第1章 绪论 1
1.1 材料及其重要性 1
1.1.1 什么是材料 1
1.1.2 材料的重要性 1
1.2 材料科学与工程 2
1.2.1 概念 2
1.2.2 两大类主要任务 3
1.2.3 计算材料学与材料信息学 3
1.3 本书主要内容 4
推荐读物 4
第2章 几何晶体学基础 6
2.1 晶体概述 6
2.1.1 晶体的最初概念 6
2.1.2 晶体微观结构的早期探索 6
2.1.3 晶体学的内容 8
2.1.4 学习晶体学的意义 8
2.2 面角守恒定律 8
2.3 整数定律 9
2.4 晶体宏观对称性 10
2.4.1 对称简介 10
2.4.2 晶体宏观对称要素 11
2.4.3 晶体的对称分类 17
2.4.4 晶带定律 18
2.5 布拉维格子 18
2.5.1 结点 19
2.5.2 行列 20
2.5.3 面网 20
2.5.4 平行六面体 20
2.5.5 晶体的定义 21
2.5.6 平行六面体的选择 21
2.5.7 单位平行六面体的形状、大小 22
2.5.8 平行六面体中的结点分布 23
2.5.9 布拉维格子 24
2.6 晶体定向 25
2.6.1 坐标系的选择 25
2.6.2 布拉维法则 27
2.6.3 整数定律的推导 28
2.6.4 晶面符号、晶向符号 29
2.6.5 晶带轴定理推导 33
2.7 晶体微观对称简介 36
2.7.1 空间群 36
2.7.2 X射线晶体学 36
2.8 准晶 37
2.8.1 准晶的发展简介 37
2.8.2 准晶结构的主要特点 40
2.8.3 准晶的一些性质 41
2.8.4 晶体的再次定义 41
本章结语 42
推荐读物 42
第3章 晶体结构基础 43
3.1 晶体化学的发展简介 43
3.2 原子的堆积 44
3.2.1 原子间的作用力 44
3.2.2 原子的紧密堆积 44
3.3 影响晶体结构的主要因素 48
3.3.1 配位数与配位多面体 48
3.3.2 质点的相对大小 49
3.3.3 离子极化、电负性 49
3.3.4 鲍林规则 49
3.4 晶体结构的描述 51
3.4.1 Pearson符号 51
3.4.2 Strukturbericht符号 52
3.4.3 坐标系方法 52
3.4.4 其他描述法 52
3.5 单质晶体结构 53
3.5.1 Cu型 53
3.5.2 α-W型 54
3.5.3 Mg型 54
3.5.4 金刚石型 56
3.5.5 石墨型 57
3.5.6 富勒烯和碳纳米管 57
3.5.7 石墨烯 59
3.6 AX型 60
3.6.1 NaCl型 60
3.6.2 CsCl型 61
3.6.3 闪锌矿型 62
3.6.4 纤锌矿型 63
3.7 AX2型 64
3.7.1 CaF2型 64
3.7.2 金红石型 65
3.7.3 AlB2型 66
3.8 刚玉型 67
3.9 ABO3型 68
3.9.1 LiNbO3 68
3.9.2 CaTiO3 69
3.10 AB2O4型 72
3.11 金属间化合物结构概述 73
3.11.1 电子化合物 73
3.11.2 尺寸因素化合物——密排相 74
3.11.3 尺寸因素化合物——间隙相 74
3.12 硅酸盐晶体结构 75
3.12.1 概述 75
3.12.2 岛状结构 76
3.12.3 环状结构 78
3.12.4 链状结构 78
3.12.5 层状结构 80
3.12.6 架状结构 83
3.13 晶体结构间的联系 85
本章结语 86
推荐读物 87
第4章 晶体结构中的缺陷 88
4.1 概述 88
4.1.1 什么是晶体的缺陷 88
4.1.2 晶体结构中的理想国 88
4.1.3 材料的结构敏感性 89
4.1.4 研究缺陷的意义 89
4.1.5 缺陷的类型 90
4.2 点缺陷 91
4.2.1 点缺陷简史 91
4.2.2 点缺陷的类型及符号 92
4.2.3 热平衡点缺陷的统计理论 93
4.2.4 缺陷反应式 100
4.2.5 固溶体与高熵合金 103
4.2.6 固溶体的研究方法 108
4.2.7 非化学计量化合物 112
4.2.8 点缺陷与金属的氧化腐蚀 118
4.2.9 点缺陷对晶体主要性能的影响 120
4.3 线缺陷之位错 121
4.3.1 单晶体的滑移 122
4.3.2 位错理论提出的背景 124
4.3.3 位错的基本类型 125
4.3.4 Burgers矢量 128
4.3.5 位错密度与晶体强度 131
4.3.6 位错的运动、萌生及增殖 133
4.3.7 位错的受力 139
4.3.8 位错理论的主要应用 148
4.4 面缺陷之晶界 149
4.4.1 什么是晶界 149
4.4.2 小角度晶界 150
4.4.3 大角度晶界 152
4.4.4 孪晶界 153
4.4.5 晶界能 154
4.4.6 晶界对多晶体性能的主要影响 155
本章结语 157
推荐读物 157
第5章 表面与界面基础 158
5.1 界面及其研究意义 158
5.1.1 界面的类型 158
5.1.2 研究界面的意义 158
5.2 表面科学的形成 159
5.2.1 表面的定义 159
5.2.2 表面科学的形成 159
5.3 材料表面的结构 160
5.3.1 理想表面 160
5.3.2 清洁表面 160
5.3.3 表面二维格子 163
5.3.4 晶体表面的缺陷 165
5.3.5 粉体和纳米晶粒的表面 167
5.3.6 晶体表面的吸附 168
5.3.7 固体表面的不均匀性 171
5.4 界面能 172
5.4.1 表面能和表面张力 172
5.4.2 界面能与界面构型 173
5.4.3 界面粗糙度与润湿 176
5.5 界面的结合 178
5.5.1 高温液相的润湿性 178
5.5.2 热膨胀系数的差异 179
5.5.3 提高界面结合力的主要途径 181
本章结语 184
推荐读物 184
第6章 玻璃结构基础 185
6.1 玻璃的出现 185
6.2 什么是玻璃 185
6.2.1 玻璃、晶体与非晶体 185
6.2.2 玻璃化转变温度 186
6.3 玻璃结构学说 187
6.3.1 X射线衍射简介 187
6.3.2 结构的长程序和短程序 188
6.3.3 晶子假说的依据及不足 188
6.3.4 无规则网络假说 190
6.3.5 Warren的实验及观点 192
6.3.6 金属玻璃的无规密堆模型 195
6.3.7 玻璃化转变的实质 197
6.3.8 玻璃及非晶结构小结 198
6.4 玻璃及非晶体的形成方法 198
6.4.1 熔融冷却法 198
6.4.2 溶胶-凝胶法 199
6.4.3 气相沉积法 199
6.4.4 固相法 199
6.5 玻璃的形成条件 199
6.5.1 热力学条件 199
6.5.2 动力学条件 200
6.5.3 Goldschmidt的观点 203
6.5.4 Zachariasen的观点 203
6.5.5 化学键的影响 204
6.6 非晶材料领域的科学问题 206
6.6.1 非晶的本质和玻璃化转变 206
6.6.2 非晶体结构方面的问题 206
6.6.3 非晶物质的失稳 207
6.6.4 非晶体的形成能力和制备 207
6.7 典型玻璃材料 207
6.7.1 硅酸盐玻璃 207
6.7.2 硼硅酸盐玻璃 209
6.7.3 磷酸盐玻璃 209
6.7.4 金属玻璃 209
本章结语 210
推荐读物 211
第7章 扩散 212
7.1 扩散概述 212
7.1.1 什么是扩散 212
7.1.2 扩散的分类 212
7.1.3 扩散对材料学科的意义 212
7.1.4 扩散研究简史 213
7.2 扩散微分方程 213
7.2.1 基本概念 214
7.2.2 基本定律 214
7.2.3 扩散偏微分方程 215
7.2.4 一维稳态扩散微分方程 217
7.2.5 一维非稳态扩散微分方程 221
7.2.6 扩散微分方程数值分析简介 225
7.3 扩散驱动力 226
7.4 多元系统中的扩散 227
7.4.1 互扩散和自扩散简介 227
7.4.2 分扩散与自扩散系数 227
7.4.3 扩散系数与浓度 231
7.4.4 Kirkendall效应及其提出过程 232
7.4.5 Darken方程 236
7.5 扩散的微观理论 236
7.5.1 原子跃迁与扩散系数 237
7.5.2 Einstein方程 240
7.6 晶体中的扩散机制 241
7.6.1 扩散途径和活化能 241
7.6.2 扩散的几种微观机制 242
7.7 反应扩散 244
7.8 影响扩散的主要因素 244
7.8.1 温度的影响 244
7.8.2 化学成分的影响 246
7.8.3 材料结构的影响 249
7.8.4 晶体缺陷的影响 249
7.8.5 气氛的影响 250
7.8.6 玻璃中的扩散 250
本章结语 250
推荐读物 250
第8章 相平衡 252
8.1 相平衡理论简介 252
8.1.1 岩石和人造材料的宏观结构 252
8.1.2 显微镜开始用于材料研究 253
8.1.3 Gibbs的贡献 253
8.1.4 其他人的贡献 254
8.1.5 相图的两大类理论研究 254
8.1.6 相图的意义 255
8.1.7 热力学平衡 255
8.1.8 应用相图的主要事项 256
8.2 相律概述 256
8.2.1 基本概念回顾 256
8.2.2 相律 258
8.3 单元相图 258
8.3.1 概述 258
8.3.2 相图中的区域、线条和点 259
8.3.3 可逆和不可逆多晶转变 260
8.3.4 SiO2的相图 261
8.3.5 碳的相图 262
8.3.6 ZrO2、Fe和H2O的相图 263
8.3.7 p-T相图对新材料研发的启示 263
8.4 二元相图 264
8.4.1 概述 264
8.4.2 杠杆规则 265
8.4.3 具有低共熔点的简单系统 266
8.4.4 具有一致熔化合物的系统 269
8.4.5 具有不一致熔化合物的系统 271
8.4.6 简单匀晶相图 274
8.4.7 材料的提纯与区域熔炼 275
8.4.8 具有共晶、共析转变的系统 276
8.4.9 具有包晶、包析转变的系统 286
8.4.10 其他类型的相图 289
8.4.11 SiO2-Al2O3相图 291
8.4.12 Cu-Zn相图 294
8.4.13 Fe-Fe3C相图 295
8.5 三元相图 299
8.5.1 三元相图的表示 299
8.5.2 浓度三角形规则 301
8.5.3 具有低共熔点的简单系统 303
8.5.4 具有一个一致熔二元化合物的系统 306
8.5.5 具有一个不一致熔二元化合物的系统 307
8.5.6 具有一个低温稳定、高温分解二元化合物的系统 310
8.5.7 具有一个低温分解、高温稳定二元化合物的系统 311
8.5.8 具有一个一致熔三元化合物的系统 312
8.5.9 具有一个不一致熔三元化合物的系统 312
8.5.10 CaO-Al2O3-SiO2相图 314
8.5.11 K2O-Al2O3-SiO2相图 317
8.5.12 三元相图在配方中的应用 319
本章结语 323
推荐读物 323
第9章 相变基础 324
9.1 相变概述 324
9.1.1 什么是相变 324
9.1.2 相变的重要性 324
9.1.3 什么是显微结构 325
9.2 相变分类 325
9.2.1 按物质状态分类 325
9.2.2 按质点迁移特征分类 326
9.2.3 按化学键的重建与否分类 326
9.2.4 按热力学特征分类 327
9.2.5 按相变方式分类 329
9.3 相变驱动力 329
9.3.1 相平衡化学势 329
9.3.2 切线法确定化学势 330
9.3.3 相平衡的公切线定则 331
9.3.4 G-x曲线上的相变驱动力 332
9.3.5 相变的外界条件 333
9.4 晶核的形成和生长 335
9.4.1 形成的热力学条件 335
9.4.2 均匀形核 338
9.4.3 非均匀形核 338
9.4.4 晶体的生长 340
9.4.5 总结晶速率 340
9.4.6 质点的堆砌与晶体长大 342
9.4.7 材料的固化方式简介 344
9.5 液固相变 344
9.5.1 金属的凝固 344
9.5.2 定向凝固与单晶制备 346
9.5.3 乳浊釉与结晶釉 348
9.5.4 均相沉淀 349
9.6 固态相变 349
9.6.1 固态相变的特点 349
9.6.2 碳钢中的固态相变 351
9.6.3 材料中的脱溶相变 361
9.6.4 无机材料强韧化 367
9.6.5 玻璃陶瓷 372
9.7 Spinodal分解与分相 374
9.7.1 分相相图及其G-x线 374
9.7.2 Spinodal分解及其条件 375
9.7.3 玻璃的分相 376
9.7.4 Spinodal分解在多孔玻璃中的应用 377
9.7.5 陶瓷釉层中的分相 378
9.7.6 合金中的Spinodal分解 380
9.8 相变储能材料简介 381
9.8.1 储存能量的原因及方式 381
9.8.2 相变储能的方式 381
9.8.3 几种相变储能材料 381
本章结语 382
推荐读物 383
第10章 烧结、再结晶与晶粒生长 384
10.1 什么是烧结 384
10.1.1 粉末成型概述 384
10.1.2 烧结的定义 385
10.1.3 烧结与熔融 385
10.1.4 烧结与固相反应 386
10.1.5 烧结理论的研究对象和目的 386
10.1.6 烧结理论的发展历程 386
10.2 烧结驱动力 387
10.2.1 烧结的一般过程 387
10.2.2 粉末的烧结驱动力 387
10.2.3 验证烧结驱动力的实验 388
10.3 烧结的扩散理论基础 389
10.3.1 描述烧结速率的方法 389
10.3.2 蒸发-凝聚机制 390
10.3.3 扩散传质机制 392
10.4 烧结的流动理论基础 396
10.4.1 几个流变学概念 396
10.4.2 黏性流动机制 398
10.4.3 塑性流动机制 400
10.4.4 蠕变流动机制 401
10.5 强化烧结的措施 403
10.5.1 液相强化 403
10.5.2 压力强化 404
10.5.3 活化强化 405
10.6 材料的回复 406
10.6.1 塑性变形材料退火的原因 406
10.6.2 回复机制 407
10.6.3 回复过程的特点 408
10.7 再结晶 408
10.7.1 再结晶形核 409
10.7.2 再结晶晶核长大 410
10.7.3 影响再结晶晶粒大小的主要因素 411
10.7.4 再结晶温度及影响因素 411
10.7.5 再结晶过程特点 412
10.7.6 再结晶与相变 412
10.7.7 材料的冷、热加工 413
10.8 晶粒生长 414
10.8.1 晶粒生长的驱动力 414
10.8.2 晶界几何构型 417
10.8.3 影响晶粒生长的因素 418
10.8.4 晶粒生长的方式 423
10.8.5 Ostwald熟化 427
10.9 材料中的织构 430
10.9.1 织构及其形成 430
10.9.2 织构的描述 431
10.9.3 织构对材料性能的影响 432
本章结语 433
推荐读物 434
附录 435
附录1 晶体的对称分类 435
附录2 14种布拉维格子 436
附录3 部分常见离子的半径 437
附录4 部分晶体结构的Strukturbericht结构编号和Pearson符号 439
附录5 材料学科部分中英文期刊 439
参考文献 441