Essentials of Materials for Science and Engineering pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CENGAGE-Engineering

作者:Donald R. Askeland

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2004-04-02

价格:USD 79.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780534253097

丛书系列:

图书标签:

• 材料科学
• 材料工程
• 工程材料
• 科学材料
• 材料特性
• 材料结构
• 材料应用
• 材料选择
• 材料性能
• 固态物理

材料科学与工程核心原理探微：一本聚焦于基础与应用的指南 本书旨在为材料科学与工程领域的初学者及需要巩固基础知识的专业人士提供一个全面而深入的视角，专注于揭示材料的结构、性能、加工与应用之间内在的联系。本书摒弃了对《Essentials of Materials for Science and Engineering》中特定内容的重复或模仿，而是从更广阔的材料科学基础出发，构建一个自洽且逻辑严密的知识体系。 第一部分：材料世界的基石——结构与键合 本部分着力于构建对材料微观世界的根本理解。我们首先探讨原子在物质中的组织方式，从最基本的晶格结构入手，详细阐述晶体结构的几何学原理。这包括布拉维点阵的分类、晶胞的构建，以及如何使用密堆积原理来理解金属和陶瓷中的常见结构，如面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和六方最密堆积（HCP）。对这些结构的深入理解是预测宏观性能的前提。 随后，我们深入研究晶体缺陷的分类与影响。从点缺陷（如空位、间隙原子和取代原子）的数量热力学模型，到线缺陷（位错）对材料塑性变形的决定性作用，再到面缺陷（晶界、孪晶界）对材料力学和电学特性的调控。我们将量化分析位错密度与屈服强度的关系，并通过滑移系统的概念解释不同晶体结构在受力时的行为差异。 材料的宏观性质源于其化学键合的性质。本章将详细剖析离子键、共价键、金属键和范德华力的本质。我们将通过电子结构理论（如能带理论的定性描述）来解释导体、半导体和绝缘体之间的根本区别。特别地，对于共价化合物，我们将探讨键的饱和性与方向性如何决定了其高硬度和脆性。对于混合键合材料，如许多陶瓷，我们将提供一套评估键合性质相对强弱的经验法则。 第二部分：热力学、动力学与相变控制 材料的稳定性和转变过程受制于热力学和动力学规律。本部分致力于将热力学原理应用于材料体系。我们将系统地介绍吉布斯自由能的概念，并阐述其如何决定相的稳定性。重点内容包括相图的解读，特别是二元相图的构造与分析，例如杠杆定律在确定多相区组分和比例中的应用。我们着重分析共晶、共熔和共析反应的机理及其对材料最终组织的影响。 仅仅了解平衡态是不够的，材料的性能往往取决于其非平衡态组织。因此，动力学部分将集中讨论物质传输现象。我们将详细探讨扩散的过程，包括Fick第一和第二定律的推导及其在实际工程问题中的应用，例如渗碳过程或合金元素在固态下的迁移。扩散激活能的意义及其温度依赖性将作为核心内容进行讨论。 相变是材料工程的核心操作之一。本书将材料相变分解为成核（Nucleation）和长大（Growth）两个阶段。我们区分均相成核与非均相成核的临界条件，并讨论过冷度和过饱和度对转变速率的影响。对于金属和陶瓷，我们将详细分析时效析出、固溶强化以及热处理过程（如退火、正火、淬火和回火）如何通过控制相变来获得所需机械性能。 第三部分：机械性能的量化与调控 机械性能是衡量材料是否能胜任特定工程任务的关键指标。本部分将从微观机制出发，深入剖析宏观力学响应。 强度、硬度与韧性：我们将详细定义屈服强度、极限抗拉强度，并探讨应力-应变曲线的各个阶段。硬度测试（如洛氏、维氏）的原理及其与抗拉强度的经验关系将被阐述。韧性的衡量依赖于断裂韧度和冲击功，本书将提供这些参数的计算方法，并解释脆性转变温度（DBTT）对低温应用的重要性。 塑性变形与强化机制：塑性变形的本质是位错运动。本书将聚焦于几种主要的强化技术：加工硬化（通过增加位错密度）、晶界强化（Hall-Petch关系）、固溶强化（杂质原子的应力场效应）以及第二相粒子强化（沉淀强化和弥散强化）。通过对这些机制的量化分析，读者将能理解如何设计合金成分和热处理路径来优化强度和延展性的平衡。 疲劳与蠕变：在交变载荷下，材料的失效模式是疲劳。我们将介绍S-N曲线的构建、疲劳极限的概念，并区分低周疲劳和高周疲劳的机制。对裂纹萌生、扩展和最终断裂的分析将结合断裂力学的基础知识。对于高温应用，蠕变（时间依赖性的永久变形）的机理，包括扩散蠕变和位错蠕变，及其Larson-Miller参数的实际应用，将作为重点内容进行讲解。 第四部分：电学、磁学与介电性能 本部分扩展了材料科学的应用领域，聚焦于响应外部场的能力。 电学性能：从欧姆定律到电导率的微观解释，我们将探究电子在不同材料中的传输机制。对于半导体，我们将详述本征半导体与掺杂半导体的载流子浓度、迁移率以及费米能级的变化。n型和p型掺杂的原理、PN结的形成及其在二极管和晶体管中的应用将作为关键实例进行剖析。 磁学性能：本书将解释磁畴、磁滞回线以及居里温度的概念。材料被划分为抗磁性、顺磁性和铁磁性。对于铁磁性材料，我们将详细讨论软磁材料（低矫顽力，用于变压器）和硬磁材料（高矫顽力，用于永磁体）的设计原则和应用场景。 介电与光学性能：电极化的概念是理解介电材料的基础。我们将分析电子极化、离子极化和取向极化的相对贡献，并解释介电常数、介电损耗的工程意义。此外，对于光学材料，我们将讨论光与物质的相互作用，包括吸收、透射和反射的机制，并应用于透明陶瓷和光纤材料的介绍。 第五部分：材料加工、选择与环境影响 掌握材料的内在性质后，最后一步是将其转化为可用的工程部件，并确保其在服役环境中的可靠性。 加工工艺基础：我们将概述关键的塑性加工技术，如锻造、轧制和挤压，并解释它们如何通过加工硬化和晶粒细化来改善机械性能。对于铸造工艺，熔炼过程中的收缩与气孔控制是核心。此外，对粉末冶金和增材制造（3D打印）的基本流程及其对微观结构和性能的独特影响进行概述。 材料选择与设计准则：本部分提供了一套系统的材料选择方法论。我们将介绍性能指标图（Ashby Charts）在多标准优化中的应用，帮助工程师在成本、强度、重量和导电性之间进行权衡。我们将探讨工程应用中对金属合金、聚合物、陶瓷和复合材料的特定要求。 环境退化：材料的寿命受到环境的严重制约。我们将详细分析腐蚀的电化学机理，区分均匀腐蚀、点蚀和应力腐蚀开裂（SCC）。针对聚合物，我们将讨论老化、紫外线降解和溶胀的机理。理解这些退化过程是设计长寿命结构的关键。 通过以上五个相互关联的部分，本书旨在提供一个扎实、深入且具有实践指导意义的材料科学与工程基础。它强调从原子到宏观性能的完整链条，为读者构建一个坚实的知识框架，以应对未来材料科学领域不断出现的复杂挑战。

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这本书的封面设计得非常朴实，甚至有点过时，但内容却让人眼前一亮。我一直对材料科学的理论基础有些模糊，总觉得教科书里那些公式和概念像是空中楼阁。然而，这本书的行文风格却非常接地气，作者似乎很清楚初学者会卡在哪里。它没有一上来就抛出复杂的晶体结构或热力学图表，而是从非常基础的原子尺度聊起，用生动的比喻解释了材料的“脾气秉性”。比如，它对金属的塑性变形那一章的阐述，简直是教科书级别的清晰，将位错的概念讲得透彻易懂，让人豁然开朗。我特别欣赏作者对实验方法的介绍，那种描述实验流程的细节感，让我仿佛亲眼看到了那些精密的仪器在工作。这本书更像是一位经验丰富的老教授在耐心地为你“搭脚手架”，让你一步步稳扎稳打地理解宏观性能是如何由微观结构决定的。对于那些希望真正弄明白材料“为什么”是这样而不是仅仅“是什么”的读者来说，这无疑是一份宝贵的指南。读完这部分内容，我对后续更深入的学习充满了信心，感觉自己终于拿到了进入材料世界的一把“万能钥匙”。

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说实话，这本书对计算材料学和模拟方法的介绍有些敷衍。在当今这个数据驱动的时代，一本顶级的材料科学教材理应包含如何利用密度泛函理论（DFT）预测电子结构，或者如何用分子动力学（MD）模拟位错运动的章节。然而，这本书似乎还停留在上个世纪的思维定式中，对这些前沿计算工具的提及仅仅是蜻蜓点水，充当了一个脚注的角色。我希望看到的是更具体的算法流程、软件应用案例，以及如何解释模拟结果与实验观测之间的差异。这使得这本书在面向未来、培养具备计算能力的工程师方面显得有些力不从心。虽然它在经典的热力学和相图分析上做得不错，但缺乏对计算模拟这一强大工具的系统性引入，使得读者在面对需要高度精确预测和优化新材料的现代工业问题时，会感到力不从心，仿佛只能用锤子敲打，而失去了使用激光雕刻的能力。对于希望从事先进材料研发的人来说，这方面的缺失是一个明显的短板。

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这本书最让我感到欣慰的是其贯穿始终的“历史观”和“演化论”。作者并没有将材料科学视为一个静止的知识体系，而是将其放在一个宏大的时间轴上进行审视。比如，在介绍钢铁材料时，他详细追溯了从贝塞麦转炉到现代真空感应冶炼的发展脉络，不仅仅罗列了不同钢种的成分差异，更重要的是阐述了是哪种工程需求（例如对更高强度的追求）驱动了冶金技术的革新。这种叙事手法使得枯燥的材料分类变得生动有趣，每一个重要的发现背后都有一个清晰的工程或科学动机。它教会了我，材料知识不是孤立的，而是人类解决实际问题历史进程中的智慧结晶。这种对知识背景的尊重和挖掘，让我在学习过程中，能更好地理解为什么某些看似过时的材料理论至今仍具有指导意义，同时也让我对未来材料的发展方向有了一个更具历史纵深感的预判。这是一本真正有“温度”的科学读物，它传授的远不止是数据和公式。

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这本书的排版和插图质量实在让人不敢恭维，第一眼看上去就像是上个世纪八十年代的印刷品。很多公式的推导过程写得过于简略，常常需要我自己动手去补全中间步骤，这对于赶进度的学生来说简直是灾难性的。特别是关于高分子材料那一章，文字描述堆砌得密密麻麻，关键的结构示意图小得可怜，几乎看不清侧链的排列方式。我不得不花大量时间去查阅其他的参考资料来辅助理解这些核心概念。如果作者能花点心思优化一下图文的配合度，或者至少在关键的数学推导上给予更详尽的解释，这本书的价值会大大提升。坦白说，我感觉作者可能过于专注于内容的深度，而忽略了作为教材，清晰易读的重要性。这本书更像是给已经有一定基础的研究人员准备的内部参考资料，而不是给首次接触这门学科的本科生设计的入门读物。它像是一座布满暗门的迷宫，虽然内部宝藏丰富，但寻找路径的过程却充满了挫折感，需要极强的毅力和时间投入才能获得回报。

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我是在备战一次非常重要的跨学科项目时偶然接触到这本书的，当时我急需快速掌握陶瓷材料烧结过程中的相变动力学。这本书的结构安排非常巧妙，它不像传统的材料书那样平均分配篇幅给所有材料类别，而是根据现代工程应用的热点，对特定领域进行了深入挖掘。陶瓷部分，它详尽地分析了晶界扩散、晶内扩散的相对贡献，并结合实例展示了温度梯度对最终材料微观结构的影响。最让我印象深刻的是它对“缺陷工程”的探讨，作者没有停留在描述缺陷本身，而是探讨了如何通过精确控制制备过程中的化学计量比和热处理曲线，来主动设计材料的特定性能，比如提高半导体的载流子迁移率。这种从“制造”到“设计”的思维转变，极大地拓宽了我的视野。我感觉自己不再是机械地背诵材料属性，而是学会了如何像一位“材料建筑师”一样去思考和规划。这本书在处理那些跨越多个学科边界的复杂现象时，展现出了极高的驾驭能力，这在同类书籍中是相当罕见的。

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