材料科學與工程基礎

前言

　　由WilliamF.Smith和Javad-Iashemi編寫的《材料科學與工程基礎》（FoundationsofMaterialsScienceandEngineering）第5版于2009年由McGraw_Hill，Inc.出版。2006年機械工業(yè)出版社曾影印出版該書的第4版。西安交通大學石德珂教授撰寫了極富指導性的影印前言。石教授的觀點對于第5版仍然適用，在此不再重復?！　illiamF.Smith是佛羅里達大學機械和航空航天工程系的工程學教授，曾在加利福尼亞州和佛羅里達州擔任注冊職業(yè)工程師，教授本科生和研究生的材料科學與工程課程，并長年不懈地積極從事教材的編寫。作者的學識和經(jīng)歷，特別是注冊職業(yè)工程師的實踐經(jīng)驗，再加上教材的多次再版改進，保證了本書的水平和質量?！　”緯诒３帧耙詫W生為朋友”的寫作風格和密切聯(lián)系工業(yè)應用的特色之外，至始至終廣泛引入現(xiàn)代材料科學的前沿課題，使學生開闊眼界，緊跟潮流。與第4版相比，本書在教授方式、習題編排、多媒體運用等方面都有較大的改進?！　‰S著科學技術的進步、新工程領域的發(fā)展，以及工程專業(yè)的變化，今天的工程師必須在與材料相關的領域具備更深入、更廣闊、更時新的知識。至少，所有工科大學生都必須掌握有關各類工程材料的結構、性能、加工、應用等方面的基礎知識。這是在每天常規(guī)的工程實際中對材料做出正確選擇的至關重要的一步。同樣，對這些知識的更深入理解，對于復雜系統(tǒng)的設計者、事故（材料失效）的分析者、研發(fā)工程師和科學家都是必不可少的。　　因此，為培養(yǎng)未來的材料工程師和科學家，《材料科學與工程基礎》在兼顧適當?shù)膹V度和深度兩方面的前提下，力求呈現(xiàn)更加廣泛的內(nèi)容。本書在內(nèi)容設置上照顧到材料科學概念（基礎知識）和材料工程（應用知識）的相對均衡?；A和應用概念藉由多種環(huán)節(jié)和手段集中呈現(xiàn)在讀者面前，其中包括：簡明的課文解釋、貼切而引人注目的圖像、詳盡的試樣分析、電子輔助系統(tǒng)和課外作業(yè)等。因此，本教科書既適用于材料概論課程（大學二年級以前），又適用于更高年級（三、四年級）后續(xù)的材料科學與工程課程。最后需要指出的是，第5版及其輔助資源是按照滿足不同學生的各種學習風格而設計的。眾所周知，現(xiàn)在的大學生并非是按同一手段和借助同一種工具來學習的?！　〉?版的改進主要包括下述幾個方面：　　1.關于原子結構和結合鍵的第2章被重新改寫。新的描述建立在對原子結構、結合鍵及二者對材料性質和行為影響的最新理解的基礎之上。其結果，內(nèi)容更精確、更新穎。一些重要的改進包括：①對該領域的關鍵進展給出一個簡明而有意思的歷史透視，這會使教師和學生雙方易于接受，②對多電子原子的結合鍵概念作了更詳盡的討論；③給出晶格能的概念；④對結合鍵類型與材料性能之間的關系作了更詳盡的討論；⑤增加了新的例題和課外作業(yè)。　　2.納米技術的論題已包括在各個相關章節(jié)中。這些論題包括納米尺度特征（例如，納米晶粒尺寸）材料的研究，研究納米尺度特征所需要的儀器、制造技術以及納米尺度特征材料的性能等?！　?.每章后面的習題已由教師按照學生學習、理解的水平作了分類。

內(nèi)容概要

　　《時代教育·國外高校優(yōu)秀教材精選：材料科學與工程基礎（英文版）（原書第5版）》在保持“以學生為朋友”的寫作風格和密切聯(lián)系工業(yè)應用的特色外，廣泛引入現(xiàn)代材料科學的前沿課題，使學生開闊眼界，緊跟潮流，具有很好的時效性。相對第4版，《時代教育·國外高校優(yōu)秀教材精選：材料科學與工程基礎（英文版）（原書第5版）》有如下改進：　　1．結合對原子結構．結合鍵及二者對材料性質和行為影響的最新理解，作者對原子結構和結合鍵部分進行了改寫，使得內(nèi)容更精確生動、更新穎?！　?．納米技術的知識和應用也包括在各個相關章節(jié)中，包括納米尺度特征材料的性能、研究納米尺度特征所需的儀器以及制造技術等?！　?．對于每一章，都開發(fā)引入了新的問題，且屬于綜合和評價性問題，可以幫助教師更有效地訓練學生，使其成為更富理解力的工程師和科學家?！　?．提供教師用的PPT教案，包含技術視頻文件類、解題輔導以及虛擬的實驗室實驗，需填寫教師反饋表向McGraw—Hill公司索取。

書籍目錄

出版說明第5版 影印前言第4版 影印前言Perface第1章 材料科學與工程引論1.1 材料與工程1.2 材料科學與工程1.3 材料的種類1.3.1 金屬材料1.3.2 聚合物材料1.3.3 陶瓷材料1.3.4 復合材料1.3.5 電子材料1.4 材料間的競爭1.5 材料科學與技術的最新進展和未來趨勢1.5.1 智能材料1.5.2 納米材料1.6 材料設計與選擇1.7 第1章小結1.8 定義1.9 習題第2章 原子結構與鍵合2.1 原子結構和亞原子粒子2.2 原子序數(shù)、質量數(shù)和相對原子質量2.3 原子的電子結構2.3.1 普朗克量子理論和電磁輻射2.3.2 氫原子的玻爾理論2.3.3 不確定原理和薛定諤波函數(shù)2.3.4 量子數(shù)、能級和原子軌道2.3.5 多電子原子的能態(tài)2.3.6 量子力學模型和元素周期表2.4 原子尺寸、離化能和電子親合力的周期性變化2.4.1 原子尺寸的變化趨勢2.4.2 離化能的變化趨勢2.4.3 電子親和力的變化趨勢2.4.4 金屬、類金屬和非金屬2.5 一次鍵2.5.1 離子鍵2.5.2 共價鍵2.5.3 金屬鍵2.5.4 混合鍵2.6 二次鍵2.7第2章 小結2.8 定義2.9 習題第3章 材料中的晶體結構和非晶態(tài)結構3.1 空間點陣和晶胞3.2 晶系與布拉菲點陣3.3 主要的金屬晶體結構3.3.1 體心立方（BCC）晶體結構3.3.2 面心立方（FCC）晶體結構3.3.3 密排六方（HCP）晶體結構3.4 立方晶胞中的原子位置3.5 立方晶胞中的晶向3.6 立方晶胞中晶面的米勒指數(shù)3.7 密排六方晶體結構中的晶面和晶向3.7.1 HCP晶胞中的晶面指數(shù)3.7.2 HCP晶胞中的晶向指數(shù)3.8 FCC、HCP和BCC晶體結構的比較3.8.1 FCC和HCP晶體結構3.8.2 晶體結構3.9 體密度、面密度以及線密度的晶胞計算3.9.1 體密度3.9.2 面密度3.9.3 線密度3.10 多晶型或同素異構3.11 晶體結構分析3.11.1 X光源3.11.2 X光衍射3.11.3 晶體結構的X光衍射分析3.12 非晶態(tài)材料3.13第3章小結3.14定義3.15習題第4章 凝固和晶體缺陷4.1 金屬的凝固4.1.1 液態(tài)金屬中穩(wěn)定晶核的形成4.1.2 液態(tài)金屬中晶體生長與晶粒結構的形成4.1.3 工業(yè)鑄件中的晶粒結構4.2 單晶體的凝固4.3 金屬固溶體4.3.1 置換式固溶體4.3.2 間隙式固溶體4.4 晶體缺陷4.4.1 點缺陷4.4.2 線缺陷（位錯）4.4.3 面缺陷4.4.4 體缺陷4.5 鑒別微觀結構和缺陷的實驗技術4.5.1 光學金相、ASRM晶粒尺寸和晶粒直徑的確定4.5.2 掃描電子顯微鏡（SEM）4.5.3 透射電子顯微鏡（’rEM）4.5.4 高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）4.4.5 掃描探針顯微鏡和原子分辨率4.6第4章 小結4.7 定義4.8 習題第5章 熱激活過程和固體中的擴散5.1 固體中的速率過程5.2 固體中的原子擴散5.2.1 固體中的擴散概述5.2.2 擴散機制5.2.3 穩(wěn)態(tài)擴散5.2.4 非穩(wěn)態(tài)擴散5.3 擴散過程的工業(yè)應用5.3.1 氣體滲碳使鋼鐵表面硬化5.3.2 集成電路用硅晶圓的雜質擴散5.4 溫度對固體擴散的影響5.5第5章小結5.6 定義5.7 習題第6章 金屬的力學性能（I）6.1 金屬與合金的成形加工6.1.1 金屬和合金的鑄造6.1.2 金屬和合金的熱軋和冷軋6.1.3 金屬和合金的擠壓6.1.4 鍛造6.1.5 其他的金屬成形工藝6.2 金屬材料中的應力和應變6.2.1 彈性變形和塑性變形6.2.2 工程應力和工程應變6.2.3 泊松比6.2.4 切應力與切應變6.3 拉伸試驗和工程應力一應變圖6.3.1 由拉伸試驗和工程應力一應變圖獲得的力學性能數(shù)據(jù)6.3.2 部分合金的工程應力一應變曲線的比較6.3.3 真應力和真應變6.4 硬度與硬度測試6.5 金屬單晶體的塑性形變6.5.1 金屬晶體表面的滑移帶與滑移線6.5.2 金屬晶體由滑移機制造成的塑性形變6.5.3 滑移系統(tǒng)6.5.4 金屬單晶體的臨界切應力6.5.5 施密特定律6.5.6 孿生6.6 多晶金屬的塑性形變6.6.1 晶界對金屬強度的影響6.6.2 塑性形變對晶粒形狀和位錯分布的影響6.6.3 冷塑性形變對金屬強度增加的影響6.7 金屬的固溶強化6.8 塑性形變金屬的回復和再結晶6.8.1 深冷加工金屬再加熱之前的結構6.8.2 回復6.8.3 再結晶6.9 金屬中的超塑性6.10納米晶金屬6.116.12定義6.13習題第7章 金屬的力學性能（Ⅱ）7.1 金屬的斷裂7.1.1 韌性斷裂7.1 _2脆性斷裂7.1.3 韌度和沖擊試驗7.1.4 韌性一脆性轉變溫度：7.1.5 斷裂韌度7.2 金屬的疲勞7.2.1 周期應力7.2.2 韌性金屬在疲勞過程中發(fā)生的基本結構變化7.2.3 影響金屬疲勞強度的幾個主要因素7.3 疲勞裂紋擴展速率7.3.1 疲勞裂紋擴展與應力、裂紋長度的關系7.3.2 疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子范圍作圖7.3.3 疲勞壽命計算7.4 金屬的蠕變和應力斷裂7.4.1 金屬的蠕變7.4.2 蠕變試驗7.4.3 蠕變一斷裂試驗7.5 小結7.6 定義7.7 習題第8章 相圖8.1 純物質的相圖8.2 吉布斯相律8.3 冷卻曲線8.4 二元勻晶合金系統(tǒng)8.5 杠桿定律8.6 合金的非平衡凝固8.7 二元共晶合金系統(tǒng)8.8 二元包晶合金系統(tǒng)8.9 二元偏晶系統(tǒng)8.10不變反應8.11有中間相和中間化合物的相圖8.12三元相圖8.13小結8.14定義8.15習題第9章 工程合金9.1 鐵和鋼的生產(chǎn)9.1.1 高爐中的生鐵生產(chǎn)9.1.2 煉鋼和主要鋼鐵產(chǎn)品形式的加工9.2 鐵一碳系統(tǒng)9.2.1 鐵一鐵一碳化物相圖9.2.2 Fe-Fe3C相圖中的固相9.2.3 Fe_Fe3C相圖中的不變反應9.2.4 碳素鋼的緩慢冷卻9.3 普通碳素鋼的熱處理9.3.1 馬氏體9.3.2 奧氏體的等溫分解9.3.3 共析碳素鋼的連續(xù)冷卻轉變曲線9.3.4 碳素鋼的退火與正火9.3.5 碳素鋼的回火9.3.6 碳素鋼的分類與典型的力學性能9.4 低合金鋼9.4.1 合金鋼的分類9.4.2 合金鋼中合金元素的分布9.4.3 合金元素對鋼的共析溫度影響9.4.4 淬硬性9.4.5 低合金鋼典型的力學性能和應用9.5 鋁合金9.5.1 析出強化（硬化）9.5.2 鋁及其產(chǎn)品的一般性能9.5.3 鍛造鋁合金9.5.4 鑄造鋁合金9.6 小結9.7 定義9.8 習題第10章 聚合物材料10.1 概述10.1.1熱塑性塑料10.1.2 熱固性塑料10.2 聚合反應10.2.1 單個乙烯分子的共價鍵結構10.2.2 一個活化乙烯分子的共價鍵結構10.2.3 聚乙烯聚合的整體反應和聚合度10.2.4 鏈式聚合步驟10.2.5 熱塑性塑料的平均相對分子質量10.2.6 單體的官能度10.2.7 非晶體線性聚合物的結構10.2.8 乙烯基樹脂與亞乙烯基樹脂10.2.9 均聚物與共聚物10.2.1 0其他聚合方法10.3 工業(yè)用聚合方法10.4 一些熱塑性塑料的結晶度與立體異構現(xiàn)象10.4.1 非晶態(tài)熱塑性塑料的凝固10.4.2 半晶態(tài)熱塑性塑料的凝固10.4.3 半晶態(tài)熱塑性塑料的結構10.4.4 熱塑性塑料的立體異構現(xiàn)象10.4.5 齊格勒（Ziegler）催化劑與納塔（Natta），催化劑10.5 塑料的加工10.5.1 用于熱塑性塑料的加：E-V藝10.5.2 用于熱固性塑料的加：E-I“藝10.6 通用熱塑性塑料10.6.1 聚乙烯10.6.2 聚氯乙烯均聚物與共聚物10.6.3 聚丙乙烯10.6.4 聚苯乙烯10.6.5 聚丙烯腈10.6.6 苯乙烯丙烯腈（SAN）10.6.7 ABS10.6.8 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）10.6.9 氟塑料10.7 工程熱塑性塑料10.7.1 聚酰胺（尼龍）10.7.2 聚碳酸酯10.7.3 苯氧基樹脂10.7.4 聚甲醛10.7.5 熱塑性聚酯10.7.6 聚苯硫醚10.7.7 聚醚酰亞胺10.7.8 聚合物合金10.8 熱固性塑料（熱固性樹脂）10.8.1 酚醛塑料10.8.2 環(huán)氧樹脂10.8.3 不飽和聚酯10.8.4 氨基樹脂（尿素塑料和三聚氰胺）10.9 小結10.10定義10.11習題第11章 陶瓷材料11.1 概述11.2 簡單陶瓷的晶體結構11.2.1 簡單陶瓷化合物中的離子鍵和共價鍵11.2.2 存在于離子鍵固體中的簡單離子排列11.2.3 氯化銫晶體（CsCl）結構11.2.4 氯化鈉晶體（NaCl）結構11.2.5 FCC與HCP晶格中的間隙位置11.2.6 閃鋅礦晶體（ZnS）結構11.2.7 氟石晶體（CaF2）結構11.2.8 反氟石晶體結構11.2.9 剛玉晶體（A1203）結構11.2.1 0尖晶石（MgAl204）晶體結構11.2.1 1鈣鈦礦（CaTiO3）晶體結構11.2.1 2碳和它的同素異形體11.3 硅酸鹽結構11.3.1 硅酸鹽結構的基本結構單元11.3.2 硅酸鹽的島狀結構、鏈狀結構及環(huán)狀結構11.3.3 硅酸鹽的片狀結構11.3.4 硅酸鹽的網(wǎng)絡結構11.4 陶瓷制備過程11.4.1 材料準備11.4.2 成形11.4.3 熱處理第12章 復合材料第13章 材料的電學性能第14章 光學性質與超導材料第15章 磁學性能附錄1：部分元素的一些性質附錄2：元素的離子半徑習題解答

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