材料科學與工程基礎

前言

材料科學是20世紀60年代初期創(chuàng)立的研究材料共性規(guī)律的一門科學，其研究內容涉及金屬、無機非金屬、有機高分子等材料的成分、結構、加工同材料性能及材料應用之間的相互關系。由于材料的獲得、質量的改進與使材料成為人們可用的器件或構件都離不開生產工藝、制造技術和應用技術等工程知識，所以，人們往往把“材料科學”與“工程”相提并論，而稱為“材料科學與工程”。國外大學的工學院已廣泛把材料科學與工程作為大學低年級的一門公共必修課。 四川大學(原成都科技大學)高分子材料系自1989年始，按照教育部教學改革的方針，為培養(yǎng)知識面廣、適應面寬、基礎扎實的高分子材料高級專業(yè)人才，在本科生專業(yè)主干課程《高分子材料導論》中講授材料科學與工程的基本原理，并于1996年正式開設《材料科學與工程基礎》課程。在由四川大學牽頭，北京化工大學、華東理工大學、東北大學、武漢工業(yè)大學主持，東華大學、吉林工業(yè)大學參加的國家教育部面向21世紀高等工程教育教學內容和課程體系改革計劃《材料類專業(yè)人才培養(yǎng)方案及教學內容體系改革的研究與實踐》項目的五年研究中，項目組各校共同認識到：現(xiàn)代材料工業(yè)和科學技術的發(fā)展正推動著各類材料從多樣化和單一性走向一體化和復合化；培養(yǎng)既掌握材料科學與工程基本原理，又通曉某一類材料制備與加工、組成與結構、性能與應用系統(tǒng)知識的寬專業(yè)人才，是21世紀材料類專業(yè)人才培養(yǎng)思路的重要內容。為此，決定設置材料科學與工程一級學科平臺課程三門，并編寫相應教材。《材料科學與工程基礎》正是其中之一，該教材由四川大學主編，武漢工業(yè)大學和東華大學參編，教育部批準列入“面向21世紀課程教材”出版。 本書編寫從材料科學與工程的基本原理出發(fā)，力求較全面地說明各種材料的共性規(guī)律及金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料的個性特點和多種組分復合體系的基本特征。本著材料科學的范疇，以物質結構為基礎，按照從微觀到宏觀、從內部到表面、從靜態(tài)到動態(tài)、從單組分到多組分的順序，闡述原子結構、原子間相互作用和結合方式，與固體內部和表面原子的空間排列狀態(tài)、聚集態(tài)結構及變化規(guī)律之間的相互關系，使學生對材料組成(成分)與物質結構的內在聯(lián)系有較系統(tǒng)、深刻的理解。從材料的組成(成分)入手，詳細闡述高分子材料、金屬材料和無機非金屬材料的聚集態(tài)結構和宏觀組織結構特點；詳細闡述由特性不同的各類材料相互復合而成的納米級、微米級、粒子填充、纖維增強等復合材料的微觀和宏觀結構以及界面結構，使學生較系統(tǒng)地掌握不同類型材料從微觀到宏觀的結構變化特點。本著材料科學的基本原理與材料的工程應用相結合，用大量篇幅闡明了在應力、熱、電、光、磁、化學介質、氧等外界因素的作用下，各類材料所表現(xiàn)出來的宏觀性質、破壞形式、及其內部結構的變化規(guī)律；講述各類宏觀物理性質的定義及測試和評價方法。使學生掌握材料結構與性能關系的基本規(guī)律，了解不同類材料的結構與性能特征，為材料的設計和應用奠定基礎。并從原料出發(fā)，簡要地講述材料的制備原理和主要方法，及由各種材料的結構和性能特點，講述其加工行為和主要加工方法，使學生在材料工程的基礎上，建立材料制備加工結構性能關系的整體概念。本書在編寫中注意引入材料科學中的新原理和新方法，例如在第4章增加了“納米材料及效應”一節(jié)，以便學生對材料科學與工程發(fā)展中的前沿領域有一定的初步了解。 本書由顧宜、尹光福、淡宜、曾光廷、湯嘉陵、趙長生、蔡緒伏(四川大學)、沈新元(東華大學)和黃學輝(武漢工業(yè)大學)編寫。以顧宜和樊渝江1996年編寫的《高分子材料導論(上冊)》為藍本，由顧宜提出編寫大綱和統(tǒng)稿。編寫分工為：顧宜(第1章、第2章21、23、251、252、264、27、28、第4章42)，黃學輝(第2章22、24、253、26、284)，沈新元(第4章43、44、45)，淡宜(第3章31、32，第5章513)，尹光福(第3章34、第5章512)，曾光廷(第3章33、第5章511、521)，湯嘉陵(第3章35、第4章47、48)，趙長生(第4章41、46)，蔡緒伏(第5章522)。王勁協(xié)助編寫習題和制圖。 該書稿于2000年12月匯稿并印制講義供四川大學材料工程類專業(yè)九九級學生試用一屆后進行了修改并編寫習題。材料科學與工程所涉及的學科和應用領域十分廣闊，囿于我們的專業(yè)范圍和知識水平，難免存在較多誤漏，祈望讀者指正，以利進一步修訂。在此，對教育部領導，對支持本書編寫的四川大學、武漢工業(yè)大學、東華大學以及北京化工大學、華東理工大學、東北大學、吉林工業(yè)大學的領導、同仁表示深切的謝意。 編者 2001年8月   第二版前言 由四川大學主編的《材料科學與工程基礎》教材于2002年4月正式出版發(fā)行，之后多次重印，在多個學校獲得使用。自2001年以來，四川大學對《材料科學與工程基礎》課程進行了一系列改革，于2004年評為國家級精品課程，2006年《材料科學與工程基礎》教材列入“十一五”國家級規(guī)劃教材進行修訂。在課程建設過程中，我們引進了WilliamDCallister，Jr編寫的《FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering，(FifthEdition)》(2001，JohnWiley＆Sons，Inc，NewYork)，將中英文教材的內容相結合，組織實施“雙語”教學，建立了新的課程體系，編寫了相應的講義、課件、習題集；并在多年教學實踐的基礎上，按照新的課程內容體系完成了教材的修訂。 目前，國內外有關《材料科學與工程基礎》類的教材從內容體系上主要有兩大系列，一是傳統(tǒng)的模式，將金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料等三大類材料分別按照結構、特征和性質進行討論，另一種是現(xiàn)代的、集成化的模式，將三大類材料整合在一起，討論材料的結構、特征和性質的共性規(guī)律和個性特征。由四川大學主持編寫、于2002年出版的《材料科學與工程基礎》教材，正是一本按集成化方式編寫的教材。該教材的內容體系由我們獨立創(chuàng)建，但與英文教材(FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering，F(xiàn)ifthEdition，WilliamDCallister，Jr，)不謀而合。WilliamDCallister，Jr教授先后編寫了FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering教材五個版本，前四個版本都是按傳統(tǒng)的模式編寫的。在多年教學總結的基礎上，他從更有利于教和學的角度，按照集成化的模式編寫了第五版教材，受到了廣泛的歡迎。 與2002年版教材相比，修訂版的《材料科學與工程基礎》教材發(fā)生了一些顯著的變化。通過刪減一些不必要的內容和融入國外同類高水平教材部分內容，進一步完善了教材內容，使之更具先進性、科學性、系統(tǒng)性和適應性：通過增設教學例題和進一步豐富習題和思考題，更有利于學生學習和理解教學內容；通過在每一章節(jié)后添加一些小故事，介紹材料科學與工程領域中的著名科學家、高新技術領域的新材料，可擴展學生的知識面、激發(fā)學生的學習熱情。 修訂工作以國家精品課程的課堂講義內容為主線，以2002年版教材為藍本，由顧宜和趙長生提出修訂大綱并統(tǒng)稿，其中部分章節(jié)內容變動較大，部分章節(jié)未作變動。修訂分工為：顧宜(第1章，第2章21、22、23、24、27，第3章31、32、33、34，第4章42，第5章51、521)；謝邦互(第2章25、26、28)；趙長生(第4章41、46)；湯嘉陵(第3章35，第4章47、48)；沈新元(第4章43、44、45)；蔡緒伏(第5章522)；李曹(習題和小故事)。 雖然該修訂教材內容已經過多年教學實踐不斷完善，但是材料科學與工程所涉及的學科和應用領域十分廣闊，囿于我們的專業(yè)范圍和知識水平，仍難免存在不少錯誤，敬請各位同仁批評指正。 編者 2010年12月

內容概要

本書是“十一五”國家級規(guī)劃教材，是教育部“面向21世紀課程教材”的修訂版本。
本書共分5章。緒論、材料結構基礎、材料組成與結構、材料的性能、材料的制備與成型加工。從材料科學與工程的基本原理出發(fā)，綜合介紹了各種材料組成、結構、制備工藝、性能及應用的共性規(guī)律及金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料的個性特點和多種組分復合體系的基本特征。
本書供材料類專業(yè)本科學生使用，可供研究生、教師和工程技術人員閱讀參考，也可供其他與材料專業(yè)相關的學生選讀。

書籍目錄

第1章緒論1
1 1材料的定義、分類及基本性質1
1 1 1金屬材料1
1 1 2無機非金屬材料2
1 1 3高分子材料3
1 1 4復合材料3
1 2材料科學與工程概述4
1 2 1材料科學的由來4
1 2 2材料科學與工程的性質與范圍5
1 2 3材料科學在工程中的作用6
第2章材料結構基礎9
2 1物質的組成、狀態(tài)及材料結構9
2 1 1物質的組成和狀態(tài)9
2 1 2材料結構的含義10
2 2材料的原子結構11
2 2 1量子力學的幾個基本概念12
2 2 2原子核結構14
2 2 3原子核外電子14
2 3原子之間相互作用和結合19
2 3 1基本結合（化學鍵合）20
2 3 2派生結合（物理鍵合）23
2 3 3各種鍵性的比較25
2 3 4原子間距和空間排列25
2 4多原子體系中電子的相互作用與穩(wěn)定性29
2 4 1雜化軌道和分子軌道理論30
2 4 2費米能級34
2 4 3固體中的能帶36
2 5固體中的原子有序39
2 5 1結晶體的特點與晶體的性質39
2 5 2晶體幾何學基礎39
2 5 3晶體的類型51
2 6固體中的原子無序60
2 6 1固溶體60
2 6 2晶體結構缺陷64
2 6 3非晶體71
2 6 4擴散74
2 7固體中的轉變81
2 7 1固體中的轉變類型82
2 7 2平衡和相變83
2 7 3相圖86
2 8固體的表面結構94
2 8 1表面力和表面力場94
2 8 2表面能和表面張力95
2 8 3表面結構及幾何形狀96
2 8 4固體表面的特性97
第3章材料組成與結構105
3 1材料組成和結構的基本內容105
3 2金屬材料的組成與結構105
3 2 1金屬材料105
3 2 2合金材料108
3 2 3鐵碳合金的基本知識110
3 2 4非鐵金屬及合金120
3 2 5非晶態(tài)合金121
3 2 6金屬材料的再結晶122
3 3無機非金屬材料的組成與結構124
3 3 1無機非金屬材料的組成與結合鍵124
3 3 2無機非金屬材料中的簡單晶體結構125
3 3 3硅酸鹽結構130
3 3 4無機非金屬材料的非晶體結構134
3 3 5陶瓷140
3 3 6碳化合物141
3 4高分子材料的組成和結構145
3 4 1高分子材料組成和結構的基本特征145
3 4 2高分子鏈的組成和結構146
3 4 3高分子鏈的聚集態(tài)結構153
3 4 4高分子材料的組成和織態(tài)結構及微區(qū)結構163
3 4 5聚合物共混材料166
3 5復合材料的組成與結構170
3 5 1復合材料定義及分類170
3 5 2復合材料的組成171
3 5 3復合材料的結構174
3 5 4復合材料的界面174
第4章材料的性能186
4 1固體材料的力學性能186
4 1 1材料的力學狀態(tài)186
4 1 2應力和應變189
4 1 3彈性形變192
4 1 4永久形變202
4 1 5強度、斷裂及斷裂韌性207
4 1 6硬度225
4 1 7摩擦和磨損229
4 1 8疲勞235
4 2材料的熱性能239
4 2 1熱導率和比熱容239
4 2 2熱膨脹性243
4 2 3耐熱性245
4 2 4熱穩(wěn)定性246
4 2 5高分子材料的燃燒特性247
4 3材料的電學性能250
4 3 1電導率和電阻率251
4 3 2材料的結構與導電性254
4 3 3材料的超導電性264
4 3 4材料的介電性266
4 4材料的磁學性能272
4 4 1物質的磁性272
4 4 2磁疇與磁滯回線276
4 4 3金屬材料的磁學性能278
4 4 4非金屬材料的磁學性能280
4 4 5高分子材料的磁學性能283
4 5材料的光學性能284
4 5 1電磁輻射及其與原子的相互作用284
4 5 2反射、吸收和透射285
4 5 3材料的光學性質291
4 5 4旋光性及非線性光學性292
4 5 5光澤293
4 5 6發(fā)光294
4 5 7光敏性295
4 6材料的耐腐蝕性296
4 6 1物理腐蝕297
4 6 2化學腐蝕299
4 6 3電化學腐蝕306
4 7復合材料的性能309
4 7 1復合材料的特性309
4 7 2復合材料性質的復合效應310
4 7 3復合材料的力學性能314
4 8納米材料及效應321
4 8 1納米材料的結構321
4 8 2納米材料的基本物理效應325
4 8 3納米材料的應用327
第5章材料的制備與成型加工336
5 1材料制備原理及方法336
5 1 1金屬材料的制備336
5 1 2無機非金屬材料的制備343
5 1 3高分子材料的制備359
5 2材料的成型加工性364
5 2 1金屬材料的加工工藝性364
5 2 2聚合物的成型加工特性及成型加工方法372
參考文獻392

編輯推薦

由顧宜和趙長生主編的《材料科學與工程基礎(第二版)》從材料科學與工程的基本原理出發(fā)，力求較全面地說明各種材料的共性規(guī)律及金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料的個性特點和多種組分復合體系的基本特征。本著材料科學的范疇，以物質結構為基礎，按照從微觀到宏觀、從內部到表面、從靜態(tài)到動態(tài)、從單組分到多組分的順序，闡述原子結構、原子間相互作用和結合方式，與固體內部和表面原子的空間排列狀態(tài)、聚集態(tài)結構及變化規(guī)律之間的相互關系，使學生對材料組成(成分)與物質結構的內在聯(lián)系有較系統(tǒng)、深刻的理解。

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