Measurement and Data Analysis for Engineering and Science pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:McGraw-Hill College

作者:Dunn, Patrick F., Ph.D.

出品人:

页数:540

译者:

出版时间:

价格:2274.54元

装帧:HRD

isbn号码:9780072825381

丛书系列:

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深入探索现代材料的微观结构与宏观性能：一本面向前沿研究的综合指南 书名： 晶格动力学、缺陷工程与先进材料的本构行为 作者： [此处可填入两位或三位资深材料科学家或物理学家的姓名，例如：张伟 教授, 约翰·史密斯 博士] 出版社： [此处可填入一家知名的学术出版社名称，例如：普林斯顿大学出版社 或 施普林格-自然] --- 内容简介 本书《晶格动力学、缺陷工程与先进材料的本构行为》旨在为高年级本科生、研究生以及在材料科学、固体物理、凝聚态物理和应用力学领域工作的研究人员提供一套全面而深入的理论框架与实验方法论。本书的核心目标是解析原子尺度的微观机制如何精确地调控宏观尺度的机械、热学和电学性能，尤其关注材料内部的晶格振动模式（声子）、结构缺陷的形成与迁移，以及这些因素在复杂应力状态下的非线性本构响应。 本书结构严谨，内容涵盖了从基础理论推导到前沿计算模拟与先进表征技术的全过程，力求在概念深度与实践应用之间搭建坚实的桥梁。 --- 第一部分：晶格动力学与声子理论的基石（约 400 页） 本部分聚焦于晶体材料中原子集体运动的量子力学描述，为理解材料的热力学和输运性质奠定理论基础。 第一章：周期性势场中的电子与原子运动 本章从布洛维（Bloch）定理出发，回顾了晶格势场中电子能带结构的构建，并迅速过渡到原子层面的运动描述。详细阐述了牛顿运动方程在晶格环境下的重新表述，重点讨论了哈密顿量中原子间相互作用势（如嵌入原子势 EAM 和偶极相互作用模型）的构建与局限性。通过详细的数学推导，解释了晶格振动的简谐近似的物理意义及其在室温以下材料行为建模中的适用范围。 第二章：晶格振动模式与色散关系 这是对晶格动力学的核心论述。本章系统地推导了一维和三维周期性晶格的集体激发——声子（Phonons）的量子化理论。读者将学习如何从势能面（Potential Energy Surface, PES）的二阶导数矩阵（Hessian Matrix）导出动量空间（k-space）的频率-波矢色散关系。我们深入分析了光学支与声学支的物理差异，并探讨了声子群速度、密度（PhPDOS）的精确计算方法。重点案例分析包括面心立方（FCC）、体心立方（BCC）以及复杂晶体结构（如钙钛矿和高熵合金的局部无序效应）中的声子谱异常。 第三章：热力学性质与输运现象的声子调控 在理解了声子谱之后，本章将声子理论应用于实际材料性能的预测。详细探讨了德拜（Debye）模型到更精确的玻尔兹曼统计（Bose-Einstein分布）的过渡。核心内容包括：晶格热容随温度的变化规律、热膨胀系数的微观起源，以及通过声子散射理论（如德拜-渥拉斯（Bloch-Grüneisen）公式）精确预测晶格热导率的机制。本章特别关注声子-声子散射（三声子过程）在限制高温热输运中的核心作用，并引入了如何利用纳米结构设计实现声子玻璃-电子晶体特性的前沿概念。 --- 第二部分：结构缺陷工程与界面物理（约 550 页） 本部分将视角从完美的晶体结构转向真实的、充满缺陷的材料世界，探讨结构不完美性如何成为功能设计和性能调控的关键工具。 第四章：点缺陷的热力学与动力学 本章系统分类了点缺陷：空位、间隙原子、取代原子以及相关的复合缺陷（如Frenkel对和Schottky缺陷）。我们利用统计热力学建立了缺陷形成能的计算框架，并探讨了缺陷的平衡浓度与温度的关系（例如利用阿伦尼乌斯（Arrhenius）关系）。随后，深入研究了缺陷的迁移机制，包括攀移（Climb）、滑移（Glide）以及在电场/应力场作用下的定向运动，这对于理解材料的蠕变和辐照损伤至关重要。 第五章：线缺陷：位错理论与塑性变形的微观基础 位错（Dislocations）是宏观塑性的根本驱动力。本章从埃舍尔比（Escaig）和科斯特罗夫（Kröner）的应变场理论出发，精确定义了边缘位错和螺型位错的 Burgers 矢量与应力场分布。核心内容包括：位错缠结（Locking）、交滑移（Cross-slip）的激活能垒、以及位错在晶界和析出物处的钉扎效应。本章还涵盖了高熵合金中位错-高熵区相互作用的复杂性，以及如何利用高分辨率透射电镜（HRTEM）来识别和量化层错（Stacking Faults）的几何特征。 第六章：二维缺陷与晶界工程 二维缺陷，特别是晶界（Grain Boundaries, GBs），决定了多晶材料的强度和介观尺度输运。本章详细描述了晶界结构模型（如小角度倾斜/扭转晶界模型、CSL 理论），并着重分析了晶界能的各向异性。我们探讨了晶界在材料变形和断裂中的双重角色：作为位错源与吸收体，以及作为电荷/溶质扩散的快通道。针对先进功能材料（如电池电解质或催化剂），本章专门论述了共格、半共格和非共格晶界的原子重构及其对界面电势和反应活性的影响。 --- 第三部分：本构响应的非线性与多尺度建模（约 550 页） 本部分将前两部分建立的微观知识，提升到对材料在复杂外部载荷下宏观行为的精确预测，并介绍最先进的计算工具。 第七章：应力、应变与本构方程的推广 本章从张量分析入手，定义了柯西应力、格林-纳格代尔应变、以及对数应变等描述大变形的数学工具。详细讨论了弹性变形的本构关系（线弹性、各向异性弹性常数的确定），并深入解析了粘弹性（Kelvin-Voigt, Maxwell模型）的松弛行为在聚合物和高温金属中的应用。重点是塑性本构：从经典莫尔-库仑准则到各向异性强化模型（如Back-Stress演化），探讨了材料硬化（Kinematic vs. Isotropic hardening）的物理机制。 第八章：断裂力学与损伤演化 本章聚焦于材料失效的临界问题。从Griffith 能量平衡出发，系统阐述了线弹性断裂力学（LEFM）中的应力强度因子 $K$ 和弹塑性断裂力学（EPFM）中的J 积分（路径无关性）。我们详细介绍了裂纹尖端塑性区的数值模拟（如M-T模型），并探讨了疲劳断裂的机制，包括Paris 律的推导和循环塑性损伤累积的经验模型。针对陶瓷和复合材料，本章引入了Weibull 统计在预测宏观失效概率中的应用。 第九章：计算材料学的前沿方法论：从原子到介观尺度 本部分汇集了用于解析前述现象的现代计算工具，强调这些方法如何直接耦合微观结构信息到宏观性能预测。 1. 第一性原理计算（DFT）： 聚焦于计算材料的形成能、弹性常数、以及声子谱的精确预测。探讨了如何通过计算缺陷形成能来指导实验合成。 2. 分子动力学模拟（MD）： 详细介绍势函数的选择（如Lennard-Jones, MEAM, TD-EAM）对模拟结果的决定性影响。应用案例包括高温下的扩散系数计算、位错动力学的直接观测以及冲击载荷下的材料响应。 3. 相场模型（Phase-Field Modeling）： 阐述相场如何描述微观结构演化（如晶粒长大、析出物形成）的连续介质理论，并强调其在多尺度耦合中的潜力。 --- 总结与展望 本书不仅是一本理论教科书，更是一份面向未来研究的行动指南。它要求读者不仅要掌握“如何计算”，更要深刻理解“为什么是这样计算”，最终目标是培养能够设计具有特定微观结构和可预测宏观性能的下一代先进材料的研究人员。本书的深度和广度使其成为固体力学、材料物理和计算模拟交叉领域不可或缺的参考资料。

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