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出版者:清华大学出版社

作者:（美）Lawrence Snyder

出品人:

页数:578

译者:周靖

出版时间:2004-8-1

价格:59.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302091851

丛书系列:国外经典教材·计算机科学与技术

图书标签:

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现代工程材料科学基础 导言 在二十一世纪的科技浪潮中，材料的创新与应用已成为推动工业进步和文明发展的核心驱动力。从航空航天领域的极端环境需求，到生物医学工程中对组织相容性的极致追求，再到信息技术领域对更高集成度和更低能耗的渴求，无一不指向一个核心命题：对材料本征属性的深刻理解与精确调控。 本书旨在系统地阐述现代工程材料科学的理论基础、实验方法以及前沿应用。它不仅仅是一本描述材料“是什么”的教科书，更是一部引导读者探究材料“为什么”及其“如何”在不同工程背景下发挥作用的深度解析。我们将构建一个从微观原子排列到宏观性能表现的完整知识体系，为有志于从事材料研发、工艺优化、结构设计及失效分析的工程师和研究人员提供坚实的理论基石。 第一部分：材料的微观结构与本征属性 本部分聚焦于材料的原子尺度结构，这是决定其宏观性能的根本所在。 第一章：晶体结构与点缺陷 材料的周期性排列——晶体结构——是理解其力学、电学和光学性质的起点。我们将详细介绍晶格系统、布拉格衍射原理，以及不同材料体系（如金属、陶瓷、聚合物）中常见的晶体构型，例如面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和六方最密堆积（HCP）。 更进一步，我们深入探讨点缺陷——空位、间隙原子和取代原子——它们在材料中扮演着“微小的催化剂”角色。我们将量化分析这些缺陷的形成能、迁移率及其对材料导电性（尤其是在半导体中）和扩散过程的影响。例如，如何通过精确控制掺杂元素（如硅中的磷或硼），来调控费米能级和载流子浓度，这是现代电子器件性能的基础。 第二章：线缺陷（位错）与力学行为 在金属和部分陶瓷中，位错是塑性变形和强化机制的核心。本章将对刃型位错、螺型位错及其混合类型进行几何描述。重点分析位错的运动机制，包括滑移（Slip）和攀移（Climb）。 塑性变形的本质在于位错的增殖和交互作用。我们将引入弗兰克-里德（Frank-Read）源模型来解释材料的起始塑性。随后，探讨各种强化机制——固溶强化、加工硬化（位错缠结）、晶界强化（Hall-Petch关系）以及沉淀强化——如何通过阻碍位错运动来提高材料的屈服强度和硬度。我们还会讨论高熵合金（HEAs）中，由复杂局域环境导致的“熵稳定效应”如何影响位错行为。 第三章：面缺陷与晶界工程 晶界作为材料内部的二维缺陷，对材料的许多关键性能有着决定性的影响，尤其是在细晶粒材料中。本章着重研究低角晶界（小角度）和高角晶界（大角度）的结构特征，包括晶界能和晶界扩散速率。 通过晶界工程，我们可以设计材料的微观结构以实现特定的宏观目标。例如，在超细晶粒材料中，晶界（而非晶粒内部）可能成为主要的电导通路或离子传输通道。我们将讨论如何利用快速凝固或极端塑性变形技术（如高压扭转）来细化晶粒尺寸，并分析晶界处杂质偏聚对腐蚀敏感性和高温蠕变的影响。 第二章：材料的热力学与动力学 材料的稳定性和相变行为受热力学支配，而其演化过程则由动力学控制。 第四章：相图与相变热力学 相图是材料科学的“路线图”。本章将教授如何解读和构建单组分及多组分（如二元合金）的相图，理解吉布斯相律在确定平衡相数量中的应用。我们将深入分析非平衡相变过程，例如共晶、共析和包析反应。 重点在于自由能最小化原理在相变中的体现。例如，在固溶体中，为什么会发生偏析（Spinodal Decomposition）而非成核长大（Nucleation and Growth）？这需要从自由能曲线的曲率变化来解释。热力学分析也是理解热处理过程，如固溶处理、时效处理，如何精确调控材料微观结构的基础。 第五章：扩散与材料的时变性能 扩散是材料内部原子或离子迁移的过程，是所有热激活过程（包括蠕变、相变、烧结）的驱动力。本章将阐述菲克的扩散定律，并区分晶内扩散（空位机制）和晶界扩散。 我们将讨论影响扩散系数的关键因素：温度（Arrhenius关系）、扩散路径的几何形状以及晶体缺陷的浓度。在高温工程应用中，理解蠕变——在外应力作用下材料随时间发生的塑性变形——至关重要。蠕变机制（如Nabarro-Herring蠕变、Coble蠕变）本质上是扩散控制的，它们的本构方程直接来源于扩散通量计算。 第三部分：性能与应用导向的材料设计 本部分将前述的微观基础知识应用于特定类别的工程材料，强调性能的定制化。 第六章：结构材料的力学行为与断裂 结构材料（金属、复合材料）的核心要求是可靠性和耐久性。本章侧重于断裂力学。我们将区分韧性断裂和脆性断裂，并引入应力强度因子（K）和断裂韧度（$K_{IC}$）等关键参数。 除了静态断裂，我们还将探讨动态和疲劳损伤。疲劳是材料在低于屈服强度应力下反复加载导致的损伤累积过程。我们将分析S-N曲线的构建、疲劳裂纹的萌生、扩展和最终断裂的机制，并讨论表面处理技术（如喷丸强化）对提高疲劳寿命的作用。 第七章：功能材料的电磁学与光子学特性 功能材料是信息、能源和传感技术的核心。 介电材料： 深入探讨电介质的极化机制（电子、离子、偶极极化），并分析其在电容器中的应用，特别是高介电常数材料和铁电材料的畴壁运动。 半导体材料： 重点分析本征与非本征半导体的导电机制，能带理论如何解释其载流子输运特性，以及PN结的形成及其在二极管和晶体管中的应用。 磁性材料： 介绍铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性的微观起源（交换作用），重点分析畴结构、磁滞回线，以及巨磁阻效应（GMR）和隧道磁阻效应（TMR）在存储技术中的潜力。 第八章：先进复合材料与界面科学 现代工程越来越依赖复合材料来突破单一材料的性能限制。本章考察纤维增强复合材料（如碳纤维/环氧树脂）和颗粒增强复合材料的介观尺度分析。 核心在于界面——基体与增强相的连接点。界面强度、界面能和界面反应直接决定了复合材料的有效力学性能。我们将应用混合法则和更精确的层合板理论来预测宏观性能，并讨论界面粘接不良导致的脱层失效机制。 结语 《现代工程材料科学基础》旨在提供一个全面、深入且高度耦合的知识框架。通过对材料从原子到宏观的系统探索，读者将能够掌握评估现有材料、诊断失效原因并创新设计下一代高性能工程材料所需的科学工具和思维方式。材料科学的未来在于跨学科的深度融合，本书期望成为读者在这一探索旅程中的可靠伙伴。

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