工程材料科学与设计PDF电子书下载

译者序 1

作者介绍 1

序言 1

前言 1

第1章 材料科学与工程 1

1.1 引言 1

1.2 材料在技术发达社会中的作用 2

1.3 工程专业和材料 4

1.4 材料的主要类别 5

1.4.1 金属 5

1.4.2 陶瓷 6

1.4.3 聚合物 6

1.4.4 复合材料 7

1.4.5 半导体 9

1.5 材料的性质和材料工程 10

1.6 工程材料的综合方法 11

1.7 工程专家的地位和道德规范 13

总结 14

第1篇 基本原理 17

第2章 原子尺度的结构 17

2.1 引言 17

2.2 原子结构 18

2.3 热力学和动力学 20

2.4 一次键 22

2.4.1 离子键 23

2.4.2 共价键 25

2.4.3 金属键 26

2.4.4 键的类型对工程性能的影响 28

2.5 键-能曲线 29

2.6 原子的堆垛和配位数 32

2.7 二次键 38

2.8 混合键 40

2.9 聚合物分子的结构 41

总结 43

习题 44

第3章 晶体结构 47

3.1 引言 47

3.2 布拉维点阵和单胞 48

3.3 每个点阵只有一个原子的晶体及六方晶体 50

3.3.1 体心立方晶体 50

3.3.2 面心立方晶体 52

3.3.3 密排六方结构 54

3.4 密勒指数 56

3.4.1 点的坐标 56

3.4.2 方向指数 57

3.4.3 面指数 59

3.4.4 六方系中的指数 61

3.5 晶体结构的密度和堆垛因子 61

3.5.1 线密度 61

3.5.2 面密度 63

3.5.3 体密度 64

3.5.4 原子的堆垛因子及配位数 65

3.5.5 密排结构 66

3.6.1 在FCC结构中的间隙 67

3.6 间隙位置和尺寸 67

3.6.2 在BCC结构中的间隙 69

3.6.3 在HCP结构中的间隙 69

3.7.1 每个阵点位置具有两个原子的晶体 70

3.7.2 每个阵点有3个原子的晶体 73

3.7.3 其他晶体结构 74

3.7 每个阵点含多个原子的晶体 76

3.8 液晶 76

3.9 单晶和多晶材料 77

3.10 同素异构及多形性 78

3.11 各向异性 79

3.12 X射线衍射 79

总结 83

习题 84

第4章 点缺陷和扩散 89

4.1 引言 89

4.2 点缺陷 90

4.2.1 晶体中的空位和间隙原子 90

4.2.2 在离子晶体中的空位及间隙原子 92

4.3 杂质 93

4.3.1 晶体中的杂质 93

4.3.2 在离子晶体中的杂质 97

4.4 固态扩散 98

4.4.1 扩散的实际例子 98

4.4.2 扩散的物理描述[菲克(Fick)第一定律] 100

4.4.3 在共价和金属晶体中的扩散机制 103

4.4.4 不同浓度水平的扩散 104

4.4.5 在离子晶体中的扩散机制 106

4.4.6 在聚合物中的扩散机制 107

4.4.7 菲克(Fick)第二定律 108

总结 113

习题 114

第5章 线、面和体缺陷 117

5.1 引言 117

5.2 线缺陷、滑移和塑性变形 117

5.2.1 形变单晶体的切变强度 118

5.2.2 晶态材料中的滑移及刃型位错 121

5.2.3 其他类型的位错 124

5.2.4 在金属晶体中的滑移面和滑移方向 127

5.2.5 在离子、共价和聚合物晶体内的位错 130

5.2.6 位错对性质的其他影响 133

5.3 面缺陷 133

5.3.1 晶体中的自由表面 134

5.3.2 晶体中的晶粒界 134

5.3.3 晶粒尺寸的测量 135

5.3.4 晶粒界扩散 136

5.3.5 其他面缺陷 137

5.4 体缺陷 139

5.5 金属中的强化机制 140

5.5.1 合金的强化 140

5.5.2 应变硬化 141

5.5.3 晶粒细化 142

5.5.4 沉淀硬化 143

总结 144

习题 145

第6章 非晶态与半晶态材料 148

6.1 引言 148

6.2 玻璃转变温度 149

6.3 粘性变形 152

6.4 无定形和半晶态聚合物的结构和性质 154

6.4.1 聚合物分类 154

6.4.2 摩尔质量 159

6.4.3 聚合物的构象及构型 161

6.4.4 决定聚合物结晶度的因素 163

6.4.5 半晶态聚合物 165

6.4.6 结构与Tg的关系 165

6.5 玻璃的结构和性能 166

6.5.1 离子玻璃 168

6.5.2 共价玻璃 171

6.5.3 金属玻璃 171

6.6 橡胶和弹性体的结构和性质 172

6.6.1 热固性弹性体 172

6.6.2 热塑性弹性体 174

6.6.3 橡胶中的晶化 174

6.6.4 弹性模量对温度的依赖关系 175

6.6.5 橡胶的弹性 176

总结 178

习题 178

第7章 相平衡与相图 183

7.1 引言 183

第2篇 微观结构 183

7.2 单元系相图 185

7.3 二元系中的相平衡 187

7.3.1 成分的描述 187

7.3.2 理想的同晶型系统 188

7.3.3 处于平衡的相及杠杆规则 190

7.3.4 同晶型合金的凝固和组织 193

7.3.5 确定液相线和固相线 195

7.3.6 具体的同晶型系统 195

7.3.7 偏离理想的行为 196

7.4 共晶相图 200

7.4.1 共晶系中术语的定义 200

7.4.2 共晶合金的熔化和凝固 201

7.4.3 非共晶合金的凝固 203

7.4.4 测定相图的方法 206

7.4.5 含两个共晶的相图 208

7.5 包晶相图 210

7.6 偏晶相图 214

7.7 复杂相图 215

7.8 包含固-固反应的相平衡 217

7.9 三元系中的相平衡 220

7.9.1 在三元相图上画出成分点 220

7.9.2 三元系的杠杆规则 221

总结 223

习题 224

第8章 组织转变动力学与显微组织 232

8.2.1 相转变的本质 233

8.2 组织转变的基本特征 233

8.1 引言 233

8.2.2 相变的驱动力 234

8.2.3 相的均匀形核 236

8.2.4 相的非均匀形核 239

8.2.5 基体/析出物的内界面 241

8.2.6 新相的长大 244

8.3 在工程材料上的应用 245

8.3.1 钢中的相变 246

8.3.2 过饱和固溶体的脱溶 257

8.3.3 合金的凝固和均匀化 261

8.3.4 回复和再结晶过程 266

8.3.5 烧结 269

8.3.6 氧化锆中的马氏体(位移)型转变 271

8.3.7 氧化物玻璃的脱玻(反玻璃化) 273

8.3.8 聚合物的结晶 274

总结 276

习题 277

第3篇 性能 289

第9章 力学性能 289

9.1 引言 289

9.2 工程材料的变形与断裂 290

9.2.1 弹性变形 290

9.2.2 聚合物的变形 293

9.2.3 塑性变形 296

9.2.4 拉伸试验 297

9.2.5 强化的机理 303

9.2.6 韧性断裂和脆性断裂 304

9.2.7 硬度试验 306

9.2.8 摆锤冲击试验 308

9.3 脆性断裂 311

9.3.1 导致脆性断裂的事故例子及其后果 312

9.3.2 预测脆性断裂的格里菲思-奥罗万(Griffith-Orowan)理论 314

9.4 断裂力学：现代方法 315

9.4.1 应力强度因子 316

9.4.2 试件厚度的影响 317

9.4.3 断裂韧度与拉伸性能之+间的关系 319

9.4.4 断裂力学在各种材料中的应用 319

9.4.5 断裂韧度的实验测定 322

9.5 疲劳断裂 323

9.5.1 关于疲劳断裂的定义 323

9.5.2 疲劳试验 324

9.5.3 疲劳强度与其他力学性能之间的关系 326

9.5.4 疲劳的微观特征 327

9.5.5 疲劳断裂的预防 328

9.5.6 疲劳问题的断裂力学处理方法 329

9.6 时间相关的行为 331

9.6.1 环境诱导的断裂 331

9.6.2 金属和陶瓷的蠕变 332

9.6.3 蠕变的机理 333

总结 337

习题 338

第10章 电学性能 345

10.1 引言 345

10.2 导电性 346

10.2.2 载流子的迁移率 349

10.2.1 每个载流子的电荷量 349

10.2.3 能带结构和带电粒子的数量 352

10.2.4 温度对于导电性的影响和费米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布函数 355

10.2.5 导体、半导体和绝缘体 358

10.2.6 离子导电机理 364

10.2.7 缺陷与杂质的影响 366

10.2.8 导电聚合物 368

10.2.9 超导体 369

10.2.10 器件与应用 370

10.3 半导体 371

10.3.1 本征导电性与非本征导电性 371

10.3.2 化合物半导体 377

10.3.3 缺陷的作用 377

10.3.4 简单的元器件 378

10.3.5 微电子学 382

总结 384

习题 385

第11章 光学性能与介电性能 390

11.1 引言 390

11.2 极化 391

11.2.1 电子极化 392

11.2.2 离子型极化 393

11.2.3 分子极化 393

11.2.4 内界面极化 394

11.2.5 总极化强度 394

11.2.6 应用 395

11.3.2 介电率与介电常数 397

11.3 介电常数与电容 397

11.3.1 电容 397

11.3.3 介电强度与击穿 399

11.4 耗散与介电损耗 400

11.5 折射与反射 402

11.5.1 折射 402

11.5.2 镜面反射 404

11.5.3 色散(Dispersion) 406

11.5.4 双折射率 407

11.5.5 应用：光学波导器 407

11.6 吸收、透射与散射 409

11.6.1 吸收 409

11.6.2 吸收系数 410

11.6.3 发色团的吸收 411

11.6.4 散射与不透明性 413

11.7 电子过程 414

11.7.1 x射线荧光 414

11.7.2 发光 415

11.7.3 磷光 415

11.7.4 热发射 415

11.7.5 光电导性 416

11.7.6 应用：激光器 416

总结 418

习题 418

第12章 磁学性能 423

12.1 引言 424

12.2 材料与磁性 424

12.3 磁性的物理基础 425

12.4 材料磁性分类 427

12.5 抗磁性与顺磁性 427

12.6 铁磁性 429

12.6.1 磁畴 430

12.6.2 铁磁性物质对外磁场的响应 432

12.6.3 磁滞回线的形状 433

12.6.4 微观组织的影响 433

12.6.5 温度的影响 434

12.6.6 估算M的数值 434

12.7 反铁磁性与亚铁磁性 435

12.8 器件与应用 438

12.8.1 永磁体 438

12.8.2 变压器铁心 440

12.8.3 磁存储器件 442

12.9 超导磁体 443

总结 444

习题 445

第13章 热学性能 449

13.1 引言 449

13.2 热膨胀系数 450

13.3 热容 453

13.4 热传导机理 455

13.5 热应力 460

13.6 应用 463

13.6.1 双金属带 463

13.6.3 抗热冲击炊具 464

13.6.2 隔热器 464

13.6.4 钢化玻璃 465

13.6.5 轨道望远镜的支承结构 466

13.6.6 陶瓷-金属接点 466

13.6.7 低温材料 467

总结 467

习题 468

第14章 复合材料 472

14.1 引言 472

14.2 复合材料的历史与分类 473

14.3 基本概念 476

14.3.1 纤维增强体的强化作用 476

14.3.2 纤维材料的特性 477

14.3.3 基体材料的特性 481

14.3.4 界面的作用 482

14.3.5 纤维体系结构 483

14.3.6 团集复合材料的强化 485

14.4 实际的复合材料体系 486

14.4.1 金属基复合材料 486

14.4.2 聚合物基复合材料 486

14.4.3 陶瓷基复合材料 487

14.4.4 碳-碳复合材料 488

14.5 复合材料性能的预测 488

14.5.1 纤维直径、体积分数以及复合材料密度的估算 488

14.5.2 弹性模量与强度的估算 489

14.5.3 热膨胀系数的估算 492

14.5.4 复合材料的断裂行为 492

14.5.5 复合材料的疲劳特性 493

14.6 复合材料的其他应用 495

总结 497

习题 497

第15章 材料-环境的相互作用 501

15.1 引言 502

15.2 液-固反应 502

15.2.1 直接溶解机制 504

15.2.2 电化学腐蚀-半电池电位 507

15.2.3 腐蚀反应的动力学 512

15.2.4 各种腐蚀类型 514

15.2.5 腐蚀的防护 524

15.3 直接气体侵蚀(气-固反应) 527

15.3.1 环境气体对成键结构的改变 527

15.3.2 气态反应产物的形成 528

15.3.3 保护性和非保护性固态氧化物 529

15.3.4 氧化动力学 531

15.3.5 气体“侵蚀”的利用 534

15.3.6 改进耐气体侵蚀性的方法 534

15.4 摩擦和磨损(固-固相互作用) 536

15.4.1 磨损机理 536

15.4.2 减小摩擦与磨损的设计 538

15.5 辐照损伤 538

总结 539

习题 541

第4篇 材料的合成与设计 547

第16章 材料制备工艺 547

16.1 引言 547

16.3 铸造 548

16.2 工艺的选择原则和组织、工艺与性能之间的关系 548

16.3.1 金属铸造 549

16.3.2 陶瓷的铸造 553

16.3.3 聚合物的造形 554

16.4 成形 556

16.4.1 金属成形 556

16.4.2 聚合物的成形 562

16.4.3 陶瓷与玻璃的成形 564

16.5 粉末工艺 565

16.5.1 粉末冶金 565

16.5.2 陶瓷的粉末工艺 568

16.6 机加工 568

16.7 连接工艺 569

16.7.1 焊接、钎焊(铜焊)与锡焊 570

16.7.2 粘合剂结合 572

16.7.3 扩散结合 573

16.7.4 机械连接 574

16.8 表面涂层与处理 574

16.8.1 涂层与涂料的应用 574

16.8.2 表面处理 575

16.9 单晶与半导体工艺 576

16.9.1 单晶的成长与工艺 576

16.9.2 氧化 578

16.9.3 光刻与浸蚀 578

16.9.4 扩散与离子注入 579

16.9.5 互连、装配与封装 580

16.10.2 溶液纺丝 582

16.10.1 熔融纺丝 582

16.10 纤维的制备 582

16.10.3 控制热解 583

16.10.4 气相工艺 584

16.10.5 烧结 585

16.10.6 化学反应 586

16.11 复合材料制备工艺 586

16.11.1 聚合物基复合材料 586

16.11.2 金属基复合材料(MMC) 588

16.11.3 陶瓷基复合材料(CMC) 589

总结 590

习题 591

第17章 材料与工程设计 595

17.1 引言 596

17.2 统一终身成本工程(ULCE) 597

17.2.1 设计和分析费用 597

17.2.2 制造成本 598

17.2.3 运行成本 598

17.2.4 处置费用 598

17.3 材料和工艺的选择 600

17.3.1 为了材料的选择而建立的数据库 600

17.3.2 有关材料和工艺的标准 601

17.3.3 材料的选择对环境的影响 602

17.4 风险评估和产品责任 610

17.4.1 失衡概率评估 611

17.4.2 责任评估 612

17.4.3 质量保证标准 613

17.5 失效分析及其预防 614

17.5.1 失效分析的一般实践 615

17.5.2 复合材料的失效分析 622

17.5.3 失效预防 624

总结 629

习题 630

附录 631

附录A 元素周期表 631

附录B 元素的物理和化学数据 632

附录C 元素的原子及离子半径 637

附录D 力学性能 639

表D-1 一些碳钢和合金钢在热轧、正火、退火态的拉伸性能 639

表D-2 一些碳钢和合金钢在淬火-回火态的拉伸性能 641

表D-3 非热处理锻造铝合金的拉伸性能 646

表D-4 可热处理锻造铝合金的拉伸性能 648

表D-5 模铸铝合金的拉伸性能 650

表D-6 锻、铸和粉末冶金钛合金的拉伸性能 651

表D-7 锻造镍基高温合金的拉伸性能 652

表D-8 一些锻造镍基高温合金的持久强度 653

表D-9 一些工程陶瓷的平均强度 653

表D-10 一些聚合物的力学性能 654

表D-11 室温下一些金属的断裂韧度 654

表D-12 室温下一些陶瓷材料的断裂韧度 655

表D-13 室温下一些聚合物和复合材料的断裂韧度 656

附录E 部分习题答案 656

术语汇编 660

参考文献 673

单位换算因子 常数 SI词头符号 675