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导论1

一、材料科学的重要地位1

前言1

二、各种材料概况2

三、材料性能与内部结构的关系6

四、材料的制备与加工工艺对性能的影响7

五、什么是材料科学8

参考文献9

第一节 原子结构10

一、原子的电子排列10

第一章 材料结构的基本知识10

二、元素周期表及性能的周期性变化12

第二节 原子结合键14

一、一次键14

二、二次键16

三、混合键17

四、结合键的本质及原子间距18

五、结合键与性能20

第三节 原子排列方式22

一、晶体与非晶体22

二、原子排列的研究方法23

二、单相组织25

一、组织的显示与观察25

第四节 晶体材料的组织25

三、多相组织26

第五节 材料的稳态结构与亚稳态结构27

小结29

习题30

参考文献30

第二章 材料中的晶体结构31

第一节 晶体学基础31

一、空间点阵和晶胞31

二、晶系和布拉菲点阵32

三、晶向指数和晶面指数32

一、典型金属的晶体结构37

第二节 纯金属的晶体结构37

二、多晶型性41

三、晶体结构中的原子半径43

第三节 离子晶体的结构44

一、离子晶体的主要特点44

二、离子半径、配位数和离子的堆积44

三、离子晶体的结构规则46

四、典型离子晶体的结构48

第四节 共价晶体的结构49

一、共价晶体的主要特点49

小结50

二、典型共价晶体的结构50

习题51

参考文献52

第三章 高分子材料的结构53

第一节 高分子材料概述53

一、高分子材料基本概念53

二、高分子材料的合成55

三、高分子材料的分类56

第二节 高分子链的结构及构象57

一、高分子链的化学组成57

二、结构单元的键接方式和构型58

三、高分子链的几何形状59

四、高分子链的构象及柔顺性60

第三节 高分子的聚集态结构62

一、晶态聚合物的结构62

二、非晶态聚合物的结构63

三、聚合物结晶度与玻璃化温度64

第四节 高分子材料的性能与结构67

一、高分子材料的主要性能特点67

二、高分子材料的性能与结构的关系67

三、改变高分子材料性能的途径69

小结71

习题72

参考文献73

第四章 晶体缺陷74

第一节 点缺陷74

一、点缺陷的类型74

二、点缺陷的产生75

三、点缺陷与材料行为78

第二节 位错的基本概念78

一、位错与塑性变形78

二、晶体中的位错模型及位错易动性79

三、柏氏矢量82

四、位错的运动84

五、位错密度88

六、位错的观察88

第三节 位错的能量及交互作用90

一、位错的应变能90

二、位错的线张力92

三、位错的应力场及与其他缺陷的交互作用94

四、位错的分解与合成96

第四节 晶体中的界面100

一、晶界的结构与晶界能100

二、表面及表面能102

三、表面吸附与晶界内吸附103

四、润湿行为104

五、界面能与显微组织的变化106

小结107

习题108

参考文献110

第五章 材料的相结构及相图111

第一节 材料的相结构111

一、固溶体111

二、中间相116

第二节 二元相图及其类型119

一、相图的基本知识120

二、一元系相图122

三、二元系相图123

四、相图与性能的关系137

第三节 复杂相图分析138

一、分析方法138

二、复杂相图分析举例139

三、铁-碳合金相图141

第四节 相图的热力学基础152

一、吉布斯自由能与成分的关系152

二、克劳修斯--克莱普隆方程154

三、相平衡条件155

四、吉布斯自由能曲线与相图157

一、三元相图的表示方法160

第五节 三元系相图及其类型160

二、三元相图的建立162

三、三元匀晶相图163

四、具有两相共晶反应的三元系相图168

五、三元系中的相平衡分析172

六、具有四相平衡反应的三元系相图173

七、三元系相图实例分析182

习题184

参考文献186

第一节 晶体材料熔液凝固的基本规律187

一、液态的结构187

第六章 材料的凝固187

二、凝固的热力学条件188

三、过冷现象188

四、结晶的一般过程189

第二节 晶核的形成189

一、均匀形核190

二、形核率191

三、非均匀形核192

第三节 晶核的成长193

一、淮-固界面的微观结构193

二、熔体中晶体的生长形态194

一、固溶体的平衡凝固196

三、晶体长大线速度196

第四节 固溶体的凝固196

二、稳态凝固197

三、成分过冷及其对晶体长大形状的影响199

第五节 共晶合金的凝固200

一、共晶体的形成200

二、共晶体的形态201

第六节 凝固组织及其控制203

一、晶粒尺寸的控制203

二、铸锭组织及其控制204

三、铸锭的缺陷205

一、单晶的制备207

四、焊锋金属的结晶组织207

第七节 凝固技术的应用207

二、定向凝固208

三、区域熔炼209

第八节 材料非晶态209

一、材料的非晶态209

二、常用的非晶态材料210

小结211

习题212

参考文献213

二、菲克第一定律214

一、扩散现象214

第七章 材料中的原子扩散214

第一节 扩散现象及扩散方程214

三、菲克第二定律215

四、扩散方程的应用216

五、柯肯达尔效应218

第二节 扩散的微观机制219

一、扩散的微观机制概述219

二、原子跃迁的距离221

三、扩散系数221

四、扩散激活能222

第三节 扩散驱动力225

第四节 反应扩散226

第五节 影响扩散的因素227

一、温度的影响227

二、原子键力和晶体结构的影响229

三、固溶体类型与浓度的影响230

四、晶体缺陷的影响231

五、第三组元的影响232

习题233

参考文献233

第一节 金属变形概述234

第八章 材料的变形与断裂234

第二节 金属的弹性变形235

第三节 滑移与孪晶变形236

一、滑移观察236

二、滑移机制236

三、滑移面和滑移方向238

四、孪晶变形239

第四节 单晶体的塑性变形240

一、施密特定律240

二、单滑移、多滑移和交滑移242

一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响245

第五节 多晶体的塑性变形245

二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响246

第六节 纯金属的变形强化246

一、位错的交割247

二、位错的反应248

三、位错的增殖248

第七节 合金的变形与强化250

一、单相合金的变形与强化250

二、低碳钢的屈服和应变时效251

三、第二相对合金变形的影响254

一、冷变形金属的力学性能255

第八节 冷变形金属的组织与性能255

二、冷变形金属的组织256

三、形变织构257

四、残余应力258

第九节 金属的断裂258

一、理论断裂强度258

二、实际断裂强度259

第十节 冷变形金属的回复阶段260

一、回复阶段性能与组织的变化260

二、回复动力学261

三、回复机制262

一、再结晶的形核263

第十一节 冷变形金属的再结晶263

二、再结晶动力学264

三、影响再结晶的因素265

四、再结晶后的晶粒长大266

第十二节 金属的热变形、蠕变与超塑性269

一、金属热变形过程以及对组织与性能的影响269

二、金属的蠕变270

三、金属的超塑性271

第十三节 陶瓷晶体的变形272

第十四节 高分子材料(聚合物)的变形273

一、热塑性塑料的变形273

二、热固性塑料的变形275

参考文献276

习题276

第九章 固体材料的电子结构与物理性能277

第一节 固体的能带理论277

一、能带的形成277

二、金属的能带结构与导电性277

三、费密能279

四、半导体与绝缘体281

第二节 半导体282

一、本征半导体282

二、掺杂半导体283

一、原子的磁矩285

第三节 材料的磁性285

二、抗磁体、顺磁体和铁磁体286

三、磁化曲线与磁畴结构288

第四节 材料的光学性能291

一、光的吸收与透射291

二、材料的发光性能292

第五节 材料的热学性能294

一、摩尔热容294

二、热膨胀295

三、导热性能296

一、光导纤维297

第六节 功能材料举例297

二、磁性材料298

小结299

习题300

参考文献300

第十章 固态相变及材料热处理301

第一节 固态相变的特点及分类301

一、固态相变的特点301

二、固态相变的分类302

第二节 相变热力学303

二、化学自由能(体积自由能)--相变驱动力304

三、界面能305

四、应变能306

五、晶体缺陷的作用(非均匀生核的能量条件)306

第三节 相变动力学307

一、生核速率307

二、新相长大速率308

三、新相形成的体积速度和综合动力学曲线310

第四节 过饱和固溶体的分解转变311

一、过饱和固溶体的时效311

二、调幅分解316

一、奥氏体的形成319

第五节 钢的加热转变319

二、奥氏体晶粒的大小322

三、加热缺陷324

第六节 钢在冷却时的转变325

一、共析钢的过冷奥氏体转变325

二、非共析钢过冷奥氏体分解转变329

一、形核的条件330

三、贝氏体转变331

第七节 钢的退火与正火处理334

一、钢的退火334

一、钢的马氏体转变336

第八节 钢的淬火336

二、钢的正火336

二、淬火加热温度342

三、淬火冷却343

四、淬透性344

五、淬火方法346

第九节 钢的回火347

一、淬火钢在回火过程中的转变347

二、回火的组织与性能349

三、回火脆性351

四、钢的淬火回火热处理的应用352

一、表面淬火353

第十节 钢的表面热处理353

二、化学热处理354

习题359

参考文献360

第十一章 材料概论361

材料概论Ⅰ361

第一节 金属材料361

一、碳钢与微合金化钢361

二、合金钢364

三、有色金属365

四、铸铁367

一、高分子材料的强度与韧性369

第二节 高分子材料369

二、工程塑料与橡胶371

第三节 工程结构陶瓷材料372

第四节 复合材料375

一、纤维增强作用375

二、纤维增韧概念377

三、复合材料类型及应用378

材料概论Ⅱ379

第一节 合金元素在钢中的作用379

一、合金元素对钢性能的影响379

二、合金元素对钢平衡组织的影响381

三、合金元素对钢不平衡组织的影响382

第二节 低合金高强度钢383

一、地低合金高强度钢的性能要求383

二、低合金高强度钢的成分与组织383

三、控制轧制的微合金化钢384

四、双相钢385

第三节 合金结构钢385

一、超高强度钢386

二、具有综合力学性能的结构钢386

四、具有高接触疲劳强度和耐磨性能的结构钢389

三、具有高弹性极限和疲劳强度的结构钢389

五、表面具有高耐磨性和疲劳强度、心部有足够强度和韧性的结构钢390

第四节 合金工具钢393

一、工具钢的分类、成分与组织393

二、普通碳素工具钢和低合金工具钢394

三、高速钢394

四、高碳铬钢395

五、热变形模具钢396

第五节 不锈钢与耐热钢396

一、金属电化学腐蚀的基本概念396

二、不锈钢的化学成分与腐蚀抗力397

三、不锈钢的脆性398

四、不锈钢的种类400

五、耐热钢402

第六节 铸铁403

一、概述403

二、铸铁的石墨化及其影响因素403

三、灰铸铁405

四、可锻铸铁407

五、球墨铸铁409

六、白口铸铁410

第七节 铝合金411

一、铝合金的强化411

二、形变铝合金413

三、铸造铝合金415

第八节 钛合金416

一、钛的特性416

二、钛合金的分类417

三、钛合金的应用419

第九节 铜合金420

一、铜合金的一般特性420

二、主要的铜合金及性能420

三、铜合金的选用422

习题422

参考文献424