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本书内容包括：金属学及热处理基本原理、机械工程材料的基本知识、材料热加工技术的基本原理、工艺方法和技术特点。本教材注意内容的精选和更新，强调实践性、应用性、先进性和创新性，采用最新的国家标准，对广东地区应用较多的外国材料也做了介绍。为便于学习复习，每章均附有思考题。
本教材为高等职业教育机电类专业通用教材，也适合大专机电工程类及材料工程类专业使用，还可作为相关技术人员的参考书。本教材参考教学学时为56学时。
现代材料科学与工程概论 第一章：材料的宏观与微观结构 本章深入探讨了材料在不同尺度上的结构特征，这是理解材料性能与行为的基础。我们将从宏观尺度入手，介绍工程材料的分类，包括金属、陶瓷、高分子和复合材料的典型形态与应用领域。随后，我们将聚焦于材料的微观结构，从晶体结构（如体心立方、面心立方、六方密堆积）的几何特征及其对力学性能的影响入手，讲解晶体缺陷（点缺陷、线缺陷、面缺陷）在材料加工和服役过程中的关键作用，特别是位错理论在解释金属塑性变形中的核心地位。对于非晶态材料，则会详细阐述短程有序与长程无序的结构特点。此外，本章还将介绍现代材料表征技术，如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等，及其在结构解析中的应用。 第二章：热力学与相图 材料的性能与稳定性深受其热力学平衡状态的制约。本章系统阐述材料科学中的热力学原理，包括吉布斯自由能、焓和熵对相变过程的驱动作用。我们将详细分析二元和三元相图的构建原理与判读方法，重点解析固溶体的形成条件、共晶反应、共析反应等关键相变点。以铁碳合金相图为例，深入剖析室温下钢的微观组织（铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体）的形成机制及其对力学性能的耦合关系。此外，还将讨论热力学在材料设计中的应用，如预测高温氧化和腐蚀的倾向。 第三章：材料的动力学与扩散 材料的许多重要过程，如热处理、固态反应、界面反应等，都受到动力学控制。本章侧重于材料中的扩散现象，从Fick第一和第二定律出发，解释原子在晶格中的迁移机制（间隙扩散与替换扩散）。深入探讨扩散系数与温度、晶体结构、晶界等因素的关系，并引入Kirkendall效应等复杂扩散现象。材料的动力学研究也包括晶粒生长、相变速率等，这些是控制材料微观结构演化的核心要素。通过动力学模型，可以预测材料在特定温度下微观组织演化的时间尺度。 第四章：金属材料的力学行为 本章是理解金属工程应用的关键。内容涵盖基础的弹性变形（胡克定律、杨氏模量）和塑性变形（屈服、加工硬化）。我们将深入探讨金属的断裂机制，包括韧性断裂（微孔连接）和脆性断裂（解理断裂），并引入断裂韧性KIC的概念。疲劳是金属结构失效的主要原因之一，本章将详细分析S-N曲线、疲劳萌生与扩展的微观机理，以及高周疲劳和低周疲劳的特点。此外，还将介绍蠕变（高温下的时间依赖性塑性）的阶段划分及Norton定律的应用。 第五章：陶瓷材料的特性与制造 陶瓷因其优异的耐高温、耐腐蚀和电学、光学特性而在尖端技术中占据重要地位。本章首先介绍陶瓷的离子键和共价键特性，解释其高硬度、低塑性的微观根源。我们将详细讨论陶瓷的强度与断裂机制，特别关注其固有的多孔性和表面缺陷对宏观强度的影响。随后，本章将覆盖陶瓷的制备工艺，包括粉体制备、成型技术（干压、流延、注浆）以及至关重要的烧结过程（液相烧结与固相烧结），并探讨烧结过程如何控制最终的密度和微观结构。 第六章：高分子材料的结构与性能 高分子材料的独特性能源于其长链结构和链间相互作用力。本章将系统介绍高分子的分子结构，包括单体、聚合度、支化度、分子量分布（多分散性指数）。重点阐述高分子链的构象、缠结以及感生链段运动对宏观黏弹性的影响。我们将区分热塑性塑料和热固性塑料，分析玻璃化转变温度（Tg）和熔点（Tm）的物理意义及其对材料使用温度范围的决定性作用。此外，还将探讨高分子材料的拉伸取向、结晶度对力学性能的强化效应。 第七章：复合材料的设计与界面科学 复合材料通过结合两种或多种不同材料的优点，实现单一材料难以达到的综合性能。本章聚焦于纤维增强复合材料（如碳纤维、玻璃纤维增强环氧树脂）和粒子增强复合材料。核心内容是界面行为，即增强相与基体之间的相互作用力、界面层的强度和化学兼容性，这些是决定复合材料整体性能的关键因素。本章将介绍经典的复合材料力学模型（如混合律、路德维希模型），用于预测各向异性复合材料的宏观力学响应。 第八章：材料的电学、磁学与光学性质 本章拓宽了材料科学的应用视野。在电学方面，将区分导体、半导体和绝缘体的能带结构，深入解析费米能级、载流子浓度和迁移率对电导率的影响。对于半导体，将涉及掺杂过程与PN结的形成。在磁学方面，介绍顺磁性、抗磁性、铁磁性（磁畴、磁滞回线）的微观机理，及其在信息存储和电机技术中的应用。光学性质则关注材料对光的吸收、透射和反射，如透明陶瓷的优化设计和光子晶体。 第九章：材料的腐蚀与防护 材料在环境中的退化是工程应用中的主要挑战。本章专注于金属的电化学腐蚀，从电化学热力学和动力学角度解析腐蚀电池的形成。详细讨论了均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂（SCC）等多种腐蚀形态的发生机理。防护策略将涵盖牺牲阳极保护、外加电流保护、惰性涂层（如油漆、搪瓷）的应用，以及通过材料成分设计（如不锈钢的钝化）来提高抗腐蚀性能。 第十章：先进材料与功能材料前沿 本章展望了材料科学的最新发展方向。内容包括智能材料（如形状记忆合金、压电材料）如何响应外部刺激，以及纳米材料（如量子点、纳米线）因尺寸效应带来的独特性能。还将介绍生物医用材料（如生物相容性、可降解材料）在组织工程中的应用，以及电子封装材料和先进功能薄膜在微电子器件中的关键作用。本章旨在启发学生对未来材料创新的思考。
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