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引论 1

0.1　关于材料的基本知识 1

0.1.1　材料与物质 1

0.1.2　材料的分类 1

0.2　材料发展与人类文明 3

0.2.1　材料发展古代史 3

0.2.2　材料发展近代史 4

0.3.1　材料结构共性问题 6

0.3　材料结构与性能的共性问题 6

0.3.2　材料性能共性问题 8

0.4　材料科学的形成和发展 9

0.4.1　“材料科学”概念的提出 9

0.4.2　科学技术的发展与材料科学的建立 9

0.4.3　从细分到综合——材料科学与工程（MSE）简介 10

0.4.4　材料科学与工程（MSN）的要素模型 13

0.5　材料科学的本质属性 14

0.5.1　材料科学是多学科交叉、渗透和融合的成果 14

0.5.2　材料科学内各学科的相互交叉、移植、渗透和借鉴 14

0.5.3　材料科学是与实践紧密结合的科学 15

0.5.4　高新技术在各类材料的研究中得到广泛应用 16

0.5.5　材料科学是一个正在发展中的学科 16

0.6　材料科学的地位与任务 16

0.7　材料科学研究的方法 17

0.7.1　基本研究方法 17

0.7.2　系统研究方法 18

0.7.3　材料设计（计算）与一体化技术 19

0.8.3　提升传统材料的技术含量 21

0.8.2　开发新材料发展高技术产业 21

0.8.1　总体发展趋势 21

0.8　材料科学的展望 21

0.8.4　发展材料制备与检测技术 22

0.8.5　发展绿色材料科学技术 22

0.8.6　软物质——21世纪的前沿课题 22

本章小结 24

本章重点 25

练习题 25

参考文献 26

1.1.1　原子结构 27

1.1　原子结构及键合 27

第1章 固体材料的结构基础知识 27

1.1.2　键合 30

1.2　晶体学基础知识 38

1.2.1 晶体的结构特征和基本性质 38

1.2.2　晶体的宏观对称和晶体分类 40

1.2.3　晶体定向和晶面符号 42

1.2.4　布拉维格子 44

1.2.5 晶体的微观对称和空间群 46

1.3.1 固体材料的表面特性及表面结构 49

1.3　固体材料的表面与晶界结构 49

1.3.2　晶态固体材料中的晶界结构 55

1.3.3　多晶体的显微组织变化 58

1.3.4　固体材料的相界面行为 59

1.4　稳定态结构与亚稳态结构 71

1.4.1　稳定态结构与亚稳态结构的定义 71

1.4.2　结构形成的热力学条件和动力学条件 71

本章重点 73

练习题 73

本章小结 73

参考文献 74

第2章　晶体结构与缺陷 75

2.1　晶体化学基本原理 75

2.1.1　原子半径与离子半径 75

2.1.2　球体最紧密堆积原理 76

2.1.3　配位数与配位多面体 78

2.2　典型金属的晶体结构 79

2.2.1　金属的晶体结构 79

2.2.2　点阵常数 80

2.3　离子晶体的晶体结构 81

2.3.1　离子晶体的主要特点 81

2.3.2　鲍林规则 81

2.3.3　离子极化 82

2.4　共价晶体的晶体结构 83

2.4.1　共价晶体的主要特点 83

2.4.2　典型共价晶体的结构 83

2.5　晶体缺陷 84

2.5.1　晶体结构缺陷的类型 84

2.5.2　热缺陷浓度计算 86

2.5.3　线缺陷（位错） 88

本章小结 89

本章重点 90

练习题 90

参考文献 90

第3章　材料的相结构及相图 91

3.1　材料的相结构 91

3.1.1 固溶体 91

3.1.2 中间相 95

3.2.1　固溶体的类型 103

3.2　二元系相图 103

3.2.2　杠杆规则 104

3.2.3　二元系相图的热力学性质 105

3.2.4　二元系相图的吉布斯自由能 110

3.2.5　共晶型二元系 115

3.2.6　同晶型二元系（完全互溶型二元系） 116

3.2.7　固溶型二元系 117

3.2.8　偏晶型二元系 118

3.2.9　化合物型二元系 120

3.2.10　有晶型转变的二元系 122

3.3　三元相图 125

3.3.1　三元相图成分表示方法 126

3.3.2　三元相图的空间模型 127

3.3.3　三元相图的截面图和投影图 128

3.3.4　三元相图中的杠杆定律及重心定律 129

3.4　相图热力学基础 131

3.4.1　相图热力学基本概念 131

3.4.2　Gibbs自由能曲面 134

3.4.3　单变度曲线与无变度点的稳定性 136

3.4.4　Schreinemakers线锥的基本性质 138

本章小结 139

本章重点 140

练习题 140

参考文献 140

第4章　材料的相变 142

4.1　相变的概念及其分类 142

4.1.1　相变的基本概念 142

4.1.2　一些典型的相变 142

4.1.3　相变的分类 149

4.2　相变动力学 160

4.3.1　相变热力学 164

4.3.2　重要的热力学函数 164

4.3　相变热力学 164

4.3.3　Landua理论简介 165

4.3.4　Landua理论在热力学相变中的应用 168

本章小结 169

本章重点 170

练习题 170

参考文献 170

5.1.1 晶体凝固的热力学条件 171

第5章　金属材料的结构特征 171

5.1　纯金属的凝固及结晶 171

5.1.2　晶体长大 177

5.1.3　结晶动力学及凝固组织 179

5.1.4　纯金属的界面不稳定性 182

5.1.5　纯金属凝固微观组织 183

5.2　单相固溶体的凝固及结晶 184

5.2.1　匀晶相图 184

5.2.2　固溶体凝固 185

5.3.1　共晶凝固理论 188

5.3　两相共晶体的凝固及结晶 188

5.3.2　共晶相图及其合金凝固 195

本章小结 200

本章重点 200

练习题 200

参考文献 201

第6章　无机非金属材料的结构特征 202

6.1　无机非金属材料的显微结构 202

6.1.1　基本特征 202

6.1.4　典型无机化合物晶体结构 203

6.1.2　化学键合 203

6.1.3　正负离子的堆积方法 203

6.2　硅酸盐材料的晶体结构 209

6.2.1　硅酸盐材料的结构特征及其分类 209

6.2.2　岛状结构 210

6.2.3　组群状结构 210

6.2.4　链状结构 211

6.2.5　层状结构 212

6.2.6　架状结构 214

6.3.1　熔体的结构模型 217

6.3　熔体及非晶态固体的结构 217

6.3.2　熔体的性质 218

6.3.3　非晶态固体的结构特征与表征 221

6.3.4　玻璃的概念与通性 222

6.3.5　玻璃的结构理论 223

6.3.6　玻璃化条件 225

本章小结 229

本章重点 230

练习题 230

参考文献 231

第7章　高分子材料的结构特征 232

7.1　高分子链的近程结构（near-range structure） 233

7.1.1　结构单元的化学组成 233

7.1.2　结构单元的连接方式 234

7.1.3　高分子链的几何形状 238

7.1.4　高分子链的构型 240

7.2　高分子链的远程结构（long-range structure） 242

7.2.1　高分子的大小 243

7.2.2　高分子链的柔顺性（flexibility） 244

7.3.1　高分子结晶特点 258

7.3　高分子材料的结晶态 258

7.3.2　晶态高分子的形态 259

7.3.3　晶态高分子分子链的堆砌 266

7.3.4　高分子晶态结构的模型 267

7.3.5　高分子材料的结晶度 268

7.4　高分子材料的非晶态 272

7.5　高分子材料的取向 273

7.5.1　取向现象（orientation） 273

7.4.2　折叠链缨状胶束粒子模型及证据 273

7.4.1　无规线团结构模型及证据 273

7.5.2　取向方式 274

7.5.3　取向度——取向的程度 275

7.6　高分子材料的混合体系的织态构造 276

7.6.1　高分子材料混合体系 276

7.6.2　高分子的相容性（miscibility,compatibility） 276

7.6.3　非均相高分子材料混合体系的织态结构 277

7.7　高分子材料的液晶态结构 278

7.7.1　高分子液晶的特点 278

7.7.2　高分子液晶的基本性质 279

7.7.3　高分子液晶的应用 281

本章小结 282

本章重点 282

练习题 282

参考文献 284

第8章　复合材料的结构特征 285

8.1　复合材料的定义及形态分类 285

8.1.1　复合材料的定义 285

8.1.2　复合材料的基本特点 285

8.1.3　复合材料的分类 286

8.1.4　复合材料的结构层次 288

8.2　复合材料复合原理 289

8.2.1　单向复合材料工程弹性常数的预测 289

8.2.2　单向复合材料强度的预测 290

8.2.3　复合材料的复合原理应用 291

8.3　复合材料的界面 292

8.3.1　复合材料界面的基本概念 293

8.3.2　聚合物基复合材料的界面 295

8.3.3　金属基复合材料的界面 296

8.3.4　陶瓷基复合材料的界面 299

8.4.1　增强材料的表面处理 301

8.4　复合材料的强化和韧化理论 301

8.4.2　纤维的增强作用 304

8.4.3　纤维的增韧作用 304

8.5　复合材料结构设计的理论基础 305

8.5.1　复合材料结构设计过程 305

8.5.2　复合材料结构设计条件 306

8.5.3　材料设计 306

参考文献 309

练习题 309

本章重点 309

本章小结 309

第9章　材料的力学性能 311

9.1　力学性能概论 311

9.1.1　单向静拉伸试验和应力－应变图 311

9.1.2　弹性变形及其性能指标 313

9.1.3　非理想弹性与内耗 316

9.1.4　塑性变形及其性能指标 320

9.1.5　断裂 324

9.1.6　硬度 328

9.1.7　韧度 329

9.1.8　材料的疲劳性能 334

9.1.9　蠕变 335

9.1.10　磨损与耐磨性 336

9.2　高分子材料的力学性能 336

9.2.1　高分子材料的力学状态 337

9.2.2　高分子材料的应力－应变行为 339

9.2.3　高分子材料的高弹性与黏弹性 340

9.2.4　高分子材料的静态黏弹性——蠕变与应力松弛 341

9.2.6　高分子材料的强度 343

9.2.5　高分子材料的动态黏弹性——滞后与内耗 343

9.2.7　高分子材料的韧性 344

9.2.8　高分子材料减摩、耐磨性 344

9.3　复合材料的力学性能特征 345

9.3.1　力学性能共性 345

9.3.2　主要复合材料的力学性能 346

9.4　力学性能综合 348

9.4.1　密度 348

9.4.2　弹性模量 348

9.4.3　屈服强度 350

9.4.5　断裂韧性 351

9.4.4　比强度 351

本章小结 352

本章重点 352

练习题 353

参考文献 353

第10章　材料的物理性能和化学性能 355

10.1　材料的电性能 355

10.1.1 固体材料中的电子能带结构基本理论 355

10.1.2　导电体与电阻率 358

10.1.3　绝缘体和介电性能 361

10.1.4　半导体 367

10.1.5　超导体 369

10.2　材料的磁性能 372

10.2.1　磁性的量度 372

10.2.2　材料的各类磁性 373

10.2.3　磁化与退磁化 374

10.2.4　磁性材料 374

10.3　材料的热性能 377

10.3.1　热能和热容 377

10.3.2　热膨胀 378

10.3.4　热应力 379

10.3.3　热传导 379

10.4　材料的光学性能 381

10.4.1　光的本质 381

10.4.2　金属材料的光学性质 384

10.4.3　非金属材料的光学性质 384

10.4.4　发光 387

10.4.5　光导纤维（光纤） 388

10.4.6　激光材料 388

10.5.1　材料的腐蚀性能 390

10.5　材料的抗腐蚀和耐老化性能 390

10.5.2　腐蚀速率的表示方法 391

10.5.3　提高耐腐蚀性途径 392

10.5.4　高分子材料的老化 393

本章小结 393

本章重点 395

练习题 395

参考文献 395

11.1.1　金属材料的制备 397

11.1　材料制备的基本原理及方法 397

第11章　材料的制备、强化与韧化 397

11.1.2　无机非金属材料的制备 401

11.1.3　高分子材料的制备合成 408

11.1.4　复合材料的制备 410

11.1.5　现代工程材料的特殊制备 413

11.2　材料强化基本原理和方法 418

11.2.1　材料强化基本原理 418

11.2.2　金属材料强化基本原理及途径 421

11.2.3　高分子材料强化基本原理及途径 423

11.3.1　材料韧化基本原理 425

11.3　材料韧化基本原理与方法 425

11.3.2　金属材料的韧化 430

11.3.3　无机非金属材料的韧化 431

11.3.4　高分子材料韧化 433

本章小结 434

本章重点 435

练习题 435

参考文献 436

附录 晶体结构的230种空间群 437