材料物理概論

前言

　　材料物理學是利用物理理論來闡明材料中的種種現(xiàn)象和轉(zhuǎn)變規(guī)律的學科，是介于物理學與材料學之間的一門邊緣學科。如果說材料學是研究材料的結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)用的一門學科，提出材料是什么的問題，則材料物理回答的是為什么的問題。材料物理從物理學的一些基本概念和理論出發(fā)，研究材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和狀態(tài)、物理性能和化學成分及其相互關(guān)系，闡述材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和它們在各種外界條件下的變化規(guī)律，進而指導材料科學研究和發(fā)展?！　」P者的教學實踐表明，讓學生充分了解材料物理的基礎(chǔ)理論，對他們迅速有效地掌握材料物理領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)，并運用基礎(chǔ)理論去分析問題和解決問題十分重要?！　∫虼耍榻B材料物理基本理論，闡述材料的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系構(gòu)成了本書的基礎(chǔ)?！　”緯紫冉榻B量子理論和固體物理基礎(chǔ)，晶體材料的結(jié)構(gòu)和性能、結(jié)構(gòu)缺陷、擴散、合金相與相變等基本理論。這些內(nèi)容是準確理解目前材料的性能和未來材料領(lǐng)域發(fā)展的重要理論，是近代物理知識欠缺的讀者很好的補充。對于抽象和不易理解的理論，本書省去了復雜的數(shù)學公式推導過程。接著是關(guān)于材料的力學性能和組織結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，強調(diào)從半定量上理解材料宏觀性能與微結(jié)構(gòu)關(guān)系及其物理本質(zhì)，包括材料的形變、斷裂、蠕變和疲勞特性等。后一部分介紹了材料物理領(lǐng)域的一些重要分支或現(xiàn)象，包括材料的表面和界面、半導體等內(nèi)容，敘述了相關(guān)的物理理論及其與微結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的物理本質(zhì)?！　”緯w內(nèi)容較多，在基礎(chǔ)理論的深度和涉及材料領(lǐng)域廣度上都有所拓展，同時注意介紹材料物理理論的新發(fā)展；語言表達通俗易懂，　　理論內(nèi)容敘述簡潔明了，省略繁復的數(shù)學公式；內(nèi)容安排上，各章節(jié)內(nèi)容相對獨立，以便于不同讀者的需要?！　”緯勺鳛榇蟛牧蠈I(yè)的高年級本科生或研究生專業(yè)基礎(chǔ)課教材，也是材料領(lǐng)域科技工作者的常備參考書?！　”本┛萍即髮W材料物理系于廣華教授、廣西大學材料學院沈曉明教授分別審閱了本書的部分內(nèi)容。課題組研究生參與了部分內(nèi)容的文字和繪圖工作，在此一并表示感謝?！　”緯鴩L試了大跨度材料物理教材編寫，由于認知的局限性，難免存在不足之處，請讀者和相關(guān)專家學者提出寶貴意見。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地介紹了晶體材料的結(jié)構(gòu)和性能、結(jié)構(gòu)缺陷、擴散、合金相與相變等基本理論，材料力學性能和組織結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，相關(guān)的物理理論及其與微結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的物理本質(zhì)等內(nèi)容。本書涵蓋內(nèi)容全面，理論內(nèi)容敘述簡潔明了，各章節(jié)內(nèi)容相對獨立。     本書可作為材料領(lǐng)域高年級學生或研究生的教材，也可供相關(guān)專業(yè)的技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章　固體的晶體結(jié)構(gòu) 　1.1　晶體結(jié)構(gòu)及其特性 　　1.1.1　晶體的概念 　　1.1.2　晶體的特性 　1.2　晶體結(jié)構(gòu)的周期性 　　1.2.1　空間點陣 　　1.2.2　晶胞和原胞 　1.3　晶體結(jié)構(gòu)的對稱性 　　1.3.1　基本對稱操作 　　1.3.2　晶系 　1.4　晶體結(jié)構(gòu)的表征 　　1.4.1　晶列和晶向指數(shù) 　　1.4.2　晶面指數(shù) 　　1.4.3　六方晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 　1.5　常見晶體結(jié)構(gòu) 　1.6　實際晶體的結(jié)構(gòu)特征 　　1.6.1　晶體的各向異性 　　1.6.2　多晶型性 　1.7　倒易點陣 　　1.7.1　倒格子基矢定義 　　　1.7.2　倒格子的性質(zhì) 　　1.7.3　晶面間距、晶面和晶向夾角 第2章　量子理論的建立 　2.1　量子觀點的形成——量子化概念 　　2.1.1　普朗克量子論 　　2.1.2　愛因斯坦的光量子論 　　2.1.3　玻爾的量子論 　2.2　波粒二相性——物質(zhì)波及其物理意義 　　2.2.1　德布羅意物質(zhì)波 　　2.2.2　波函數(shù)及其性質(zhì) 　　2.2.3　量子力學建立 　2.3　測不準關(guān)系 　2.4　薛定諤方程 　　2.4.1　薛定諤方程及力學量 　　2.4.2　薛定諤方程物理意義討論 　2.5　薛定諤方程應(yīng)用舉例 　2.6　經(jīng)典價鍵理論及其意義 　　2.6.1　元素周期表和原子軌道理論的合理性 　　2.6.2　經(jīng)典晶體結(jié)合的基本價鍵理論 第3章　固體能帶理論基礎(chǔ) 　3.1　固體中的電子狀態(tài)和能帶的形成 　3.2　周期勢場中的電子狀態(tài)和能帶結(jié)構(gòu) 　3.3　布里淵區(qū)和能帶理論 　3.4　導體、半導體和絕緣體 　3.5　能帶理論意義及其局限性 第4章　晶體的結(jié)構(gòu)缺陷及其運動 　4.1　點缺陷 　　4.1.1　點缺陷結(jié)構(gòu) 　　4.1.2　點缺陷的能量和運動 　　4.1.3　點缺陷的運動 　　4.1.4　熱平衡點缺陷 　　4.1.5　熱力學非平衡條件下的點缺陷 　4.2　位錯 　　4.2.1　位錯結(jié)構(gòu) 　　4.2.2　位錯的結(jié)構(gòu)特征 　　4.2.3　位錯的應(yīng)力場 　　4.2.4　位錯的運動 　4.3　位錯和缺陷相互作用 　　4.3.1　位錯和點缺陷間相互作用 　　4.3.2　位錯和位錯的相互作用 　4.4　晶體中位錯的產(chǎn)生及其觀察 　　4.4.1　位錯的產(chǎn)生和消失 　　4.4.2　位錯的增殖 　4.5　常見晶體中的特殊位錯結(jié)構(gòu) 　　4.5.1　面心立方晶體中的位錯 　　4.5.2　體心立方體晶體中的位錯 　　4.5.3　密排六方結(jié)構(gòu)晶體中的位錯 　4.6　晶界和相界 　　4.6.1　晶界 　　4.6.2　相界 第5章　固體表面和界面結(jié)構(gòu)與特性 　5.1　固體表面和界面結(jié)構(gòu) 　　5.1.1　固體表面結(jié)構(gòu) 　　5.1.2　理想表面結(jié)構(gòu) 　　5.1.3　清潔表面結(jié)構(gòu) 　　5.1.4　實際表面結(jié)構(gòu) 　5.2　吸附和偏析 　　5.2.1　吸附 　　5.2.2　偏析 第6章　合金熱力學基礎(chǔ) 　6.1　熱力學的基本概念 　　……第7章　合金相與相圖 第8章　固體中的擴散 第9章　相變 第10章　晶體的塑性形變和再結(jié)晶 第11章　材料的強化 第12章　斷裂 第13章　疲勞 第14章　蠕變 第15章　晶格振動和材料的熱學性質(zhì)第16章　固體材料的電學性質(zhì) 第17章　材料的磁學特性 第18章　半導體中的電子狀態(tài)及其界面特性第19章　納米材料與非晶 思考與習題 參考文獻

章節(jié)摘錄

　?。?）固定熔點　　晶體具有固定的熔點。當加熱晶體到某一特定的溫度時，晶體開始熔化，且在熔化過程中保持溫度不變，直至晶體全部熔化后，溫度才又開始上升。如硅單晶的熔點是1420℃，而玻璃等非晶體在加熱過程中，隨著溫度升高，首先變軟，然后逐漸熔化為液體。也就是說，非晶體沒有固定的熔點，只是在某一溫度范圍內(nèi)發(fā)生軟化，這個范圍稱為軟化區(qū)，開始軟化的溫度叫軟化點。實驗表明：從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)要吸熱，所以晶體的內(nèi)能最小。即具有相同化學成分的晶體與非晶體相比，在相同的熱力學條件下，晶體是穩(wěn)定的，非晶體是不穩(wěn)定的，非晶體具有向晶體自發(fā)轉(zhuǎn)變的趨勢?！　。?）各向異性　　晶體的力學和物理性質(zhì)隨觀測方向而變化的現(xiàn)象稱為各向異性。晶體的很多宏觀性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性，包括電導率、磁化率、熱傳導、折射率等物理性質(zhì)，以及強度、硬度等力學性能差異?！　。?）對稱性晶體的宏觀特性在一些特定的方向可以是異向同性的，這種相同的宏觀性能在不同方向上有規(guī)律重復出現(xiàn)的現(xiàn)象稱為晶體的對稱性。晶體的對稱性表現(xiàn)在晶體的幾何對稱性和物理性質(zhì)兩個方面。

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