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