材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)

前言

材料科學(xué)是20世紀(jì)60年代初期創(chuàng)立的研究材料共性規(guī)律的一門科學(xué)，其研究內(nèi)容涉及金屬、無機(jī)非金屬、有機(jī)高分子等材料的成分、結(jié)構(gòu)、加工同材料性能及材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系。由于材料的獲得、質(zhì)量的改進(jìn)與使材料成為人們可用的器件或構(gòu)件都離不開生產(chǎn)工藝、制造技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等工程知識，所以，人們往往把“材料科學(xué)”與“工程”相提并論，而稱為“材料科學(xué)與工程”。國外大學(xué)的工學(xué)院已廣泛把材料科學(xué)與工程作為大學(xué)低年級的一門公共必修課。 四川大學(xué)(原成都科技大學(xué))高分子材料系自1989年始，按照教育部教學(xué)改革的方針，為培養(yǎng)知識面廣、適應(yīng)面寬、基礎(chǔ)扎實(shí)的高分子材料高級專業(yè)人才，在本科生專業(yè)主干課程《高分子材料導(dǎo)論》中講授材料科學(xué)與工程的基本原理，并于1996年正式開設(shè)《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)》課程。在由四川大學(xué)牽頭，北京化工大學(xué)、華東理工大學(xué)、東北大學(xué)、武漢工業(yè)大學(xué)主持，東華大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)參加的國家教育部面向21世紀(jì)高等工程教育教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃《材料類專業(yè)人才培養(yǎng)方案及教學(xué)內(nèi)容體系改革的研究與實(shí)踐》項(xiàng)目的五年研究中，項(xiàng)目組各校共同認(rèn)識到：現(xiàn)代材料工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展正推動(dòng)著各類材料從多樣化和單一性走向一體化和復(fù)合化；培養(yǎng)既掌握材料科學(xué)與工程基本原理，又通曉某一類材料制備與加工、組成與結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用系統(tǒng)知識的寬專業(yè)人才，是21世紀(jì)材料類專業(yè)人才培養(yǎng)思路的重要內(nèi)容。為此，決定設(shè)置材料科學(xué)與工程一級學(xué)科平臺課程三門，并編寫相應(yīng)教材?！恫牧峡茖W(xué)與工程基礎(chǔ)》正是其中之一，該教材由四川大學(xué)主編，武漢工業(yè)大學(xué)和東華大學(xué)參編，教育部批準(zhǔn)列入“面向21世紀(jì)課程教材”出版。 本書編寫從材料科學(xué)與工程的基本原理出發(fā)，力求較全面地說明各種材料的共性規(guī)律及金屬材料、無機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料的個(gè)性特點(diǎn)和多種組分復(fù)合體系的基本特征。本著材料科學(xué)的范疇，以物質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，按照從微觀到宏觀、從內(nèi)部到表面、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從單組分到多組分的順序，闡述原子結(jié)構(gòu)、原子間相互作用和結(jié)合方式，與固體內(nèi)部和表面原子的空間排列狀態(tài)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及變化規(guī)律之間的相互關(guān)系，使學(xué)生對材料組成(成分)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系有較系統(tǒng)、深刻的理解。從材料的組成(成分)入手，詳細(xì)闡述高分子材料、金屬材料和無機(jī)非金屬材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和宏觀組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；詳細(xì)闡述由特性不同的各類材料相互復(fù)合而成的納米級、微米級、粒子填充、纖維增強(qiáng)等復(fù)合材料的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)以及界面結(jié)構(gòu)，使學(xué)生較系統(tǒng)地掌握不同類型材料從微觀到宏觀的結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)。本著材料科學(xué)的基本原理與材料的工程應(yīng)用相結(jié)合，用大量篇幅闡明了在應(yīng)力、熱、電、光、磁、化學(xué)介質(zhì)、氧等外界因素的作用下，各類材料所表現(xiàn)出來的宏觀性質(zhì)、破壞形式、及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律；講述各類宏觀物理性質(zhì)的定義及測試和評價(jià)方法。使學(xué)生掌握材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的基本規(guī)律，了解不同類材料的結(jié)構(gòu)與性能特征，為材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。并從原料出發(fā)，簡要地講述材料的制備原理和主要方法，及由各種材料的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，講述其加工行為和主要加工方法，使學(xué)生在材料工程的基礎(chǔ)上，建立材料制備加工結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的整體概念。本書在編寫中注意引入材料科學(xué)中的新原理和新方法，例如在第4章增加了“納米材料及效應(yīng)”一節(jié)，以便學(xué)生對材料科學(xué)與工程發(fā)展中的前沿領(lǐng)域有一定的初步了解。 本書由顧宜、尹光福、淡宜、曾光廷、湯嘉陵、趙長生、蔡緒伏(四川大學(xué))、沈新元(東華大學(xué))和黃學(xué)輝(武漢工業(yè)大學(xué))編寫。以顧宜和樊渝江1996年編寫的《高分子材料導(dǎo)論(上冊)》為藍(lán)本，由顧宜提出編寫大綱和統(tǒng)稿。編寫分工為：顧宜(第1章、第2章21、23、251、252、264、27、28、第4章42)，黃學(xué)輝(第2章22、24、253、26、284)，沈新元(第4章43、44、45)，淡宜(第3章31、32，第5章513)，尹光福(第3章34、第5章512)，曾光廷(第3章33、第5章511、521)，湯嘉陵(第3章35、第4章47、48)，趙長生(第4章41、46)，蔡緒伏(第5章522)。王勁協(xié)助編寫習(xí)題和制圖。 該書稿于2000年12月匯稿并印制講義供四川大學(xué)材料工程類專業(yè)九九級學(xué)生試用一屆后進(jìn)行了修改并編寫習(xí)題。材料科學(xué)與工程所涉及的學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，囿于我們的專業(yè)范圍和知識水平，難免存在較多誤漏，祈望讀者指正，以利進(jìn)一步修訂。在此，對教育部領(lǐng)導(dǎo)，對支持本書編寫的四川大學(xué)、武漢工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)以及北京化工大學(xué)、華東理工大學(xué)、東北大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)、同仁表示深切的謝意。 編者 2001年8月   第二版前言 由四川大學(xué)主編的《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)》教材于2002年4月正式出版發(fā)行，之后多次重印，在多個(gè)學(xué)校獲得使用。自2001年以來，四川大學(xué)對《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)》課程進(jìn)行了一系列改革，于2004年評為國家級精品課程，2006年《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)》教材列入“十一五”國家級規(guī)劃教材進(jìn)行修訂。在課程建設(shè)過程中，我們引進(jìn)了WilliamDCallister，Jr編寫的《FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering，(FifthEdition)》(2001，JohnWiley＆Sons，Inc，NewYork)，將中英文教材的內(nèi)容相結(jié)合，組織實(shí)施“雙語”教學(xué)，建立了新的課程體系，編寫了相應(yīng)的講義、課件、習(xí)題集；并在多年教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，按照新的課程內(nèi)容體系完成了教材的修訂。 目前，國內(nèi)外有關(guān)《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)》類的教材從內(nèi)容體系上主要有兩大系列，一是傳統(tǒng)的模式，將金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料等三大類材料分別按照結(jié)構(gòu)、特征和性質(zhì)進(jìn)行討論，另一種是現(xiàn)代的、集成化的模式，將三大類材料整合在一起，討論材料的結(jié)構(gòu)、特征和性質(zhì)的共性規(guī)律和個(gè)性特征。由四川大學(xué)主持編寫、于2002年出版的《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)》教材，正是一本按集成化方式編寫的教材。該教材的內(nèi)容體系由我們獨(dú)立創(chuàng)建，但與英文教材(FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering，F(xiàn)ifthEdition，WilliamDCallister，Jr，)不謀而合。WilliamDCallister，Jr教授先后編寫了FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering教材五個(gè)版本，前四個(gè)版本都是按傳統(tǒng)的模式編寫的。在多年教學(xué)總結(jié)的基礎(chǔ)上，他從更有利于教和學(xué)的角度，按照集成化的模式編寫了第五版教材，受到了廣泛的歡迎。 與2002年版教材相比，修訂版的《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)》教材發(fā)生了一些顯著的變化。通過刪減一些不必要的內(nèi)容和融入國外同類高水平教材部分內(nèi)容，進(jìn)一步完善了教材內(nèi)容，使之更具先進(jìn)性、科學(xué)性、系統(tǒng)性和適應(yīng)性：通過增設(shè)教學(xué)例題和進(jìn)一步豐富習(xí)題和思考題，更有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解教學(xué)內(nèi)容；通過在每一章節(jié)后添加一些小故事，介紹材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中的著名科學(xué)家、高新技術(shù)領(lǐng)域的新材料，可擴(kuò)展學(xué)生的知識面、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。 修訂工作以國家精品課程的課堂講義內(nèi)容為主線，以2002年版教材為藍(lán)本，由顧宜和趙長生提出修訂大綱并統(tǒng)稿，其中部分章節(jié)內(nèi)容變動(dòng)較大，部分章節(jié)未作變動(dòng)。修訂分工為：顧宜(第1章，第2章21、22、23、24、27，第3章31、32、33、34，第4章42，第5章51、521)；謝邦互(第2章25、26、28)；趙長生(第4章41、46)；湯嘉陵(第3章35，第4章47、48)；沈新元(第4章43、44、45)；蔡緒伏(第5章522)；李曹(習(xí)題和小故事)。 雖然該修訂教材內(nèi)容已經(jīng)過多年教學(xué)實(shí)踐不斷完善，但是材料科學(xué)與工程所涉及的學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，囿于我們的專業(yè)范圍和知識水平，仍難免存在不少錯(cuò)誤，敬請各位同仁批評指正。 編者 2010年12月

內(nèi)容概要

本書是“十一五”國家級規(guī)劃教材，是教育部“面向21世紀(jì)課程教材”的修訂版本。
本書共分5章。緒論、材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、材料組成與結(jié)構(gòu)、材料的性能、材料的制備與成型加工。從材料科學(xué)與工程的基本原理出發(fā)，綜合介紹了各種材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝、性能及應(yīng)用的共性規(guī)律及金屬材料、無機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料的個(gè)性特點(diǎn)和多種組分復(fù)合體系的基本特征。
本書供材料類專業(yè)本科學(xué)生使用，可供研究生、教師和工程技術(shù)人員閱讀參考，也可供其他與材料專業(yè)相關(guān)的學(xué)生選讀。

書籍目錄

第1章緒論1
1 1材料的定義、分類及基本性質(zhì)1
1 1 1金屬材料1
1 1 2無機(jī)非金屬材料2
1 1 3高分子材料3
1 1 4復(fù)合材料3
1 2材料科學(xué)與工程概述4
1 2 1材料科學(xué)的由來4
1 2 2材料科學(xué)與工程的性質(zhì)與范圍5
1 2 3材料科學(xué)在工程中的作用6
第2章材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)9
2 1物質(zhì)的組成、狀態(tài)及材料結(jié)構(gòu)9
2 1 1物質(zhì)的組成和狀態(tài)9
2 1 2材料結(jié)構(gòu)的含義10
2 2材料的原子結(jié)構(gòu)11
2 2 1量子力學(xué)的幾個(gè)基本概念12
2 2 2原子核結(jié)構(gòu)14
2 2 3原子核外電子14
2 3原子之間相互作用和結(jié)合19
2 3 1基本結(jié)合（化學(xué)鍵合）20
2 3 2派生結(jié)合（物理鍵合）23
2 3 3各種鍵性的比較25
2 3 4原子間距和空間排列25
2 4多原子體系中電子的相互作用與穩(wěn)定性29
2 4 1雜化軌道和分子軌道理論30
2 4 2費(fèi)米能級34
2 4 3固體中的能帶36
2 5固體中的原子有序39
2 5 1結(jié)晶體的特點(diǎn)與晶體的性質(zhì)39
2 5 2晶體幾何學(xué)基礎(chǔ)39
2 5 3晶體的類型51
2 6固體中的原子無序60
2 6 1固溶體60
2 6 2晶體結(jié)構(gòu)缺陷64
2 6 3非晶體71
2 6 4擴(kuò)散74
2 7固體中的轉(zhuǎn)變81
2 7 1固體中的轉(zhuǎn)變類型82
2 7 2平衡和相變83
2 7 3相圖86
2 8固體的表面結(jié)構(gòu)94
2 8 1表面力和表面力場94
2 8 2表面能和表面張力95
2 8 3表面結(jié)構(gòu)及幾何形狀96
2 8 4固體表面的特性97
第3章材料組成與結(jié)構(gòu)105
3 1材料組成和結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容105
3 2金屬材料的組成與結(jié)構(gòu)105
3 2 1金屬材料105
3 2 2合金材料108
3 2 3鐵碳合金的基本知識110
3 2 4非鐵金屬及合金120
3 2 5非晶態(tài)合金121
3 2 6金屬材料的再結(jié)晶122
3 3無機(jī)非金屬材料的組成與結(jié)構(gòu)124
3 3 1無機(jī)非金屬材料的組成與結(jié)合鍵124
3 3 2無機(jī)非金屬材料中的簡單晶體結(jié)構(gòu)125
3 3 3硅酸鹽結(jié)構(gòu)130
3 3 4無機(jī)非金屬材料的非晶體結(jié)構(gòu)134
3 3 5陶瓷140
3 3 6碳化合物141
3 4高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)145
3 4 1高分子材料組成和結(jié)構(gòu)的基本特征145
3 4 2高分子鏈的組成和結(jié)構(gòu)146
3 4 3高分子鏈的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)153
3 4 4高分子材料的組成和織態(tài)結(jié)構(gòu)及微區(qū)結(jié)構(gòu)163
3 4 5聚合物共混材料166
3 5復(fù)合材料的組成與結(jié)構(gòu)170
3 5 1復(fù)合材料定義及分類170
3 5 2復(fù)合材料的組成171
3 5 3復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)174
3 5 4復(fù)合材料的界面174
第4章材料的性能186
4 1固體材料的力學(xué)性能186
4 1 1材料的力學(xué)狀態(tài)186
4 1 2應(yīng)力和應(yīng)變189
4 1 3彈性形變192
4 1 4永久形變202
4 1 5強(qiáng)度、斷裂及斷裂韌性207
4 1 6硬度225
4 1 7摩擦和磨損229
4 1 8疲勞235
4 2材料的熱性能239
4 2 1熱導(dǎo)率和比熱容239
4 2 2熱膨脹性243
4 2 3耐熱性245
4 2 4熱穩(wěn)定性246
4 2 5高分子材料的燃燒特性247
4 3材料的電學(xué)性能250
4 3 1電導(dǎo)率和電阻率251
4 3 2材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性254
4 3 3材料的超導(dǎo)電性264
4 3 4材料的介電性266
4 4材料的磁學(xué)性能272
4 4 1物質(zhì)的磁性272
4 4 2磁疇與磁滯回線276
4 4 3金屬材料的磁學(xué)性能278
4 4 4非金屬材料的磁學(xué)性能280
4 4 5高分子材料的磁學(xué)性能283
4 5材料的光學(xué)性能284
4 5 1電磁輻射及其與原子的相互作用284
4 5 2反射、吸收和透射285
4 5 3材料的光學(xué)性質(zhì)291
4 5 4旋光性及非線性光學(xué)性292
4 5 5光澤293
4 5 6發(fā)光294
4 5 7光敏性295
4 6材料的耐腐蝕性296
4 6 1物理腐蝕297
4 6 2化學(xué)腐蝕299
4 6 3電化學(xué)腐蝕306
4 7復(fù)合材料的性能309
4 7 1復(fù)合材料的特性309
4 7 2復(fù)合材料性質(zhì)的復(fù)合效應(yīng)310
4 7 3復(fù)合材料的力學(xué)性能314
4 8納米材料及效應(yīng)321
4 8 1納米材料的結(jié)構(gòu)321
4 8 2納米材料的基本物理效應(yīng)325
4 8 3納米材料的應(yīng)用327
第5章材料的制備與成型加工336
5 1材料制備原理及方法336
5 1 1金屬材料的制備336
5 1 2無機(jī)非金屬材料的制備343
5 1 3高分子材料的制備359
5 2材料的成型加工性364
5 2 1金屬材料的加工工藝性364
5 2 2聚合物的成型加工特性及成型加工方法372
參考文獻(xiàn)392

編輯推薦

由顧宜和趙長生主編的《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)(第二版)》從材料科學(xué)與工程的基本原理出發(fā)，力求較全面地說明各種材料的共性規(guī)律及金屬材料、無機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料的個(gè)性特點(diǎn)和多種組分復(fù)合體系的基本特征。本著材料科學(xué)的范疇，以物質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，按照從微觀到宏觀、從內(nèi)部到表面、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從單組分到多組分的順序，闡述原子結(jié)構(gòu)、原子間相互作用和結(jié)合方式，與固體內(nèi)部和表面原子的空間排列狀態(tài)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及變化規(guī)律之間的相互關(guān)系，使學(xué)生對材料組成(成分)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系有較系統(tǒng)、深刻的理解。

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