材料物理

前言

材料是人類文明發(fā)展的重要標(biāo)志?？梢哉f人類文明的進(jìn)展一直是與材料的發(fā)展同步進(jìn)行的。所以才有歷史學(xué)家以某一時代占主導(dǎo)地位或代表文明水平的材料來劃分歷史時代，即所謂的石器時代、青銅時代、鐵器時代。盡管我們?yōu)橹袊源善髀劽谑蓝湴?，為我們的祖先在商朝就?chuàng)造了光輝燦爛的青銅文明而自豪，但我們對材料的使用和研究在大多數(shù)情況下是自發(fā)的、不系統(tǒng)的。整個人類也是如此。直到約200年前，由于大機(jī)器工業(yè)對新材料的追求，才逐漸出現(xiàn)了現(xiàn)代意義上的冶金工業(yè)。礦業(yè)、冶金、交通運輸?shù)冉I(yè)的發(fā)展促進(jìn)了冶金學(xué)、冶金物理化學(xué)、凝固和固態(tài)相變理論、晶體結(jié)構(gòu)理論等的相繼出現(xiàn)。近幾十年來，隨著物理學(xué)的進(jìn)展，材料研究逐漸深入到了其電子理論的本質(zhì)層次。量子力學(xué)與統(tǒng)計力學(xué)結(jié)合，從單原子體系到多原子體系，逐漸可以解決材料中的多體系問題。特別是能帶理論對材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱等機(jī)理的成功揭示標(biāo)志著材料科學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個新的階段。然而，這些理論的成功更多地體現(xiàn)在金屬和合金中。盡管人類在幾千年前就開始使用陶瓷材料，但對其進(jìn)行系統(tǒng)研究的時間并不長。人們開始認(rèn)真地研究特種陶瓷不過有幾十年的歷史。人們對有機(jī)高分子材料的認(rèn)識則更晚。近幾十年來，伴隨著現(xiàn)代石油化學(xué)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，人工合成的高分子材料才開始大行其道。意識到了不同材料的優(yōu)點和不足，順理成章地，人們開始有目的地將不同的材料用不同的方式組合在一起，這就是所謂的復(fù)合材料。由于材料的發(fā)現(xiàn)和使用是分散的，人們對材料的研究也缺乏系統(tǒng)性。在近20年前，多數(shù)人仍然對無機(jī)材料和有機(jī)材料結(jié)構(gòu)、性能等中的共同規(guī)律認(rèn)識不足。所以我們的材料教育也一直是分割成若干部分。涉及材料的專業(yè)就有金相（金屬材料及熱處理）、鑄造、鍛壓、焊接、冶金物理化學(xué)、金屬腐蝕與防護(hù)、金屬物理、粉末冶金、鋼鐵冶金、有色金屬冶金、高溫合金、精密合金、電子材料、硅酸鹽、礦物巖石材料、建筑材料、耐火材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料、生物醫(yī)學(xué)材料、復(fù)合材料等。隨著材料科學(xué)與工程的發(fā)展，人們越來越意識到了材料中的結(jié)構(gòu)、性能等方面共性的東西。材料學(xué)（materialurgy）這一名詞的出現(xiàn)標(biāo)志著材料科學(xué)開始成為一門統(tǒng)一的科學(xué)。教育部1998年公布新的專業(yè)目錄時，在材料科學(xué)與工程一級學(xué)科下設(shè)置材料學(xué)、材料加工工程、材料物理化學(xué)三個專業(yè)，這一方面是為了適應(yīng)培養(yǎng)通才、拓寬專業(yè)口徑的教學(xué)改革思想，另一方面也反映了材料科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程。同時，各校在該專業(yè)目錄之外還保留了一些材料類的特色專業(yè)，如高分子材料、生物醫(yī)學(xué)材料等。但是，新的材料專業(yè)的教學(xué)體系的構(gòu)建遠(yuǎn)非一個專業(yè)目錄就可以完成的。專業(yè)名稱改革之前，在不同的專業(yè)中，有關(guān)材料中的物理問題分散于固體物理、金屬物理、金屬學(xué)、熱處理原理、陶瓷學(xué)、無機(jī)非金屬材料工程學(xué)、高分子物理、金屬物理性能、金屬力學(xué)性能等課程中。新的專業(yè)教學(xué)體系迫切需要將金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料乃至復(fù)合材料中的物理問題融合為統(tǒng)一整體的材料物理教材。教育部新的專業(yè)目錄公布后，1999年國內(nèi)就有同時涉及這些材料的材料物理教材問世，滿足了一時之急需。但短時間的倉促成書也顯出一些弊病，一是未經(jīng)實際教學(xué)檢驗，二是雖將不同材料的問題編寫在一起，但缺乏有機(jī)的融合。之后也有相應(yīng)教材的成熟之作問世，但就我們所見的教材是適用于理科的本科生和研究生的，學(xué)習(xí)該類教材的學(xué)生必須有較好的數(shù)理基礎(chǔ)，對工科的材料學(xué)、材料加工工程等專業(yè)的本科生來講有一定的難度。所以，工科類材料科學(xué)與工程專業(yè)的材料物理課程教學(xué)中一直難于找到合適的教材，這是我們編寫本教材的初衷。同時，本教材力求適應(yīng)工科材料學(xué)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)，較全面地反映材料中共有的物理現(xiàn)象及其本質(zhì)。教材編寫過程中注意從材料中的物理現(xiàn)象出發(fā)，在一定的模型、假設(shè)的基礎(chǔ)上，用一定的理論結(jié)果對現(xiàn)象進(jìn)行形象的定性描述。當(dāng)然，用方程式來描述材料中的物理現(xiàn)象是比任何語言都更準(zhǔn)確的，但在有限的學(xué)時中能否使學(xué)生完全掌握則存在問題。因此本書對現(xiàn)象的說明盡量略去繁復(fù)的推導(dǎo)，使初學(xué)者逐步了解和掌握材料中的物理現(xiàn)象及其本質(zhì)原因。如果使用后表明本書確實具有上述特色，作者將感到十分欣慰。除了作為工科的材料物理教材外，本書還可以作為相近專業(yè)研究生和本科生的教材和參考書。由于作者的學(xué)識水平有限，書中可能存在一些疏漏和錯誤，希望讀者給予批評指正。您的指正必然有助于本書的完善，編著者對此不勝感激。

內(nèi)容概要

本書是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材。講述材料中的主要物理現(xiàn)象及其本質(zhì)機(jī)理和應(yīng)用。全書共分為十章，分別是：材料的電子理論、材料的晶態(tài)結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、材料的固態(tài)相變、材料的固態(tài)擴(kuò)散、材料的電學(xué)性能、材料的磁學(xué)性能、材料的熱學(xué)性能、材料的力學(xué)性能、材料的光學(xué)性能。為了便于學(xué)習(xí)使用，特在每章后附有思考題和習(xí)題。     本書可作為工科學(xué)校的材料科學(xué)與工程專業(yè)師生的材料物理課程教材，也可作為相近專業(yè)研究生和本科生的教材和參考書以及材料科學(xué)與工程工作者的參考書。

書籍目錄

第1章　材料的電子理論　1.1　波函數(shù)和薛定諤方程　1.2　經(jīng)典統(tǒng)計和量子統(tǒng)計　1.3　自由電子假設(shè)　1.4　能帶理論　思考題和習(xí)題第2章　材料的晶態(tài)結(jié)構(gòu)　2.1　晶體學(xué)基礎(chǔ)　2.2　金屬材料的結(jié)構(gòu)　2.3　陶瓷材料的結(jié)構(gòu)　2.4　低維材料的結(jié)構(gòu)　思考題和習(xí)題第3章　晶體缺陷　3.1　晶體缺陷概述　3.2　點缺陷　3.3　位錯　3.4　面缺陷　思考題和習(xí)題第4章　材料的固態(tài)相變　4.1　固態(tài)相變的概念及分類　4.2　多晶形性轉(zhuǎn)變　4.3　共析轉(zhuǎn)變　4.4　馬氏體轉(zhuǎn)變　4.5　貝氏體轉(zhuǎn)變　4.6　玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變和非晶態(tài)合金　思考題和習(xí)題第5章　材料的固態(tài)擴(kuò)散　5.1　擴(kuò)散動力學(xué)　5.2　擴(kuò)散機(jī)制　5.3　上坡擴(kuò)散　5.4　影響擴(kuò)散的因素　思考題和習(xí)題第6章　材料的電學(xué)性能第7章　材料的磁學(xué)性能第8章　材料的熱學(xué)性能第9章　材料的力學(xué)性能第10章　材料的光學(xué)性能參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解體。生態(tài)平衡失調(diào)的基本標(biāo)志可以從結(jié)構(gòu)和功能兩個方面進(jìn)行度量。（1）生態(tài)平衡失調(diào)的結(jié)構(gòu)標(biāo)志  生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可從另外一種角度劃分為兩級結(jié)構(gòu)水平：一級結(jié)構(gòu)水平是指生態(tài)系統(tǒng)四個基本成分中的生物成分，即生產(chǎn)者、消費者和分解者；二級結(jié)構(gòu)水平是指組成一級結(jié)構(gòu)的劃分及其特征，如生物的種類組成、種群和群落層次及其變化特征等。平衡失調(diào)的生態(tài)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上講就是出現(xiàn)了缺損或變異。當(dāng)外部干擾巨大時，可造成生態(tài)系統(tǒng)一個或幾個組分的缺損而出現(xiàn)一級結(jié)構(gòu)的不完整。如大面積的森林采伐就是典型例子，它不僅可使原有生產(chǎn)者層次的主要種類從系統(tǒng)中消失，而且各級消費者也因棲息地的破壞而被迫遷移或消失，系統(tǒng)內(nèi)的變化也非常激烈。當(dāng)外部干擾還不甚嚴(yán)重時，如林業(yè)中的擇伐、輕度污染的水體等，都可使生態(tài)系統(tǒng)的二級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。二級結(jié)構(gòu)的變化包括物種組成比例的改變、種群數(shù)量的豐度變化、群落垂直分層結(jié)構(gòu)減少等。這些變化又會直接造成營養(yǎng)關(guān)系的破壞，包括分解者種群結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而引起生態(tài)系統(tǒng)的功能受阻或功能下降。水域生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)的過度捕撈、草原過度放牧造成的退化等都屬這方面的例證。二級結(jié)構(gòu)水平的改變雖不如一級結(jié)構(gòu)破壞的影響劇烈，但結(jié)果也是生態(tài)多樣性減少，系統(tǒng)趨于“生態(tài)單一化”，干擾若進(jìn)一步加重也同樣會造成生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。（2）生態(tài)平衡失調(diào)的功能標(biāo)志  生態(tài)系統(tǒng)平衡失調(diào)在功能上的反映就是能量流動在系統(tǒng)內(nèi)的某一個營養(yǎng)層次上受阻或物質(zhì)循環(huán)正常途徑的中斷。能流受阻表現(xiàn)為初級生產(chǎn)者第一性生產(chǎn)力下降和能量轉(zhuǎn)化效率降低或“無效能”增加。營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)則表現(xiàn)為庫與庫之間的輸入與輸出的比例失調(diào)。如水域生態(tài)系統(tǒng)中懸浮物的增加，可影響水體藻類的光合作用；重金屬污染可抑制藻類的某些生理功能。有些污染雖不能使生產(chǎn)者第一性生產(chǎn)量減少，但卻會因生境的不適宜或餌料價值的降低，使消費者的種類或數(shù)量減少，造成營養(yǎng)層次間能量轉(zhuǎn)化和利用效率的降低。例如，熱污染水體因增溫影響，藍(lán)、綠藻種類和數(shù)量明顯增加，就初級生產(chǎn)力而言，除極端情況（高溫季節(jié)）外均有所提高，但因魚類對高溫的回避或餌料質(zhì)量的下降，魚產(chǎn)量并不增高，在局部時空出現(xiàn)了大量的“無效能”。這是食物鏈關(guān)系被打亂的結(jié)果。物質(zhì)循環(huán)途徑的中斷是目前許多生態(tài)系統(tǒng)平衡失調(diào)的主要原因。這種中斷有的是由于分解者的生境被污染而使大部分喪失了其分解功能，更多的則是由于破壞了正常的循環(huán)過程。如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物秸稈被用作燃料、草原上的枯枝落葉被人工撿回作燒柴等。物質(zhì)輸入輸出比例的失調(diào)是使生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)功能失調(diào)的重要因素。如某些污染物的排放超過了水體的自凈能力而積累于系統(tǒng)之中。這些物質(zhì)的不斷釋放又反過來危害著系統(tǒng)正常結(jié)構(gòu)的恢復(fù)。汞污染就是一個很典型的例子。信息系統(tǒng)的破壞也會導(dǎo)致生態(tài)失衡。生物與生物之間彼此靠信息聯(lián)系，才能保持其集群性和正常的繁衍。人為向環(huán)境中施放某種物質(zhì)，干擾或破壞了生物間的信息聯(lián)系，就有可能使生態(tài)平衡失調(diào)或遭受破壞。例如自然界中有許多雌性昆蟲靠分泌釋放性外激素引誘同種雄性成蟲前來交尾，如果人們向大氣中排放的污染物能與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則性外激素就失去了引誘雄蟲的生理活性，結(jié)果勢必影響昆蟲交尾和繁殖，最后導(dǎo)致種群數(shù)量下降甚至消失。2.生態(tài)系統(tǒng)平衡的調(diào)節(jié)機(jī)制生態(tài)系統(tǒng)平衡的調(diào)節(jié)主要是通過系統(tǒng)的功能組分冗余機(jī)制、反饋機(jī)制、抵抗力和恢復(fù)力實現(xiàn)的。這是自然生態(tài)系統(tǒng)形成的一種發(fā)展過程中趨于穩(wěn)定、干擾中維持不變、受破壞后迅速恢復(fù)的穩(wěn)定性機(jī)制。人為恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)和控制，有助于平衡的維持和恢復(fù)。（1）系統(tǒng)的功能組分冗余在一個系統(tǒng)中，具有同一功能的組分?jǐn)?shù)量超過必需的數(shù)量，處于備用狀態(tài)，稱為系統(tǒng)的功能組分冗余。生態(tài)系統(tǒng)中有很多綠色植物種類，每一個植物種類當(dāng)中又有很多個體，每個個體的繁殖潛力又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自身更替的需要。

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《材料物理》可作為工科學(xué)校的材料科學(xué)與工程專業(yè)師生的材料物理課程教材，也可作為相近專業(yè)研究生和本科生的教材和參考書以及材料科學(xué)與工程工作者的參考書。

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