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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Roat-Malone, Rosette M.

出品人:

页数:544

译者:

出版时间:2007-10

价格:954.00元

装帧:Pap

isbn号码:9780471761136

丛书系列:

图书标签:

• 生物无机化学
• 无机化学
• 生物化学
• 配位化学
• 金属生物化学
• 生物分子
• 金属离子
• 酶化学
• 催化
• 生命科学

《材料科学与工程导论》 本书简介 《材料科学与工程导论》旨在为学习材料科学与工程的学生提供一个全面、深入且结构清晰的入门指南。本书涵盖了从原子结构到宏观性能的材料科学基础，并详细介绍了主要的工程材料类别及其在现代工业中的应用。本书内容力求平衡理论深度与实践应用，确保读者不仅理解材料的内在原理，还能掌握工程设计中的实际考量。 第一部分：材料科学基础 第一章：材料科学与工程的范畴 本章首先界定了材料科学与工程的学科定位，阐述了其在现代技术进步中的核心作用。我们将探讨材料在结构、性能、加工与应用之间的相互关系——这一材料“五要素”模型是理解后续所有内容的基石。内容将涵盖材料在电子、能源、生物医学等前沿领域所扮演的关键角色，并概述材料科学家和工程师面临的挑战与机遇。 第二章：原子结构与键合 本章深入探究了材料的微观基础。我们将从量子力学的角度审视原子结构，重点讨论电子的排布、能级以及它们如何决定元素的化学性质。随后，本书详细分析了主要的化学键类型：离子键、共价键、金属键以及范德华力。每种键合机制的形成、特点及其对材料宏观性质（如熔点、硬度、导电性）的影响将被细致剖析。此外，我们还将介绍晶格结构的概念，为后续讨论晶体缺陷做铺垫。 第三章：晶体结构与衍射 晶体结构是决定许多材料性能的关键因素。本章详细介绍了点阵、晶胞的概念，并系统阐述了常见晶体结构，如体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和密排六方（HCP）结构。我们将计算密堆积效率和配位数，并解释晶体学中常用的描述符，如Miller指数。为实验验证这些结构，本章引入了X射线衍射（XRD）的基本原理，阐述布拉格定律的应用及其在确定晶体取向和晶粒尺寸中的重要性。 第四章：晶体缺陷 理想的完美晶体在自然界中极少存在。本章聚焦于晶体缺陷，这是理解材料加工性能和力学性能的关键。缺陷将被分类为零维（点缺陷，如空位、间隙原子）、一维（线缺陷，如位错）、二维（晶界、孪晶界）和三维缺陷。重点讨论了位错理论——位错的形成、运动及其对材料塑性变形（滑移和攀移）的决定性影响。同时，也将分析点缺陷在扩散过程中的作用。 第五章：材料中的扩散 原子或离子在材料内部的迁移（扩散）是热处理、相变和腐蚀等过程的基础。本章详细阐述了固态扩散的机理，区分了置换式扩散和间隙式扩散。核心内容包括Fick第一定律和第二定律的数学推导及其应用，并探讨了温度、浓度梯度和微观结构对扩散速率的影响。 第六章：热力学与相图 相图是材料工程师设计合金和控制微观结构的“地图”。本章从热力学的角度（吉布斯自由能最小化原理）引入相平衡的概念。随后，我们将系统地学习单组元和二组元相图的绘制与解读，重点分析共晶、共熔、固溶体等重要区域。本书将详细讲解杠杆定律和反杠杆定律在确定多相区中各相组成和相对比例时的应用。 第七章：动力学与相变 相变不仅仅是达到平衡态，更是一个依赖于时间和温度的动力学过程。本章讨论了成核与生长理论，解释了相变速率的温度依赖性。我们将通过冷却曲线分析非平衡相变，并重点介绍扩散控制的相变（如析出）和无扩散相变（如马氏体转变）的特点。 第二部分：结构材料与性能 第八章：力学性能 本章集中讨论材料如何响应外部机械载荷。内容包括弹性变形（杨氏模量、泊松比）和塑性变形的本质。我们将详细介绍拉伸、压缩、弯曲和扭转等基本测试方法及其对应获得的应力-应变曲线。核心内容包括屈服强度、抗拉强度、硬度（维氏、洛氏、布氏）的测量与意义，以及韧性（冲击功）和断裂韧性的评估。 第九章：断裂力学基础 理解材料失效是工程设计的核心环节。本章介绍了脆性断裂和延性断裂的特征。重点引入了线弹性断裂力学（LEFM）的概念，包括应力集中、裂纹尖端应力场以及关键的应力强度因子（$K_I$）。同时，也将探讨疲劳断裂——循环载荷下材料的渐进性损伤积累，并介绍S-N曲线的应用。 第十章：金属材料 金属因其高强度、高韧性和导电性而成为最重要的工程材料。本章系统考察了纯金属和合金。重点分析了钢（铁碳合金）的微观结构演化（如奥氏体、铁素体、渗碳体）和热处理工艺（退火、正火、淬火、回火）对机械性能的调控。随后，将探讨铝合金、钛合金和镍基高温合金的设计原则及其在航空航天领域的应用。 第十一章：陶瓷材料 陶瓷材料以其优异的耐高温性、耐磨性和电绝缘性著称。本章探讨了陶瓷的离子和共价键特性，解释了其高硬度、高脆性的内在原因。我们将分类介绍氧化物（如氧化铝）、非氧化物（如碳化硅、氮化硅）陶瓷，并讨论其制备工艺（如粉末冶金、烧结）和关键的结构缺陷（如孔隙率）对性能的影响。 第十二章：高分子材料 高分子材料（塑料和橡胶）因其低密度、易加工性和可设计性，在日常和高技术领域应用广泛。本章解释了聚合物的微观结构（如链段、结晶度、玻璃化转变温度$T_g$）。内容涵盖了热塑性塑料和热固性塑料的结构差异及其力学性能特点。本书还将讨论高分子的蠕变、松弛现象以及交联对性能的影响。 第三部分：功能材料与新兴领域 第十三章：电学性能 本章深入探讨了材料的电学行为。通过能带理论模型，解释了导体、半导体和绝缘体之间的根本区别。对于导体，讨论了电阻率、迁移率和散射机制。对于半导体，重点分析了本征与掺杂半导体的载流子浓度、费米能级的位置以及PN结的形成与特性，为电子器件原理奠定基础。 第十四章：磁学性能 磁性材料是信息存储和电机技术的核心。本章从微观角度解释了磁畴、磁化强度和磁滞现象。我们将区分抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性。重点分析永磁体（硬磁性材料）和软磁性材料的设计原理及其在变压器、存储设备中的应用。 第十五章：光学与导热性能 本章涵盖了材料对光和热的响应。在光学方面，讨论了光的吸收、透射和反射的机制，介绍透明陶瓷、光纤和光电器件的工作原理。在导热方面，阐释了晶格振动（声子）在热传导中的作用，对比金属、陶瓷和聚合物的热导率差异，并介绍热电材料的概念。 第十六章：材料的加工与制造 材料的最终性能往往取决于其加工过程。本章概述了主要的材料成型与连接技术。内容包括金属的铸造、塑性加工（锻造、轧制）、连接技术（焊接、钎焊）。此外，还将介绍先进的增材制造（3D打印）技术在复杂结构件制造中的潜力。 第十七章：可持续性与材料的未来 本章展望了材料科学与工程面临的未来挑战。讨论了环境影响、资源稀缺性，并着重介绍了绿色材料设计、材料回收、生物可降解材料以及纳米材料和智能材料（如形状记忆合金、自修复材料）的最新研究进展。 本书结构严谨，配有大量的图表、实例分析和习题，旨在培养读者运用材料科学原理分析和解决实际工程问题的能力。

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