材料科学基础（第二版）

第1章　晶体学基础1

1.1晶体的周期性和空间点阵1

1.1.1晶体与晶体学1

1.1.2晶体点阵与空间点阵3

1.2布拉菲点阵5

1.3晶向指数与晶面指数8

1.3.1晶向指数8

1.3.2晶面指数9

1.3.3六方晶系的晶向指数与晶面指数11

1.4晶面间距、晶面夹角和晶带定理12

1.4.1晶面间距12

1.4.2晶面夹角13

1.4.3晶带定理13

1.5晶体的对称性14

1.5.1宏观对称元素14

1.5.232种点群16

1.5.3微观对称元素18

1.5.4空间群20

1.6极射投影21

1.6.1参考球和极射投影21

1.6.2吴氏网22

1.6.3标准投影图23



第2章固体材料的结构25

2.1基础知识25

2.1.1原子结构25

2.1.2能级图和原子的电子结构25

2.1.3周期表与周期性29

2.1.4晶体中的原子结合32

2.2金属及合金相的晶体结构36

2.2.1元素的晶体结构36

2.2.2典型金属的晶体结构37

2.2.3合金相的晶体结构47

2.3陶瓷的晶体结构69

2.3.1概述69

2.3.2离子晶体结构70

2.3.3硅酸盐晶体结构82

2.3.4同质异构现象88

2.4非晶、准晶和纳米晶89

2.4.1非晶态材料89

2.4.2准晶的结构99

2.4.3纳米晶的结构102

2.5高分子的链结构及聚集态结构104

2.5.1高分子链的组成和构造（近程结构）104

2.5.2高分子链的构象（远程结构）109

2.5.3高聚物的晶态结构120

2.5.4高聚物的非晶态、取向及液晶态结构128

2.5.5高分子合金的织态结构132

2.6复合材料的细观结构134

2.6.1复合材料及其组成134

2.6.2复合材料的细观结构136



第3章固体中的扩散139

3.1扩散定律及其应用139

3.1.1扩散*定律139

3.1.2扩散第二定律140

3.1.3扩散第二定律的解及其应用141

3.2扩散微观理论与机制144

3.2.1原子跳动和扩散距离144

3.2.2原子跳动和扩散系数146

3.2.3扩散的微观机制147

3.2.4扩散激活能150

3.3达肯方程152

3.3.1柯肯达尔效应152

3.3.2达肯方程与互扩散系数152

3.4扩散的热力学分析154

3.4.1扩散的驱动力154

3.4.2扩散系数的普遍形式155

3.4.3上坡扩散156

3.5影响扩散的因素156

3.5.1温度157

3.5.2成分157

3.5.3晶体结构161

3.5.4短路扩散161

3.6反应扩散163

3.6.1反应扩散的过程及特点163

3.6.2反应扩散动力学165



第4章凝固167

4.1液体的性能与结构167

4.1.1液态金属的结构167

4.1.2高分子溶液168

4.2金属的凝固与结晶174

4.2.1纯金属的凝固174

4.2.2固溶体合金的凝固186

4.2.3共晶合金的凝固193

4.2.4铸锭组织与凝固技术196

4.3陶瓷的凝固206

4.4聚合物的结晶207

4.4.1结晶动力学208

4.4.2结晶热力学212



第5章相图214

5.1相图基础知识214

5.1.1研究相图的意义214

5.1.2相图的表示方法214

5.1.3相图的建立216

5.1.4相图热力学基础217

5.1.5杠杆定律和重心法则221

5.2一元相图224

5.2.1纯铁的相图224

5.2.2碳的相图225

5.3二元相图225

5.3.1二元匀晶相图225

5.3.2二元共晶相图228

5.3.3二元包晶相图234

5.3.4二元相图的分析与使用237

5.3.5实际二元相图举例243

5.4三元相图256

5.4.1两相平衡的三元相图256

5.4.2三相平衡的三元相图262

5.4.3四相平衡的三元相图267

5.4.4形成稳定化合物的三元相图276

5.4.5三元相图小结277

5.4.6实际三元相图举例279

5.4.7三元交互系统相图281



第6章固态相变的基本原理286

6.1固态相变的分类与特征286

6.1.1固态相变的分类286

6.1.2固态相变的特征288

6.2相变热力学291

6.2.1热力学基本原理291

6.2.2固态相变的形核293

6.3相变动力学302

6.3.1扩散性长大302

6.3.2相变动力学方程304

6.4扩散型相变305

6.4.1固溶体的析出305

6.4.2共析转变314

6.5非扩散型相变320

6.5.1马氏体相变的基本特征321

6.5.2马氏体相变热力学324

6.5.3马氏体相变动力学327

6.5.4钢中马氏体的晶体结构328

6.5.5马氏体的组织形态329

6.5.6马氏体相变机制331

6.5.7马氏体的力学性能332

6.6过渡型相变333

6.6.1贝氏体转变的基本特征333

6.6.2贝氏体的组织形态334

6.6.3贝氏体的力学性能336



第7章晶体缺陷338

7.1点缺陷338

7.1.1空位与间隙原子338

7.1.2点缺陷的平衡浓度339

7.1.3点缺陷的移动341

7.1.4过饱和点缺陷342

7.1.5点缺陷对金属性能的影响342

7.2位错的基本知识342

7.2.1位错概念的产生342

7.2.2位错类型和柏氏矢量344

7.3位错的运动349

7.3.1位错的滑移349

7.3.2刃型位错的攀移351

7.3.3位错运动的ξ×v规则352

7.3.4位错的基本几何性质小结353

7.4位错的弹性性质353

7.4.1位错的应力场353

7.4.2位错的应变能355

7.4.3位错运动的动力与阻力357

7.4.4位错的线张力358

7.4.5位错间的相互作用359

7.4.6位错间的塞积361

7.4.7位错间的交割362

7.4.8位错与点缺陷的交互作用365

7.5位错的生成与增殖367

7.5.1位错密度367

7.5.2位错的生成367

7.5.3位错的增殖367

7.6实际晶体中的位错370

7.6.1实际晶体结构中的单位位错370

7.6.2堆垛层错371

7.6.3不全位错372

7.6.4位错反应378

7.6.5FCC晶体中位错反应的一般表示：汤普森四面体380

7.6.6位错反应举例382



第8章材料表面与界面386

8.1基础知识386

8.1.1物质表面387

8.1.2固体的表面自由能和表面张力388

8.1.3纯金属表面张力的估算390

8.1.4固液界面与润湿391

8.1.5固-固界面与黏附392

8.2晶体中的界面结构393

8.2.1界面类型与结构393

8.2.2界面能量398

8.3晶体中界面的偏聚与迁移399

8.3.1晶界平衡偏析399

8.3.2界面迁移驱动力400

8.3.3影响界面迁移的因素401

8.4界面与组织形貌402

8.4.1单相组织形貌402

8.4.2复相组织形貌404

8.5高聚物的表面张力与界面张力407

8.5.1表面张力与分子间的作用力407

8.5.2高聚物表面张力的影响因素407

8.5.3高聚物界面张力411

8.6复合体系的界面结合特性414

8.6.1复合材料界面的形成过程415

8.6.2树脂基复合材料的界面结构及界面理论415

8.6.3非树脂基复合材料的界面结构417

8.6.4复合材料界面破坏418

8.7材料的复合原理420

8.7.1复合材料力学性能的复合规律422

8.7.2复合材料物理性质的复合规律422



第9章金属材料的变形与再结晶424

9.1金属的应力-应变曲线424

9.1.1工程应力-应变曲线424

9.1.2真应力-真应变曲线425

9.2金属的塑性变形428

9.2.1单晶体的塑性变形428

9.2.2多晶体的塑性变形438

9.2.3合金的塑性变形与强化442

9.2.4变形后的组织与性能446

9.3回复与再结晶450

9.3.1冷变形晶体的回复452

9.3.2冷变形金属的再结晶454

9.3.3再结晶后的晶粒长大459

9.3.4再结晶织构与退火孪晶461

9.4金属的热变形、蠕变与超塑性463

9.4.1晶体的热变形463

9.4.2蠕变464

9.4.3超塑性467



第10章非金属材料的应力-应变行为与变形机制473

10.1陶瓷的弹性变形473

10.1.1陶瓷的弹性变形与弹性模量473

10.1.2显微结构对弹性模量的影响473

10.2陶瓷材料的塑性474

10.2.1单晶陶瓷的塑性475

10.2.2多晶陶瓷的塑性476

10.2.3非晶体陶瓷的变形477

10.3陶瓷材料的强度478

10.3.1陶瓷材料的断裂与断裂强度478

10.3.2陶瓷材料的弯曲强度481

10.3.3陶瓷材料的压缩强度482

10.3.4影响陶瓷材料强度的因素482

10.4高聚物的分子运动与转变484

10.4.1分子运动的特点与材料的力学状态484

10.4.2玻璃态与晶态的分子运动487

10.4.3玻璃化转变及影响因素488

10.4.4高分子流动性质490

10.5高聚物的高弹性491

10.5.1高弹态与分子结构491

10.5.2能弹性与熵弹性492

10.6高聚物的黏弹性493

10.6.1黏弹性现象493

10.6.2黏弹性与力学松弛494

10.6.3黏弹性的温度依赖性-时温等效原理499

10.7高聚物的应力-应变行为501

10.7.1高聚物的塑性及屈服501

10.7.2聚合物的断裂与强度504



附录材料科学基础专业词汇509

参考文献516