材料科學(xué)基礎(chǔ)

前言

　　材料科學(xué)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝與材料性能和應(yīng)用之間相互關(guān)系的科學(xué)，它對(duì)生產(chǎn)、使用和發(fā)展材料具有指導(dǎo)意義。材料對(duì)人類歷史的進(jìn)展起著重要的作用，人類使用材料已有悠久的歷史，隨著人類文明和生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)材料的要求不斷增加和提高，于是由采用天然材料進(jìn)而為加工制作，再發(fā)展為研制合成。在近代科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，材料的品種日益增多，不同效能的新材料不斷涌現(xiàn)，原有材料的性能也更為改善與提高、力求滿足各種使用要求，故材料科學(xué)又成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)的支柱。在材料科學(xué)發(fā)展過程中，為了改善材料的質(zhì)量、提高其性能、擴(kuò)大品種、研究開發(fā)新型材料，人們必須加深對(duì)材料的認(rèn)識(shí)，從理論上闡明其本質(zhì)，掌握其規(guī)律，以此指導(dǎo)實(shí)踐。通過從其他學(xué)科如物理、化學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)等領(lǐng)域吸取有關(guān)的理論基礎(chǔ)，進(jìn)行彼此間的交叉滲透，并應(yīng)用各種實(shí)驗(yàn)手段從宏觀現(xiàn)象到微觀結(jié)構(gòu)作測(cè)試分析，結(jié)合生產(chǎn)和應(yīng)用實(shí)踐，予以分析歸納、總結(jié)深化，取得了材料理論的迅速進(jìn)展。但原先由于所用原料及制備過程的不同，通常把材料歸類為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料等類型，故材料理論的發(fā)展也分別有金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子物理學(xué)等范疇。隨著認(rèn)識(shí)的提高和深入，人們發(fā)現(xiàn)不同類型的材料雖各有其特點(diǎn)，卻有許多共性和相通之處，它們的微觀特性和宏觀規(guī)律能以統(tǒng)一的理論來概括，于是就逐漸形成材料科學(xué)這門新興學(xué)科?！　W(xué)科的發(fā)展必然帶來教學(xué)體系的相應(yīng)變化，自20世紀(jì)60年代起，美國(guó)高校開始出現(xiàn)以“材料科學(xué)與工程”系取代原先冶金系的變革，將專業(yè)范圍由金屬擴(kuò)大到陶瓷，并進(jìn)一步包含高分子材料。這些年來，這一變革逐漸為國(guó)際同行所認(rèn)同，紛紛相繼成立這方面的系或?qū)I(yè)，我國(guó)也于20世紀(jì)80年代初經(jīng)國(guó)家教委決定試辦材料科學(xué)專業(yè)，以此與國(guó)際接軌。近年教育部已將材料科學(xué)與工程定為一級(jí)學(xué)科，這是材料學(xué)科發(fā)展的必然方向，是適應(yīng)21世紀(jì)對(duì)材料領(lǐng)域?qū)ｉT人才需求的必要措施。針對(duì)上述情況，作為專業(yè)基礎(chǔ)理論的課程“材料科學(xué)基礎(chǔ)”迫切需要適用的教材以解決教學(xué)之需。本書是根據(jù)上海市普通高?！熬盼濉敝攸c(diǎn)教材建設(shè)計(jì)劃所提出的任務(wù)而編寫的。其意圖是改革傳統(tǒng)的按材料分類的專業(yè)理論基礎(chǔ)，拓寬專業(yè)面，將原先限于各自范疇的內(nèi)容在共同的基礎(chǔ)上融合為一體。其編寫原則是從教學(xué)要求出發(fā)，著重于基本概念和基礎(chǔ)理論，適當(dāng)?shù)卣莆諆?nèi)容的深度和廣度，要求科學(xué)性、先進(jìn)性和實(shí)用性，并引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用理論以解決材料工程的實(shí)際問題。

內(nèi)容概要

　　材料科學(xué)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝與材料性能和應(yīng)用之間相互關(guān)系的新興學(xué)科，它將金屬、陶瓷、高分子等不同材料的微觀特性和宏觀規(guī)律建立在共同的理論基礎(chǔ)上，對(duì)生產(chǎn)、使用和發(fā)展材料具有指導(dǎo)意義。本書是材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)理論教材，屬上海市普通高?！熬盼濉敝攸c(diǎn)教材建設(shè)項(xiàng)目，列入“2003年度國(guó)家精品課程”。其內(nèi)容包括：材料的微觀結(jié)構(gòu)，晶體缺陷，原子及分子的運(yùn)動(dòng)，材料的范性形變和再結(jié)晶，相平衡及相圖，材料的亞穩(wěn)態(tài)，材料的物理特性等，著重于基本概念和基礎(chǔ)理論，強(qiáng)調(diào)科學(xué)性、先進(jìn)性和實(shí)用性，介紹材料科學(xué)領(lǐng)域的新發(fā)展，注意應(yīng)用理論于解決實(shí)際問題。本書第二版是在教學(xué)實(shí)踐和學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上，對(duì)第一版內(nèi)容作了適當(dāng)?shù)男薷暮脱a(bǔ)充，以適應(yīng)教學(xué)之需?！　”緯仁遣牧峡茖W(xué)與工程或相關(guān)專業(yè)的教材，也可用作從事材料研究、生產(chǎn)和使用的科研人員和工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

第1章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合　1.1 原子結(jié)構(gòu)　　1.1.1 物質(zhì)的組成　　1.1.2 原子的結(jié)構(gòu)　　1.1.3 原子的電子結(jié)構(gòu)　　1.1.4 元素周期表　1.2 原子間的鍵合　　1.2.1 金屬鍵　　1.2.2 離子鍵　　1.2.3 共價(jià)鍵　　1.2.4 范德瓦耳斯力　　1.2.5 氫鍵　1.3 高分子鏈　　1.3.1 高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)　　1.3.2 高分子鏈的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)第2章 固體結(jié)構(gòu)　2.1 晶體學(xué)基礎(chǔ)　　2.1.1 空間點(diǎn)陣和晶胞　　2.1.2 晶向指數(shù)和晶面指數(shù)　　2.1.3 晶體的對(duì)稱性　　2.1.4 極射投影　　2.1.5 倒易點(diǎn)陣　2.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)　　2.2.1 三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)　　2.2.2 晶體的原子堆垛方式和間隙　　2.2.3 多晶型性　2.3 合金相結(jié)構(gòu)　　2.3.1 固溶體　　2.3.2 中間相　2.4 離子晶體結(jié)構(gòu)　　2.4.1 離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則　　2.4.2 典型的離子晶體結(jié)構(gòu)　　2.4.3 硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)　2.5 共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)　2.6 聚合物的晶態(tài)結(jié)構(gòu)　　2.6.1 聚合物的晶體形態(tài)　　2.6.2 聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)的模型　　2.6.3 聚合物晶體的晶胞結(jié)構(gòu)　2.7 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)第3章 晶體缺陷　3.1 點(diǎn)缺陷　　3.1.1 點(diǎn)缺陷的形成　　3.1.2 點(diǎn)缺陷的平衡濃度　　3.1.3 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)　3.2 位錯(cuò)　　3.2.1 位錯(cuò)的基本類型和特征　　3.2.2 伯氏矢量　　3.2.3 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)　　3.2.4 位錯(cuò)的彈性性質(zhì)　　3.2.5 位錯(cuò)的生成和增殖　　3.2.6 實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)　3.3 表面及界面　　3.3.1 外表面　　3.3.2 晶界和亞晶界　　3.3.3 孿晶界　　3.3.4 相界第4章 固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)　4.1 表象理論　　4.1.1 菲克第一定律　　4.1.2 菲克第二定律　　4.1.3 擴(kuò)散方程的解　　4.1.4 置換型固溶體中的擴(kuò)散　　4.1.5 擴(kuò)散系數(shù)D與濃度相關(guān)時(shí)的求解　4.2 擴(kuò)散的熱力學(xué)分析　4.3 擴(kuò)散的原子理論　　4.3.1 擴(kuò)散機(jī)制　　4.3.2 原子跳躍和擴(kuò)散系數(shù)　4.4 擴(kuò)散激活能　4.5 無規(guī)則行走與擴(kuò)散距離　4.6 影響擴(kuò)散的因素　4.7 反應(yīng)擴(kuò)散　4.8 離子晶體中的擴(kuò)散　4.9 高分子的分子運(yùn)動(dòng)　　4.9.1 分子鏈運(yùn)動(dòng)的起因及其柔順性　　4.9.2 分子的運(yùn)動(dòng)方式及其結(jié)構(gòu)影響因素　　4.9.3 高分子不同力學(xué)狀態(tài)的分子運(yùn)動(dòng)解說第5章 材料的形變和再結(jié)晶第6章 單組元相圖及純晶體的凝固第7章 二元系相圖及其合金的凝固第8章 三元相圖第9章 材料的亞穩(wěn)態(tài)第10章 材料的功能特性參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　在實(shí)際晶體中，由于原子（或離子、分子）的熱運(yùn)動(dòng)，以及晶體的形成條件、冷熱加工過程和其他輻射、雜質(zhì)等因素的影響，實(shí)際晶體中原子的排列不可能那樣規(guī)則、完整，常存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的情況，即晶體缺陷。晶體缺陷對(duì)晶體的性能，特別是對(duì)那些結(jié)構(gòu)敏感的性能，如屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、塑性、電阻率、磁導(dǎo)率等都有很大的影響。另外，晶體缺陷還與擴(kuò)散、相變、塑性變形、再結(jié)晶、氧化、燒結(jié)等有著密切關(guān)系。因此，研究晶體缺陷具有重要的理論與實(shí)際意義。根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可以將它們分為三類：　?。?）點(diǎn)缺陷，其特征是在三維空間的各個(gè)方向上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個(gè)或幾個(gè)原子尺度，故稱零維缺陷，包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子等?！　。?）線缺陷，其特征是在兩個(gè)方向上尺寸很小，另外一個(gè)方向上延伸較長(zhǎng)，也稱一維缺陷，如各類位錯(cuò)。　?。?）面缺陷，其特征是在一個(gè)方向上尺寸很小，另外兩個(gè)方向上擴(kuò)展很大，也稱二維缺陷。晶界、相界、孿晶界和堆垛層錯(cuò)等都屬于面缺陷。在晶體中，這三類缺陷經(jīng)常共存，它們互相聯(lián)系，互相制約，在一定條件下還能互相轉(zhuǎn)化，從而對(duì)晶體性能產(chǎn)生復(fù)雜的影響。下面就分別討論這三類缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展、運(yùn)動(dòng)方式、交互作用，以及與晶體的組織和性能有關(guān)的主要問題。　　3.1點(diǎn)缺陷　　點(diǎn)缺陷是最簡(jiǎn)單的晶體缺陷，它是在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)正常排列的一種缺陷。晶體點(diǎn)缺陷包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子，以及由它們組成的復(fù)雜點(diǎn)缺陷，如空位對(duì)、空位團(tuán)和空位一溶質(zhì)原子對(duì)等。對(duì)于溶質(zhì)原子的問題已在上一章中討論過，故在此主要討論空位和間隙原子?！　?.1.1點(diǎn)缺陷的形成　　在晶體中，位于點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上的原子并非是靜止的，而是以其平衡位置為中心作熱振動(dòng)。原子的振動(dòng)能是按幾率分布，有起伏漲落的。當(dāng)某一原子具有足夠大的振動(dòng)能而使振幅增大到一定限度時(shí)，就可能克服周圍原子對(duì)它的制約作用，跳離其原來的位置，使點(diǎn)陣中形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位。離開平衡位置的原子有三個(gè)去處：一是遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點(diǎn)位置上，而使晶體內(nèi)部留下空位，稱為肖特基（Schottky）缺陷；二是擠入點(diǎn)陣的間隙位置，而在晶體中同時(shí)形成數(shù)目相等的空位和間隙原子，則稱為弗侖克爾（Frenkel）缺陷；三是跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位。另外，在一定條件下，晶體表面上的原子也可能跑到晶體內(nèi)部的間隙位置形成間隙原子，如圖3.1所示。

編輯推薦

　　《材料科學(xué)基礎(chǔ)（第3版）》是面向21世紀(jì)的新教材，2003年度國(guó)家精品課程教材，新世紀(jì)網(wǎng)絡(luò)課程教材。

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