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材料科学基础(2011年清华大学出版社出版图书) 发布于:

《材料科学基础》是2011年清华大学出版社出版的图书,作者是潘金生、田民波、仝健民。本书可用作高等学校材料院系各专业本科生及研究生的材料科学课程教材,也可作为其他院系材料类专业学生及广大材料工作者的参考书。

本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。

本书是《材料科学基础》(清华大学出版社,1998年)的修订版。作为一部比较经典的高等院校教材,

本书结合金属和合金、陶瓷、硅酸盐等各类材料,着重阐述材料科学的基础理论及其应用,包括晶体学、晶体缺陷、固体材料的结构和键合理论、材料热力学和相图、固体动力学(扩散)、凝固与结晶和相变等内容。此次修订,除订正上一版的差错之外,还替换了不少陈旧的图表,增补了若干新的内容,并增补了习题和解题指导。

目录

第1章晶体学基础

1.1引言

1.2空间点阵

1.2.1晶体的特征和空间点阵

1.2.2晶胞、晶系和点阵类型

1.2.3复式点阵,晶胞和原胞

1.3晶面指数和晶向指数

1.3.1晶面和晶向指数的确定桨遥背付

1.3.2立方和六方晶体中重要晶向的快速标注

1.4常见晶体结构及其几何特征

1.4.1常见晶体结构

1.4.2几何特征

1.4.3常见晶体结构中的重要间隙

1.5晶体迎拜杠的堆垛方式

1.6晶体投影

1.6.1球投影

1.6.2极射投影

1.6.3乌氏网及其应用

1.6.4标准投影

1.6.5极射投影练习

1.7倒易点阵

1.7.1倒易点阵的确定方法,倒易基矢

1.7.2倒易点阵的基本性质

1.7.3实际晶体的倒易点阵

1.7.4倒易点阵的应用

1.8菱方晶系的两种描述

1.8.1菱方轴和六方轴的基矢关系

1.8.2点阵常数换算公式

1.8.3晶向指数变换

1.8.4晶面指数变换

习题

第2章固体材料的结构

2.1引言

2.2原子结构

2.2.1经典模型和玻尔理论

2.2.2波动力学理论和近代原试灶旋子结构模型

2.2.3能级图和元素的原子结构

2.2.4原子稳定性和能级的实验测定

2.3结兰请协合键

2.3.1离子键

2.3.2共价键

2.3.3金属键

2.3.4分子键

2.3.5氢键

2.4分子的结构

2.4.1多原子体系电子状态的一般特点

2.4.2共价分子的结构

2.5晶体的电子结构

2.5.1晶体的结合键

2.5.2晶体中电子的能态

2.5.3晶体的结合能

2.6元素的晶体结构和性质

2.6.1元素的晶体结构

2.6.2元素性质的周期性

2.7合金相结构概述

2.7.1基本概念

2.7.2合金成分的表示

2.7.3合金相分类

2.8影响合金相结构的主要因素

2.8.1原子半径或离子半径

2.8.2电负性

2.8.3价电子浓度

2.8.4其他因素

2.9固溶体

2.9.1什么是固溶体

2.9.2固溶体分类

2.9.3固溶度和Hume?Rothery规则

2.9.4固溶体凳旋定霸的性能与成分的关系

2.10离子化合物

2.10.1决定离子化合物结构的几个规则

2.10.2典型离子化合物的晶体结构

2.10.3氧化物结构的一般规律

2.10.4决定无机化合物晶体结构的其他方法

2.11硅酸盐结构简介

2.11.1硅酸盐结构的一般特点及分类

2.11.2含有腊乌禁有限硅氧团的硅酸盐

2.11.3链状硅酸盐

2.11.4层状硅酸盐

2.11.5骨架状硅酸盐

2.12金属间化合物(Ⅰ): 价化合物

2.13金属间化合物(Ⅱ): 电子化合物

2.14金属间化合物(Ⅲ): 尺寸因素化合物——密排相

2.14.1密排相中原子排列的几何原则

2.14.2几何密排相

2.14.3拓扑密排相

2.15间隙化合物

2.15.1间隙化合物的分类: H?gg规则

2.15.2间隙化合物的结构

2.15.3间隙化合物的特性

2.16合金相结构符号

习题

第3章晶体的范性形变

3.1引言

3.2滑移系统和Schmid定律

3.2.1晶体的滑移系统

3.2.2Schmid定律

3.2.3Schmid定律的应用

3.3滑移时参考方向和参考面的变化

3.3.1参考方向狱坑的变化

3.3.2参考面的变化

3.4滑移过程中晶体的转动

3.4.1晶体转动的原因

3.4.2晶体转动的规律

3.4.3晶体转动的后果

3.5滑移过程的次生现象

3.6单晶体的硬化曲线

3.7孪生系统和原子的运动

3.7.1晶体的孪生系统

3.7.2孪生时原子的运动和特点

3.8孪生要素和长度变化规律

3.8.1孪生引起的形状变化

3.8.2孪生四要素和切变计算

3.8.3孪生时长度变化规律

3.8.4孪生时试样的最大伸长和最大缩短量

3.9孪晶和基体的位向关系

3.9.1位向关系

3.9.2孪生引起的晶向变化

3.10孪生系统的实验测定

3.11滑移和孪生的比较

3.12多晶体范性形变的一般特点

3.12.1晶粒边界

3.12.2多晶体范性形变的微观特点

3.12.3晶粒度及其对性能的影响

3.13冷加工金属的储能和内应力

3.14应变硬化

3.14.1应变硬化现象

3.14.2实际晶体的硬化行为

3.14.3影响应变硬化的因素

3.14.4应变硬化在生产实际中的意义

3.15多晶材料的择优取向(织构)

3.15.1概述

3.15.2织构的描述和测定方法

3.15.3实际金属的织构和各向异性

3.15.4织构理论概述

3.15.5织构的实际意义及其控制方法

3.16纤维组织和流线

3.17晶体的断裂

3.17.1概述

3.17.2脆性断裂的微观理论——Griffith裂缝理论

3.17.3金属脆性断裂的特点

3.17.4影响金属的韧性、脆性和断裂的因素

习题

第4章晶体中的缺陷

4.1引言

4.2点缺陷的基本属性

4.2.1点缺陷类型

4.2.2点缺陷的平衡浓度

4.2.3过饱和点缺陷的形成

4.2.4点缺陷对晶体性质的影响

4.3点缺陷的实验研究

4.3.1比热容实验

4.3.2热膨胀实验

4.3.3淬火实验

4.3.4淬火—退火实验

4.3.5正电子湮没实验

4.4位错理论的提出

4.5什么是位错

4.5.1局部滑移

4.5.2局部位移

4.6位错的普遍定义与柏格斯矢量

4.6.1柏格斯回路

4.6.2柏氏矢量的物理意义

4.6.3柏氏矢量和位错的表征

4.6.4柏氏矢量的守恒性

4.7位错的运动

4.7.1刃型位错的运动

4.7.2螺型位错的运动

4.7.3混合位错的运动

4.8位错密度和晶体的变形速率

4.8.1位错密度的定义及其实验测定

4.8.2位错密度和晶体的变形速率

4.8.3位错密度和晶体的强度

4.9位错的基本几何性质

4.10固体弹性理论简介

4.10.1应力分析

4.10.2应变分析: 位移和应变张量

4.10.3胡克定律

4.10.4平衡方程

4.10.5柱坐标系下的应力和应变

4.10.6弹性力学的应用简介

4.11位错的应力场

4.11.1螺型位错的应力场

4.11.2刃型位错的应力场

4.12位错的弹性能和线张力

4.13作用于位错上的力

4.13.1引起位错滑移的力

4.13.2引起刃型位错攀移的力

4.13.3一般情形下位错受的力

4.14位错与位错间的交互作用

4.14.1同号刃型位错间的交互作用

4.14.2异号刃型位错间的交互作用

4.14.3平行螺型位错间的作用力

4.14.4螺型位错和刃型位错间的交互作用

4.14.5位于同一滑移面上的一对平行混合位错间的交互作用

4.14.6交叉位错间的交互作用

4.15位错与点缺陷之间的交互作用

4.15.1刃型位错与点缺陷的交互作用能和作用力

4.15.2柯氏气团和明显屈服现象

4.15.3脱钉力的计算

4.15.4讨论

4.16位错的起动力——派?纳力

4.16.1位错起动力的分析——Peirls?Nabarro模型

4.16.2讨论

4.17镜像力

4.18位错的起源与增殖

4.18.1位错的起源

4.18.2位错的增殖机制

4.18.3位错的源地和尾闾

4.19位错的塞积

4.20位错的交割

4.20.1刃型位错与刃型位错的交割

4.20.2刃型位错与螺型位错的交割

4.20.3螺型位错与螺型位错的交割

4.21面心立方晶体中的位错

4.21.1全位错

4.21.2Shockley分位错

4.21.3扩展位错

4.21.4Frank分位错

4.21.5压杆位错

4.22位错反应

4.22.1自发位错反应的条件

4.22.2FCC中位错反应的一般表示: Thompson四面体

4.22.3位错反应举例

4.23密排六方和体心立方晶体中的位错

4.23.1密排六方晶体中的位错

4.23.2体心立方晶体中的位错

4.24其他晶体中的位错

4.24.1离子晶体中的位错

4.24.2超点阵中的位错

4.24.3共价晶体中的位错

4.24.4层状结构中的位错

4.24.5聚合物晶体中的位错

4.25小角度晶粒边界

4.25.1倾侧晶界

4.25.2扭转晶界

4.25.3一般小角度晶界

4.26位错的实验观测

4.26.1表面法(或蚀坑法)

4.26.2缀饰法

4.26.3透射电镜法

4.26.4其他方法

4.27位错理论的应用(小结)

习题

第5章材料热力学

5.1热力学在材料科学中的意义

5.2热力学基本参数和关系

5.2.1热力学第一定律

5.2.2热力学第二定律

5.2.3热力学函数的基本关系

5.2.4化学位

5.3纯金属吉布斯自由能和凝固热力学

5.4合金相热力学

5.4.1二组元固溶体相的吉布斯自由能

5.4.2中间相和混合相的吉布斯自由能

5.5相平衡热力学

5.5.1相平衡的化学位

5.5.2化学位的图解确定

5.5.3相平衡的公切线定则

5.6相图热力学

5.6.1二元连续固溶体相图的建立

5.6.2二元系共晶相图的热力学确定

5.6.3具有固溶度间隙相图的建立

5.6.4含有金属间化合物相图的建立

5.7晶体缺陷热力学

5.7.1空位的热力学分析

5.7.2位错的热力学分析

5.7.3界面的热力学分析

5.8相变热力学

5.8.1固溶体脱溶分解的驱动力

5.8.2由驱动力看新相形成的规律

5.8.3调幅分解

习题

第6章相图

6.1概述

6.1.1研究相图的意义

6.1.2相图的表示方法

6.1.3相图的建立

6.1.4相图的类型和结构

6.2相律和杠杆定律

6.2.1相律

6.2.2杠杆定律

6.3二元匀晶相图

6.3.1图形分析

6.3.2结晶过程分析

6.3.3结晶中的扩散过程分析

6.3.4非平衡结晶分析

6.4二元共晶相图

6.4.1图形分析

6.4.2结晶过程分析

6.4.3共晶结晶机理

6.4.4初生相和共晶组织分析

6.4.5非平衡状态分析

6.5二元包晶相图

6.5.1图形分析

6.5.2结晶过程分析

6.5.3非平衡状态分析

6.6其他二元相图

6.6.1液态无限溶解,固态形成化合物的相图

6.6.2液态无限溶解,固态有转变的相图

6.6.3二组元在液态有限溶解的相图

6.6.4二组元在液态无限溶解,固态有单析反应的相图

6.6.5有熔晶(再熔)反应的相图

6.7相图基本类型小结

6.7.1相图基本型式的特点

6.7.2相图基本单元及其组合规律——相区接触法则

6.7.3假想相图

6.8相图与性能关系

6.8.1相图与力学性能关系

6.8.2相图与铸造工艺性关系

6.9Fe?C合金相图

6.9.1图形分析

6.9.2结晶过程分析

6.9.3组织区分析

6.9.4虚线部分相图分析

6.10三元相图

6.10.1概述

6.10.2三元匀晶相图

6.10.3三元共晶相图

6.10.4固态有限溶解,具有一个三相平衡区的三元相图

6.10.5固态有限溶解,具有四相平衡区的三元相图

6.10.6有化合物的三元相图

习题

第7章界面

7.1研究界面的意义

7.2界面类型和结构

7.2.1按界面两边物质状态分类

7.2.2按界面两边晶体取向差角度分类

7.2.3根据界面上原子排列情况和吻合程度分类

7.3界面能量

7.3.1表面能

7.3.2小角界面能

7.3.3大角界面能

7.4界面偏聚

7.4.1晶界偏聚方程

7.4.2影响晶界偏聚的因素

7.5界面迁移

7.5.1界面迁移速度

7.5.2界面迁移的驱动力

7.5.3影响界面迁移率的因素

7.6界面与组织形貌

7.6.1单相组织形貌

7.6.2复相组织平衡形貌

7.7界面能的测量

7.7.1界面张力平衡法

7.7.2测量界面能的动力学方法

习题

第8章固体中的扩散

8.1引言

8.2菲克定律

8.2.1菲克第一定律

8.2.2菲克第二定律

8.3稳态扩散及其应用

8.3.1一维稳态扩散

8.3.2柱对称稳定扩散

8.3.3球对称稳态扩散

8.4非稳态扩散

8.4.1一维无穷长物体的扩散

8.4.2半无穷长物体的扩散

8.4.3瞬时平面源

8.4.4有限长物体中的扩散

8.5D?C关系,俣野方法

8.6克根达耳效应

8.6.1克根达耳(Kirkendall)效应

8.6.2克根达耳效应的理论和实际意义

8.7分扩散系数,达肯公式

8.8扩散的微观理论和机制

8.8.1扩散与原子的随机行走

8.8.2菲克定律的微观形式及D的微观表示

8.8.3扩散的微观机制

8.8.4扩散系数和扩散激活能的计算

8.9扩散热力学

8.9.1菲克定律的普遍形式

8.9.2扩散系数、溶质分布等与热力学量之间的关系

8.10影响扩散的因素

8.10.1温度的影响

8.10.2成分的影响

8.10.3晶体结构的影响

8.10.4短路扩散

8.11反应扩散

8.11.1反应扩散的过程及特点

8.11.2反应扩散动力学

8.11.3反应扩散的实例

8.12离子晶体中的扩散

8.12.1离子晶体中的缺陷

8.12.2离子晶体的扩散机制

8.12.3离子迁移率

8.12.4离子电导率与扩散系数的关系

8.13扩散的实际应用——固态烧结

8.13.1固态烧结过程

8.13.2初期烧结阶段的半定量分析

习题

第9章凝固与结晶

9.1概述

9.1.1研究凝固与结晶的意义

9.1.2液态金属的结构

9.1.3结晶的一般过程

9.2金属凝固时的形核过程

9.2.1均匀形核

9.2.2非均匀形核

9.3纯金属晶体的长大

9.3.1宏观长大方式

9.3.2微观长大方式

9.4单相固溶体晶体的长大

9.4.1平衡凝固

9.4.2固相无扩散,液相完全混合的凝固

9.4.3固相无扩散,液相只有扩散、无对流的凝固

9.4.4固相无扩散,液相界面附近只有扩散,其余部分有对流的凝固

9.4.5成分过冷

9.4.6单相固溶体晶体的生长方式

9.4.7晶体中的偏析

9.5两相共晶体的长大

9.5.1典型共晶与非典型共晶的形成

9.5.2层片状共晶的凝固生长

9.5.3共晶凝固中的成分过冷

9.6金属和合金铸锭组织的形成和控制

9.6.1铸锭三区的形成

9.6.2铸锭组织的控制

9.6.3特殊凝固方法

习题

第10章回复与再结晶

10.1概述

10.1.1研究回复与再结晶的意义

10.1.2变化条件

10.1.3变化过程

10.2回复

10.2.1回复过程的特征

10.2.2回复过程机制

10.2.3回复动力学

10.2.4回复的应用

10.3再结晶

10.3.1再结晶过程的特征

10.3.2再结晶过程机制

10.3.3再结晶动力学

10.3.4再结晶温度

10.3.5再结晶后晶粒大小

10.4晶粒长大及其他结构变化

10.4.1正常晶粒长大

10.4.2反常晶粒长大

10.4.3再结晶图

10.4.4退火孪晶

10.4.5再结晶织构

10.5金属的热变形

10.5.1动态回复和动态再结晶

10.5.2热变形引起组织、性能的变化

10.5.3超塑性

习题

第11章固态相变(Ⅰ)——扩散型相变

11.1固态相变通论

11.1.1固态相变的一般特点

11.1.2固态相变的分类

11.2从过饱和固溶体中的脱溶(时效)

11.2.1时效硬化现象及特点

11.2.2脱溶过程

11.2.3过渡相的结构

11.2.4工业用脱溶硬化合金举例

11.3脱溶的形核长大理论

11.3.1固态相变的形核

11.3.2晶核长大动力学

11.4脱溶的调幅分解理论

11.4.1调幅分解的条件——成分与温度范围

11.4.2调幅分解的定量分析

11.4.3调幅分解与形核长大两种脱溶方式的对比

11.5颗粒粗化

11.5.1颗粒粗化的驱动力分析

11.5.2浓度分布

11.5.3粗化过程和粗化速率

11.5.4平衡颗粒尺寸

11.6不连续沉淀

11.6.1不连续沉淀的特征

11.6.2长大理论

11.7沉淀强化机制

11.7.1位错绕过不易变形颗粒

11.7.2位错切过易形变颗粒

11.7.3颗粒半径最佳值

11.7.4获得高强度材料的途径

11.8过冷奥氏体的等温转变及连续转变曲线

11.8.1过冷奥氏体的等温转变曲线

11.8.2过冷奥氏体的连续冷却转变曲线

11.9共析转变

11.9.1概述

11.9.2形核长大的热力学及动力学分析

11.9.3先共析转变

11.9.4珠光体的组织特点及力学性能

11.10贝氏体转变

11.10.1贝氏体转变的特点

11.10.2贝氏体的组织形态

11.10.3贝氏体的性能

11.11有序—无序转变

11.11.1概念和定义

11.11.2有序合金类型

11.11.3有序—无序转变的热力学分析

11.11.4有序—无序转变的动力学分析

11.11.5有序强化

11.11.6其他有序—无序转变简介

习题

第12章固态相变(Ⅱ)——马氏体相变

12.1马氏体相变的基本特性

12.1.1无扩散性

12.1.2马氏体相变是点阵畸变式转变,有其特定结构,是低温亚稳相

12.1.3伴随马氏体相变的宏观变形——浮凸效应

12.1.4在马氏体相变过程中存在宏观不畸变面——惯析面

12.1.5在基体点阵和马氏体点阵之间一般存在着确定的位向关系

12.1.6一个板条状或透镜状的马氏体通常具有内部结构

12.1.7马氏体相界

12.1.8马氏体有一定的起始相变温度Ms和一定的终了相变温度Mf

12.1.9奥氏体的热稳定化

12.1.10塑性变形对马氏体相变的影响

12.1.11马氏体逆转变

12.1.12热弹性马氏体及伪弹性

12.1.13形状记忆效应

12.2马氏体相变机制和表象理论简介

12.2.1钴的马氏体相变

12.2.2铁基合金中的马氏体转变

12.2.3马氏体相变的晶体学表象理论

12.3马氏体相变热力学

12.3.1马氏体相变热力学的一般特点

12.3.2均匀形核理论及其局限性

12.3.3非均匀形核——层错及位错在马氏体形核中的作用

12.3.4马氏体形貌

12.4马氏体相变动力学

12.5马氏体的回火

12.5.1淬火钢的回火转变及组织

12.5.2淬火钢在回火时性能的变化

12.6马氏体时效钢的强化机制分析

12.6.1概述

12.6.2马氏体时效钢的相组成

12.6.3常规马氏体时效钢的时效硬化分析

12.6.4一些新型马氏体时效钢

习题

参考文献


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