材料科學(xué)基礎(chǔ)

前言

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》為教育部高等教育百門精品課程教材建設(shè)計(jì)劃立項(xiàng)研究項(xiàng)目教材，是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，是配合“材料科學(xué)基礎(chǔ)”國(guó)家級(jí)精品課程（2005年）建設(shè)編寫的教材。該教材是根據(jù)國(guó)家教育部“無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)規(guī)范”的知識(shí)領(lǐng)域、知識(shí)單元要求，參閱“材料科學(xué)與工程專業(yè)規(guī)范”要求，為滿足材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科辦學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)課教學(xué)的實(shí)際需要編寫的。主要從一級(jí)學(xué)科層次闡述材料的組成與結(jié)構(gòu)、制備與加工、性質(zhì)、使用性能等材料科學(xué)與工程主要要素之間的相互關(guān)系及其制約規(guī)律。本教材于2004年8月出版第1版后，經(jīng)過許多兄弟院校廣大師生近四年的教學(xué)使用，結(jié)合高等教育材料科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)改革所取得的階段性成果，吸取廣大讀者反饋的意見，經(jīng)過修訂后于2008年8月出版第2版。教材編寫的宗旨在于：盡力融合二級(jí)學(xué)科——無(wú)機(jī)非金屬材料、金屬材料、高分子材料等材料共性科學(xué)原理和方法，構(gòu)建一級(jí)學(xué)科層次上闡述材料結(jié)構(gòu)（包含電子結(jié)構(gòu)、空間質(zhì)點(diǎn)排列、顯微結(jié)構(gòu)或相結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)層次）、性質(zhì)、性能相互關(guān)系以及靜態(tài)、動(dòng)態(tài)條件下解決材料設(shè)計(jì)、制備、加工等相關(guān)工程問題的科學(xué)基礎(chǔ)；在建立材料領(lǐng)域科學(xué)基礎(chǔ)的同時(shí)，通過科學(xué)思維方法的訓(xùn)練，全面培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)原理解決實(shí)際問題的工程能力；通過教材內(nèi)容的精選與組織，培養(yǎng)材料工作者既注重材料研究與開發(fā)的基礎(chǔ)研發(fā)過程，又重視材料加工與服役中的性能變化及環(huán)境行為效應(yīng)等材料使用過程的綜合素質(zhì)，使學(xué)生成為  能夠理解并調(diào)控材料開發(fā)一服役一消亡的整個(gè)材料循環(huán)過程的綜合型人才。教材編寫的特色如下：1.在知識(shí)體系構(gòu)建方面，教材內(nèi)容較全面地涵蓋了一級(jí)學(xué)科的基本內(nèi)容。如闡述晶體微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，涵蓋了金屬、無(wú)機(jī)非金屬、高分子等典型材料的結(jié)構(gòu)，既闡述不同材料結(jié)構(gòu)上的共性，又突出地闡述無(wú)機(jī)非金屬材料的個(gè)性。在相平衡內(nèi)容組織上，既突出無(wú)機(jī)非金屬材料多相之間的平衡關(guān)系，又兼顧金屬材料問的平衡問題；既描述熱力學(xué)平衡狀態(tài)下的問題，又兼顧非  平衡條件下的顯微結(jié)構(gòu)形成。2.在內(nèi)容組織方面，教材注重科學(xué)原理，強(qiáng)化工程意識(shí)。全書內(nèi)容共性突出，個(gè)性分明，以材料制備及加工過程中的科學(xué)原理及共性規(guī)律為主線，兼顧材料服役中的環(huán)境行為效應(yīng)，使科學(xué)和工程融為一體。3.在知識(shí)推介方面，教材突出認(rèn)識(shí)論的規(guī)律性。遵循從理想到實(shí)際、從規(guī)則到不規(guī)則、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從宏觀到微觀再到宏觀的原則，循序漸進(jìn)地介紹材料的組成、制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與性能的相依性。

內(nèi)容概要

“材料科學(xué)基礎(chǔ)”是高等學(xué)校材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科專業(yè)課程體系中一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程?！恫牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)》是教育都高等教育百門精品課程教材建設(shè)計(jì)劃立項(xiàng)研究項(xiàng)目教材，是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，是“材料科學(xué)基礎(chǔ)”國(guó)家級(jí)精品課程教材。    本書主要從一級(jí)學(xué)科層次上闡述材料的組成與結(jié)構(gòu)、制備與加工、性質(zhì)、使用性能等材料科學(xué)與工程主要要素之間的相互關(guān)系及其制約規(guī)律。全書主要包括12章內(nèi)容：材料引言、晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)缺陷、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、相平衡與相圖、基本動(dòng)力學(xué)過程——擴(kuò)散、材料中的相變、材料制備中的固態(tài)反應(yīng)、燒結(jié)、腐蝕與氧化、疲勞與斷裂等。    本書可供高等學(xué)校材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科（本科）專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程教學(xué)使用，也可作為二級(jí)學(xué)科專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程教材使用，同時(shí)還可作為材料類相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員的閱讀參考書。

作者簡(jiǎn)介

張聯(lián)盟，男，1955年出生，博士，現(xiàn)任武漢理工大學(xué)材料學(xué)科首席教授，博士生導(dǎo)師、副校長(zhǎng)，享受國(guó)務(wù)院政府津貼。1978年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)復(fù)合材料專業(yè)，1986年獲得碩士學(xué)位，1996年獲得日本東北大學(xué)材料學(xué)博士學(xué)位。兼任中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)特種陶瓷分會(huì)副理-事長(zhǎng)、湖北省硅酸鹽學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、教育部材料科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)副主任委員（無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)分委員會(huì)主任委員）、國(guó)際梯度材料學(xué)術(shù)顧問委員會(huì)委員等。主要研究領(lǐng)域與學(xué)術(shù)成就：從事無(wú)機(jī)非金屬材料、梯度功能材料以及復(fù)合新技術(shù)的研究與開發(fā)，1994年至今，多次擔(dān)任梯度功能材料國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議主席，入選國(guó)家“百千萬(wàn)人才工程”第一、二層次人選。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家863高技術(shù)計(jì)劃、國(guó)家軍工配套項(xiàng)目等30余項(xiàng)科研項(xiàng)目。發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，其中150余篇被SCI收錄，出版著作7部，獲得國(guó)家專利7項(xiàng)。先后獲得“湖北省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)”等學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)以及“優(yōu)秀留學(xué)回國(guó)人員”、“湖北省有突出貢獻(xiàn)專家”等光榮稱號(hào)。主持國(guó)家級(jí)、省級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目4項(xiàng)，獲得國(guó)家級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，主編“十五”、“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材2部。擔(dān)任“材料科學(xué)基礎(chǔ)”國(guó)家級(jí)精品課負(fù)責(zé)人、“材料科學(xué)與工程”國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心主任、“材料科學(xué)與工程專業(yè)”國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)帶頭人。黃學(xué)輝，男，1962年10月出生，現(xiàn)任武漢理工大學(xué)三級(jí)教授，材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)助理。1984年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)材料科學(xué)專業(yè)，畢業(yè)后留校，從事材料科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)與科研工作至今。是“材料科學(xué)基礎(chǔ)”國(guó)家級(jí)精品課程、“材料科學(xué)與工程專業(yè)”國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)、“材料科學(xué)與工程”國(guó)家級(jí)特色專業(yè)等教育部教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)項(xiàng)目執(zhí)行負(fù)責(zé)人和骨干成員。主要研究領(lǐng)域與學(xué)術(shù)成就：從事多孔材料制備及其功能效應(yīng)、梯度復(fù)合材料領(lǐng)域的研究。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，被SCI、El、ISTP收錄7篇次；獲得湖北省科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)；已授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利4項(xiàng)。主持或參加教育部世行貸款、教育部“十五”教育科學(xué)規(guī)劃課題、湖北省高等教育教學(xué)改革等項(xiàng)目15項(xiàng)，獲得湖北省高等教育教學(xué)改革成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。主編教育部高等教育百門精品課程教材建設(shè)計(jì)劃立項(xiàng)研究項(xiàng)目教材、普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《材料科學(xué)基礎(chǔ)》1部，《無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)》1部；參編普通高等教育“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《材料學(xué)》、《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)》、《無(wú)機(jī)非金屬材料實(shí)驗(yàn)》等教材3部。主要講授本科生課程：“無(wú)機(jī)材料物理性能”、“非晶態(tài)科學(xué)導(dǎo)論”、“無(wú)機(jī)材料物理化學(xué)”、“材料化學(xué)”和“材料科學(xué)基礎(chǔ)”等；主要講授研究生課程：“高等材料化學(xué)”、“晶體化學(xué)”和“材料動(dòng)力學(xué)”等。宋曉嵐，女，1964年4月出生，湖南省長(zhǎng)沙市人，博士，現(xiàn)任中南大學(xué)教授，資源加工與生物工程學(xué)院副院長(zhǎng)。教育部高校青年骨干教師，湖南省高校青年骨干教師，湖南省新世紀(jì)121人才工程（第二層次）入選者。

書籍目錄

1  材料引言  本章提要  1.1  材料類型    1.1.1  金屬材料    1.1.2  無(wú)機(jī)非金屬材料    1.1.3  有機(jī)高分子材料（聚合物）    1.1.4  復(fù)合材料  1.2  材料組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、工藝及其與環(huán)境的關(guān)系    1.2.1  材料結(jié)構(gòu)層次    1.2.2  工程材料常見性質(zhì)與性能    1.2.3  材料的加工工藝    1.2.4  材料性能的環(huán)境效應(yīng)  1.3  材料的選擇  本章小結(jié)  思考題與習(xí)題2  晶體結(jié)構(gòu)  本章提要  2.1  結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)    2.1.1  空間點(diǎn)陣    2.1.2  結(jié)晶學(xué)指數(shù)    2.1.3  晶向與晶面的關(guān)系、晶帶軸定理  2.2  晶體中質(zhì)點(diǎn)的結(jié)合力與結(jié)合能    2.2.1  晶體中質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力    2.2.2  晶體的結(jié)合力與結(jié)合能  2.3  晶體中質(zhì)點(diǎn)的堆積    2.3.1  最緊密堆積原理與最緊密堆積方式    2.3.2  內(nèi)在因素對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響——化學(xué)組成與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系    2.3.3  外在因素對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響——同質(zhì)多晶與類質(zhì)同晶及晶型轉(zhuǎn)變  2.4  單質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)    2.4.1  金屬晶體的結(jié)構(gòu)    2.4.2  非金屬元素單質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)  2.5  無(wú)機(jī)化合物結(jié)構(gòu)    2.5.1  AX型結(jié)構(gòu)    2.5.2  AX2型結(jié)構(gòu)    2.5.3  A2X3型結(jié)構(gòu)    2.5.4  AX3型和A2X5型結(jié)構(gòu)    2.5.5  ABO3型結(jié)構(gòu)    2.5.6  ABO4型（白鎢礦型）結(jié)構(gòu)及聲先效應(yīng)    2.5.7  AB2O4型（尖晶石，Spinelle）結(jié)構(gòu)    2.5.8  石榴（Garnet）結(jié)構(gòu)    2.5.9  無(wú)機(jī)化合物結(jié)構(gòu)與鮑林規(guī)則（Pauling's Rule）  2.6  硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)    2.6.1  硅酸鹽晶體的組成表征、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分類    2.6.2  島狀結(jié)構(gòu)    2.6.3  組群狀結(jié)構(gòu)    2.6.4  鏈狀結(jié)構(gòu)    2.6.5  層狀結(jié)構(gòu)    2.6.6  架狀結(jié)構(gòu)  2.7  高分子材料結(jié)構(gòu)    2.7.1  高分子的鏈結(jié)構(gòu)    2.7.2  高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)  本章小結(jié)  思考題與習(xí)題3  晶體結(jié)構(gòu)缺陷  本章提要  3.1  晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型    3.1.1  按缺陷的幾何形態(tài)分類    3.1.2  按缺陷產(chǎn)生的原因分類  3.2  點(diǎn)缺陷”    3.2.1  點(diǎn)缺陷的符號(hào)表征——Kroger-Vink符號(hào)    3.2.2  缺陷反應(yīng)表示法    3.2.3  熱缺陷濃度的計(jì)算    3.2.4  熱缺陷在外力作用下的運(yùn)動(dòng)    3.2.5  熱缺陷與晶體的離子導(dǎo)電性  3.3  線缺陷    3.3.1  晶體的塑性和強(qiáng)度    3.3.2  位錯(cuò)的類型    3.3.3  位錯(cuò)的伯格斯矢量及位錯(cuò)的性質(zhì)    3.3.4  位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變能    3.3.5  位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)    3.3.6  位錯(cuò)所受的力    3.3.7  位錯(cuò)的反應(yīng)    3.3.8  位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的交互作用  ……4  非晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)5  表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)6  相平衡和相圖7  基本動(dòng)力學(xué)過程——擴(kuò)散8  材料中的相變9  材料制備中的固態(tài)反應(yīng)10  燒結(jié)11  腐蝕與氧化12  疲勞與斷裂參考文獻(xiàn)附錄

章節(jié)摘錄

插圖：1 材料引言1.3 材料的選擇材料選擇是材料科學(xué)與材料工程的重要使命之一，是材料器件化、產(chǎn)品化的必經(jīng)之路，是工程設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一，會(huì)影響整個(gè)設(shè)計(jì)過程。材料選擇的核心是在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)合理以及環(huán)境協(xié)調(diào)的前提下，使材料的使用性能與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能相適應(yīng)。一方面材料服役于接近失效極限的范圍內(nèi)，安全系數(shù)趨于低值，并盡可能使用高性能的材料和強(qiáng)化技術(shù)；另一方面，在產(chǎn)業(yè)化工藝技術(shù)不夠成熟和完善的情況下，避免盲目使用性能尚未穩(wěn)定的新材料。選用材料的應(yīng)該遵循使用性能、工藝性能、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境協(xié)調(diào)性原則。（1）使用性能原則使用性能是材料在使用過程中，能夠安全可靠地工作所必需具備的性能。它包含材料的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。對(duì)于結(jié)構(gòu)性器件，使用性能中最主要的是材料的力學(xué)性能。因?yàn)橹挥性跐M足力學(xué)性能之后才有可能保證器件正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不致早期失效。工程上經(jīng)常對(duì)金屬材料采用熱處理和冷變形強(qiáng)化工藝，目的就是獲得較高力學(xué)性能。對(duì)于功能性器件，在滿足力學(xué)性能的前提下，重點(diǎn)考慮的是外場(chǎng)作用下特定性能響應(yīng)外場(chǎng)變化的敏感性以及性能的環(huán)境穩(wěn)定性。對(duì)所選材料使用性能的要求是在對(duì)器件工作條件及失效分析的基礎(chǔ)上提出的，這樣才可達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。（2）工藝性能原則從原料到材料、從材料到器件、從器件到產(chǎn)品都要經(jīng)過一系列工藝過程。工藝性能是指材料在不同的制造工藝條件下所表現(xiàn)出的承受加工的能力。它是物理、化學(xué)和力學(xué)性能的綜合。按工藝方法不同，可分為鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理工藝性能和切削加工性能等。 在設(shè)計(jì)器件和選擇工藝方法時(shí)，都應(yīng)考慮材料的工藝性能。例如灰鑄鐵具有良好的鑄造性能和切削加工性能，但不能承受鍛造，而且焊接性也較差，因此它廣泛用于制造形狀復(fù)雜的鑄件；低碳鋼的鍛造性能和焊接性都很好，多用于制造各類鍛壓件和焊接構(gòu)件；高碳鋼的焊接性很差，不宜制作焊接件，卻宜于用作刃具、量具等材料。熱處理工藝性能包括淬透性、淬硬件、變形與開裂、過熱與過燒、回火穩(wěn)定性、氧化等。熱處理工藝性能的好壞，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且是生產(chǎn)中最后一道工序，應(yīng)特別引起重視，否則前功盡棄。對(duì)復(fù)合材料中不同材料的相容性也是不可忽視的，在工程上可采用過渡層來(lái)彌補(bǔ)相容性的不足。材料工藝性能的好壞，在單件或小批量生產(chǎn)時(shí)，并不顯得重要，但在大批量生產(chǎn)條件下希望達(dá)到經(jīng)濟(jì)規(guī)模的要求，往往成為選材中起決定作用的因素之一。另外加工工藝性能好壞也會(huì)直接影響產(chǎn)品壽命。例如，1982年9月10日發(fā)生的某起火箭發(fā)射后墜毀事故，經(jīng)分析認(rèn)為是由于齒輪加工方法不當(dāng)，造成齒面間隙過小，齒輪潤(rùn)滑不良，使滑輪泵停止轉(zhuǎn)動(dòng)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)機(jī)，致使火箭墜落于大西洋中。

編輯推薦

《材料科學(xué)基礎(chǔ)(第2版)》由武漢理工大學(xué)出版社出版。

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