材料科学与工程基础

第1章　导言/001
学习目标　/002
1.1　历史展望　/002
1.2　材料科学与工程　/002
1.3　为什么学习材料科学与工程？　/004
1.4　材料的分类　/004
重要材料—碳酸饮料容器　/008
1.5　先进材料　/009
1.6　现代材料需求　/010
1.7　工艺/结构/性能/应用间的相互关系　/011
总结　/013
参考文献　/014
习题　/014
第2章　原子结构与原子键/015
学习目标　/016
2.1　概述　/016
原子结构　/016
2.2　基本概念　/016
2.3　原子中的电子　/017
2.4　元素周期表　/022
固体中的原子键　/023
2.5　键合力与键能　/023
2.6　原子间主价键　/025
2.7　次价键或范德华键　/028
重要材料—水（结冰后体积膨胀）　/030
2.8　分子　/031
总结　/031
参考文献　/033
习题　/033
工程基础问题　/035
第3章　金属和陶瓷的结构/036
学习目标　/037
3.1　概述　/037
晶体结构　/037
3.2　基本概念　/037
3.3　晶胞　/038
3.4　金属晶体结构　/038
3.5　密度计算—金属　/043
3.6　陶瓷晶体结构　/043
3.7　密度计算—陶瓷　/048
3.8　硅酸盐陶瓷　/049
3.9　碳　/052
3.10　多晶型和同素异形体　/053
3.11　晶系　/053
重要材料—碳纳米管　/054
晶体点阵、晶向、晶面　/056
重要材料—锡（同素异形体转变）　/056
3.12　点坐标　/057
3.13　晶向　/058
3.14　晶面　/063
3.15　线密度和面密度　/067
3.16　密排晶体结构　/068
晶体和非晶材料　/070
3.17　单晶　/070
3.18　多晶材料　/071
3.19　各向异性　/072
3.20　X射线衍射：晶体结构的确定　/072
3.21　非晶固体　/076
总结　/078
参考文献　/081
习题　/082
工程基础问题　/088
第4章　高分子结构/089
学习目标　/090
4.1　概述　/090
4.2　碳氢化合物分子　/090
4.3　聚合物分子　/092
4.4　高分子化学　/093
4.5　分子量　/097
4.6　分子形状　/099
4.7　分子结构　/100
4.8　分子构型　/101
4.9　热塑性和热固性聚合物　/104
4.10　共聚物　/105
4.11　聚合物的结晶度　/106
4.12　聚合物晶体　/109
总结　/110
参考文献　/113
习题　/113
工程基础问题　/116
第5章　固体缺陷/117
学习目标　/118
5.1　概述　/118
点缺陷　/118
5.2　金属中的点缺陷　/118
5.3　陶瓷中的点缺陷　/120
5.4　固体中的杂质　/123
5.5　高分子中的点缺陷　/126
5.6　成分表述　/126
其他缺陷　/129
5.7　位错—线缺陷　/129
5.8　面缺陷　/132
5.9　体缺陷　/134
5.10　原子振动　/135
重要材料—催化剂（以及表面缺陷）　/135
显微组织观察　/136
5.11　显微镜基本概念　/136
5.12　显微技术　/137
5.13　晶粒尺寸测定　/140
总结　/142
参考文献　/146
习题　/146
设计问题　/150
工程基础问题　/150
第6章　扩散/151
学习目标　/152
6.1　概述　/152
6.2　扩散机制　/153
6.3　稳态扩散　/154
6.4　非稳态扩散　/156
6.5　影响扩散的因素　/160
6.6　半导体材料中的扩散　/165
重要材料—集成电路互连铝线　/168
6.7　其他扩散路径　/169
6.8　离子化合物和聚合物中的扩散　/169
总结　/171
参考文献　/175
习题　/175
设计问题　/179
工程基础问题　/180
第7章　力学性能/181
学习目标　/182
7.1　概述　/182
7.2　应力和应变概念　/183
弹性变形　/186
7.3　应力-应变行为　/186
7.4　滞弹性　/189
7.5　材料的弹性性能　/190
力学行为—金属　/192
7.6　拉伸性能　/193
7.7　真应力和真应变　/199
7.8　塑性变形后的弹性回复　/201
7.9　压缩、剪切、扭转变形　/202
力学行为—陶瓷　/202
7.10　弯曲强度　/202
7.11　弹性行为　/204
7.12　孔隙率对陶瓷力学性能的影响　/204
力学行为—高分子　/205
7.13　应力-应变行为　/205
7.14　宏观变形　/207
7.15　黏弹性　/208
硬度及其他力学性能　/212
7.16　硬度　/212
7.17　陶瓷材料的硬度　/217
7.18　高分子的撕裂强度与硬度　/218
物性多样性和设计/安全因素　/218
7.19　材料性能多样性　/218
7.20　设计/安全因素　/220
总结　/222
参考文献　/227
习题　/228
设计问题　/238
工程基础问题　/239
第8章　变形和强化机制/241
学习目标　/242
8.1　概述　/242
金属的变形机制　/242
8.2　历史　/243
8.3　位错的基本概念　/243
8.4　位错的特征　/245
8.5　滑移系　/246
8.6　单晶体的滑移　/248
8.7　多晶体的塑性变形　/250
8.8　孪晶产生的变形　/252
金属的强化机制　/253
8.9　晶粒细化强化　/253
8.10　固溶强化　/254
8.11　应变强化　/256
回复、再结晶和晶粒长大　/259
8.12　回复　/259
8.13　再结晶　/259
8.14　晶粒长大　/263
陶瓷材料变形机制　/264
8.15　晶体陶瓷　/265
8.16　非晶陶瓷　/265
聚合物变形及增强机制　/266
8.17　半结晶聚合物的变形　/266
8.18　影响半结晶聚合物的力学
性能的因素　/269
重要材料—收缩包装聚合物薄膜　/271
8.19　弹性体的变形　/271
总结　/273
参考文献　/279
习题　/279
设计问题　/285
工程基础问题　/285
第9章　失效/286
学习目标　/287
9.1　概述　/287
断裂　/288
9.2　断裂基础　/288
9.3　延性断裂　/288
     断口研究　/289
9.4　脆性断裂　/290
9.5　断裂力学原理　/292
9.6　陶瓷的脆性断裂　/299
9.7　高分子的断裂　/302
9.8　断裂韧性测试　/304
疲劳　/308
9.9　交变应力　/308
9.10　S-N曲线　/310
9.11　高分子材料的疲劳　/312
9.12　裂纹的萌生与扩展　/312
9.13　影响疲劳寿命的因素　/314
9.14　环境因素　/316
蠕变　/317
9.15　广义蠕变行为　/317
9.16　应力和温度的影响　/318
9.17　数据外推法　/320
9.18　高温用合金　/321
9.19　陶瓷和高分子材料的蠕变　/321
总结　/322
参考文献　/325
习题　/326
设计问题　/331
工程基础问题　/332
第10章　相图/333
学习目标　/334
10.1　概述　/334
定义和基本概念　/334
10.2　溶解度极限　/335
10.3　相　/335
10.4　显微结构　/336
10.5　相平衡　/336
10.6　单组分（一元）相图　/337
二元相图　/338
10.7　二元匀晶系统　/338
10.8　相图分析　/340
10.9　匀晶合金显微组织演变　/343
10.10　匀晶合金的力学性能　/346
10.11　二元共晶系统　/347
重要材料—无铅钎料　/351
10.12　共晶合金显微组织演变　/352
10.13　存在中间相或化合物的平衡相图　/357
10.14　共析和包晶反应　/359
10.15　同成分相变　/360
10.16　陶瓷相图　/361
10.17　三元相图　/365
10.18　吉布斯相律　/365
铁-碳系统　/367
10.19　铁碳（Fe-Fe3C）相图　/367
10.20　铁碳合金显微组织演变　/369
10.21　其他合金元素的影响　/376
总结　/376
参考文献　/380
习题　/380
工程基础问题　/388
第11章　相变/389
学习目标　/390
11.1　概述　/390
金属中的相变　/390
11.2　基本概念　/391
11.3　相变动力学　/391
11.4　亚稳态与平衡态　/400
铁-碳合金中显微结构与性能的改变　/400
11.5　等温转变图　/401
11.6　连续冷却转变图　/409
11.7　铁-碳合金的力学行为　/412
11.8　回火马氏体　/416
11.9　铁-碳合金的相变及力学性能的回顾　/418
重要材料—形状记忆合金　/419
沉淀硬化　/421
11.10　热处理　/422
11.11　硬化机制　/423
11.12　其他说明　/425
高分子中的结晶、熔化和玻璃化转变现象　/426
11.13　结晶　/426
11.14　熔化　/427
11.15　玻璃化转变　/427
11.16　熔化温度和玻璃化温度　/427
11.17　熔化温度和玻璃化温度的影响因素　/428
总结　/430
参考文献　/435
习题　/436
设计问题　/441
工程基础问题　/442
第12章　电学性能/443
学习目标　/444
12.1　概述　/444
电导　/444
12.2　欧姆定律　/444
12.3　电导率　/445
12.4　电子和离子导电　/446
12.5　固体能带结构　/446
12.6　能带传导与原子成键模型　/448
12.7　电子迁移率　/450
12.8　金属的电阻率　/450
12.9　工业合金的电学特性　/453
重要材料—铝电导线　/453
半导电性　/455
12.10　本征半导体　/455
12.11　杂质半导体　/457
12.12　温度对载流子浓度的影响　/460
12.13　影响载流子迁移率的因素　/462
12.14　霍尔效应　/465
12.15　半导体器件　/467
离子型陶瓷和聚合物的电导　/472
12.16　离子型材料的电导　/472
12.17　聚合物的电学性能　/473
介电性能　/474
12.18　电容器　/474
12.19　场矢量和极化　/475
12.20　极化类型　/478
12.21　与频率相关的相对介电常数　/480
12.22　介电强度　/481
12.23　介电材料　/481
材料的其他电学特性　/481
12.24　铁电性　/481
12.25　压电性　/482
总结　/483
参考文献　/489
习题　/490
设计问题　/495
工程基础问题　/496
第13章　材料类型及其应用/497
学习目标　/498
13.1　概述　/498
金属合金的类型　/498
13.2　铁合金　/498
13.3　非铁金属及其合金　/509
重要材料—欧元硬币所用的金属合金　/517
陶瓷的种类　/518
13.4　玻璃　/518
13.5　玻璃陶瓷　/519
13.6　黏土制品　/520
13.7　耐火材料　/521
13.8　磨料　/523
13.9　水泥　/523
13.10　先进陶瓷　/524
重要材料—压电陶瓷　/526
13.11　金刚石和石墨　/527
聚合物的类型　/528
13.12　塑料　/528
重要材料—酚醛台球　/531
13.13　橡胶　/531
13.14　纤维　/533
13.15　其他应用　/533
13.16　先进高分子材料　/535
总结　/538
参考文献　/541
习题　/542
设计问题　/543
工程基础问题　/544
第14章　材料的合成、制备和加工/545
学习目标　/546
14.1　概述　/546
金属的制备　/546
14.2　成型加工　/547
14.3　铸造　/548
14.4　其他技术　/549
金属的热加工　/551
14.5　退火工艺　/551
14.6　钢的热处理　/553
陶瓷材料制造　/561
14.7　玻璃和玻璃陶瓷的制造与加工　/562
14.8　黏土制品的制造与加工　/566
14.9　粉末压制　/570
14.10　流延成型　/572
聚合物的合成与加工　/573
14.11　聚合反应　/573
14.12　聚合物添加剂　/575
14.13　塑料成型技术　/576
14.14　橡胶的成型　/579
14.15　纤维和薄膜的成型　/579
总结　/580
参考文献　/585
习题　/586
设计问题　/588
工程基础问题　/589
第15章　复合材料/590
学习目标　/591
15.1　概述　/591
颗粒增强复合材料　/593
15.2　大颗粒复合材料　/593
15.3　弥散增强复合材料　/596
纤维增强复合材料　/597
15.4　纤维长度的影响　/597
15.5　纤维取向和浓度的影响　/598
15.6　纤维相　/606
15.7　基体相　/607
15.8　聚合物基复合材料　/608
15.9　金属基复合材料　/613
15.10　陶瓷基复合材料　/614
15.11　碳/碳复合材料　/615
15.12　混杂复合材料　/616
15.13　纤维增强复合材料的加工　/616
结构复合材料　/618
15.14　层状复合材料　/619
15.15　夹芯板　/619
重要材料—纳米复合涂层　/620
总结　/621
参考文献　/624
习题　/624
设计问题　/628
工程基础问题　/629
第16章　材料腐蚀和降解/630
学习目标　/631
16.1　概述　/631
金属的腐蚀　/631
16.2　电化学因素　/632
16.3　腐蚀速率　/638
16.4　腐蚀速率预测　/639
16.5　钝化　/645
16.6　环境影响　/646
16.7　腐蚀形式　/646
16.8　腐蚀环境　/653
16.9　腐蚀防护　/654
16.10　氧化　/656
陶瓷材料的腐蚀　/659
聚合物的降解　/659
16.11　溶胀和溶解　/659
16.12　键断裂　/661
16.13　风化　/662
总结　/663
参考文献　/666
习题　/666
设计问题　/670
工程基础问题　/670
第17章　热学性能/671
学习目标　/672
17.1　概述　/672
17.2　热容　/672
17.3　热膨胀　/675
重要材料—因瓦和其他低膨胀系数合金　/677
17.4　热导率　/678
17.5　热应力　/681
总结　/682
参考文献　/684
习题　/684
设计问题　/686
工程基础问题　/687
第18章　磁学性能/688
学习目标　/689
18.1　概述　/689
18.2　基本概念　/689
18.3　反磁性和顺磁性　/692
18.4　铁磁性　/694
18.5　反铁磁性和亚铁磁性　/695
18.6　温度对磁性行为的影响　/698
18.7　磁畴和磁滞现象　/699
18.8　磁各向异性　/702
18.9　软磁材料　/703
重要材料—用于变压器铁芯的铁–硅合金　/704
18.10　硬磁材料　/705
18.11　磁存储器　/707
18.12　超导现象　/710
总结　/713
参考文献　/715
习题　/716
设计例题　/719
工程基础问题　/719
第19章　光学性能/720
学习目标　/721
19.1　概述　/721
基本概念　/721
19.2　电磁辐射　/721
19.3　光与固体间的相互作用　/723
19.4　原子和电子间的相互作用　/724
金属材料的光学性质　/725
非金属材料的光学性质　/726
19.5　折射　/726
19.6　反射　/727
19.7　吸收　/728
19.8　透射　/731
19.9　颜色　/731
19.10　绝缘体中的不透明和半透明　/733
光学现象的应用　/733
19.11　发光　/733
19.12　光电导　/734
重要材料—发光二极管　/734
19.13　激光　/736
19.14　光纤通信　/740
总结　/742
参考文献　/745
习题　/745
设计问题　/747
工程基础问题　/747
第20章　材料科学与工程学科
中涉及的经济、环境
及社会问题/748
学习目标　/749
20.1　概述　/749
经济因素　/749
20.2　组件设计　/750
20.3　材料　/750
20.4　制造技术　/750
环境和社会因素　/751
20.5　材料科学与工程中的回收问题　/753
重要材料—生物可降解的和可生物再生的高分子材料/塑胶材料　/755
总结　/758
参考文献　/758
设计问题　/759
附录A　国际单位制（SI）/760
附录B　部分工程材料的性能/762
附录C　部分工程材料的成本和相对成本/797
附录D　常见聚合物的重复单元结构/803
附录E　常见聚合物玻璃化转变温度和熔点/807