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出版者:Cambridge Univ Pr

作者:Hosford, William

出品人:

页数:252

译者:

出版时间:2006-12

价格:$ 131.08

装帧:HRD

isbn号码:9780521867054

丛书系列:

图书标签:

• 材料科学
• 材料工程
• 材料物理
• 材料化学
• 纳米材料
• 复合材料
• 金属材料
• 陶瓷材料
• 聚合物材料
• 生物材料

材料科学原理与应用：从微观结构到宏观性能的深度探索 本书导言：材料的本质与人类文明的基石 材料，是构成我们所处世界的物质基础。从史前时代人类学会冶炼青铜，到现代尖端科技中对超导合金和纳米复合材料的依赖，材料科学始终是推动人类社会进步的核心驱动力之一。理解材料的结构、性能、加工与应用之间的内在联系，是现代工程学和基础科学领域最关键的任务之一。 本书旨在为读者提供一个全面、深入且严谨的材料科学知识体系。我们摒弃了对特定材料族群的碎片化介绍，而是聚焦于普适性的原理和基础理论，以期构建一个扎实的理论框架，使用户能够独立分析和预测新型材料的行为。全书结构围绕材料科学的四大支柱——结构、性能、加工和应用——展开，但重点强调前两者，因为理解微观结构是如何决定宏观性能，是材料科学的核心所在。 --- 第一部分：晶体结构与缺陷的几何学（The Geometry of Structure） 本部分奠定了理解所有固体材料的基础——它们的原子排列方式。我们不局限于简单的立方晶系，而是深入探讨晶体结构对材料宏观特性的决定性影响。 第一章：原子键合的本质 我们将从量子力学的角度审视原子间的相互作用力。重点分析离子键、共价键、金属键和范德华力的成因、强度和方向性。特别地，我们会探讨杂化轨道理论如何解释碳的多种晶型（如金刚石和石墨）的巨大性能差异。离子键的电负性差异和共价键的饱和性，直接决定了陶瓷和半导体的基本属性。 第二章：晶体结构与密堆积 本章详细解析晶格、晶胞和布拉维点阵的概念。通过对简单立方（SC）、体心立方（BCC）、面心立方（FCC）以及六方密堆积（HCP）的几何学计算，读者将掌握如何计算配位数、原子堆积密度（APF）和晶格常数。我们将用几何推导来阐明，为什么FCC和HCP结构具有最高的堆积效率，以及这种效率如何影响金属的延展性。此外，对非晶态固体（如玻璃）的原子短程有序与长程无序进行对比分析，为后续的性能讨论做好铺垫。 第三章：晶体缺陷的分类与定量分析 “完美晶体”在自然界中几乎不存在，材料的性能往往由其缺陷决定。本章是对晶体结构中点缺陷、线缺陷（位错）和面缺陷的系统性研究。 点缺陷： 深入分析俄林斯基方程，量化温度对空位和间隙原子浓度的影响，并解释扩散现象的微观机制（如格里菲斯扩散和菲克定律在不同条件下的适用性）。 线缺陷（位错）： 这是理解金属塑性变形的钥匙。我们将详细解析刃型位错、螺型位错及其混合型位错的 Burgers 矢量方向和滑移面。本章将定量描述位错密度与材料屈服强度的关系，并引入位错缠结和交滑移的概念。 面缺陷： 考察晶界（包括小角度晶界和大角度晶界）对材料电学、力学和腐蚀性能的影响。引入堆垛层错的概念，解释其在层错能较低的材料（如FCC金属）中的重要性。 --- 第二部分：热力学、动力学与相变（Thermodynamics, Kinetics, and Transformations） 材料的稳定性和其发生的相变，由热力学规律支配；而这些相变的速率则受动力学控制。本部分聚焦于“为什么”和“多快”材料会发生变化。 第四章：材料热力学基础 本章建立材料科学中的热力学框架。我们将侧重于吉布斯自由能（G）在温度和压力下的变化，并利用相图来预测材料体系的平衡状态。重点分析拉乌尔定律和亨利定律在合金系统中的偏离，以及活度和化学势在溶液中的应用。对非化学计量化合物的稳定区域进行热力学分析。 第五章：固态扩散动力学 扩散是材料加工和性能退化的核心机制。本章详细阐述原子在晶格中的迁移机理（空位机制和间隙机制）。对菲克第一定律和第二定律进行深入推导和应用，特别是解决瞬态扩散问题（如渗碳过程）。本章还会探讨扩散系数对温度的依赖性（阿伦尼乌斯关系），并对比晶内扩散与晶界扩散速率的巨大差异。 第六章：相图与微观结构演化 相图是材料设计的蓝图。本章通过分析单组元、二元和简单三元系统的相图，阐述杠杆定律和反杠杆定律的实际应用。重点剖析固溶体、共晶、共析和包析反应的发生条件和产物形态。引入卡斯特利诺定理，解释相变中核化和长大的动力学过程，特别是奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald Ripening）现象，它解释了许多材料在使用过程中性能下降的原因。 --- 第三部分：结构对性能的控制（Structure-Property Relationship） 这是材料科学的核心交叉点。本部分将系统地阐述微观结构特征如何具体地转化为可测量的宏观性能。 第七章：力学性能——变形与断裂 深入探讨材料抵抗外力作用的能力。 弹性形变： 阐述胡克定律在各向异性材料中的张量表示，并详细解析杨氏模量、剪切模量与泊松比的微观来源（键合强度和晶体结构）。 塑性形变： 基于位错运动，详细推导Hall-Petch关系，解释晶粒细化如何提高屈服强度。分析加工硬化、层错能对交滑移的影响，以及在高温下发生的蠕变机制（如Nabarro-Herring蠕变）。 断裂力学： 引入Griffith理论，解释脆性断裂的能量学基础。推导应力强度因子（K），并讨论韧性材料的J积分和断裂韧性（KIC）的测量方法。区分疲劳断裂、蠕变断裂与冲击断裂的特征。 第八章：电学、磁学与光学性能 本章超越了传统的力学范畴，探讨电子行为对材料宏观特性的影响。 电学： 基于能带理论，严格区分导体、半导体和绝缘体的区别（价带与导带的重叠情况）。重点分析费米能级的概念，以及掺杂对本征和非本征半导体电导率的调控。 磁学： 解释磁畴、磁化强度和磁滞回线的物理意义。对比铁磁性、反铁磁性和抗铁磁性的微观机制，并探讨磁滞回线的形状与永磁材料和软磁材料设计之间的关系。 光学： 分析光吸收、发射和散射的机制，解释颜色与晶体场理论（CFT）和配位场理论（LFT）的联系。探讨透明度受自由电子浓度和晶界散射的影响。 --- 第四部分：工程应用中的材料设计与选型 虽然本书侧重理论，但理解如何将这些理论应用于实际是不可或缺的。本部分将展示结构控制方法如何服务于特定工程目标。 第九章：热处理与微结构工程 本章关注动力学控制下的结构优化。详细分析各种热处理工艺：退火（消除应力）、正火（细化晶粒）、淬火（生成马氏体等亚稳相）以及回火（析出碳化物沉淀）。重点探讨时-温-变质（TTT）曲线和CCT曲线在钢铁材料设计中的核心作用，解释析出物尺寸和分布对手性钢性能的决定性影响。 第十章：功能材料的界面科学 本章触及现代材料学的最前沿。讨论复合材料中纤维与基体的界面结合对整体力学性能的传递效率。深入探讨薄膜沉积中的应力产生机制，以及多层结构（如异质结）中界面效应导致的性能突变，例如隧道效应和界面反应能的调控。 结语：面向未来的材料设计范式 本书的最终目标是培养读者一种“结构思维”——即无论面对何种新型材料，都能从原子尺度的排列和相互作用出发，推导出其宏观行为。未来的材料科学将更多依赖于计算模拟（DFT, MD），本书提供的理论基础，正是理解这些模拟结果的语言。掌握了这些基础原理，读者将能够独立应对从航空航天到生物医学工程中出现的任何材料挑战。

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