材料科学基础

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《材料科学基础》内容简介：为了适应教育国际化趋势的发展需要，培养具有国际合作意识、国际交流与竞争能力的人才，我国的许多高校开始在课程教学中实施双语教学。由于英语已经成为最重要的国际通用语言，国际上重要的科学技术成果大多首先以英文出版，因此，加强在专业课程中的英语学习，对于较快地学习和掌握发达国家的先进科学知识和科学技术，适应学生走向国际化的进程是必要的。由于学生外语水平的参差不齐，环境配套设施、教材以及师资的因素，对如何实施双语教学一直有各种观点。我们认为学生对专业知识的掌握和理解是第一位的，不能一味强调英语授课的比重，这可能最终以降低或损伤学科教学质量为代价。作为双语教学诸多方法中的一个层次的尝试，我们认为教学过程中汉语的讲授是必要的，需要尽可能地营造英语的氛围，使程度高的同学能借助这一平台达到更高的水平，而程度较差的同学也能通过这一过程感受到外语的环境，感受到外语在专业中的重要性，提高外语学习的主动性和积极性。

为配合这一目的，《材料科学基础》力求在专业知识的介绍中穿插英文的内容。除了提供大部分专业词汇的英文名称外，书中的例题采用英文形式。在一些章的后面，提供了与相关章节内容紧密相关的英文短文。这些短文都是在权威书刊上精选的内容，使学生在熟悉专业词汇、科技英语表达方式的同时，对所学知识也是一个补充和强化。同时在章节中的相关地方给出了材料科学重要人物等的英文介绍，希望学生在提高英文阅读水平的基础上，对于材料人文有更多的了解，并借此为进入材料科学的广阔空间打开一扇窗户。

书籍目录

第一部分  晶体学基础  第1章  原子结构与结合键(Atomic Structure and.Interatomic Bonding)    1.1  原子结构(Atomie Structure)      1.1.1  原子的内部结构(Inner Structures of Atoms)      1.1.2  元素周期表(The Periodic Table)      1.1.3  原子的电负性(E1ectronegativity of Atoms)      1.1.4  原子的电离能(Ionization Energy of an Atom)      1.1.5  电子亲和能(Electron Affinity Energy)    1.2  原子间的结合键(Interatomic Bonding)      1.2.1  原子结合键的本质(Nature of Atomic Bonding)      1.2.2  离子键(Ionic Bonding)      1.2.3  共价键(Covalent Bonding)      1.2.4  金属键(Metallic Bonding)      1.2.5  范德瓦耳斯键(Van der Waals Bonding)      1.2.6  氢键(Hydrogen Bonding)  第2章  晶体结构(Crystal Structures)    2.1  晶体学基础(Fundamental Concepts)      2.1.1  空间点阵和晶胞(Space Lattice and Unit Cell)      2.1.2  晶向指数和晶面指数(Indices of Crystallographic Orientations and Planes)      2.1.3  晶体投影(Crystal Projection)      2.1.4  倒易点阵(Reciprocal Lattiee)    2.2  纯金属的晶体结构(Crystal Structures of Pure Metals)      2.2.1  三种典型的金属晶体结构(Three Typical Metallic Crystal Structures)      2.2.2  点阵常数与原子半径(Lattice Constant and Atomic Radius)      2.2.3  晶体中原子堆垛方式与间隙(Atomic Packing and Interstices)      2.2.4  多晶型性(Polymorphism)    2.3  合金相的晶体结构(Crystal Structures of Alloys)      2.3.1  固溶体(Solid Solution)      Z.3.2  中间相(Intermediate Phases)    2.4离子晶体的结构(Ionic Crystal Structures)      2.4.1  离子晶体的结构规则(Structure Rules of Ionic Crystals)      2.4.2  典型离子晶体结构(Typical Ionic Crystal Structures)    2.5  共价晶体的结构(Covalent Crystal Structures)    2.6  材料结构的测定(Measurement of Material Structures)    Reading Material 1 Crystal Structure  第3章  非晶和准晶体结构(Amorphous and Quasicrystal Structures)    3.1  非晶体的结构(Amorphous Structure)      3.1.1  非晶合金的形成(Formations of Amorphous Alloys)      3.1.2  非晶合金的结构(Structures of Amorphous Alloys)      3.1.3  非晶合金的性能(Properties of Amorphous Alloys)    3.2  准晶的结构(Quasicrystal Structure)      3.2.1  准晶的结构(Quasicrystal Structure)      3.2.2  准晶的形成与性能(Formations and Properties of Quasicrystals)  第4章  晶体缺陷(Crystal Defects)    4.1  引言(Introduction)    4.2  点缺陷(Point Defect)      4.2.1  金属中的点缺陷(Point Defects in Metals)      4.2.2  陶瓷中的点缺陷(Point Defects in Ceramics)      4.2.3  固体中的杂质(Impurities in Solids)      4.2.4  聚合物中的点缺陷(Point Defects in Polymers)    4.3  位错(Dislocation)      4.3.1  位错的结构特征(Structure of Dislocations)      4.3.2  柏氏矢量(Burgers Vector)    4.4  面缺陷(Planar Defects)      4.4.1  外表面(Surface)      4.4.2  晶界(Grain Boundary)      4.4.3  孪晶界(Twin Boundary)      4.4.4  相界(Interface，Phase Boundary)      4.4.5  其他面缺陷(0ther Planar Defects)    4.5  体缺陷(Bulk Defects)    4.6  原子振动(Atomic Vibration)    Reading Material 2 Crystal Defects    习题第二部分  形变及强化基础  第5章  位错基础知识(Fundamentals of Dislocation)    5.1  位错应力场(Stress Field of Dislocation)      5.1.1  刃型住错的应力场(Stress Field of Edge Dislocation)      5.1.2  螺型住错的应力场(Stress Field of Screw Dislocation)    5.2  位错的能量及线张力(Strain Energy and Line Tension of Dislocations)    5.3  位错的运动及所受的力(Dislocation Movement and Force on Dislocation)      5.3.1  位错的滑移(Slip of Dislocation)      5.3.2  位错的攀移(Climb of Dislocation)      5.3.3  位错所受的力(Force on Dislocation)    5.4  位错间的相互作用(Interaction between Dislocations)      5.4.1  平行住错间的弹性相互作用(Elastic Interaction between Parallel Dislocations)      5.4.2  相交住错间的相互作用(Interaction between Crossing Dislocations)    5.5  位错与表面的相互作用(Interaction between Dislocation and Surface)    5.6  位错的增殖(Generation of Dislocations)    5.7  位错的运动速度(Velocity of Dislocation Movement)    5.8  实际晶体中的位错(Dislocation in Real Crystal)      5.8.1  堆垛层错(Stacking Fault)      5.8.2  分位错(Partial Dislocation)      5.8.3  扩展住错(Extended Dislocation)  第6章  材料的变形(Deformation of Materials)    6.1  弹性变形(Elastic Deformation)    6.2  塑性变形(Plastic Deformation)      6.2.1  滑移(Slip)      6.2.2  孪生(Twinning)      6.2.3  扭折(Kink)    6.3  多晶体塑性变形(Plastic Deformation of Polycrystalline)      6.3.1  多晶体塑性变形行为(Plastic Deformation of P01ycrystalline)      6.3.2  晶粒大小对塑性变形的影响(Effect of Grain Size)    6.4  固溶体合金的变形(Plastic Deformation of Solid Solution Alloy)    6.5  多相合金塑性变形(Plastic Deformation of Heterogeneous Alloy)      6.5.1  复合型合金的塑性变形(Plastic Deformation of Polyphase Alloy)      6.5.2  弥散强化合金变形(Plastic Deformation of Precipitation Strengthening Alloy)    6.6  加工硬化(Work Hardening)    6.7  屈服现象及应变时效(Yielding and Strain Aging)      6.7.1  屈服现象(Yielding)      6.7.2  应变时效(Strain Aging)    6.8  塑性变形中材料组织性能的变化(Evolution of Mierostructure and Propertyduring Plastic Deformation)      6.8.1  晶粒组织变化(Development of Grains)      6.8.2  位错亚结构的变化(Development of Sub-Structure)      6.8.3  变形织构(Deformation Texture)      6.8.4  残余应力(Residual Stress)    Reading Material 3 Deformation Modes  第7章  回复与再结晶(Recovery and Recrystallization)    7.1  概述(Introduction)      7.1.1  组织的变化(Microstructural Evolution)      7.1.2  性能的变化(Property Evolution)    7.2  回复(Recovery)      7.2.1  回复机理(Recovery Mechanism)      7.2.2  回复动力学(Recovery Kinetics)    7.3  再结晶(Recrystallization)      7.3.1  再结晶的形核及长大(Nucleation and Growth during Recrystallization)      7.3.2  再结晶动力学(Recrystallization Kinetics)      7.3.3  再结晶温度(Recrystallization Temperature)      7.3.4  再结晶后的晶粒大小(Grain Size after Rcrystallization)    7.4  再结晶后的晶粒长大(Grain Growth after Recrystallization)      7.4.1  正常晶粒长大(Normal Grain Growth)      7.4.2  异常晶粒长大(二次再结晶)(Abnormal Grain Growth，Secondary RecrystaIlization)      7.4.3  再结晶织构与退火孪晶(Recrystallization Texture and Anealling Twin)    7.5  动态回复和再结晶(Dynamic Recovery and RecrystalIization)      7.5.1  动态回复(Dynamic Recovery)      7.5.2  动态再结晶(Dynamic Recrystallization)      7.5.3  组织与性能的变化(Evolution of Microstructures and Properties)      7.5.4  超塑性(Superplasticity)    Reading Material 4  Recovery，Recrystallization and Grain Growth    习题二第三部分    相图及相变基础  第8章  二元相图(Binary Phase Diagrams)    8.1  相图基础知识(Fundamental Concepts of Phase Diagrams)      8.1.1  相平衡和相律(Phase and Phase Equilibrium and Phase Rule)      8.1.2  相图(Phase Diagrams)      8.1.3  相图的实验测定方法(Measurement for Phase Diagrams)      8.1.4  杠杆定律(Lever Rule)    8.2  相图的热力学基础(Thermodynamics of Phase Diagrams)      8.2.1  固溶体自由能一成分曲线(Free Energy-Composition Curve of Solid Solution)      8.2.2  多相平衡的公切线原理(Common Tangent Line for Multi—Phase Equilibrium)      8.2.3  从自由能一成分曲线推测相图(Prediction of Phase Diagrams based on Free Energy-Composition Curve)      8.2.4  二元相图的几何规律(Geometric Principles of Phase Diagrams)    8.3  二元相图(Binary Phase Diagrams)      8.3.1  匀晶相图(Isomorphous Phase Diagrams)      8.3.2  共晶相图(Eutectic Diagrams)      8.3.3  包晶相图(Peritectic Phase Diagrams)      8.3.4  复杂二元相图的分析方法(Analysis for Complex Binary Diagrams)    8.4  二元相图分析实例——铁碳相图(The Iron-Iron Carbide Phase Diagram)      8.4.1  铁碳二元合金中的相(The Phases in Fe-C Binary Alloy)      8.4.2  铁碳相图(The Iron-Iron Carbide Phase Diagram)    8.5  相图的应用(Applications of Phase Diagrams)    Reading Material 5 Introduction to Alloy Phase Diagrams  第9章  三元相图  (Ternary Phase Diagrams)    9.1  三元相图基础(Fundamentals for Ternary Diagrams)      9.1.1  三元相图的特点(Characteristics of Ternary Diagrams)      9.1.2  三元相图成分表示方法(Plotting Compositions on a Ternary Diagrams)      9.1.3  杠杆定律及重心定律(Lever Rule and Gravity-Center Rule)    9.2  三元匀晶相图(Ternary Isomorphous Diagrams)      9.2.1  相图分析(Specification of Phase Diagrams)      9.2.2  固溶体的凝固过程(Solidification of Ternary Solid Solution)    9.3  三个共晶型二元系构成的三元相图(Ternary Phase Diagrams bv Three Eutectic Binary Systems)      9.3.1  组元在固态完全不溶(Negligible Solubilities of the Components)      9.3.2  组元在固态有限溶解(Limited Solubilities of the ComponentS)    9.4  三元包晶相图(Ternary Peritectie Phase Diagrams)    9.5  三元相图实例(Examples of Ternary Phase Diagrams)      9.5.1  三元相图的分析方法(Specification of Ternary Phase Diagrams)      9.5.2  三元相图举例(Examples of Typical Ternary Phase Diagrams)  第10章  材料的凝固(Solidification of Materials)    10.1  材料凝固的基本规律(Basic Rules of Solidification)      10.1.1  液相结构(Structure of Liquid)      10.1.2  凝固的热力学条件(Thermodynamics of Solidification)      10.1.3  结晶的一般规律(General Rule of Crystallization)      10.1.4  金属玻璃(Metal Glasses)    10.2  凝固时的形核(Nucleation of Crystals from a Melt)      10.2.1  均匀形核(Homogeneous Nucleation)      10.2.2  非均匀形核(Heterogeneous Nucleation)    10.3  晶体的长大(Growth of Crystals from the Liquid Phase)      10.3.1  晶体生长的动态过冷度(Dynamic Supercooling)      10.3.2  固液界面结构(The Nature of the Solid—Liquid Interface)      10.3.3  液体中的温度分布及晶体生长方式(Temperature Distribution and Crystal Growth)    10.4  固溶体的凝固(Solidification of Solid Solution)      10.4.1  固溶体结晶特点(crystallization in Solid Solution)      10.4.2  固溶体的平衡凝固(Equilibrium Freezing in Solid Solution)      10.4.3  固溶体的非平衡凝固(Non-Equilibrium Freezing in Solid Solution)      10.4.4  成分过冷(Constitutional Supercooling)      10.4.5  区域熔炼(Zone Melting or Zone Refining)    10.5  共晶体的凝固(Eutectic Freezing)      10.5.1  共晶体的形成(Formation of Eutectic Alloy)      10.5.2  共晶体的分类及形态(Types of Eutectic Structures)    10.6  铸锭组织(Microstructure of Casting Ingot)      10.6.1  铸锭的典型组织(Typical Structure of Casting Ingot)      10.6.2  铸锭组织的控制(Control of Microstructure in Casting Ingot)      10.6.3  铸锭的缺陷(Defects in Casting Ingot)    Reading Material 6  Solidification Structures of Steel  第11章  固态扩散(Solid Diffusion)    11.1  扩散现象(Diffusion Phenomena)    11.2  扩散定律(Diffusion Laws)      11.2.1  菲克第一定律(Fick’s First Law)      11.2.2  菲克第二定律(Fick’s Second Law)    11.3  扩散定律的应用(Applications of Diffusion Laws)      11.3.1  稳态扩散(Steady—State Diffusion)      11.3.2  非稳态扩散(Nonsteady-State Diffusion)      11.3.3  扩散系数的测定(Measurement of Diffusion Coefficient)    11.4  扩散机理(Diffusion Mechanisms)      11.4.1  置换固溶体扩散机制(Diffusion Mechanisms in Substitutional Solid Solution)      11.4.2  间隙固溶体扩散机制(Diffusion Mechanisms in Interstitial Solid Solution)      11.4.3  短路扩散(Short Circuit Diffusion)    11.5  柯肯达尔效应和达肯方程(Kirkendall Effect and Darken Equation)      11.5.1  柯肯达尔效应(Kirkendall Effect)      11.5.2  达肯方程(Darken Equation)    11.6  扩散过程中的微观理论(Microscopic Theory of Diffusion)      11.6.1  原子跳跃与扩散系数(Atom Jump and Diffusion Coefficient)      11.6.2  扩散系数与扩散激活能(Diffusion Coefficient and Activation Energy)    11.7  扩散的热力学分析(Thermodynamics of Diffusion)    11.8  反应扩散(Reaction Diffusion)    11.9  扩散的影响因素(Influence Factors of Diffusion)      11.9.1  温度(Temperature)      11.9.2  晶体结构(Crystal Structures)      11.9.3  晶体缺陷(Crystal Defects)      11.9.4  化学成分(Chemical Composition)      11.9.5  外场(External Fields)    Reading Material 7 Diffusion in Metals and Alloys    习题三附录  附录1  元素周期表  附录2  元素的负电性  附录3  原子和离子半径中英文对照表参考文献

前言

　　材料的制造已有上万年的历史，材料的发展一直是人类文明与社会进步的物质基础与先导。“材料科学”作为一个科学概念的出现，则出现在大约20世纪50年代。材料科学一经出现，一方面扩大了大学的教学领域及内容，另一方面则是大大促进了材料学科的研究及发展，现在材料已成为世界重大科技基础学科之一，是最为活跃的研究领域之一，并在各发达国家和我国得到重点发展。　　材料科学与工程主要是研究材料的结构（structure）、制备（processing）、性能（pro——perry）以及使役行为（performance）四者之间相互关系和变化规律的一门应用基础学科。这一关系常用图1中的四面体来表示。我国材料科学家师昌绪认为成分（composition）是与结构同样重要的变量，制备（processing）和合成（synthesis）可以相关联，同时将“材料理论与制备设计”也列入了材料科学与工程的要素之一，从而提出了材料科学与工程六要素图（图2）。国际著名材料学家Robert.W.Cahn提出原子与晶体学、相平衡和显微组织研究是鼎立材料科学的三个主要部分。　　在构成材料科学与工程的诸多要素中，结构与性能是最基本的关系，因此，材料科学基础这门课的主要任务就是提供材料结构与性能关系的基础知识。本书将这些知识分类为三个部分，即晶体学基础、形变及强化基础、相图及相变基础。在“晶体学基础”中介绍了原子结构与结合键、晶体结构、晶体缺陷的基础知识，并扩充了非晶和准晶体结构的内容；在“形变及强化基础”中介绍了与材料形变直接相关的位错的基础知识以及与材料形变、强化机理之间的关系，并介绍了变形材料加热过程中的回复与再结晶；在“相图及相变基础”中介绍了二元相图、三元相图的基础知识以及有关材料的凝固和固态扩散的相关内容。

章节摘录

　　（4）合金元素和杂质　　合金元素和杂质的存在可提高强度，因此在同样的变形量下，将增大冷形变金属中的储存能，从而使再结晶时的I／u值增大。另一方面，合金元素和杂质能够降低界面迁移能，这就是说，它会降低再结晶完成后晶粒的长大速率。所以，合金元素和杂质将有利于晶粒细化。7.4　再结晶后的晶粒长大　　Grain GrOwth after ReCryStall iZatiOn　　再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长加热时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。因为通过晶粒的长大可减少晶界的面积，使表面能降低。只要温度足够高，使原子具有足够的活动能力，晶粒便会迅速长大。晶粒长大实际上是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。　　晶界移动的驱动力通常来自总的界面能的降低。　　晶粒长大按其特点可分为两类：正常晶粒长大和异常晶粒长大（二次再结晶）。7.4.1　正常晶粒长大　　NOrmaI Grain GrOWth　　大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大。再结晶完成后，新等轴晶已完全接触，形变储存能已完全释放，但在继续保温或升高温度情况下，仍然可以继续长大，这种长大是依靠大角度晶界的移动并吞食其他晶粒实现的。晶粒长大的过程实际上就是一个晶界迁移过程，对于系统来说，晶粒长大的驱动力是界面能的降低，对于个别晶粒，不同曲率是造成晶界迁移的直接原因，晶面向着曲率中心的方向移动（图7-13）。　　影响晶粒长大的因素：晶粒长大是通过晶界迁移实现的，所以影响晶界迁移的因素都会影响晶粒长大。具体影响晶粒长大的因素：　　（1）温度　　温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。　　（2）分散相粒子　　阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。当晶界能所提供的晶界移动驱动力正好等于分散相粒子对晶界移动所施加的约束力时，正常晶粒长大停止，此时晶粒的平均直径称为极限的晶粒平均直径d，第二相质点半径为R、分散相粒子所占体积分数为9，可以证明它们之间的关系为d=4R／39。

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