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1 绪论 1

1.1 材料发展概要 1

1.1.1 石器时代 1

1.1.2 青铜器时代 2

1.1.3 铁器时代 3

l.1.4 钢铁工业和有色金属的发展 3

1.1.5 非金属材料的发展 4

1.1.6 复合材料及新材料技术的发展 4

1.2 材料应用现状 5

1.3 新材料的发展趋势 7

1.4 材料科学与工程简介 11

1.4.1 材料科学与工程学科的形成 11

1.4.2 材料科学与工程的内容 12

1.4.3 材料科学与工程的特点 16

1.5 材料的分类 17

1.5.1 金属材料 18

1.5.2 高分子材料 18

1.5.3 陶瓷材料 19

1.5.4 复合材料 19

1.6 材料加工工程简介 19

1.6.1 材料加工工艺 20

1.6.2 新一代材料加工技术 21

1.6.3 材料加工过程的计算机建模与仿真 22

1.6.4 材料加工对结构和性能的影响 23

2 原子结构与原子间结合键 25

2.1 原子结构 25

2.2 原子序数和原子质量&z 5

2.2.1 原子序数 25

2.2.2 核素与同位素 26

2.2.3 原子质量与相对原子质量 26

2.3 原子的电子层结构 27

2.3.1 核外电子的运动状态 27

2.3.2 多电子原子轨道的能级 29

2.3.3 原子的电子层结构 31

2.3.4 原子的电子层结构与元素周期律、周期表 35

2.3.5 原子结构与元素性质 38

2.4 原子的结合键 43

2.4.1 一次键 43

2.4.2 二次键 46

2.4.3 混合键 47

2.4.4 结合键的本质及原子间距 48

2.4.5 结合键与性能 49

3 晶体结构 51

3.1 晶体特征 51

3.2 空间点阵与晶胞 52

3.2.1 空间点阵和晶格 52

3.2.2 晶胞 52

3.3 晶系与布拉菲点阵 53

3.4 晶向与晶向指数 55

3.4.1 立方晶系的晶向指数 55

3.4.2 六方晶系的晶向指数 56

3.5 晶面与晶面指数 56

3.5.1 立方晶系的晶面指数 56

3.5.2 六方晶系的晶面指数 58

3.6 晶带和晶面间距 58

3.6.1 晶带 58

3.6.2 晶面间距 59

3.7 典型的金属晶体结构 60

3.7.1 体心立方晶胞 60

3.7.2 面心方立晶胞 60

3.7.3 密排六方晶胞 61

3.7.4 三种典型晶体结构的比较 61

3.8 原子体密度、面密度和线密度 67

3.8.1 原子体密度 67

3.8.2 原子面密度 67

3.8.3 原子线密度 69

3.9 多晶型性与同素异构转变 69

3.10 单晶与多晶 71

3.11 离子晶体结构与共价晶体结构 72

3.11.1 离子晶体结构 72

3.11.2 共价晶体结构 73

3.12 微晶、准晶与液晶 74

3.12.1 微晶 74

3.12.2 准晶 74

3.12.3 液晶 75

3.13 合金相结构 77

3.13.1 固溶体 77

3.13.2 中间相 84

3.14 晶体缺陷 89

3.14.1 点缺陷 90

3.14.2 线缺陷 92

3.14.3 面缺陷 100

3.15 非晶态合金 104

3.16 用X射线衍射法分析晶体结构 105

4 固体中的扩散 107

4.1 概述 107

4.1.1 扩散机制 107

4.1.2 扩散的驱动力 109

4.1.3 固态扩散的分类 109

4.2 扩散定律 110

4.2.1 稳态扩散与扩散第一定律 110

4.2.2 非稳态扩散与扩散第二定律 111

4.3 影响扩散的因素 113

4.3.1 温度的影响 113

4.3.2 晶体结构的影响 114

4.3.3 基体金属的性质 114

4.3.4 固溶体类型对扩散的影响 115

4.3.5 固溶体浓度对扩散的影响 115

4.3.6 晶体缺陷的影响 116

4.4 反应扩散 116

4.4.1 反应扩散的过程及特点 116

4.4.2 反应扩散的实例 116

4.5 离子晶体和共价晶体中的扩散 118

4.5.1 离子晶体中的扩散 118

4.5.2 共价晶体中的扩散 119

4.6 纳米晶体材料的扩散 119

4.7 非晶体中的扩散 120

4.8 扩散与材料加工 120

4.8.1 扩散与晶粒长大 120

4.8.2 钢的气体渗碳表面硬化 121

4.8.3 硅晶片的掺杂扩散 123

4.8.4 扩散焊 123

4.8.5 扩散与烧结和粉末冶金 124

5 材料的固化 125

5.1 材料固化的概念与特征 125

5.1.1 材料固化的概念 125

5.1.2 材料固化的特征 125

5.2 金属的结晶 126

5.2.1 金属结晶的条件与过程 126

5.2.2 形核 130

5.2.3 晶核长大 136

5.2.4 金属铸锭的组织 141

5.3 高聚物的固化 142

5.3.1 固化过程及特点 142

5.3.2 二次结晶与热处理 144

5.4 材料固化理论的应用 145

5.4.1 细化晶粒 145

5.4.2 液态急冷技术 147

5.4.3 单晶的制取 150

5.4.4 定向凝固 150

5.4.5 微重力（太空失重）条件下的材料固化 151

6 相图 153

6.1 相图基本概念 153

6.1.1 相图 153

6.1.2 相图的表示方法 153

6.1.3 相图的建立方法 154

6.2 相律和杠杆定律 155

6.2.1 相律 155

6.2.2 杠杆定律 155

6.3 二元匀晶相图 157

6.3.1 相图分析 157

6.3.2 平衡结晶过程分析 157

6.3.3 非平衡结晶过程分析 158

6.3.4 成分过冷与晶体长大形态 160

6.4 二元共晶相图 164

6.4.1 相图分析 164

6.4.2 典型合金平衡结晶过程分析 165

6.4.3 初晶和共晶的组织形态 168

6.4.4 非平衡结晶的特点 170

6.5 二元包晶相图 172

6.5.1 相图分析 172

6.5.2 典型合金平衡结晶过程分析 173

6.5.3 非平衡结晶的特点 174

6.6 其他类型的二元相图 175

6.6.1 具有化合物的相图 175

6.6.2 具有三相平衡恒温转变的其他二元相图 177

6.6.3 具有同素异晶转变的相图 178

6.7 相图基本类型小结 180

6.7.1 相图基本形式 180

6.7.2 相图基本单元及其组合规律——相区接触法则 180

6.8 二元相图的分析 181

6.8.1 二元相图的分析方法 181

6.8.2 二元相图分析举例 182

6.9 相图与性能的关系 183

6.9.1 相图与合金使用性能的关系 183

6.9.2 相图与合金工艺性能的关系 184

6.10 铁碳合金相图 185

6.10.1 铁碳相图 185

6.10.2 典型铁碳合金的平衡结晶过程 189

6.10.3 碳对铁碳合金平衡组织与性能的影响 195

6.10.4 Fe-Fe3C相图在材料加工中的应用 199

7 固态相变与金属热处理 201

7.1 固态相变概述 201

7.1.1 固态相变的概念 201

7.1.2 相变的分类 202

7.2 钢的热处理原理 204

7.2.1 钢在加热时的转变 204

7.2.2 钢在冷却时的转变 209

7.2.3 珠光体转变 216

7.2.4 马氏体转变 221

7.2.5 贝氏体转变 225

7.3 钢的热处理工艺 228

7.3.1 钢的普通热处理 229

7.3.2 钢的表面热处理 239

7。3.3 钢的化学热处理 240

7.3.4 钢的热处理新技术 247

8 金属的力学性能及其他性能 251

8.1 金属的应力与应变 251

8.1.1 拉伸的应力与应变 251

8.1.2 压缩的应力与应变 254

8.1.3 弯曲的应力与应变 255

8.1.4 剪切的应力与应变 257

8.1.5 扭转的应力与应变 258

8.2 弹性性能 259

8.3 金属单晶体的塑性变形 261

8.3.1 滑移 261

8.3.2 孪生 265

8.4 金属多晶体的塑性变形 266

8.4.1 多晶体塑性变形的特点 267

8.4.2 晶粒大小对变形的影响 268

8.5 合金的塑性变形 269

8.5.1 固溶体的塑性变形特点 269

8.5.2 多相合金的塑性变形特点 271

8.6 塑性变形对合金组织和性能的影响 272

8.6.1 塑性变形对组织结构的影响 272

8.6.2 塑性变形对性能的影响 275

8.7 金属及合金的回复与再结晶 276

8.7.1 形变金属或合金加热过程中的一般变化 277

8.7.2 回复 278

8.7.3 再结晶 279

8.7.4 再结晶后的晶粒长大 283

8.7.5 再结晶退火后的组织 286

8.7.6 金属与合金的热加工 287

8.8 金属的断裂 288

8.8.1 断裂的一般过程 289

8.8.2 脆性断裂 289

8.8.3 韧性断裂 291

8.8.4 韧性—脆性的转移 292

8.8.5 断裂韧性 293

8.9 金属的疲劳 294

8.10 金属的蠕变和持久强度 296

8.10.1 金属的蠕变 296

8.10.2 持久强度 297

8.11 硬度 297

8.11.1 布氏硬度 298

8.11.2 洛氏硬度 298

8.12 金属的磨损 299

8.13 金属的物理和化学性能 300

8.13.1 金属的物理性能 300

8.13.2 金属的化学性能 302

8.14 金属的工艺性能 302

8.14.1 铸造性能 303

8.14.2 锻造性能 303

8.14.3 焊接性能 304

8.14.4 切削加工性能 304

8.14.5 热处理工艺性能 304

9 高分子材料的结构与性能 305

9.1 概述 305

9.1.1 高分子材料的基本概念 305

9.1.2 高分子材料的合成 308

9.1.3 高聚物材料的加工成型 309

9.2 高聚物的结构 310

9.2.1 大分子内和大分子之间的相互作用 310

9.2.2 大分子链结构 311

9.2.3 大分子的聚集态结构 317

9.3 高聚物的性能 319

9.3.1 高聚物的力学性能 319

9.3.2 高聚物的物理性能和化学性能特点 330

10 陶瓷的结构与性能 333

10.1 陶瓷材料概述 333

10.1.1 陶瓷的概念 333

10.1.2 陶瓷的分类 333

10.1.3 陶瓷的生产 334

10.2 陶瓷的组织与结构 336

10.2.1 陶瓷的组织 336

10.2.2 陶瓷的结构 336

10.3 陶瓷材料的性能 342

10.3.1 陶瓷的机械性能 342

10.3.2 陶瓷的物理和化学性能 346

10.4 陶瓷材料加工 347

10.4.1 陶瓷表面金属化与封接（焊接） 347

10.4.2 陶瓷表面涂层 349

10.4.3 陶瓷的加工 354

参考文献 357