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引论1

0.1　关于材料的基本知识1

0.1.1　材料与物质1

0.1.2　材料的分类1

0.2　材料发展与人类文明3

0.2.1　材料发展古代史3

0.2.2　材料发展近代史4

0.3.1　材料结构共性问题6

0.3　材料结构与性能的共性问题6

0.3.2　材料性能共性问题8

0.4　材料科学的形成和发展9

0.4.1　“材料科学”概念的提出9

0.4.2　科学技术的发展与材料科学的建立9

0.4.3　从细分到综合——材料科学与工程（MSE）简介10

0.4.4　材料科学与工程（MSN）的要素模型13

0.5　材料科学的本质属性14

0.5.1　材料科学是多学科交叉、渗透和融合的成果14

0.5.2　材料科学内各学科的相互交叉、移植、渗透和借鉴14

0.5.3　材料科学是与实践紧密结合的科学15

0.5.4　高新技术在各类材料的研究中得到广泛应用16

0.5.5　材料科学是一个正在发展中的学科16

0.6　材料科学的地位与任务16

0.7　材料科学研究的方法17

0.7.1　基本研究方法17

0.7.2　系统研究方法18

0.7.3　材料设计（计算）与一体化技术19

0.8.3　提升传统材料的技术含量21

0.8.2　开发新材料发展高技术产业21

0.8.1　总体发展趋势21

0.8　材料科学的展望21

0.8.4　发展材料制备与检测技术22

0.8.5　发展绿色材料科学技术22

0.8.6　软物质——21世纪的前沿课题22

本章小结24

本章重点25

练习题25

参考文献26

1.1.1　原子结构27

1.1　原子结构及键合27

第1章 固体材料的结构基础知识27

1.1.2　键合30

1.2　晶体学基础知识38

1.2.1 晶体的结构特征和基本性质38

1.2.2　晶体的宏观对称和晶体分类40

1.2.3　晶体定向和晶面符号42

1.2.4　布拉维格子44

1.2.5 晶体的微观对称和空间群46

1.3.1 固体材料的表面特性及表面结构49

1.3　固体材料的表面与晶界结构49

1.3.2　晶态固体材料中的晶界结构55

1.3.3　多晶体的显微组织变化58

1.3.4　固体材料的相界面行为59

1.4　稳定态结构与亚稳态结构71

1.4.1　稳定态结构与亚稳态结构的定义71

1.4.2　结构形成的热力学条件和动力学条件71

本章重点73

练习题73

本章小结73

参考文献74

第2章　晶体结构与缺陷75

2.1　晶体化学基本原理75

2.1.1　原子半径与离子半径75

2.1.2　球体最紧密堆积原理76

2.1.3　配位数与配位多面体78

2.2　典型金属的晶体结构79

2.2.1　金属的晶体结构79

2.2.2　点阵常数80

2.3　离子晶体的晶体结构81

2.3.1　离子晶体的主要特点81

2.3.2　鲍林规则81

2.3.3　离子极化82

2.4　共价晶体的晶体结构83

2.4.1　共价晶体的主要特点83

2.4.2　典型共价晶体的结构83

2.5　晶体缺陷84

2.5.1　晶体结构缺陷的类型84

2.5.2　热缺陷浓度计算86

2.5.3　线缺陷（位错）88

本章小结89

本章重点90

练习题90

参考文献90

第3章　材料的相结构及相图91

3.1　材料的相结构91

3.1.1 固溶体91

3.1.2 中间相95

3.2.1　固溶体的类型103

3.2　二元系相图103

3.2.2　杠杆规则104

3.2.3　二元系相图的热力学性质105

3.2.4　二元系相图的吉布斯自由能110

3.2.5　共晶型二元系115

3.2.6　同晶型二元系（完全互溶型二元系）116

3.2.7　固溶型二元系117

3.2.8　偏晶型二元系118

3.2.9　化合物型二元系120

3.2.10　有晶型转变的二元系122

3.3　三元相图125

3.3.1　三元相图成分表示方法126

3.3.2　三元相图的空间模型127

3.3.3　三元相图的截面图和投影图128

3.3.4　三元相图中的杠杆定律及重心定律129

3.4　相图热力学基础131

3.4.1　相图热力学基本概念131

3.4.2　Gibbs自由能曲面134

3.4.3　单变度曲线与无变度点的稳定性136

3.4.4　Schreinemakers线锥的基本性质138

本章小结139

本章重点140

练习题140

参考文献140

第4章　材料的相变142

4.1　相变的概念及其分类142

4.1.1　相变的基本概念142

4.1.2　一些典型的相变142

4.1.3　相变的分类149

4.2　相变动力学160

4.3.1　相变热力学164

4.3.2　重要的热力学函数164

4.3　相变热力学164

4.3.3　Landua理论简介165

4.3.4　Landua理论在热力学相变中的应用168

本章小结169

本章重点170

练习题170

参考文献170

5.1.1 晶体凝固的热力学条件171

第5章　金属材料的结构特征171

5.1　纯金属的凝固及结晶171

5.1.2　晶体长大177

5.1.3　结晶动力学及凝固组织179

5.1.4　纯金属的界面不稳定性182

5.1.5　纯金属凝固微观组织183

5.2　单相固溶体的凝固及结晶184

5.2.1　匀晶相图184

5.2.2　固溶体凝固185

5.3.1　共晶凝固理论188

5.3　两相共晶体的凝固及结晶188

5.3.2　共晶相图及其合金凝固195

本章小结200

本章重点200

练习题200

参考文献201

第6章　无机非金属材料的结构特征202

6.1　无机非金属材料的显微结构202

6.1.1　基本特征202

6.1.4　典型无机化合物晶体结构203

6.1.2　化学键合203

6.1.3　正负离子的堆积方法203

6.2　硅酸盐材料的晶体结构209

6.2.1　硅酸盐材料的结构特征及其分类209

6.2.2　岛状结构210

6.2.3　组群状结构210

6.2.4　链状结构211

6.2.5　层状结构212

6.2.6　架状结构214

6.3.1　熔体的结构模型217

6.3　熔体及非晶态固体的结构217

6.3.2　熔体的性质218

6.3.3　非晶态固体的结构特征与表征221

6.3.4　玻璃的概念与通性222

6.3.5　玻璃的结构理论223

6.3.6　玻璃化条件225

本章小结229

本章重点230

练习题230

参考文献231

第7章　高分子材料的结构特征232

7.1　高分子链的近程结构（near-range structure）233

7.1.1　结构单元的化学组成233

7.1.2　结构单元的连接方式234

7.1.3　高分子链的几何形状238

7.1.4　高分子链的构型240

7.2　高分子链的远程结构（long-range structure）242

7.2.1　高分子的大小243

7.2.2　高分子链的柔顺性（flexibility）244

7.3.1　高分子结晶特点258

7.3　高分子材料的结晶态258

7.3.2　晶态高分子的形态259

7.3.3　晶态高分子分子链的堆砌266

7.3.4　高分子晶态结构的模型267

7.3.5　高分子材料的结晶度268

7.4　高分子材料的非晶态272

7.5　高分子材料的取向273

7.5.1　取向现象（orientation）273

7.4.2　折叠链缨状胶束粒子模型及证据273

7.4.1　无规线团结构模型及证据273

7.5.2　取向方式274

7.5.3　取向度——取向的程度275

7.6　高分子材料的混合体系的织态构造276

7.6.1　高分子材料混合体系276

7.6.2　高分子的相容性（miscibility,compatibility）276

7.6.3　非均相高分子材料混合体系的织态结构277

7.7　高分子材料的液晶态结构278

7.7.1　高分子液晶的特点278

7.7.2　高分子液晶的基本性质279

7.7.3　高分子液晶的应用281

本章小结282

本章重点282

练习题282

参考文献284

第8章　复合材料的结构特征285

8.1　复合材料的定义及形态分类285

8.1.1　复合材料的定义285

8.1.2　复合材料的基本特点285

8.1.3　复合材料的分类286

8.1.4　复合材料的结构层次288

8.2　复合材料复合原理289

8.2.1　单向复合材料工程弹性常数的预测289

8.2.2　单向复合材料强度的预测290

8.2.3　复合材料的复合原理应用291

8.3　复合材料的界面292

8.3.1　复合材料界面的基本概念293

8.3.2　聚合物基复合材料的界面295

8.3.3　金属基复合材料的界面296

8.3.4　陶瓷基复合材料的界面299

8.4.1　增强材料的表面处理301

8.4　复合材料的强化和韧化理论301

8.4.2　纤维的增强作用304

8.4.3　纤维的增韧作用304

8.5　复合材料结构设计的理论基础305

8.5.1　复合材料结构设计过程305

8.5.2　复合材料结构设计条件306

8.5.3　材料设计306

参考文献309

练习题309

本章重点309

本章小结309

第9章　材料的力学性能311

9.1　力学性能概论311

9.1.1　单向静拉伸试验和应力－应变图311

9.1.2　弹性变形及其性能指标313

9.1.3　非理想弹性与内耗316

9.1.4　塑性变形及其性能指标320

9.1.5　断裂324

9.1.6　硬度328

9.1.7　韧度329

9.1.8　材料的疲劳性能334

9.1.9　蠕变335

9.1.10　磨损与耐磨性336

9.2　高分子材料的力学性能336

9.2.1　高分子材料的力学状态337

9.2.2　高分子材料的应力－应变行为339

9.2.3　高分子材料的高弹性与黏弹性340

9.2.4　高分子材料的静态黏弹性——蠕变与应力松弛341

9.2.6　高分子材料的强度343

9.2.5　高分子材料的动态黏弹性——滞后与内耗343

9.2.7　高分子材料的韧性344

9.2.8　高分子材料减摩、耐磨性344

9.3　复合材料的力学性能特征345

9.3.1　力学性能共性345

9.3.2　主要复合材料的力学性能346

9.4　力学性能综合348

9.4.1　密度348

9.4.2　弹性模量348

9.4.3　屈服强度350

9.4.5　断裂韧性351

9.4.4　比强度351

本章小结352

本章重点352

练习题353

参考文献353

第10章　材料的物理性能和化学性能355

10.1　材料的电性能355

10.1.1 固体材料中的电子能带结构基本理论355

10.1.2　导电体与电阻率358

10.1.3　绝缘体和介电性能361

10.1.4　半导体367

10.1.5　超导体369

10.2　材料的磁性能372

10.2.1　磁性的量度372

10.2.2　材料的各类磁性373

10.2.3　磁化与退磁化374

10.2.4　磁性材料374

10.3　材料的热性能377

10.3.1　热能和热容377

10.3.2　热膨胀378

10.3.4　热应力379

10.3.3　热传导379

10.4　材料的光学性能381

10.4.1　光的本质381

10.4.2　金属材料的光学性质384

10.4.3　非金属材料的光学性质384

10.4.4　发光387

10.4.5　光导纤维（光纤）388

10.4.6　激光材料388

10.5.1　材料的腐蚀性能390

10.5　材料的抗腐蚀和耐老化性能390

10.5.2　腐蚀速率的表示方法391

10.5.3　提高耐腐蚀性途径392

10.5.4　高分子材料的老化393

本章小结393

本章重点395

练习题395

参考文献395

11.1.1　金属材料的制备397

11.1　材料制备的基本原理及方法397

第11章　材料的制备、强化与韧化397

11.1.2　无机非金属材料的制备401

11.1.3　高分子材料的制备合成408

11.1.4　复合材料的制备410

11.1.5　现代工程材料的特殊制备413

11.2　材料强化基本原理和方法418

11.2.1　材料强化基本原理418

11.2.2　金属材料强化基本原理及途径421

11.2.3　高分子材料强化基本原理及途径423

11.3.1　材料韧化基本原理425

11.3　材料韧化基本原理与方法425

11.3.2　金属材料的韧化430

11.3.3　无机非金属材料的韧化431

11.3.4　高分子材料韧化433

本章小结434

本章重点435

练习题435

参考文献436

附录 晶体结构的230种空间群437