材料科学基础（第二版）

本书为高等学校教材。本教材以材料基础理论为重点,并将金属材料、陶瓷材料和高分子材料与复合材料有机结合,建立了更为宽广的基础知识体系。全书主要从四部分展开论述:固体的结构、相图和相变基础、晶体的缺陷与界面结构和固体材料的变形。具体细分为晶体学基础、固体材料的结构、固体中的扩散、凝固、相图、固态相变的基本原理、晶体缺陷、材料表面与界面、金属材料的变形与再结晶、非金属材料的应力-应变行为与变形机制共十章内容。本教材适合材料专业本科生、研究生以及工程技术人员学习使用。

陶杰，1963年出生。南京航空航天大学，教授、博导。南京航空航天大学纳米材料研究所所长；亚澳复合材料协会理事;江苏省复合材料学会副理事长。长期从事金属材料成型加工、金属材料表面功能涂层、纳米材料、复合材料等方面的研究。近六年来，主持了国家自然科学基金、国家科技部重点推广项目、江苏省重大成果转化项目、省部级项目等20余项课题，发表论文100 余篇，出版著作3 部,教材3部。在金属材料成型与性能分析、表面功能涂层技术等方面取得多项研究成果，获部省级科技进步二等奖2项、三等奖1项。已获中国发明专利授权19项。 2001 年被江苏省人民政府授予有突出贡献的中青年专家称号； 2006年入选国防科工委国防科技工业“511人才工程”；2007年入选“江苏省333高层次人才培养工程中青年科学技术带头人”，同年被评为“南京航空航天大学教学名师”；2008年被美国福特公司聘为“福特特聘教授”。

 

第1章　晶体学基础1

1.1晶体的周期性和空间点阵1

1.1.1晶体与晶体学1

1.1.2晶体点阵与空间点阵3

1.2布拉菲点阵5

1.3晶向指数与晶面指数8

1.3.1晶向指数8

1.3.2晶面指数9

1.3.3六方晶系的晶向指数与晶面指数11

1.4晶面间距、晶面夹角和晶带定理12

1.4.1晶面间距12

1.4.2晶面夹角13

1.4.3晶带定理13

1.5晶体的对称性14

1.5.1宏观对称元素14

1.5.232种点群16

1.5.3微观对称元素18

1.5.4空间群20

1.6极射投影21

1.6.1参考球和极射投影21

1.6.2吴氏网22

1.6.3标准投影图23

第2章固体材料的结构25

2.1基础知识25

2.1.1原子结构25

2.1.2能级图和原子的电子结构25

2.1.3周期表与周期性29

2.1.4晶体中的原子结合32

2.2金属及合金相的晶体结构36

2.2.1元素的晶体结构36

2.2.2典型金属的晶体结构37

2.2.3合金相的晶体结构47

2.3陶瓷的晶体结构69

2.3.1概述69

2.3.2离子晶体结构70

2.3.3硅酸盐晶体结构82

2.3.4同质异构现象88

2.4非晶、准晶和纳米晶89

2.4.1非晶态材料89

2.4.2准晶的结构99

2.4.3纳米晶的结构102

2.5高分子的链结构及聚集态结构104

2.5.1高分子链的组成和构造（近程结构）104

2.5.2高分子链的构象（远程结构）109

2.5.3高聚物的晶态结构120

2.5.4高聚物的非晶态、取向及液晶态结构128

2.5.5高分子合金的织态结构132

2.6复合材料的细观结构134

2.6.1复合材料及其组成134

2.6.2复合材料的细观结构136

第3章固体中的扩散139

3.1扩散定律及其应用139

3.1.1扩散第一定律139

3.1.2扩散第二定律140

3.1.3扩散第二定律的解及其应用141

3.2扩散微观理论与机制144

3.2.1原子跳动和扩散距离144

3.2.2原子跳动和扩散系数146

3.2.3扩散的微观机制147

3.2.4扩散激活能150

3.3达肯方程152

3.3.1柯肯达尔效应152

3.3.2达肯方程与互扩散系数152

3.4扩散的热力学分析154

3.4.1扩散的驱动力154

3.4.2扩散系数的普遍形式155

3.4.3上坡扩散156

3.5影响扩散的因素156

3.5.1温度157

3.5.2成分157

3.5.3晶体结构161

3.5.4短路扩散161

3.6反应扩散163

3.6.1反应扩散的过程及特点163

3.6.2反应扩散动力学165

第4章凝固167

4.1液体的性能与结构167

4.1.1液态金属的结构167

4.1.2高分子溶液168

4.2金属的凝固与结晶174

4.2.1纯金属的凝固174

4.2.2固溶体合金的凝固186

4.2.3共晶合金的凝固193

4.2.4铸锭组织与凝固技术196

4.3陶瓷的凝固206

4.4聚合物的结晶207

4.4.1结晶动力学208

4.4.2结晶热力学212

第5章相图214

5.1相图基础知识214

5.1.1研究相图的意义214

5.1.2相图的表示方法214

5.1.3相图的建立216

5.1.4相图热力学基础217

5.1.5杠杆定律和重心法则221

5.2一元相图224

5.2.1纯铁的相图224

5.2.2碳的相图225

5.3二元相图225

5.3.1二元匀晶相图225

5.3.2二元共晶相图228

5.3.3二元包晶相图234

5.3.4二元相图的分析与使用237

5.3.5实际二元相图举例243

5.4三元相图256

5.4.1两相平衡的三元相图256

5.4.2三相平衡的三元相图262

5.4.3四相平衡的三元相图267

5.4.4形成稳定化合物的三元相图276

5.4.5三元相图小结277

5.4.6实际三元相图举例279

5.4.7三元交互系统相图281

第6章固态相变的基本原理286

6.1固态相变的分类与特征286

6.1.1固态相变的分类286

6.1.2固态相变的特征288

6.2相变热力学291

6.2.1热力学基本原理291

6.2.2固态相变的形核293

6.3相变动力学302

6.3.1扩散性长大302

6.3.2相变动力学方程304

6.4扩散型相变305

6.4.1固溶体的析出305

6.4.2共析转变314

6.5非扩散型相变320

6.5.1马氏体相变的基本特征321

6.5.2马氏体相变热力学324

6.5.3马氏体相变动力学327

6.5.4钢中马氏体的晶体结构328

6.5.5马氏体的组织形态329

6.5.6马氏体相变机制331

6.5.7马氏体的力学性能332

6.6过渡型相变333

6.6.1贝氏体转变的基本特征333

6.6.2贝氏体的组织形态334

6.6.3贝氏体的力学性能336

第7章晶体缺陷338

7.1点缺陷338

7.1.1空位与间隙原子338

7.1.2点缺陷的平衡浓度339

7.1.3点缺陷的移动341

7.1.4过饱和点缺陷342

7.1.5点缺陷对金属性能的影响342

7.2位错的基本知识342

7.2.1位错概念的产生342

7.2.2位错类型和柏氏矢量344

7.3位错的运动349

7.3.1位错的滑移349

7.3.2刃型位错的攀移351

7.3.3位错运动的ξ×v规则352

7.3.4位错的基本几何性质小结353

7.4位错的弹性性质353

7.4.1位错的应力场353

7.4.2位错的应变能355

7.4.3位错运动的动力与阻力357

7.4.4位错的线张力358

7.4.5位错间的相互作用359

7.4.6位错间的塞积361

7.4.7位错间的交割362

7.4.8位错与点缺陷的交互作用365

7.5位错的生成与增殖367

7.5.1位错密度367

7.5.2位错的生成367

7.5.3位错的增殖367

7.6实际晶体中的位错370

7.6.1实际晶体结构中的单位位错370

7.6.2堆垛层错371

7.6.3不全位错372

7.6.4位错反应378

7.6.5FCC晶体中位错反应的一般表示：汤普森四面体380

7.6.6位错反应举例382

第8章材料表面与界面386

8.1基础知识386

8.1.1物质表面387

8.1.2固体的表面自由能和表面张力388

8.1.3纯金属表面张力的估算390

8.1.4固液界面与润湿391

8.1.5固-固界面与黏附392

8.2晶体中的界面结构393

8.2.1界面类型与结构393

8.2.2界面能量398

8.3晶体中界面的偏聚与迁移399

8.3.1晶界平衡偏析399

8.3.2界面迁移驱动力400

8.3.3影响界面迁移的因素401

8.4界面与组织形貌402

8.4.1单相组织形貌402

8.4.2复相组织形貌404

8.5高聚物的表面张力与界面张力407

8.5.1表面张力与分子间的作用力407

8.5.2高聚物表面张力的影响因素407

8.5.3高聚物界面张力411

8.6复合体系的界面结合特性414

8.6.1复合材料界面的形成过程415

8.6.2树脂基复合材料的界面结构及界面理论415

8.6.3非树脂基复合材料的界面结构417

8.6.4复合材料界面破坏418

8.7材料的复合原理420

8.7.1复合材料力学性能的复合规律422

8.7.2复合材料物理性质的复合规律422

第9章金属材料的变形与再结晶424

9.1金属的应力-应变曲线424

9.1.1工程应力-应变曲线424

9.1.2真应力-真应变曲线425

9.2金属的塑性变形428

9.2.1单晶体的塑性变形428

9.2.2多晶体的塑性变形438

9.2.3合金的塑性变形与强化442

9.2.4变形后的组织与性能446

9.3回复与再结晶450

9.3.1冷变形晶体的回复452

9.3.2冷变形金属的再结晶454

9.3.3再结晶后的晶粒长大459

9.3.4再结晶织构与退火孪晶461

9.4金属的热变形、蠕变与超塑性463

9.4.1晶体的热变形463

9.4.2蠕变464

9.4.3超塑性467

第10章非金属材料的应力-应变行为与变形机制473

10.1陶瓷的弹性变形473

10.1.1陶瓷的弹性变形与弹性模量473

10.1.2显微结构对弹性模量的影响473

10.2陶瓷材料的塑性474

10.2.1单晶陶瓷的塑性475

10.2.2多晶陶瓷的塑性476

10.2.3非晶体陶瓷的变形477

10.3陶瓷材料的强度478

10.3.1陶瓷材料的断裂与断裂强度478

10.3.2陶瓷材料的弯曲强度481

10.3.3陶瓷材料的压缩强度482

10.3.4影响陶瓷材料强度的因素482

10.4高聚物的分子运动与转变484

10.4.1分子运动的特点与材料的力学状态484

10.4.2玻璃态与晶态的分子运动487

10.4.3玻璃化转变及影响因素488

10.4.4高分子流动性质490

10.5高聚物的高弹性491

10.5.1高弹态与分子结构491

10.5.2能弹性与熵弹性492

10.6高聚物的黏弹性493

10.6.1黏弹性现象493

10.6.2黏弹性与力学松弛494

10.6.3黏弹性的温度依赖性-时温等效原理499

10.7高聚物的应力-应变行为501

10.7.1高聚物的塑性及屈服501

10.7.2聚合物的断裂与强度504

附录材料科学基础专业词汇509

参考文献516

 

 

第二版前言

材料技术与信息、生物、能源技术并列，被世界各国公认为当代以及今后相当长的时期内总揽人类社会全局的高科技技术。新材料技术既是一个独立的技术领域，又对其他领域起着引导、支撑和相互依存的关键性作用。可以说，没有先进的材料，就没有先进的工业、农业和科学技术。从世界科技发展史看，重大的技术革新往往起始于材料的革新，而近代新技术的发展又促进了新材料的研制。材料的基础理论实际上就是综合数学、物理、化学等各种基础知识来分析实际的材料问题。

目前，国内外材料科学基础课程的内容并未定型，材料科学基础教材的内容也不尽相同。有的偏重金属材料，有的偏重无机材料，还有的偏重性能，且面比较宽。本教材是在汲取最近十几年国内有关材料大专业培养模式改革实践经验的基础上，并结合南京航空航天大学、东南大学等几所大学的传统与特色，确定以材料的基础理论为重点,并将金属材料、陶瓷材料和高分子材料与复合材料的内容有机结合起来。基础理论是共性的，适用于各种材料，是材料科学与工程专业的基础。随着材料科学与工程的发展，基础理论显得日益重要，对发展新材料、培养学生创新能力具有深远的意义。《材料科学基础》第一版自2006年由化学工业出版社出版以来，已印刷多次，得到许多高校老师和同学的喜爱。2013年本书入选“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材书目。

随着科学技术的快速发展，加之高校课程体制和教学时数的改革，特别是为适应普通高校工程教育本科专业认证要求，我们进一步完善了原教材的相关内容，并优化了原教材中的图表，修正了其中的错漏之处，增加了纳米材料科学的新成果、非平衡态下的材料科学问题、表面微观结构与亲水疏水特性的关系以及超塑性机理与应用等内容。

本书配有化教学资源，以丰富的动画、视频、图表等将材料科学基础中大量抽象的、难以理解的概念、原理形象直观地表达出来，非常有助于教师备课和学生学习。下载地址：http://www.cip.com.cn/erweima/30478130478.jsp,或扫描下方二维码。

南京航空航天大学陶杰教授、姚正军教授、汪涛教授、苏新清副教授以及东南大学的薛烽教授、周健副教授全面参与了本教材的修订工作，沈一洲博士、王文涛博士、张平则教授、李勇教授、白晶副教授和晏井利博士参加了部分内容的修订。

因编者水平有限，书中不妥或疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。

编者

2017年6月

前言

本书为江苏省普通高校“十一五”精品立项教材，是在1998年国家教育部高等学校专业设置调整、高等教育办学层次普遍提升的背景下，根据材料科学与工程一级学科办学的基础课教学实际需要，结合多年来从事本门课程的教学实践和体会精心编写而成。其编写的原则是进一步融合金属学原理、无机非金属材料物理化学、高分子材料科学等学科的共性科学原理和方法，从教学要求出发，着重对基本概念和基础理论的阐述，力求教材内容的科学性、先进性和实用性，培养学生运用科学原理解决材料工程实际问题的能力。

材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺及材料性能与应用之间相互关系的科学，其基本原理植根于凝聚态物理学、物理化学与合成化学。虽然各种材料的分支学科的学术背景不尽相同，其交叉融合需要一个历史过程，然而进入21世纪以来，随着科学技术的迅猛发展，学科之间的交叉融合正在加速进行，也促成了这门材料科学与工程专业本科生核心专业基础课——材料科学基础的日趋完善。

本教材的特点表现在：

1.适应了新世纪对人才培养的新要求，打破传统各类小专业之间的条块分割，真正做到将金属材料、陶瓷材料、高分子材料以及复合材料四者有机结合起来，建立了更为宽广的基础知识体系，有关材料基础理论更全面、更系统、更实用；全书内容共性突出，个性分明；

2.本书是在完成面向21世纪材料类大专教学内容和课程体系一系列改革的基础上编写的，能够反映当代教学改革的最新成果；

3.本书能够体现当代材料领域所取得的最新理论与发展成果，如有关纳米材料及一些新型功能材料等内容；

4.本书配有多媒体教学资源，以丰富的二维三维动画、图表、录像等将材料科学基础中大量抽象的、难于理解的或极其复杂的概念、原理形象直观地表达出来，非常有助于教师备课和学生学习；

5.本书自编教材已印刷过两版，在南京航空航天大学及东南大学已试用过五届，获得了有关教师及学生们的宝贵意见，对此书正式出版有很大裨益；

6.在结构编排方面突出教材编排的新颖性及易读性。教材适应面广，既适应于材料科学与工程一级学科本科生基础课教学使用，亦可作为相关专业工程技术人员的参考书。

本书由南京航空航天大学陶杰、姚正军，东南大学薛烽，合肥工业大学宫晨利、许少凡等教授编写。具体编写分工如下：南京航空航天大学姚正军编写第1章、第2章、第4章部分内容；合肥工业大学宫晨利编写第3章、第6章；合肥工业大学许少凡编写第5章；南京航空航天大学陶杰编写第7章、第8章和第10章部分内容；东南大学薛烽编写第8章部分内容、第9章；南京航空航天大学苏新清编写了全书的高分子材料科学内容；南京航空航天大学李勇编写了书中的复合材料内容；南京航空航天大学向定汉、傅仁利编写了书中的陶瓷材料相关内容；南京航空航天大学汪涛、东南大学孙扬善、合肥工业大学吴玉程参与了本书的有关章节的审定和编写工作。全书由陶杰、姚正军和薛烽统稿，薛烽还绘制了本书中的大部分彩图。江苏省教育厅、南京航空航天大学对本书的编写和出版给予了大力支持，南京航空航天大学材料科学与技术学院的同事对本书提出了许多有益的建议，研究生陶海军、季光明、季学来、周金堂等在本书的资料收集等方面付出了辛勤劳动，编者对这些单位和个人的无私帮助和热情关怀表示衷心的感谢。

由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，敬请读者批评指正。

编者

2006年2月