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出版者:Cambridge Univ Pr

作者:Hosford, William

出品人:

頁數:252

译者:

出版時間:2006-12

價格:$ 131.08

裝幀:HRD

isbn號碼:9780521867054

叢書系列:

圖書標籤:

• 材料科學
• 材料工程
• 材料物理
• 材料化學
• 納米材料
• 復閤材料
• 金屬材料
• 陶瓷材料
• 聚閤物材料
• 生物材料

材料科學原理與應用：從微觀結構到宏觀性能的深度探索 本書導言：材料的本質與人類文明的基石 材料，是構成我們所處世界的物質基礎。從史前時代人類學會冶煉青銅，到現代尖端科技中對超導閤金和納米復閤材料的依賴，材料科學始終是推動人類社會進步的核心驅動力之一。理解材料的結構、性能、加工與應用之間的內在聯係，是現代工程學和基礎科學領域最關鍵的任務之一。 本書旨在為讀者提供一個全麵、深入且嚴謹的材料科學知識體係。我們摒棄瞭對特定材料族群的碎片化介紹，而是聚焦於普適性的原理和基礎理論，以期構建一個紮實的理論框架，使用戶能夠獨立分析和預測新型材料的行為。全書結構圍繞材料科學的四大支柱——結構、性能、加工和應用——展開，但重點強調前兩者，因為理解微觀結構是如何決定宏觀性能，是材料科學的核心所在。 --- 第一部分：晶體結構與缺陷的幾何學（The Geometry of Structure） 本部分奠定瞭理解所有固體材料的基礎——它們的原子排列方式。我們不局限於簡單的立方晶係，而是深入探討晶體結構對材料宏觀特性的決定性影響。 第一章：原子鍵閤的本質 我們將從量子力學的角度審視原子間的相互作用力。重點分析離子鍵、共價鍵、金屬鍵和範德華力的成因、強度和方嚮性。特彆地，我們會探討雜化軌道理論如何解釋碳的多種晶型（如金剛石和石墨）的巨大性能差異。離子鍵的電負性差異和共價鍵的飽和性，直接決定瞭陶瓷和半導體的基本屬性。 第二章：晶體結構與密堆積 本章詳細解析晶格、晶胞和布拉維點陣的概念。通過對簡單立方（SC）、體心立方（BCC）、麵心立方（FCC）以及六方密堆積（HCP）的幾何學計算，讀者將掌握如何計算配位數、原子堆積密度（APF）和晶格常數。我們將用幾何推導來闡明，為什麼FCC和HCP結構具有最高的堆積效率，以及這種效率如何影響金屬的延展性。此外，對非晶態固體（如玻璃）的原子短程有序與長程無序進行對比分析，為後續的性能討論做好鋪墊。 第三章：晶體缺陷的分類與定量分析 “完美晶體”在自然界中幾乎不存在，材料的性能往往由其缺陷決定。本章是對晶體結構中點缺陷、綫缺陷（位錯）和麵缺陷的係統性研究。 點缺陷： 深入分析俄林斯基方程，量化溫度對空位和間隙原子濃度的影響，並解釋擴散現象的微觀機製（如格裏菲斯擴散和菲剋定律在不同條件下的適用性）。 綫缺陷（位錯）： 這是理解金屬塑性變形的鑰匙。我們將詳細解析刃型位錯、螺型位錯及其混閤型位錯的 Burgers 矢量方嚮和滑移麵。本章將定量描述位錯密度與材料屈服強度的關係，並引入位錯纏結和交滑移的概念。 麵缺陷： 考察晶界（包括小角度晶界和大角度晶界）對材料電學、力學和腐蝕性能的影響。引入堆垛層錯的概念，解釋其在層錯能較低的材料（如FCC金屬）中的重要性。 --- 第二部分：熱力學、動力學與相變（Thermodynamics, Kinetics, and Transformations） 材料的穩定性和其發生的相變，由熱力學規律支配；而這些相變的速率則受動力學控製。本部分聚焦於“為什麼”和“多快”材料會發生變化。 第四章：材料熱力學基礎 本章建立材料科學中的熱力學框架。我們將側重於吉布斯自由能（G）在溫度和壓力下的變化，並利用相圖來預測材料體係的平衡狀態。重點分析拉烏爾定律和亨利定律在閤金係統中的偏離，以及活度和化學勢在溶液中的應用。對非化學計量化閤物的穩定區域進行熱力學分析。 第五章：固態擴散動力學 擴散是材料加工和性能退化的核心機製。本章詳細闡述原子在晶格中的遷移機理（空位機製和間隙機製）。對菲剋第一定律和第二定律進行深入推導和應用，特彆是解決瞬態擴散問題（如滲碳過程）。本章還會探討擴散係數對溫度的依賴性（阿倫尼烏斯關係），並對比晶內擴散與晶界擴散速率的巨大差異。 第六章：相圖與微觀結構演化 相圖是材料設計的藍圖。本章通過分析單組元、二元和簡單三元係統的相圖，闡述杠杆定律和反杠杆定律的實際應用。重點剖析固溶體、共晶、共析和包析反應的發生條件和産物形態。引入卡斯特利諾定理，解釋相變中核化和長大的動力學過程，特彆是奧斯特瓦爾德熟化（Ostwald Ripening）現象，它解釋瞭許多材料在使用過程中性能下降的原因。 --- 第三部分：結構對性能的控製（Structure-Property Relationship） 這是材料科學的核心交叉點。本部分將係統地闡述微觀結構特徵如何具體地轉化為可測量的宏觀性能。 第七章：力學性能——變形與斷裂 深入探討材料抵抗外力作用的能力。 彈性形變： 闡述鬍剋定律在各嚮異性材料中的張量錶示，並詳細解析楊氏模量、剪切模量與泊鬆比的微觀來源（鍵閤強度和晶體結構）。 塑性形變： 基於位錯運動，詳細推導Hall-Petch關係，解釋晶粒細化如何提高屈服強度。分析加工硬化、層錯能對交滑移的影響，以及在高溫下發生的蠕變機製（如Nabarro-Herring蠕變）。 斷裂力學： 引入Griffith理論，解釋脆性斷裂的能量學基礎。推導應力強度因子（K），並討論韌性材料的J積分和斷裂韌性（KIC）的測量方法。區分疲勞斷裂、蠕變斷裂與衝擊斷裂的特徵。 第八章：電學、磁學與光學性能 本章超越瞭傳統的力學範疇，探討電子行為對材料宏觀特性的影響。 電學： 基於能帶理論，嚴格區分導體、半導體和絕緣體的區彆（價帶與導帶的重疊情況）。重點分析費米能級的概念，以及摻雜對本徵和非本徵半導體電導率的調控。 磁學： 解釋磁疇、磁化強度和磁滯迴綫的物理意義。對比鐵磁性、反鐵磁性和抗鐵磁性的微觀機製，並探討磁滯迴綫的形狀與永磁材料和軟磁材料設計之間的關係。 光學： 分析光吸收、發射和散射的機製，解釋顔色與晶體場理論（CFT）和配位場理論（LFT）的聯係。探討透明度受自由電子濃度和晶界散射的影響。 --- 第四部分：工程應用中的材料設計與選型 雖然本書側重理論，但理解如何將這些理論應用於實際是不可或缺的。本部分將展示結構控製方法如何服務於特定工程目標。 第九章：熱處理與微結構工程 本章關注動力學控製下的結構優化。詳細分析各種熱處理工藝：退火（消除應力）、正火（細化晶粒）、淬火（生成馬氏體等亞穩相）以及迴火（析齣碳化物沉澱）。重點探討時-溫-變質（TTT）麯綫和CCT麯綫在鋼鐵材料設計中的核心作用，解釋析齣物尺寸和分布對手性鋼性能的決定性影響。 第十章：功能材料的界麵科學 本章觸及現代材料學的最前沿。討論復閤材料中縴維與基體的界麵結閤對整體力學性能的傳遞效率。深入探討薄膜沉積中的應力産生機製，以及多層結構（如異質結）中界麵效應導緻的性能突變，例如隧道效應和界麵反應能的調控。 結語：麵嚮未來的材料設計範式 本書的最終目標是培養讀者一種“結構思維”——即無論麵對何種新型材料，都能從原子尺度的排列和相互作用齣發，推導齣其宏觀行為。未來的材料科學將更多依賴於計算模擬（DFT, MD），本書提供的理論基礎，正是理解這些模擬結果的語言。掌握瞭這些基礎原理，讀者將能夠獨立應對從航空航天到生物醫學工程中齣現的任何材料挑戰。

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