材料科學基礎(2011年清華大學出版社出版圖書)

《材料科學基礎》是2011年清華大學出版社出版的圖書，作者是潘金生、田民波、仝健民。本書可用作高等學校材料院系各專業本科生及研究生的材料科學課程教材，也可作為其他院系材料類專業學生及廣大材料工作者的參考書。

基本介紹

• 書名：材料科學基礎
• 作者：潘金生、田民波、仝健民
• ISBN：9787302247616
• 定價：70元
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：2011-1-1

內容簡介

本書為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。

本書是《材料科學基礎》（清華大學出版社，1998年）的修訂版。作為一部比較經典的高等院校教材，

本書結合金屬和合金、陶瓷、矽酸鹽等各類材料，著重闡述材料科學的基礎理論及其套用，包括晶體學、晶體缺陷、固體材料的結構和鍵合理論、材料熱力學和相圖、固體動力學（擴散）、凝固與結晶和相變等內容。此次修訂，除訂正上一版的差錯之外，還替換了不少陳舊的圖表，增補了若干新的內容，並增補了習題和解題指導。

目錄

目錄

第1章晶體學基礎

1.1引言

1.2空間點陣

1.2.1晶體的特徵和空間點陣

1.2.2晶胞、晶系和點陣類型

1.2.3複式點陣，晶胞和原胞

1.3晶面指數和晶向指數

1.3.1晶面和晶向指數的確定

1.3.2立方和六方晶體中重要晶向的快速標註

1.4常見晶體結構及其幾何特徵

1.4.1常見晶體結構

1.4.2幾何特徵

1.4.3常見晶體結構中的重要間隙

1.5晶體的堆垛方式

1.6晶體投影

1.6.1球投影

1.6.2極射投影

1.6.3烏氏網及其套用

1.6.4標準投影

1.6.5極射投影練習

1.7倒易點陣

1.7.1倒易點陣的確定方法，倒易基矢

1.7.2倒易點陣的基本性質

1.7.3實際晶體的倒易點陣

1.7.4倒易點陣的套用

1.8菱方晶系的兩種描述

1.8.1菱方軸和六方軸的基矢關係

1.8.2點陣常數換算公式

1.8.3晶向指數變換

1.8.4晶面指數變換

習題

第2章固體材料的結構

2.1引言

2.2原子結構

2.2.1經典模型和玻爾理論

2.2.2波動力學理論和近代原子結構模型

2.2.3能級圖和元素的原子結構

2.2.4原子穩定性和能級的實驗測定

2.3結合鍵

2.3.1離子鍵

2.3.2共價鍵

2.3.3金屬鍵

2.3.4分子鍵

2.3.5氫鍵

2.4分子的結構

2.4.1多原子體系電子狀態的一般特點

2.4.2共價分子的結構

2.5晶體的電子結構

2.5.1晶體的結合鍵

2.5.2晶體中電子的能態

2.5.3晶體的結合能

2.6元素的晶體結構和性質

2.6.1元素的晶體結構

2.6.2元素性質的周期性

2.7合金相結構概述

2.7.1基本概念

2.7.2合金成分的表示

2.7.3合金相分類

2.8影響合金相結構的主要因素

2.8.1原子半徑或離子半徑

2.8.2電負性

2.8.3價電子濃度

2.8.4其他因素

2.9固溶體

2.9.1什麼是固溶體

2.9.2固溶體分類

2.9.3固溶度和Hume?Rothery規則

2.9.4固溶體的性能與成分的關係

2.10離子化合物

2.10.1決定離子化合物結構的幾個規則

2.10.2典型離子化合物的晶體結構

2.10.3氧化物結構的一般規律

2.10.4決定無機化合物晶體結構的其他方法

2.11矽酸鹽結構簡介

2.11.1矽酸鹽結構的一般特點及分類

2.11.2含有有限矽氧團的矽酸鹽

2.11.3鏈狀矽酸鹽

2.11.4層狀矽酸鹽

2.11.5骨架狀矽酸鹽

2.12金屬間化合物（Ⅰ)： 價化合物

2.13金屬間化合物（Ⅱ)： 電子化合物

2.14金屬間化合物（Ⅲ)： 尺寸因素化合物——密排相

2.14.1密排相中原子排列的幾何原則

2.14.2幾何密排相

2.14.3拓撲密排相

2.15間隙化合物

2.15.1間隙化合物的分類： H?gg規則

2.15.2間隙化合物的結構

2.15.3間隙化合物的特性

2.16合金相結構符號

習題

第3章晶體的範性形變

3.1引言

3.2滑移系統和Schmid定律

3.2.1晶體的滑移系統

3.2.2Schmid定律

3.2.3Schmid定律的套用

3.3滑移時參考方向和參考面的變化

3.3.1參考方向的變化

3.3.2參考面的變化

3.4滑移過程中晶體的轉動

3.4.1晶體轉動的原因

3.4.2晶體轉動的規律

3.4.3晶體轉動的後果

3.5滑移過程的次生現象

3.6單晶體的硬化曲線

3.7孿生系統和原子的運動

3.7.1晶體的孿生系統

3.7.2孿生時原子的運動和特點

3.8孿生要素和長度變化規律

3.8.1孿生引起的形狀變化

3.8.2孿生四要素和切變計算

3.8.3孿生時長度變化規律

3.8.4孿生時試樣的最大伸長和最大縮短量

3.9孿晶和基體的位向關係

3.9.1位向關係

3.9.2孿生引起的晶向變化

3.10孿生系統的實驗測定

3.11滑移和孿生的比較

3.12多晶體範性形變的一般特點

3.12.1晶粒邊界

3.12.2多晶體範性形變的微觀特點

3.12.3晶粒度及其對性能的影響

3.13冷加工金屬的儲能和內應力

3.14應變硬化

3.14.1應變硬化現象

3.14.2實際晶體的硬化行為

3.14.3影回響變硬化的因素

3.14.4應變硬化在生產實際中的意義

3.15多晶材料的擇優取向（織構)

3.15.1概述

3.15.2織構的描述和測定方法

3.15.3實際金屬的織構和各向異性

3.15.4織構理論概述

3.15.5織構的實際意義及其控制方法

3.16纖維組織和流線

3.17晶體的斷裂

3.17.1概述

3.17.2脆性斷裂的微觀理論——Griffith裂縫理論

3.17.3金屬脆性斷裂的特點

3.17.4影響金屬的韌性、脆性和斷裂的因素

習題

第4章晶體中的缺陷

4.1引言

4.2點缺陷的基本屬性

4.2.1點缺陷類型

4.2.2點缺陷的平衡濃度

4.2.3過飽和點缺陷的形成

4.2.4點缺陷對晶體性質的影響

4.3點缺陷的實驗研究

4.3.1比熱容實驗

4.3.2熱膨脹實驗

4.3.3淬火實驗

4.3.4淬火—退火實驗

4.3.5正電子湮沒實驗

4.4位錯理論的提出

4.5什麼是位錯

4.5.1局部滑移

4.5.2局部位移

4.6位錯的普遍定義與柏格斯矢量

4.6.1柏格斯迴路

4.6.2柏氏矢量的物理意義

4.6.3柏氏矢量和位錯的表征

4.6.4柏氏矢量的守恆性

4.7位錯的運動

4.7.1刃型位錯的運動

4.7.2螺型位錯的運動

4.7.3混合位錯的運動

4.8位錯密度和晶體的變形速率

4.8.1位錯密度的定義及其實驗測定

4.8.2位錯密度和晶體的變形速率

4.8.3位錯密度和晶體的強度

4.9位錯的基本幾何性質

4.10固體彈性理論簡介

4.10.1應力分析

4.10.2應變分析： 位移和應變張量

4.10.3胡克定律

4.10.4平衡方程

4.10.5柱坐標系下的應力和應變

4.10.6彈性力學的套用簡介

4.11位錯的應力場

4.11.1螺型位錯的應力場

4.11.2刃型位錯的應力場

4.12位錯的彈性能和線張力

4.13作用於位錯上的力

4.13.1引起位錯滑移的力

4.13.2引起刃型位錯攀移的力

4.13.3一般情形下位錯受的力

4.14位錯與位錯間的互動作用

4.14.1同號刃型位錯間的互動作用

4.14.2異號刃型位錯間的互動作用

4.14.3平行螺型位錯間的作用力

4.14.4螺型位錯和刃型位錯間的互動作用

4.14.5位於同一滑移面上的一對平行混合位錯間的互動作用

4.14.6交叉位錯間的互動作用

4.15位錯與點缺陷之間的互動作用

4.15.1刃型位錯與點缺陷的互動作用能和作用力

4.15.2柯氏氣團和明顯屈服現象

4.15.3脫釘力的計算

4.15.4討論

4.16位錯的起動力——派?納力

4.16.1位錯起動力的分析——Peirls?Nabarro模型

4.16.2討論

4.17鏡像力

4.18位錯的起源與增殖

4.18.1位錯的起源

4.18.2位錯的增殖機制

4.18.3位錯的源地和尾閭

4.19位錯的塞積

4.20位錯的交割

4.20.1刃型位錯與刃型位錯的交割

4.20.2刃型位錯與螺型位錯的交割

4.20.3螺型位錯與螺型位錯的交割

4.21面心立方晶體中的位錯

4.21.1全位錯

4.21.2Shockley分位錯

4.21.3擴展位錯

4.21.4Frank分位錯

4.21.5壓桿位錯

4.22位錯反應

4.22.1自發位錯反應的條件

4.22.2FCC中位錯反應的一般表示： Thompson四面體

4.22.3位錯反應舉例

4.23密排六方和體心立方晶體中的位錯

4.23.1密排六方晶體中的位錯

4.23.2體心立方晶體中的位錯

4.24其他晶體中的位錯

4.24.1離子晶體中的位錯

4.24.2超點陣中的位錯

4.24.3共價晶體中的位錯

4.24.4層狀結構中的位錯

4.24.5聚合物晶體中的位錯

4.25小角度晶粒邊界

4.25.1傾側晶界

4.25.2扭轉晶界

4.25.3一般小角度晶界

4.26位錯的實驗觀測

4.26.1表面法（或蝕坑法)

4.26.2綴飾法

4.26.3透射電鏡法

4.26.4其他方法

4.27位錯理論的套用（小結)

習題

第5章材料熱力學

5.1熱力學在材料科學中的意義

5.2熱力學基本參數和關係

5.2.1熱力學第一定律

5.2.2熱力學第二定律

5.2.3熱力學函式的基本關係

5.2.4化學位

5.3純金屬吉布斯自由能和凝固熱力學

5.4合金相熱力學

5.4.1二組元固溶體相的吉布斯自由能

5.4.2中間相和混合相的吉布斯自由能

5.5相平衡熱力學

5.5.1相平衡的化學位

5.5.2化學位的圖解確定

5.5.3相平衡的公切線定則

5.6相圖熱力學

5.6.1二元連續固溶體相圖的建立

5.6.2二元系共晶相圖的熱力學確定

5.6.3具有固溶度間隙相圖的建立

5.6.4含有金屬間化合物相圖的建立

5.7晶體缺陷熱力學

5.7.1空位的熱力學分析

5.7.2位錯的熱力學分析

5.7.3界面的熱力學分析

5.8相變熱力學

5.8.1固溶體脫溶分解的驅動力

5.8.2由驅動力看新相形成的規律

5.8.3調幅分解

習題

第6章相圖

6.1概述

6.1.1研究相圖的意義

6.1.2相圖的表示方法

6.1.3相圖的建立

6.1.4相圖的類型和結構

6.2相律和槓桿定律

6.2.1相律

6.2.2槓桿定律

6.3二元勻晶相圖

6.3.1圖形分析

6.3.2結晶過程分析

6.3.3結晶中的擴散過程分析

6.3.4非平衡結晶分析

6.4二元共晶相圖

6.4.1圖形分析

6.4.2結晶過程分析

6.4.3共晶結晶機理

6.4.4初生相和共晶組織分析

6.4.5非平衡狀態分析

6.5二元包晶相圖

6.5.1圖形分析

6.5.2結晶過程分析

6.5.3非平衡狀態分析

6.6其他二元相圖

6.6.1液態無限溶解，固態形成化合物的相圖

6.6.2液態無限溶解，固態有轉變的相圖

6.6.3二組元在液態有限溶解的相圖

6.6.4二組元在液態無限溶解，固態有單析反應的相圖

6.6.5有熔晶（再熔）反應的相圖

6.7相圖基本類型小結

6.7.1相圖基本型式的特點

6.7.2相圖基本單元及其組合規律——相區接觸法則

6.7.3假想相圖

6.8相圖與性能關係

6.8.1相圖與力學性能關係

6.8.2相圖與鑄造工藝性關係

6.9Fe?C合金相圖

6.9.1圖形分析

6.9.2結晶過程分析

6.9.3組織區分析

6.9.4虛線部分相圖分析

6.10三元相圖

6.10.1概述

6.10.2三元勻晶相圖

6.10.3三元共晶相圖

6.10.4固態有限溶解，具有一個三相平衡區的三元相圖

6.10.5固態有限溶解，具有四相平衡區的三元相圖

6.10.6有化合物的三元相圖

習題

第7章界面

7.1研究界面的意義

7.2界面類型和結構

7.2.1按界面兩邊物質狀態分類

7.2.2按界面兩邊晶體取向差角度分類

7.2.3根據界面上原子排列情況和吻合程度分類

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影響晶界偏聚的因素

7.5界面遷移

7.5.1界面遷移速度

7.5.2界面遷移的驅動力

7.5.3影響界面遷移率的因素

7.6界面與組織形貌

7.6.1單相組織形貌

7.6.2復相組織平衡形貌

7.7界面能的測量

7.7.1界面張力平衡法

7.7.2測量界面能的動力學方法

習題

第8章固體中的擴散

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穩態擴散及其套用

8.3.1一維穩態擴散

8.3.2柱對稱穩定擴散

8.3.3球對稱穩態擴散

8.4非穩態擴散

8.4.1一維無窮長物體的擴散

8.4.2半無窮長物體的擴散

8.4.3瞬時平面源

8.4.4有限長物體中的擴散

8.5D?C關係，俁野方法

8.6克根達耳效應

8.6.1克根達耳（Kirkendall)效應

8.6.2克根達耳效應的理論和實際意義

8.7分擴散係數，達肯公式

8.8擴散的微觀理論和機制

8.8.1擴散與原子的隨機行走

8.8.2菲克定律的微觀形式及D的微觀表示

8.8.3擴散的微觀機制

8.8.4擴散係數和擴散激活能的計算

8.9擴散熱力學

8.9.1菲克定律的普遍形式

8.9.2擴散係數、溶質分布等與熱力學量之間的關係

8.10影響擴散的因素

8.10.1溫度的影響

8.10.2成分的影響

8.10.3晶體結構的影響

8.10.4短路擴散

8.11反應擴散

8.11.1反應擴散的過程及特點

8.11.2反應擴散動力學

8.11.3反應擴散的實例

8.12離子晶體中的擴散

8.12.1離子晶體中的缺陷

8.12.2離子晶體的擴散機制

8.12.3離子遷移率

8.12.4離子電導率與擴散係數的關係

8.13擴散的實際套用——固態燒結

8.13.1固態燒結過程

8.13.2初期燒結階段的半定量分析

習題

第9章凝固與結晶

9.1概述

9.1.1研究凝固與結晶的意義

9.1.2液態金屬的結構

9.1.3結晶的一般過程

9.2金屬凝固時的形核過程

9.2.1均勻形核

9.2.2非均勻形核

9.3純金屬晶體的長大

9.3.1巨觀長大方式

9.3.2微觀長大方式

9.4單相固溶體晶體的長大

9.4.1平衡凝固

9.4.2固相無擴散，液相完全混合的凝固

9.4.3固相無擴散，液相只有擴散、無對流的凝固

9.4.4固相無擴散，液相界面附近只有擴散，其餘部分有對流的凝固

9.4.5成分過冷

9.4.6單相固溶體晶體的生長方式

9.4.7晶體中的偏析

9.5兩相共晶體的長大

9.5.1典型共晶與非典型共晶的形成

9.5.2層片狀共晶的凝固生長

9.5.3共晶凝固中的成分過冷

9.6金屬和合金鑄錠組織的形成和控制

9.6.1鑄錠三區的形成

9.6.2鑄錠組織的控制

9.6.3特殊凝固方法

習題

第10章回復與再結晶

10.1概述

10.1.1研究回復與再結晶的意義

10.1.2變化條件

10.1.3變化過程

10.2回復

10.2.1回復過程的特徵

10.2.2回復過程機制

10.2.3回復動力學

10.2.4回復的套用

10.3再結晶

10.3.1再結晶過程的特徵

10.3.2再結晶過程機制

10.3.3再結晶動力學

10.3.4再結晶溫度

10.3.5再結晶後晶粒大小

10.4晶粒長大及其他結構變化

10.4.1正常晶粒長大

10.4.2反常晶粒長大

10.4.3再結晶圖

10.4.4退火孿晶

10.4.5再結晶織構

10.5金屬的熱變形

10.5.1動態回復和動態再結晶

10.5.2熱變形引起組織、性能的變化

10.5.3超塑性

習題

第11章固態相變（Ⅰ）——擴散型相變

11.1固態相變通論

11.1.1固態相變的一般特點

11.1.2固態相變的分類

11.2從過飽和固溶體中的脫溶（時效）

11.2.1時效硬化現象及特點

11.2.2脫溶過程

11.2.3過渡相的結構

11.2.4工業用脫溶硬化合金舉例

11.3脫溶的形核長大理論

11.3.1固態相變的形核

11.3.2晶核長大動力學

11.4脫溶的調幅分解理論

11.4.1調幅分解的條件——成分與溫度範圍

11.4.2調幅分解的定量分析

11.4.3調幅分解與形核長大兩種脫溶方式的對比

11.5顆粒粗化

11.5.1顆粒粗化的驅動力分析

11.5.2濃度分布

11.5.3粗化過程和粗化速率

11.5.4平衡顆粒尺寸

11.6不連續沉澱

11.6.1不連續沉澱的特徵

11.6.2長大理論

11.7沉澱強化機制

11.7.1位錯繞過不易變形顆粒

11.7.2位錯切過易形變顆粒

11.7.3顆粒半徑最佳值

11.7.4獲得高強度材料的途徑

11.8過冷奧氏體的等溫轉變及連續轉變曲線

11.8.1過冷奧氏體的等溫轉變曲線

11.8.2過冷奧氏體的連續冷卻轉變曲線

11.9共析轉變

11.9.1概述

11.9.2形核長大的熱力學及動力學分析

11.9.3先共析轉變

11.9.4珠光體的組織特點及力學性能

11.10貝氏體轉變

11.10.1貝氏體轉變的特點

11.10.2貝氏體的組織形態

11.10.3貝氏體的性能

11.11有序—無序轉變

11.11.1概念和定義

11.11.2有序合金類型

11.11.3有序—無序轉變的熱力學分析

11.11.4有序—無序轉變的動力學分析

11.11.5有序強化

11.11.6其他有序—無序轉變簡介

習題

第12章固態相變（Ⅱ)——馬氏體相變

12.1馬氏體相變的基本特性

12.1.1無擴散性

12.1.2馬氏體相變是點陣畸變式轉變，有其特定結構，是低溫亞穩相

12.1.3伴隨馬氏體相變的巨觀變形——浮凸效應

12.1.4在馬氏體相變過程中存在巨觀不畸變面——慣析面

12.1.5在基體點陣和馬氏體點陣之間一般存在著確定的位向關係

12.1.6一個板條狀或透鏡狀的馬氏體通常具有內部結構

12.1.7馬氏體相界

12.1.8馬氏體有一定的起始相變溫度Ms和一定的終了相變溫度Mf

12.1.9奧氏體的熱穩定化

12.1.10塑性變形對馬氏體相變的影響

12.1.11馬氏體逆轉變

12.1.12熱彈性馬氏體及偽彈性

12.1.13形狀記憶效應

12.2馬氏體相變機制和表象理論簡介

12.2.1鈷的馬氏體相變

12.2.2鐵基合金中的馬氏體轉變

12.2.3馬氏體相變的晶體學表象理論

12.3馬氏體相變熱力學

12.3.1馬氏體相變熱力學的一般特點

12.3.2均勻形核理論及其局限性

12.3.3非均勻形核——層錯及位錯在馬氏體形核中的作用

12.3.4馬氏體形貌

12.4馬氏體相變動力學

12.5馬氏體的回火

12.5.1淬火鋼的回火轉變及組織

12.5.2淬火鋼在回火時性能的變化

12.6馬氏體時效鋼的強化機制分析

12.6.1概述

12.6.2馬氏體時效鋼的相組成

12.6.3常規馬氏體時效鋼的時效硬化分析

12.6.4一些新型馬氏體時效鋼

習題

參考文獻