材料科学基础PDF电子书下载

1　晶体学基础 2

1.1 晶体的基本特征 2

1.2 晶体结构和点阵 2

1.3　对称性 7

1.3.1　对称变换（操作） 7

1.3.2　对称变换的解析式 9

1.3.3　点对称变换（操作） 10

1.4 晶系和点阵几何 18

1.4.1 空间点阵类型（晶系） 18

1.4.2　布喇菲点阵 24

1.4.3　晶向指数（方向指数） 29

1.4.4 晶面指数 31

1.4.5 晶带及晶带定律 34

1.4.6　六方（和三方）晶系四轴坐标系的方向指数及平面指数 36

1.4.7　倒易点阵 39

1.4.8　倒易矢量在晶体学几何关系中的应用 46

1.5　极射赤面投影 50

1.5.1 球面投影 50

1.5.2　极射投影 51

1.5.3　吴氏网和极网 54

1.5.4　标准投影图 56

总结 59

关键术语 60

练习题 61

参考文献 65

2　固体材料中的电子运动状态 67

2.1 电子的波动性与孤立原子中的电子态 67

2.1.1　电子的波动性 67

2.1.2　孤立原子中的电子态 68

2.1.3　量子力学基本原理 70

2.1.4　微观粒子的角动量 75

2.1.5 多粒子体系及交换能 79

2.2 金属中电子态的量子自由电子理论 82

2.2.1 量子自由电子理论的要点 83

2.2.2　量子自由电子理论 83

2.2.3　金属中自由电子的状态 85

2.2.4 自由电子运动状态的k空间描述 87

2.2.5 能态密度N（E） 88

2.2.6　费米-狄拉克（Fermi-Dirac）分布律 89

2.2.7　金属中自由电子体系的状态 90

2.2.8 费米能 90

2.2.9　金属中自由电子的平均动能 92

2.2.10 金属中自由电子的热容C？ 92

2.3 周期势场中的电子状态 94

2.3.1　布洛赫（Bloch）定理 95

2.3.2　潘纳-克龙尼克模型 95

2.3.3　周期方势垒势场中的电子态特征 97

2.3.4 电子能量E与波矢k的关系 98

2.4 固体中的电子能带 100

2.4.1 电子能量与波矢的关系 100

2.4.2　禁带与电子波的散射 101

2.4.3　晶体的布里渊区 102

2.4.4　能带间隙与能带重叠 106

2.4.5　能带中的能态密度 109

2.4.6　能带形成的定性解释 111

2.5 固体材料的典型电子状态及应用 113

2.5.1　传统金属材料 113

2.5.2 半导体材料与绝缘体材料 118

2.5.3　固体材料中特殊的电子态问题 131

总结 133

关键术语 135

练习题 136

附录Ⅰ 氢原子与类氢离子的径向波函数Rnl（r）表及球谐函数Ylm（θ，φ）表 139

附录Ⅱ 电磁波、声波频段、波长一览表 140

参考文献 141

3.1 晶体结构分类和晶体结构符号 143

3 晶体结构 143

3.2 原子（离子）堆垛和配位 144

3.2.1 单质金属键原子的紧密堆垛和配位 145

3.2.2　不同类金属原子的紧密堆垛和 配位 146

3.2.3　离子晶体的堆垛和配位 148

3.2.4　共价晶体和分子晶体的堆垛和配位 149

3.3　原子半径和离子半径 150

3.3.1 原子半径 151

3.3.2　离子半径 152

3.4　单质的晶体结构 156

3.4.1　面心立方结构 157

3.4.2　密排六方结构 159

3.4.3　体心立方结构 161

3.4.4　非金属单质的晶体结构 164

3.5 化合物和中间相的晶体结构 168

3.5.1　金属键化合物结构 168

3.5.2　具有离子性键的结构 179

3.5.3 共价结构 199

3.6 固溶体 200

3.6.1　置换固溶体 201

3.6.2　填隙固溶体 204

3.7 同素异构和多形性 205

3.8 准晶 208

总结 211

关键术语 213

练习题 213

参考文献 215

4　非晶态与半晶态 216

4.1 非晶态 216

4.1.1　玻璃化温度 217

4.1.2　玻璃态的形成 218

4.1.3　非晶态结构的描述 219

4.1.4　非晶态结构的硬球模型 221

4.2　聚合物 227

4.2.1 聚合物的命名和类型 228

4.2.2　聚合物的相对分子质量 236

4.2.3　聚合物的构型和构象 237

4.2.4　弹性体 244

4.2.5　聚合物凝聚态结构 247

4.3 液晶 253

4.3.1　液晶的分类 253

4.3.2　液晶的结构 255

总结 260

4.3.3　液晶应用简介 260

关键术语 261

练习题 262

参考文献 264

5　相图 266

5.1 吉布斯相律 266

5.2 单元系的压力-温度图（p-T图） 266

5.3　二元系相图 269

5.3.1　单相平衡和两相平衡 269

5.3.2　三相平衡 272

5.3.3　恒压二元相图中的中间化合物 274

5.3.4　有序→无序转变以及磁性转变在相图中的表示 276

5.3.5　恒压二元相图中相区的邻接关系 276

5.3.6　一些二元相图示例 277

5.4　三元系相图 282

5.4.1 三元系相图成分表达 282

5.4.2　在三元系中杠杆定律的应用 283

5.4.3 三元相图中各类平衡的空间结构 284

5.4.4　含稳定化合物的三元相图分割为简单的三元系 290

5.4.5　三元相图简例 292

5.4.6 三元相图应用示例 304

5.5 相图热力学基础 308

5.5.1 吉布斯自由能函数的表达式 309

5.5.2　规则溶体模型 310

5.5.3　用几何作图法求化学势 311

5.5.4　用作吉布斯自由能公切线的方法构造相图 312

5.5.5 固、液相完全互溶的体系 313

5.5.6　溶解度间隙 314

5.5.7　简单共晶系 317

5.5.8　含有中间相的二元系 319

5.5.9　超额吉布斯自由能数值对相图形貌的影响 324

5.6　相图计算 324

5.6.2 以两相的化学势相等为判据求平衡（不一定是最稳定平衡）相成分 326

5.6.1 以体系吉布斯自由能最小为判据求平衡相成分 326

5.6.3　相图合成的策略 328

5.7 有关相图和热力学的资料 329

总结 329

关键术语 330

练习题 331

参考文献 339

6　有序介质中的点缺陷和线缺陷 340

6.1 点缺陷 340

6.1.1 空位和自间隙原子 341

6.1.2　离子晶体中的点缺陷 344

6.2 线缺陷 350

6.2.1 晶体中位错的几何特征 352

6.2.2　位错的起源和位错的观察 357

6.2.3　直位错的弹性应力场 359

6.2.4　位错的能量 362

6.2.5　各向异性弹性体中位错的弹性性质 364

6.2.6　位错核心结构 365

6.2.7　位错受力 365

6.2.8　位错运动 369

6.2.9　位错与位错以及位错与其他缺陷之间的交互作用 375

6.2.10　位错的产生和增殖 382

6.2.11　位错的塞积群 384

6.2.12　实际晶体中的位错 385

6.2.13 向错 403

6.3 在晶态聚合物中的缺陷 406

总结 407

关键术语 408

练习题 409

参考文献 411

7　面缺陷和体缺陷 412

7.1 晶体表面 412

7.1.1 表面张力和表面能 412

7.1.2　表面的微观形貌 416

7.1.3　表面弛豫和重构 417

7.1.4 表面吸附与表面偏析 418

7.2 平移界面 419

7.3 晶界 421

7.3.1　小角度晶界结构 423

7.3.2　小角度晶界能量 426

7.3.3　大角度晶界结构 427

7.3.4　大角度晶界能量 438

7.3.5　晶界平衡偏析 439

7.3.6 晶界迁移 441

7.4 相界面 450

7.3.7　嵌段共聚物的晶界 450

7.5 多晶体和多相材料的平衡形貌 454

7.6　体缺陷 457

总结 459

关键术语 460

练习题 461

参考文献 464

8　固体中原子的扩散 466

8.1 扩散机制 466

8.1.1 间隙机制 466

8.2　扩散的唯象理论 467

8.1.2 空位机制 467

8.1.3　换位机制 467

8.2.1 参考系 468

8.2.2 菲克定律 469

8.2.3　二元系的扩散 470

8.2.4　扩散方程的解 475

8.3　扩散的微观理论 493

8.3.1 原子跳跃与扩散系数 493

8.3.2　随机行走与扩散距离 494

8.3.3 相关效应 495

8.3.4　扩散系数的微观意义 496

8.4 离子晶体中的扩散 500

8.5 高扩散率的通道 505

8.5.1　沿晶界扩散 506

8.5.2　沿位错扩散 508

8.5.3　沿表面扩散 508

8.5.4 高扩散率通道网络 508

8.6　在玻璃中的扩散 510

8.7　在聚合物中的扩散 512

8.8　反应扩散 514

8.9　影响扩散系数的因素 516

8.9.2　材料的结构 517

8.9.1　温度和压力 517

8.9.3　组元特性和化学成分 518

总结 520

关键术语 521

练习题 522

参考文献 525

9　材料的形变 526

9.1 弹性形变（晶体及弹性体的弹性形变） 526

9.1.1 普弹性 526

9.1.2　滞弹性 530

9.1.3　高弹性 532

9.2　单晶体的滑移 533

9.2.1 滑移要素及滑移系 534

9.2.2　滑移带和滑移线 535

9.2.3 Schmid定律 536

9.2.4　交滑移 537

9.2.5 多系滑移 540

9.2.6　拉伸和压缩时晶体的转动 542

9.3　起始塑性形变及流变应力 543

9.4 单晶体的应力-应变曲线及加工硬化 546

9.4.1 应力-应变曲线 546

9.4.2　加工硬化理论 550

9.5 形变孪晶 551

9.5.1 孪晶几何 552

9.5.2　面心立方结构晶体中的孪生 553

9.5.3　体心立方结构晶体中的孪晶 554

9.5.4　六方结构晶体中的孪生 555

9.5.5　孪生的位错机制 557

9.5.6　孪生的一般特点 558

9.6 多晶体的塑性变形 561

9.6.1 多晶体形变的特点 561

9.6.2　形变过程的宏观应变协调及宏观组织变化 562

9.6.3　形变过程宏观组织的变化 565

9.6.4　形变过程的微观应变协调与微观组织变化 566

9.6.5 影响冷形变金属和合金微观组织结构的因素 569

9.6.6　晶粒尺寸强化 571

9.7 形变织构 573

9.7.1 晶体取向的描述 573

9.7.2　取向分布的描述 574

9.7.3　形变织构的类型 577

9.8 聚合物的形变 581

9.8.1 温度对线性非晶态聚合物形变的影响 581

9.8.2　热塑性聚合物的形变 581

9.8.3 聚合物中的织构／取向 586

总结 590

关键术语 590

练习题 591

参考文献 593

10　相变的基本原理 594

10.1 相变分类 594

10.2 相变的热力学——相变驱动力 595

10.2.1 纯组元多形性相变的驱动力 596

10.2.2　脱溶转变的驱动力 596

10.3.1 形核的驱动力和核心成分 597

10.3 相变的形核 597

10.3.2　相变的均匀形核 598

10.3.3　相变的非均匀形核 607

10.4 晶核的长大 614

10.4.1　凝固时晶核的长大 614

10.4.2　固态转变时晶核的长大 620

10.5 转变动力学 627

10.6　亚稳平衡过渡相的形成 630

10.7　颗粒粗化——Ostwald熟化 630

总结 632

练习题 633

关键术语 633

参考文献 635

11　凝固 636

11.1 凝固的过冷与再辉 636

11.2 单相固溶体凝固 638

11.2.1　平衡凝固与非平衡凝固 638

11.2.2　界面前沿的溶质原子再分布 640

11.2.3　区域提纯 645

11.2.4　液-固相界面形貌 646

11.2.5　凝固微观组织 650

11.3.1　共晶的凝固 654

11.3 共晶凝固和包晶凝固 654

11.3.2　包晶凝固 663

11.4　铸锭的凝固 665

11.4.1　铸锭的宏观组织 665

11.4.2　凝固时的体积变化以及气孔夹杂的形成 668

11.4.3　铸锭组织的控制 668

11.4.4　偏析 669

11.5 熔焊及特殊凝固工艺 671

11.5.1　熔焊 671

11.5.2　快速凝固 673

11.6　玻璃体的形成与晶化 674

11.5.3　连续铸造 674

11.7 聚合物的结晶 676

11.7.1 聚合物熔体结构及特征 677

11.7.2　聚合物结晶过程 677

总结 680

关键术语 681

练习题 681

参考文献 683

12.1 合金的脱溶 684

12.1.1 脱溶贯序 684

12　固态转变 684

12.1.2　空位在脱溶过程中的作用 690

12.1.3 时效硬化 691

12.1.4　不连续脱溶（胞状脱溶） 692

12.2　共析转变 694

12.3 块形转变 697

12.4　连续型转变 699

12.4.1 调幅分解 699

12.4.2　无序→有序转变 702

12.5 无扩散型相变 705

12.5.1　马氏体转变热力学 706

12.5.2　马氏体转变的晶体学及唯象理论 707

12.5.3　马氏体的形核与长大 711

12.5.4　马氏体转变动力学 713

12.5.5　陶瓷氧化锆中的马氏体转变 714

12.6　回复和再结晶 716

12.6.1　形变金属的回复 718

12.6.2　形变晶体的再结晶 728

12.6.3　再结晶后晶粒的长大 746

12.6.4　有序合金的再结晶 753

12.6.5　热加工过程的回复和再结晶 753

12.6.6　无机材料的再结晶 759

12.6.7　再结晶织构 760

12.7.1 固态烧结 765

12.7　烧结过程 765

12.7.2　液相烧结和热压烧结 770

总结 771

关键术语 773

练习题 773

参考文献 775

附录 776

附录A　元素周期表 776

附录B 元素的物理化学数据 777

附录C 元素的原子及离子半径与单化学键的离子特性百分数 781

附录D 常用物理常数 785