偏晶相图214

7.7 复杂相图215

7.8 包含固-固反应的相平衡217

7.9 三元系中的相平衡220

7.9.1 在三元相图上画出成分点220

7.9.2 三元系的杠杆规则221

总结223

习题224

第8章 组织转变动力学与显微组织232

8.2.1 相转变的本质233

8.2 组织转变的基本特征233

8.1 引言233

8.2.2 相变的驱动力234

8.2.3 相的均匀形核236

8.2.4 相的非均匀形核239

8.2.5 基体/析出物的内界面241

8.2.6 新相的长大244

8.3 在工程材料上的应用245

8.3.1 钢中的相变246

8.3.2 过饱和固溶体的脱溶257

8.3.3 合金的凝固和均匀化261

8.3.4 回复和再结晶过程266

8.3.5 烧结269

8.3.6 氧化锆中的马氏体(位移)型转变271

8.3.7 氧化物玻璃的脱玻(反玻璃化)273

8.3.8 聚合物的结晶274

总结276

习题277

第3篇 性能289

第9章 力学性能289

9.1 引言289

9.2 工程材料的变形与断裂290

9.2.1 弹性变形290

9.2.2 聚合物的变形293

9.2.3 塑性变形296

9.2.4 拉伸试验297

9.2.5 强化的机理303

9.2.6 韧性断裂和脆性断裂304

9.2.7 硬度试验306

9.2.8 摆锤冲击试验308

9.3 脆性断裂311

9.3.1 导致脆性断裂的事故例子及其后果312

9.3.2 预测脆性断裂的格里菲思-奥罗万(Griffith-Orowan)理论314

9.4 断裂力学：现代方法315

9.4.1 应力强度因子316

9.4.2 试件厚度的影响317

9.4.3 断裂韧度与拉伸性能之+间的关系319

9.4.4 断裂力学在各种材料中的应用319

9.4.5 断裂韧度的实验测定322

9.5 疲劳断裂323

9.5.1 关于疲劳断裂的定义323

9.5.2 疲劳试验324

9.5.3 疲劳强度与其他力学性能之间的关系326

9.5.4 疲劳的微观特征327

9.5.5 疲劳断裂的预防328

9.5.6 疲劳问题的断裂力学处理方法329

9.6 时间相关的行为331

9.6.1 环境诱导的断裂331

9.6.2 金属和陶瓷的蠕变332

9.6.3 蠕变的机理333

总结337

习题338

第10章 电学性能345

10.1 引言345

10.2 导电性346

10.2.2 载流子的迁移率349

10.2.1 每个载流子的电荷量349

10.2.3 能带结构和带电粒子的数量352

10.2.4 温度对于导电性的影响和费米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布函数355

10.2.5 导体、半导体和绝缘体358

10.2.6 离子导电机理364

10.2.7 缺陷与杂质的影响366

10.2.8 导电聚合物368

10.2.9 超导体369

10.2.10 器件与应用370

10.3 半导体371

10.3.1 本征导电性与非本征导电性371

10.3.2 化合物半导体377

10.3.3 缺陷的作用377

10.3.4 简单的元器件378

10.3.5 微电子学382

总结384

习题385

第11章 光学性能与介电性能390

11.1 引言390

11.2 极化391

11.2.1 电子极化392

11.2.2 离子型极化393

11.2.3 分子极化393

11.2.4 内界面极化394

11.2.5 总极化强度394

11.2.6 应用395

11.3.2 介电率与介电常数397

11.3 介电常数与电容397

11.3.1 电容397

11.3.3 介电强度与击穿399

11.4 耗散与介电损耗400

11.5 折射与反射402

11.5.1 折射402

11.5.2 镜面反射404

11.5.3 色散(Dispersion)406

11.5.4 双折射率407

11.5.5 应用：光学波导器407

11.6 吸收、透射与散射409

11.6.1 吸收409

11.6.2 吸收系数410

11.6.3 发色团的吸收411

11.6.4 散射与不透明性413

11.7 电子过程414

11.7.1 x射线荧光414

11.7.2 发光415

11.7.3 磷光415

11.7.4 热发射415

11.7.5 光电导性416

11.7.6 应用：激光器416

总结418

习题418

第12章 磁学性能423

12.1 引言424

12.2 材料与磁性424

12.3 磁性的物理基础425

12.4 材料磁性分类427

12.5 抗磁性与顺磁性427

12.6 铁磁性429

12.6.1 磁畴430

12.6.2 铁磁性物质对外磁场的响应432

12.6.3 磁滞回线的形状433

12.6.4 微观组织的影响433

12.6.5 温度的影响434

12.6.6 估算M的数值434

12.7 反铁磁性与亚铁磁性435

12.8 器件与应用438

12.8.1 永磁体438

12.8.2 变压器铁心440

12.8.3 磁存储器件442

12.9 超导磁体443

总结444

习题445

第13章 热学性能449

13.1 引言449

13.2 热膨胀系数450

13.3 热容453

13.4 热传导机理455

13.5 热应力460

13.6 应用463

13.6.1 双金属带463

13.6.3 抗热冲击炊具464

13.6.2 隔热器464

13.6.4 钢化玻璃465

13.6.5 轨道望远镜的支承结构466

13.6.6 陶瓷-金属接点466

13.6.7 低温材料467

总结467

习题468

第14章 复合材料472

14.1 引言472

14.2 复合材料的历史与分类473

14.3 基本概念476

14.3.1 纤维增强体的强化作用476

14.3.2 纤维材料的特性477

14.3.3 基体材料的特性481

14.3.4 界面的作用482

14.3.5 纤维体系结构483

14.3.6 团集复合材料的强化485

14.4 实际的复合材料体系486

14.4.1 金属基复合材料486

14.4.2 聚合物基复合材料486

14.4.3 陶瓷基复合材料487

14.4.4 碳-碳复合材料488

14.5 复合材料性能的预测488

14.5.1 纤维直径、体积分数以及复合材料密度的估算488

14.5.2 弹性模量与强度的估算489

14.5.3 热膨胀系数的估算492

14.5.4 复合材料的断裂行为492

14.5.5 复合材料的疲劳特性493

14.6 复合材料的其他应用495

总结497

习题497

第15章 材料-环境的相互作用501

15.1 引言502

15.2 液-固反应502

15.2.1 直接溶解机制504

15.2.2 电化学腐蚀-半电池电位507

15.2.3 腐蚀反应的动力学512

15.2.4 各种腐蚀类型514

15.2.5 腐蚀的防护524

15.3 直接气体侵蚀(气-固反应)527

15.3.1 环境气体对成键结构的改变527

15.3.2 气态反应产物的形成528

15.3.3 保护性和非保护性固态氧化物529

15.3.4 氧化动力学531

15.3.5 气体“侵蚀”的利用534

15.3.6 改进耐气体侵蚀性的方法534

15.4 摩擦和磨损(固-固相互作用)536

15.4.1 磨损机理536

15.4.2 减小摩擦与磨损的设计538

15.5 辐照损伤538

总结539

习题541

第4篇 材料的合成与设计547

第16章 材料制备工艺547

16.1 引言547

16.3 铸造548

16.2 工艺的选择原则和组织、工艺与性能之间的关系548

16.3.1 金属铸造549

16.3.2 陶瓷的铸造553

16.3.3 聚合物的造形554

16.4 成形556

16.4.1 金属成形556

16.4.2 聚合物的成形562

16.4.3 陶瓷与玻璃的成形564

16.5 粉末工艺565

16.5.1 粉末冶金565

16.5.2 陶瓷的粉末工艺568

16.6 机加工568

16.7 连接工艺569

16.7.1 焊接、钎焊(铜焊)与锡焊570

16.7.2 粘合剂结合572

16.7.3 扩散结合573

16.7.4 机械连接574

16.8 表面涂层与处理574

16.8.1 涂层与涂料的应用574

16.8.2 表面处理575

16.9 单晶与半导体工艺576

16.9.1 单晶的成长与工艺576

16.9.2 氧化578

16.9.3 光刻与浸蚀578

16.9.4 扩散与离子注入579

16.9.5 互连、装配与封装580

16.10.2 溶液纺丝582

16.10.1 熔融纺丝582

16.10 纤维的制备582

16.10.3 控制热解583

16.10.4 气相工艺584

16.10.5 烧结585

16.10.6 化学反应586

16.11 复合材料制备工艺586

16.11.1 聚合物基复合材料586

16.11.2 金属基复合材料(MMC)588

16.11.3 陶瓷基复合材料(CMC)589

总结590

习题591

第17章 材料与工程设计595

17.1 引言596

17.2 统一终身成本工程(ULCE)597

17.2.1 设计和分析费用597

17.2.2 制造成本598

17.2.3 运行成本598

17.2.4 处置费用598

17.3 材料和工艺的选择600

17.3.1 为了材料的选择而建立的数据库600

17.3.2 有关材料和工艺的标准601

17.3.3 材料的选择对环境的影响602

17.4 风险评估和产品责任610

17.4.1 失衡概率评估611

17.4.2 责任评估612

17.4.3 质量保证标准613

17.5 失效分析及其预防614

17.5.1 失效分析的一般实践615

17.5.2 复合材料的失效分析622

17.5.3 失效预防624

总结629

习题630

附录631

附录A 元素周期表631

附录B 元素的物理和化学数据632

附录C 元素的原子及离子半径637

附录D 力学性能639

表D-1 一些碳钢和合金钢在热轧、正火、退火态的拉伸性能639

表D-2 一些碳钢和合金钢在淬火-回火态的拉伸性能641

表D-3 非热处理锻造铝合金的拉伸性能646

表D-4 可热处理锻造铝合金的拉伸性能648

表D-5 模铸铝合金的拉伸性能650

表D-6 锻、铸和粉末冶金钛合金的拉伸性能651

表D-7 锻造镍基高温合金的拉伸性能652

表D-8 一些锻造镍基高温合金的持久强度653

表D-9 一些工程陶瓷的平均强度653

表D-10 一些聚合物的力学性能654

表D-11 室温下一些金属的断裂韧度654

表D-12 室温下一些陶瓷材料的断裂韧度655

表D-13 室温下一些聚合物和复合材料的断裂韧度656

附录E 部分习题答案656

术语汇编660

参考文献673

单位换算因子 常数 SI词头符号675