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出版者:

作者:Hill, John W./ Petrucci, Ralph H./ McCreary, Terry W./ Perry, Scott S.

出品人:

页数:0

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价格:249.65

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isbn号码:9780131920156

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• 化学
• 普通化学
• 大学教材
• 科学
• 化学原理
• 化学反应
• 物质结构
• 化学键
• 热力学
• 溶液化学

《材料科学基础：从原子到宏观性能的桥梁》 内容提要 《材料科学基础：从原子到宏观性能的桥梁》是一部全面、深入探讨现代材料科学核心概念、基本原理及其在工程应用中实现路径的权威教材。本书旨在为初学者和有一定基础的学生提供一个坚实而广阔的知识框架，使他们能够理解和预测不同材料——包括金属、陶瓷、聚合物以及复合材料——的微观结构如何决定其宏观性能，并指导材料的选择与设计。 本书的结构设计遵循“微观至宏观”的逻辑递进，从物质最基本的构成单元——原子和晶体结构——出发，逐步过渡到材料的微观缺陷、扩散、相变动力学，最终将这些基础知识与材料的力学、热学、电学、磁学及光学性能紧密联系起来。 --- 第一部分：材料的原子基础与结构（The Atomic Basis and Structure of Materials） 第一章：材料的本质——原子键合与晶体结构 本章是理解材料行为的基石。首先，详细阐述了原子间的各种基本作用力，包括离子键、共价键、金属键和范德华力。通过深入分析薛定谔方程在多电子原子中的应用简化模型，解释了不同化学键的形成机制、键能及其对材料熔点、硬度和电导率的初步影响。 随后，重点转向固体的周期性排列——晶体结构。本章系统地介绍了晶体学基础，包括晶格、晶胞的概念，以及布拉维点阵的分类。对于金属材料，详尽解析了面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和密排六方（HCP）结构的几何特性，计算其原子堆积密度（APF）和配位数。对于陶瓷材料，引入了离子晶体的电中性原则，并基于半径比规则，详细分析了如氯化钠（NaCl）、闪锌矿（ZnS）和钙钛矿（Perovskite）等典型结构单元的形成条件。最后，探讨了非晶态固体（如玻璃）的短程有序特性，并引入了X射线衍射（XRD）作为结构表征的基本工具。 第二章：材料的微观不完美性——晶体缺陷 没有一种材料是完美无瑕的，这些“不完美”——晶体缺陷——恰恰是决定材料性能和加工性的关键因素。本章系统分类并深入分析了不同维度的晶体缺陷： 1. 点缺陷（零维）： 详尽讨论了金属中的空位和间隙原子，以及化合物中的肖特基缺陷（Schottky）和弗伦克尔缺陷（Frenkel）。通过热力学平衡模型，定量计算了特定温度下的平衡空位浓度，并解释了其对扩散速率的控制作用。 2. 线缺陷（一维）： 重点阐述了位错（Dislocations）的几何形态，包括边缘位错、螺型位错及其混合形式。通过分析位错的滑移系统（Slip Systems），解释了晶体塑性变形的本征机制（剪切）。同时，引入了位错的应力场模型，为后续的力学性能分析奠定基础。 3. 面缺陷（二维）： 考察了晶界（Grain Boundaries）的结构和类型（如小角度倾斜/扭转晶界），讨论了晶界能及其在材料烧结和晶粒生长中的作用。还涵盖了堆垛层错（Stacking Faults）和孪晶界（Twin Boundaries）。 --- 第二部分：材料的性能与结构演化（Material Properties and Structural Evolution） 第三章：材料的热力学与扩散 本章将材料科学与热力学原理相结合。首先回顾了吉布斯自由能的概念，并将其应用于判断相的稳定性、溶解度极限和反应的自发性。 核心部分聚焦于扩散（Diffusion）现象，这是材料加工（如热处理、渗碳）和材料失效（如高温腐蚀）的基础。详细分析了原子在固体中迁移的两种主要机制——空位机制和间隙机制。通过菲克第一定律和第二定律，对稳态和非稳态扩散过程进行数学描述。重点讲解了扩散系数与温度的依赖关系（阿伦尼乌斯方程），并探讨了晶界、空位浓度和扩散路径对扩散速率的显著影响。 第四章：相变与微观结构控制 材料的许多关键性能是在相变过程中确定的。本章探讨了相图（Phase Diagrams）的解读，包括单组元和双组元（如Fe-C体系的简化）相图，分析了共晶、共熔、共析等平衡相变点的意义。 随后，深入探讨了相变动力学。引入了成核（Nucleation）和长大（Growth）理论，区分了平衡相变和固态相变。重点分析了非扩散型相变（如马氏体转变）和扩散型相变（如析出相的形成）。通过热力学驱动力和动力学阻力（如过冷度、时间）的权衡，解释了如何通过控制冷却速率来调控微观结构，如细化晶粒尺寸、控制析出物形态，从而实现对材料强度的优化。 第五章：力学性能基础：应力、应变与塑性 本章是连接微观结构与宏观机械性能的核心。首先，定义了线弹性行为，推导了杨氏模量、剪切模量和泊松比之间的关系，并讨论了胡克定律在不同材料中的适用性。 塑性变形机制是本章的重点。通过分析位错在滑移面上的运动，解释了金属材料的屈服强度（Yield Strength）和加工硬化（Strain Hardening）。系统性地介绍了影响强度的主要微观机制，包括： 1. 晶粒细化强化： 基于Hall-Petch关系，阐述了晶界作为位错运动阻碍的作用。 2. 固溶强化： 探讨了溶质原子对位错线的钉扎效应。 3. 第二相粒子强化（沉淀硬化）： 分析了Orowan绕过机制和穿透机制。 此外，本章还覆盖了韧性（Ductility）、脆性（Brittleness）、断裂韧性（Fracture Toughness）的概念，并引入了Griffith裂纹扩展理论，为理解材料的失效行为奠定了基础。 --- 第三部分：工程材料的关键性能与应用（Key Performance and Application of Engineering Materials） 第六章：金属材料的强化与失效机制 本章将前述原理应用于实际工程中最常用的材料——金属合金。详细分析了钢（铁碳合金）的微观结构演变，特别是退火、正火、淬火和回火等热处理工艺如何精确控制马氏体、贝氏体、珠光体和渗碳体等相的分布。 探讨了金属在高应力或疲劳条件下的失效模式。对疲劳（Fatigue）现象进行了深入剖析，从低周疲劳到高周疲劳，解释了S-N曲线、疲劳极限以及疲劳裂纹的萌生、扩展与最终断裂过程。同时，讨论了蠕变（Creep）——高温下材料的长期塑性变形，分析了位错攀移和扩散在高温蠕变中的作用机制。 第七章：陶瓷、聚合物与复合材料 本章拓展了材料体系的广度，关注非金属材料的独特属性。 陶瓷： 强调陶瓷的离子/共价键合带来的高硬度、高熔点和电绝缘性，但同时也解释了其低断裂韧性的根本原因（缺乏有效塑性变形能力）。分析了气孔缺陷对性能的灾难性影响。 聚合物： 从分子链结构（线型、支化、交联）角度解析了其独特的粘弹性行为。讨论了玻璃化转变温度（Tg）的概念，解释了聚合物的力学性能如何随温度变化而急剧改变。 复合材料： 将前述材料通过先进技术结合，以实现性能的协同增强。系统介绍了纤维增强复合材料（如碳纤维/环氧树脂）和粒子增强复合材料的设计原则，重点分析了界面（Interface）在载荷传递中的关键作用。 --- 结论与展望 全书最后总结了从原子尺度到工程应用之间的知识链条，强调了材料工程师在理解结构-性能-加工-应用之间的循环关系中所扮演的核心角色。本书旨在培养读者运用多尺度分析方法解决实际工程问题的能力，并对新兴材料（如纳米材料、智能材料）的发展趋势进行了简要展望。

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这本书读起来，感觉就像是跟一位学识渊博但脾气有点古怪的老教授对话。他的知识储备是毋庸置疑的，你能在字里行间感受到他对化学这门科学的深厚热爱与敬畏。他对于化学反应的“为什么会发生”比“如何发生”更有兴趣，这一点从他大量的哲学思辨式的论述中可以窥见一斑。我特别欣赏他对于化学平衡常数 K 的讨论，他没有简单地将 K 视为一个数值，而是深入探讨了熵增和吉布斯自由能之间的微妙平衡，这让原本枯燥的计算题变得有了温度和深度。然而，这种深度也带来了阅读上的挑战。当他开始深入探讨过渡态理论或溶剂效应时，语言的密度瞬间增大，句子结构变得极其复杂，需要我反复阅读才能捕捉到核心逻辑。这使得这本书不太适合在课堂上作为主要教材，因为它要求读者必须投入大量的时间进行深度消化，它更像是一本供人在安静的午后，泡上一杯咖啡，慢慢咀嚼、体会化学之美的“心灵读物”。

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我购买这本书的初衷是想找一本能系统梳理高中化学知识，并平滑过渡到大学基础化学的过渡读物。从这个目标来看，这本书的表现只能说是“超额完成任务，但方向有点跑偏”。它确实囊括了所有基础知识点，甚至深入到了本科一、二年级才会接触的复杂配位化学和电化学电池设计，这让我感到物超所值。但问题在于，它的难度跨度太大，就像一辆跑车，既能慢悠悠地在城市里代步，又能瞬间飙到赛道极限速度。对于刚接触化学的读者，前几章的“铺垫”部分显得过于简单和啰嗦，浪费了篇幅；而当进入到后面涉及哈密顿量或分子轨道理论时，跳跃性又太大，缺乏必要的中间步骤支撑。因此，这本书在针对特定学习阶段的精准度上有所欠缺，它似乎更适合那些希望拥有一个“全景式化学百科全书”的读者，而不是那些有明确阶段性学习目标的学生。它知识全面，但“教”的艺术上，缺乏那种精准的靶向性。

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我必须承认，我对这本书的某些章节感到非常失望，尤其是关于光谱分析和计算化学的应用部分。作者似乎在这两个领域投入的精力远少于对传统无机和有机化学的叙述。当我们现在进入现代化学研究领域，量子力学基础和数据处理能力是必不可少的技能，但这本书对这些工具的介绍，停留在上个世纪的教科书水平，充其量只是简单提了几个名词，完全没有给出实际操作的指导或者哪怕是伪代码层面的演示。这对于希望将理论知识转化为实际科研能力的读者来说，无疑是一种错失良机。我在尝试理解核磁共振（NMR）的基本原理时，发现书中的插图不够清晰，而且对化学位移的敏感性解释过于笼统，导致我不得不转向在线的专业数据库进行二次学习。如果作者能与时俱进，加入一些关于使用主流化学软件进行模拟和数据可视化的简介，这本书的价值将不再局限于理论知识的堆砌，而是真正成为跨越理论与实践的桥梁。

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这本书，坦白说，我读完后最大的感受就是“信息量爆炸，但脉络有点模糊”。它试图涵盖的范围之广，简直让人惊叹，从最基础的原子结构、化学键理论，一直讲到复杂的有机反应机理和物理化学的高级概念。对于一个初学者来说，这简直像是一次冲进知识的海洋，让人应接不暇。我特别喜欢它在阐述一些经典实验设计时的那种严谨态度，图文并茂的插图质量也相当不错，能帮助我们这些视觉学习者更好地构建立体认知。然而，在处理像热力学第二定律这种需要高度抽象思维的章节时，作者的解释似乎略显仓促，很多关键的数学推导过程被一带而过，留下了一堆需要读者自行去外部资料补充的空白。如果能针对这些核心难点，增加更详尽的步骤解析和生活化的类比，这本书的实用价值将能再提升一个档次。总的来说，它更像是一本非常详尽的参考手册，而不是一本循序渐进的入门教材，适合已经有一定基础，需要查漏补缺的进阶学习者。

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这本书的装帧和排版设计简直是教科书中的典范，这一点我必须给予高度赞扬。那种厚重、沉稳的质感，拿在手里就能感受到知识的重量。纸张的选取和油墨的质量都表明出版方在硬件上毫不吝啬。每一章的布局都经过深思熟虑，关键定义词使用了醒目的粗体，重要的公式都被单独框出，方便快速检索。更值得称赞的是，作者在引入新概念时，往往会先从一个历史性的故事或一个重大的科学发现入手，这种“讲故事”的方式极大地降低了化学这门学科给人的枯燥感。例如，它对道尔顿原子论的演变过程的描述，生动地展现了科学是如何在质疑与修正中前进的。不过，美中不足的是，在一些涉及立体化学（Stereochemistry）的复杂结构图示上，二位图的局限性暴露无遗，有时候即便使用了虚线和实线，依然难以准确判断分子的空间构象，建议后续版本可以考虑增加可旋转的在线3D模型链接，以解决这种固有限制的尴尬局面。

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