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1　材料引言 1

本章提要 1

1.1　材料类型 1

1.1.1　金属材料 1

1.1.2　无机非金属材料 4

1.1.3　有机高分子材料（聚合物） 6

1.1.4　复合材料 7

1.2　材料组成、结构、性质、工艺及其与环境的关系 8

1.2.1　材料结构层次 8

1.2.2　工程材料常见性质与性能 8

1.2.3　材料的加工工艺 9

1.2.4　材料性能的环境效应 10

1.3　材料的选择 11

本章小结 12

思考题与习题 12

2　晶体结构 13

本章提要 13

2.1　结晶学基础 13

2.1.1 空间点阵 13

2.1.2 结晶学指数 15

2.1.3 晶向与晶面的关系、晶带轴定理 18

2.2　晶体中质点的结合力与结合能 20

2.2.1 晶体中质点间的结合力 20

2.2.2 晶体的结合力与结合能 22

2.3　晶体中质点的堆积 26

2.3.1 最紧密堆积原理与最紧密堆积方式 26

2.3.2 内在因素对晶体结构的影响——化学组成与晶体结构的关系 29

2.3.3 外在因素对晶体结构的影响——同质多晶与类质同晶及晶型转变 34

2.4　单质晶体结构 36

2.4.1　金属晶体的结构 36

2.4.2 非金属元素单质的晶体结构 38

2.5　无机化合物结构 39

2.5.1 AX型结构 39

2.5.2 AX2型结构 43

2.5.3 A2X3型结构 45

2.5.4 AX3型和A2X5型结构 47

2.5.5 ABO3型结构 48

2.5.6 ABO4型（白钨矿型）结构及声光效应 53

2.5.7 AB2O4型（尖晶石，Spinelle）结构 54

2.5.8　石榴（Garnet）结构 55

2.5.9 无机化合物结构与鲍林规则（Pauling's Rule） 56

2.6　硅酸盐晶体结构 57

2.6.1　硅酸盐晶体的组成表征、结构特点及分类 58

2.6.2 岛状结构 59

2.6.3　组群状结构 61

2.6.4　链状结构 63

2.6.5　层状结构 66

2.6.6 架状结构 70

2.7　高分子材料结构 78

2.7.1 高分子的链结构 79

2.7.2 高分子的聚集态结构 82

本章小结 90

思考题与习题 91

3　晶体结构缺陷 93

本章提要 93

3.1　晶体结构缺陷的类型 93

3.1.1　按缺陷的几何形态分类 93

3.1.2　按缺陷产生的原因分类 94

3.2　点缺陷 96

3.2.1 点缺陷的符号表征——Kroger-Vink符号 96

3.2.2　缺陷反应表示法 97

3.2.3　热缺陷浓度的计算 99

3.2.4 热缺陷在外力作用下的运动 102

3.2.5 热缺陷与晶体的离子导电性 104

3.3　线缺陷 105

3.3.1 晶体的塑性和强度 105

3.3.2　位错的类型 110

3.3.3　位错的伯格斯矢量及位错的性质 111

3.3.4 位错的应力场与应变能 115

3.3.5　位错的运动 120

3.3.6　位错所受的力 126

3.3.7　位错的反应 133

3.3.8　位错与点缺陷的交互作用 133

3.4　面缺陷 138

3.4.1 晶界（位错界面） 138

3.4.2　堆积层错 145

3.4.3　反映孪晶界面 146

3.5　固溶体 147

3.5.1 固溶体的分类 147

3.5.2　置换型固溶体 148

3.5.3 间隙型固溶体 149

3.5.4　形成固溶体后对晶体性质的影响 150

3.5.5 固溶体的研究方法 151

3.6　非化学计量化合物 155

3.6.1 由于负离子缺位，使金属离子过剩 155

3.6.2 由于间隙正离子，使金属离子过剩 157

3.6.3 由于间隙负离子，使负离子过剩 158

3.6.4 由于正离子缺位，使负离子过剩 158

本章小结 159

思考题与习题 160

4　非晶态结构与性质 163

本章提要 163

4.1　熔体的结构 163

4.1.1　对熔体的一般认识 163

4.1.2　硅酸盐熔体结构——聚合物理论 164

4.2　熔体的性质 169

4.2.1　粘度 169

4.2.2　表面张力 177

4.3　玻璃的形成 180

4.3.1　玻璃的通性 180

4.3.2　玻璃的转变 182

4.3.3　玻璃的形成 184

4.4　玻璃的结构 192

4.4.1 晶子学说 192

4.4.2　无规则网络学说 194

4.4.3 两大学说的比较与发展 196

4.5　常见玻璃类型 197

4.5.1　硅酸盐玻璃 197

4.5.2　硼酸盐玻璃 200

本章小结 201

思考题与习题 202

5　表面结构与性质 205

本章提要 205

5.1　固体的表面及其结构 205

5.1.1 固体的表面 206

5.1.2 固体的表面结构 211

5.2　固体的界面及其结构 216

5.2.1 固体的界面 216

5.2.2 陶瓷晶界结构 218

5.3　润湿与粘附 222

5.3.1　润湿的类型 223

5.3.2　接触角和Young方程 224

5.3.3　非理想固体表面上的接触角 226

5.3.4　测定固体表面张力的方法 227

5.3.5　粘附及其化学条件 229

5.4　测定固体表面成分和结构的方法 231

5.4.1 低能电子衍射（LEED） 232

5.4.2　俄歇电子能谱（AES） 233

5.4.3　扫描隧道显微镜（STM） 235

5.4.4　原子间力显微镜（AFM） 237

本章小结 239

思考题与习题 239

6　相平衡和相图 241

本章提要 241

6.1　相平衡及其研究方法 241

6.1.1　相平衡的基本概念 241

6.1.2　相律 245

6.1.3　相平衡的研究方法 246

6.1.4 应用相图时需注意的几个问题 251

6.2　单元系统 252

6.2.1 具有多晶转变的单元系统相图 252

6.2.2　单元系统专业相图 256

6.3　二元系统 263

6.3.1　二元系统相图的表示方法及杠杆规则 264

6.3.2　二元系统相图的基本类型 265

6.3.3　二元系统专业相图 276

6.4　三元系统 297

6.4.1 三元系统组成表示法 297

6.4.2 浓度三角形的性质 298

6.4.3 三元系统相图的基本类型 302

6.4.4　三元系统专业相图 321

6.5　交互三元系统 344

6.5.1　组成表示方法 344

6.5.2 交互三元系统相图的基本类型 348

6.5.3 交互三元系统专业相图——Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2系统相图 351

6.6　四元系统 352

6.6.1 四元系统组成的表示方法 353

6.6.2　浓度四面体的性质 353

6.6.3　具有一个低共熔点的四元系统相图 354

6.6.4 生成化合物的四元系统相图 356

6.6.5 四元系统专业相图 361

本章小结 368

思考题与习题 368

7　基本动力学过程——扩散 372

本章提要 372

7.1　扩散动力学方程——菲克定律 372

7.1.1　菲克第一定律 372

7.1.2　菲克第二定律 375

7.2　菲克定律的应用 376

7.2.1　稳态扩散及其应用 376

7.2.2　非稳态扩散 381

7.3 固体扩散机构与扩散系数 388

7.3.1　原子随机行走与扩散 388

7.3.2　扩散的微观机制 389

7.3.3　扩散机构和扩散系数的关系 391

7.3.4　扩散系数的测定 394

7.4　扩散系数与浓度的关系——俣野方法 394

7.4.1 问题引出 394

7.4.2　数学处理 395

7.5　多元系统中的扩散 396

7.5.1 能斯特-爱因斯坦（Nernst-Einstein）公式 397

7.5.2　克肯达尔（Kirkendail）效应 398

7.5.3　达肯（Darken）方程 401

7.6　影响扩散系数的因素 405

7.6.1 外在因素 405

7.6.2 内在因素 408

本章小结 413

思考题与习题 413

8　材料中的相变 415

本章提要 415

8.1　相变概述 415

8.1.1　相变分类 415

8.1.2　相变的条件 418

8.2　液相-固相的转变——成核-生长相变 419

8.2.1 晶核生成速率（核化速率） 419

8.2.2 晶体生长速率 423

8.2.3 总的结晶速率 426

8.2.4 影响结晶速率的因素 428

8.3　液相-液相的转变——调幅分解 429

8.3.1 液相的不混溶现象（玻璃的分相） 429

8.3.2　调幅分解动力学 432

8.3.3　分相的结晶化学观点 436

8.4　马氏体相变 438

8.4.1　马氏体相变概念与特征 438

8.4.2　马氏体转变热力学 444

8.4.3 马氏体转变动力学 447

8.4.4 不同材料中的马氏体转变 448

8.4.5 马氏体的特殊性能及应用 451

8.5　有序-无序转变 454

8.5.1　概念和定义 454

8.5.2　有序合金类型 456

8.5.3　有序-无序转变的热力学分析 459

8.5.4　有序-无序转变的动力学分析 460

8.6　相变与弥散强化 464

8.6.1　相变的强化效应 464

8.6.2 弥散强化（沉淀强化） 464

8.6.3 有序强化 468

本章小结 468

思考题与习题 469

9　材料制备中的固态反应 470

本章提要 470

9.1　固态反应概论 470

9.1.1 固态反应分类 470

9.1.2 固态反应特征 471

9.2　固态反应机理 471

9.2.1　相界面上化学反应机理 472

9.2.2 相界面上反应和离子扩散的关系 473

9.2.3 中间产物和连续反应 473

9.2.4 不同反应类型和机理 474

9.3　固态反应动力学 476

9.3.1 一般动力学关系 476

9.3.2 化学动力学范围 477

9.3.3　扩散动力学范围 482

9.3.4　通过流体相传输的反应和动力学表达式 487

9.3.5　过渡范围 491

9.4　材料制备中的插层反应 492

9.4.1 插层反应对晶体结构的要求（结构条件） 492

9.4.2　插层复合法制备有机-无机纳米复合材料 493

9.5　影响固态反应的因素 495

9.5.1　反应物化学组成的影响 496

9.5.2 反应物颗粒及均匀性的影响 496

9.5.3　反应温度的影响 497

9.5.4　压力和气氛的影响 497

9.5.5　反应物活性的影响 498

本章小结 498

思考题与习题 499

10　烧结 500

本章提要 500

10.1　概述 500

10.1.1 烧结理论研究的历史 500

10.1.2　烧结的基本类型 502

10.2　烧结过程及机理 503

10.2.1　烧结过程 503

10.2.2　烧结推动力 504

10.2.3　烧结机理 505

10.3　固相烧结 508

10.3.1 烧结初期 508

10.3.2　烧结中期 513

10.3.3　烧结末期 515

10.4　再结晶和晶粒长大 516

10.4.1　初次再结晶 517

10.4.2 晶粒长大 517

10.4.3　二次再结晶 520

10.5　液相烧结 522

10.5.1 带有液相烧结的特点 522

10.5.2　颗粒重排 523

10.5.3　溶解-沉淀 523

10.5.4 粘性或塑性流动烧结的动力学关系 525

10.6　非常规烧结 526

10.6.1 热压烧结 527

10.6.2　热等静压烧结 527

10.6.3 电火花烧结 528

10.6.4　无包套热等静压烧结 528

10.6.5　反应烧结 529

10.7　影响烧结的因素 529

10.7.1　物料活性的影响 530

10.7.2　添加物的影响 531

10.7.3　气氛的影响 533

10.7.4　压力的影响 534

本章小结 535

思考题与习题 535

11　腐蚀与氧化 537

本章提要 537

11.1　腐蚀 537

11.1.1　材料腐蚀的基本概念 537

11.1.2　应力腐蚀 540

11.1.3 晶间（晶界）腐蚀 547

11.2　氧化——界面在金属氧化中的作用 551

11.2.1　金属氧化及其理论 551

11.2.2　金属氧化的界面行为 553

11.2.3　界面与稀土活性元素效应 556

11.2.4 内氧化合金中的金属／氧化物界面 561

11.3　辐射损伤 562

本章小结 563

思考题与习题 563

12　疲劳与断裂 564

本章提要 564

12.1　疲劳 564

12.1.1　疲劳的概念 564

12.1.2 疲劳裂纹扩展的物理模型 567

12.1.3 疲劳裂纹扩展的力学行为与特征 568

12.2　低温断裂与疲劳 573

12.2.1　韧-脆转化理论 573

12.2.2　低温疲劳 575

12.3　高温蠕变与疲劳 577

12.3.1 高温蠕变 578

12.3.2 高温疲劳 581

12.4　环境断裂——氢脆 583

12.4.1 氢脆 583

12.4.2　氢致开裂机理 587

12.5　材料的疲劳与断裂 592

12.5.1 纤维强化复合材料 592

12.5.2　颗粒强化复合材料 594

12.5.3　铝-锂合金 595

12.5.4 陶瓷材料 595

本章小结 597

思考题与习题 597

参考文献 598

附录1　材料科学基础重要名词术语 600

附录2　元素的离子半径表 611