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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Ⅰ 361

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Ⅱ 379

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