材料科学与工程基础 英文版·原书第5版PDF电子书下载

第1章 材料科学与工程引论 2

1.1 材料与工程 3

1.2 材料科学与工程 6

1.3 材料的种类 8

1.3.1 金属材料 8

1.3.2 聚合物材料 10

1.3.3 陶瓷材料 11

1.3.4 复合材料 13

1.3.5 电子材料 14

1.4 材料间的竞争 15

1.5 材料科学与技术的最新进展和未来趋势 17

1.5.1 智能材料 17

1.5.2 纳米材料 19

1.6 材料设计与选择 19

1.7 第1章小结 20

1.8 定义 21

1.9 习题 22

第2章 原子结构与键合 24

2.1 原子结构和亚原子粒子 25

2.2 原子序数、质量数和相对原子质量 28

2.3 原子的电子结构 31

2.3.1 普朗克量子理论和电磁辐射 31

2.3.2 氢原子的玻尔理论 34

2.3.3 不确定原理和薛定谔波函数 37

2.3.4 量子数、能级和原子轨道 40

2.3.5 多电子原子的能态 43

2.3.6 量子力学模型和元素周期表 44

2.4 原子尺寸、离化能和电子亲合力的周期性变化 49

2.4.1 原子尺寸的变化趋势 49

2.4.2 离化能的变化趋势 49

2.4.3 电子亲和力的变化趋势 52

2.4.4 金属、类金属和非金属 52

2.5 一次键 54

2.5.1 离子键 55

2.5.2 共价键 61

2.5.3 金属键 68

2.5.4 混合键 70

2.6 二次键 71

2.7 第2章小结 74

2.8 定义 75

2.9 习题 77

第3章 材料中的晶体结构和非晶态结构 84

3.1 空间点阵和晶胞 85

3.2 晶系与布拉菲点阵 86

3.3 主要的金属晶体结构 87

3.3.1 体心立方（BCC）晶体结构 89

3.3.2 面心立方（FCC）晶体结构 92

3.3.3 密排六方（HCF）晶体结构 93

3.4 立方晶胞中的原子位置 95

3.5 立方晶胞中的晶向 96

3.6 立方晶胞中晶面的米勒指数 100

3.7 密排六方晶体结构中的晶面和晶向 105

3.7.1 HCP晶胞中的晶面指数 105

3.7.2 HCP晶胞中的晶向指数 106

3.8 FCC、HCP和BCC晶体结构的比较 108

3.8.1 FCC和HCP晶体结构 108

3.8.2 BCC晶体结构 110

3.9 体密度、面密度以及线密度的晶胞计算 110

3.9.1 体密度 110

3.9.2 面密度 111

3.9.3 线密度 113

3.10 多晶型或同素异构 114

3.11 晶体结构分析 115

3.11.1 X光源 116

3.11.2 X光衍射 117

3.11.3 晶体结构的X光衍射分析 119

3.12 非晶态材料 125

3.13 第3章小结 126

3.14 定义 127

3.15 习题 128

第4章 凝固和晶体缺陷 136

4.1 金属的凝固 137

4.1.1 液态金属中稳定晶核的形成 139

4.1.2 液态金属中晶体生长与晶粒结构的形成 144

4.1.3 工业铸件中的晶粒结构 145

4.2 单晶体的凝固 146

4.3 金属固溶体 150

4.3.1 置换式固溶体 151

4.3.2 间隙式固溶体 153

4.4 晶体缺陷 155

4.4.1 点缺陷 155

4.4.2 线缺陷（位错） 156

4.4.3 面缺陷 159

4.4.4 体缺陷 162

4.5 鉴别微观结构和缺陷的实验技术 163

4.5.1 光学金相、ASTM晶粒尺寸和晶粒直径的确定 163

4.5.2 扫描电子显微镜（SEM） 168

4.5.3 透射电子显微镜（TEM） 169

4.5.4 高分辨率透射电子显微镜（HRTEM） 170

4.4.5 扫描探针显微镜和原子分辨率 173

4.6 第4章小结 176

4.7 定义 177

4.8 习题 178

第5章 热激活过程和固体中的扩散 186

5.1 固体中的速率过程 187

5.2 固体中的原子扩散 191

5.2.1 固体中的扩散概述 191

5.2.2 扩散机制 191

5.2.3 稳态扩散 193

5.2.4 非稳态扩散 196

5.3 扩散过程的工业应用 198

5.3.1 气体渗碳使钢铁表面硬化 198

5.3.2 集成电路用硅晶圆的杂质扩散 202

5.4 温度对固体扩散的影响 204

5.5 第5章小结 208

5.6 定义 208

5.7 习题 209

第6章 金属的力学性能（Ⅰ） 214

6.1 金属与合金的成形加工 215

6.1.1 金属和合金的铸造 215

6.1.2 金属和合金的热轧和冷轧 217

6.1.3 金属和合金的挤压 221

6.1.4 锻造 222

6.1.5 其他的金属成形工艺 224

6.2 金属材料中的应力和应变 225

6.2.1 弹性变形和塑性变形 225

6.2.2 工程应力和工程应变 226

6.2.3 泊松比 228

6.2.4 切应力与切应变 228

6.3 拉伸试验和工程应力－应变图 230

6.3.1 由拉伸试验和工程应力－应变图获得的力学性能数据 232

6.3.2 部分合金的工程应力－应变曲线的比较 237

6.3.3 真应力和真应变 237

6.4 硬度与硬度测试 239

6.5 金属单晶体的塑性形变 240

6.5.1 金属晶体表面的滑移带与滑移线 240

6.5.2 金属晶体由滑移机制造成的塑性形变 242

6.5.3 滑移系统 244

6.5.4 金属单晶体的临界切应力 249

6.5.5 施密特定律 250

6.5.6 孪生 252

6.6 多晶金属的塑性形变 254

6.6.1 晶界对金属强度的影响 254

6.6.2 塑性形变对晶粒形状和位错分布的影响 256

6.6.3 冷塑性形变对金属强度增加的影响 258

6.7 金属的固溶强化 259

6.8 塑性形变金属的回复和再结晶 261

6.8.1 深冷加工金属再加热之前的结构 262

6.8.2 回复 263

6.8.3 再结晶 264

6.9 金属中的超塑性 268

6.10 纳米晶金属 270

6.11 第6章小结 271

6.12 定义 272

6.13 习题 273

第7章 金属的力学性能（Ⅱ） 280

7.1 金属的断裂 281

7.1.1 韧性断裂 282

7.1.2 脆性断裂 283

7.1.3 韧度和冲击试验 286

7.1.4 韧性－脆性转变温度 286

7.1.5 断裂韧度 289

7.2 金属的疲劳 291

7.2.1 周期应力 295

7.2.2 韧性金属在疲劳过程中发生的基本结构变化 296

7.2.3 影响金属疲劳强度的几个主要因素 297

7.3 疲劳裂纹扩展速率 298

7.3.1 疲劳裂纹扩展与应力、裂纹长度的关系 298

7.3.2 疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子范围作图 300

7.3.3 疲劳寿命计算 302

7.4 金属的蠕变和应力断裂 304

7.4.1 金属的蠕变 304

7.4.2 蠕变试验 306

7.4.3 蠕变－断裂试验 307

7.5 第7章小结 308

7.6 定义 309

7.7 习题 309

第8章 相图 316

8.1 纯物质的相图 317

8.2 吉布斯相律 319

8.3 冷却曲线 320

8.4 二元匀晶合金系统 321

8.5 杠杆定律 324

8.6 合金的非平衡凝固 328

8.7 二元共晶合金系统 331

8.8 二元包晶合金系统 339

8.9 二元偏晶系统 344

8.10 不变反应 345

8.11 有中间相和中间化合物的相图 347

8.12 三元相图 351

8.13 第8章小结 354

8.14 定义 355

8.15 习题 357

第9章 工程合金 366

9.1 铁和钢的生产 368

9.1.1 高炉中的生铁生产 368

9.1.2 炼钢和主要钢铁产品形式的加工 369

9.2 铁－碳系统 371

9.2.1 铁－铁－碳化物相图 371

9.2.2 Fe-Fe3C相图中的固相 371

9.2.3 Fe-Fe3C相图中的不变反应 372

9.2.4 碳素钢的缓慢冷却 374

9.3 普通碳素钢的热处理 381

9.3.1 马氏体 381

9.3.2 奥氏体的等温分解 386

9.3.3 共析碳素钢的连续冷却转变曲线 391

9.3.4 碳素钢的退火与正火 394

9.3.5 碳素钢的回火 395

9.3.6 碳素钢的分类与典型的力学性能 399

9.4 低合金钢 400

9.4.1 合金钢的分类 400

9.4.2 合金钢中合金元素的分布 402

9.4.3 合金元素对钢的共析温度影响 403

9.4.4 淬硬性 404

9.4.5 低合金钢典型的力学性能和应用 409

9.5 铝合金 409

9.5.1 析出强化（硬化） 411

9.5.2 铝及其产品的一般性能 418

9.5.3 锻造铝合金 419

9.5.4 铸造铝合金 424

9.6 第9章小结 426

9.7 定义 427

9.8 习题 428

第10章 聚合物材料 436

10.1 概述 437

10.1.1 热塑性塑料 438

10.1.2 热固性塑料 438

10.2 聚合反应 439

10.2.1 单个乙烯分子的共价键结构 439

10.2.2 一个活化乙烯分子的共价键结构 440

10.2.3 聚乙烯聚合的整体反应和聚合度 441

10.2.4 链式聚合步骤 441

10.2.5 热塑性塑料的平均相对分子质量 443

10.2.6 单体的官能度 444

10.2.7 非晶体线性聚合物的结构 444

10.2.8 乙烯基树脂与亚乙烯基树脂 446

10.2.9 均聚物与共聚物 447

10.2.10 其他聚合方法 450

10.3 工业用聚合方法 452

10.4 一些热塑性塑料的结晶度与立体异构现象 454

10.4.1 非晶态热塑性塑料的凝固 454

10.4.2 半晶态热塑性塑料的凝固 454

10.4.3 半晶态热塑性塑料的结构 456

10.4.4 热塑性塑料的立体异构现象 457

10.4.5 齐格勒（Ziegler）催化剂与纳塔（Natta）催化剂 458

10.5 塑料的加工 459

10.5.1 用于热塑性塑料的加工工艺 460

10.5.2 用于热固性塑料的加工工艺 464

10.6 通用热塑性塑料 466

10.6.1 聚乙烯 468

10.6.2 聚氯乙烯均聚物与共聚物 471

10.6.3 聚丙乙烯 473

10.6.4 聚苯乙烯 473

10.6.5 聚丙烯腈 474

10.6.6 苯乙烯丙烯腈（SAN） 475

10.6.7 ABS 475

10.6.8 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 477

10.6.9 氟塑料 478

10.7 工程热塑性塑料 479

10.7.1 聚酰胺（尼龙） 480

10.7.2 聚碳酸酯 483

10.7.3 苯氧基树脂 484

10.7.4 聚甲醛 485

10.7.5 热塑性聚酯 486

10.7.6 聚苯硫醚 487

10.7.7 聚醚酰亚胺 488

10.7.8 聚合物合金 488

10.8 热固性塑料（热固性树脂） 489

10.8.1 酚醛塑料 491

10.8.2 环氧树脂 492

10.8.3 不饱和聚酯 494

10.8.4 氨基树脂（尿素塑料和三聚氰胺） 495

10.9 第10章小结 497

10.10 定义 498

10.11 习题 500

第11章 陶瓷材料 510

11.1 概述 511

11.2 简单陶瓷的晶体结构 513

11.2.1 简单陶瓷化合物中的离子键和共价键 513

11.2.2 存在于离子键固体中的简单离子排列 514

11.2.3 氯化铯晶体（CsCl）结构 517

11.2.4 氯化钠晶体（NaCl）结构 518

11.2.5 FCC与HCP晶格中的间隙位置 522

11.2.6 闪锌矿晶体（ZnS）结构 524

11.2.7 氟石晶体（CaF2）结构 526

11.2.8 反氟石晶体结构 528

11.2.9 刚玉晶体（Al2O3）结构 528

11.2.10 尖晶石（MgAl2O4）晶体结构 528

11.2.11 钙钛矿（CaTiO3）晶体结构 528

11.2.12 碳和它的同素异形体 529

11.3 硅酸盐结构 533

11.3.1 硅酸盐结构的基本结构单元 533

11.3.2 硅酸盐的岛状结构、链状结构及环状结构 533

11.3.3 硅酸盐的片状结构 533

11.3.4 硅酸盐的网络结构 535

11.4 陶瓷制备过程 536

11.4.1 材料准备 537

11.4.2 成形 537

11.4.3 热处理 542

11.5 传统陶瓷和工程陶瓷 544

11.5.1 传统陶瓷 544

11.5.2 工程陶瓷 547

11.6 陶瓷的力学性能 549

11.6.1 概述 549

11.6.2 陶瓷材料变形的机制 549

11.6.3 影响陶瓷材料强度的因素 550

11.6.4 陶瓷材料的韧度 551

11.6.5 部分稳定氧化锆（PSZ）的相变增韧 553

11.6.6 陶瓷的疲劳失效 553

11.6.7 陶瓷研磨剂材料 555

11.7 陶瓷材料的热学性能 556

11.7.1 陶瓷耐火材料 557

11.7.2 酸性耐火材料 558

11.7.3 碱性耐火材料 558

11.7.4 航天航空器用陶瓷瓦绝热片 558

11.8 玻璃 558

11.8.1 玻璃的定义 560

11.8.2 玻璃的转变温度 560

11.8.3 玻璃的结构 561

11.8.4 玻璃的组成 562

11.8.5 玻璃的粘性变形 564

11.8.6 玻璃的形成方法 566

11.8.7 钢化玻璃 568

11.8.8 化学强化玻璃 568

11.9 陶瓷涂层和表面工程 570

11.9.1 硅酸盐玻璃涂层 570

11.9.2 氧化物和碳化物涂层 570

11.10 纳米技术和陶瓷 571

11.11 第11章小结 573

11.12 定义 574

11.13 习题 575

第12章 复合材料 582

12.1 概述 583

12.2 增强塑料类复合材料用纤维 584

12.2.1 增强塑料用玻璃纤维 584

12.2.2 增强塑料用碳纤维 587

12.2.3 增强塑料用的芳族聚酰胺纤维 589

12.2.4 增强塑料类复合材料用的碳纤维、芳族聚酰胺纤维和玻璃纤维的力学性能比较 589

12.3 纤维增强塑料类复合材料 591

12.3.1 纤维增强塑料的基体材料 591

12.3.2 纤维增强塑料 592

12.3.3 在等应变、等应力情况下的片状连续纤维塑料基体复合材料的弹性模量方程 596

12.4 纤维增强塑料的开式模塑加工工艺 601

12.4.1 手铺成型工艺 601

12.4.2 喷射铺展成型工艺 601

12.4.3 真空包热压成型工艺 602

12.4.4 绕丝成型工艺 603

12.5 纤维增强塑料的闭式模塑加工工艺 604

12.5.1 压塑与注射成型加工工艺 604

12.5.2 片状模塑复合材料（SMC）加工工艺 605

12.5.3 连续挤压成型加工工艺 606

12.6 金属基和陶瓷基复合材料 606

12.6.1 金属基复合材料（MMCs） 606

12.6.2 陶瓷基复合材料（CMCs） 608

12.7 第12章小结 613

12.8 定义 614

12.9 习题 616

第13章 材料的电学性能 624

13.1 金属的电导 625

13.1.1 金属电导现象的经典模型 625

13.1.2 欧姆定律 627

13.1.3 金属导体中电子的漂移速度 631

13.1.4 金属的电阻率 632

13.2 电导性的能带模型 636

13.2.1 金属的能带模型 636

13.2.2 绝缘体的能带模型 638

13.3 本征半导体 638

13.3.1 本征半导体的电导机制 638

13.3.2 纯硅晶体点阵中的电荷输运 639

13.3.3 元素本征半导体的能带图 640

13.3.4 元素本征半导体电导的定量关系 641

13.3.5 温度对本征半导体的影响 643

13.4 非本征半导体 645

13.4.1 n型（负型）非本征半导体 645

13.4.2 p型（正型）非本征半导体 647

13.4.3 非本征硅半导体材料的掺杂剂 649

13.4.4 掺杂剂对非本征半导体中的载流子浓度的影响 649

13.4.5 在室温条件下总电离杂质浓度对硅中载流子迁移率的影响 652

13.4.6 温度对非本征半导体电导率的影响 653

13.5 半导体器件 655

13.5.1 pn结 656

13.5.2 pn结型二极管的一些应用 659

13.5.3 双极性结型晶体管 660

13.6 微电子学 662

13.6.1 微电子平面双极性晶体管 662

13.6.2 微电子平面场效应晶体管 663

13.6.3 微电子集成电路的制作 666

13.7 化合物半导体 673

13.8 陶瓷的电学性能 676

13.8.1 介电体的基本特性 676

13.8.2 陶瓷绝缘体材料 678

13.8.3 陶瓷电容器材料 679

13.8.4 陶瓷半导体 680

13.8.5 铁电陶瓷 682

13.9 纳电子学 685

13.10 第13章小结 686

13.11 定义 687

13.12 习题 690

第14章 光学性质与超导材料 696

14.1 概述 697

14.2 光谱和电磁波频谱 697

14.3 光的折射 699

14.3.1 折射率 699

14.3.2 光折射的斯涅耳定律 701

14.4 光的吸收、辐射和反射 702

14.4.1 金属 702

14.4.2 硅酸盐玻璃 703

14.4.3 塑料 704

14.4.4 半导体 706

14.5 发光 707

14.5.1 光致发光 708

14.5.2 阴极发光 708

14.6 射线的受激发射和激光 710

14.7 光导纤维 714

14.7.1 光导纤维中的光损失 714

14.7.2 单模和多模光导纤维 715

14.7.3 光导纤维的加工 716

14.7.4 现代光导纤维通信系统 718

14.8 超导材料 719

14.8.1 超导态 719

14.8.2 超导体的磁学性质 720

14.8.3 超导体中的电流和磁场 722

14.8.4 高电流、高磁场超导体 723

14.8.5 高临界温度（Tc）超导氧化物 725

14.9 定义 727

14.10 习题 728

第15章 磁学性能 732

15.1 概述 733

15.2 磁场和参量 733

15.2.1 磁场 733

15.2.2 磁感应 736

15.2.3 磁导率 736

15.2.4 磁化率 738

15.3 磁性的类型 738

15.3.1 反磁性 739

15.3.2 顺磁性 739

15.3.3 铁磁性 739

15.3.4 原子的单个未成对电子的磁矩 741

15.3.5 反铁磁性 743

15.3.6 亚铁磁性 743

15.4 温度对铁磁性的影响 743

15.5 铁磁畴 744

15.6 决定铁磁畴结构的能量类型 746

15.6.1 交换能量 746

15.6.2 静磁能量 747

15.6.3 磁晶各向异性能 747

15.6.4 畴壁能量 748

15.6.5 磁致伸缩能量 749

15.7 铁磁性金属的磁化和退磁 751

15.8 软磁材料 752

15.8.1 软磁材料的理想性能 753

15.8.2 软磁材料的能量损失 753

15.8.3 铁－硅合金 754

15.8.4 金属玻璃 755

15.8.5 镍－铁合金 756

15.9 硬磁材料 759

15.9.1 硬磁材料的性能 759

15.9.2 铝镍钴（Alnico）合金 761

15.9.3 稀土合金 763

15.9.4 钕－铁－硼磁合金 765

15.9.5 铁－铬－钴磁合金 765

15.10 铁氧体 767

15.10.1 软磁铁氧体 767

15.10.2 硬磁铁氧体 771

15.11 第15章小结 771

15.12 定义 772

15.13 习题 775

附录Ⅰ：部分元素的一些性质 780

附录Ⅱ：元素的离子半径 782

习题解答 784