Microstructure and Phase Transition (The IMA Volumes in Mathematics and its Applications) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Kinderlehrer, David; James, Richard; Luskin, Mitchell

出品人:

页数:230

译者:

出版时间:1993-11-05

价格:USD 99.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387941127

丛书系列:

图书标签:

• Microstructure
• Phase Transition
• Materials Science
• Solid State Physics
• IMA Volumes
• Mathematics
• Applied Mathematics
• Crystallography
• Metallurgy
• Diffusion

材料的内在秩序与演变：微观结构与相变 材料的宏观性能，如强度、延展性、导电性或光学特性，其根源深藏于其内部的微观结构及其随环境变化而发生的相变。这本专著深入探索了材料微观结构的形成、演变以及其与相变过程之间错综复杂的关系，为理解和设计高性能材料提供了坚实的理论基础和丰富的洞察。 微观结构的奥秘：从晶体到非晶态 书籍的第一部分将读者带入材料微观世界的探索之旅。我们首先关注的是最基本的有序结构——晶体。从原子在空间中的规律排列——点阵，到构成晶体的基本单元——晶胞，再到不同晶体结构（如面心立方、体心立方、六方密堆积等）的几何描述和能量优势，我们将逐一剖析。理解晶体结构是理解后续所有现象的基础。 然而，材料的世界并非只有晶体。非晶态材料，如玻璃、某些聚合物和金属玻璃，其原子排列杂乱无章，但它们同样展现出独特的性能。我们将深入研究非晶态结构的表征方法，如径向分布函数，以及描述其无序程度的统计模型。同时，我们还将探讨晶态向非晶态转变的机制，例如快速淬火和玻璃化转变。 除了宏观上的晶体与非晶态，材料内部还存在着各种“缺陷”，这些缺陷往往对材料性能产生至关重要的影响。位错、晶界、空位、间隙原子等点缺陷、线缺陷和面缺陷的存在，会极大地改变材料的力学性能、扩散行为以及电子输运性质。我们将详细介绍这些缺陷的类型、形成原因、结构特点以及它们在材料中的运动和相互作用，揭示“不完美”如何塑造材料的“卓越”。 在微观结构中，相的分布和形貌同样不容忽视。多相材料，如合金钢、陶瓷复合材料，其性能往往取决于不同相的体积分数、尺寸、形状以及它们之间的界面。我们将探讨如何通过显微组织分析技术，如光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）来观察和量化这些微观结构特征。此外，我们还将介绍不同形核与生长机制，如均匀形核、异质形核，以及枝晶生长、胞状生长等，理解材料如何从均匀状态演变成多相混合体。 相变：材料的动态变革 在材料科学中，相变是驱动材料性能改变的关键过程。书籍的第二部分将聚焦于材料的相变现象，从热力学原理到动力学过程，再到不同类型的相变。 首先，我们将回顾相变的热力学基础。吉布斯自由能是判断相平衡和相变的决定性因素。我们将深入理解相图的构建原理，通过二元、三元相图来预测在不同温度和成分下材料可能存在的相以及相之间的平衡关系。各种相变类型，如共晶、共析、包晶等，在相图上都有明确的标记，理解这些标记的含义，就能洞悉材料在温度变化时的转变路径。 接下来，我们将探讨相变的动力学。相变并非瞬时发生，而是需要时间来完成。形核和长大是相变过程中的两个基本阶段。形核是新相开始出现的微小区域，其速率受到过冷度、形核能垒等因素的影响。长大则是新相区域的尺寸不断增加的过程，其速率主要取决于原子的扩散能力和界面的迁移。我们将介绍各种动力学模型，如Avrami方程，来描述相变的速率和时间依赖性。 相变可以根据其驱动机制和微观过程进行分类。固-固相变是材料领域中最常见也最复杂的一类。例如，钢中的奥氏体向珠光体、贝氏体、马氏体转变，是热处理过程中最重要的相变，它直接决定了钢的力学性能。我们将详细解析这些固-固相变的机制，包括扩散型相变和无扩散型相变（如马氏体转变）的特点。 除了固-固相变，固-液相变（熔化和凝固）以及固-气相变（升华）也是理解材料加工和应用的关键。从液态金属的凝固形成晶粒，到粉末冶金中的烧结过程，都涉及到固-液界面的形成和迁移。 近年来，非平衡相变引起了广泛关注。通过快速淬火、高压处理等手段，可以获得在平衡相图上不存在的亚稳相，如金属玻璃、纳米晶材料等。我们将探讨这些非平衡相的形成机理，以及它们所展现出的特殊性能，例如超高的强度、优异的弹性等。 此外，热诱导相变和应力诱导相变是两种重要的外部因素驱动的相变。例如，形状记忆合金中的马氏体相变可以通过加热或施加应力来诱导，从而实现“记忆”功能。我们将深入研究这些外部因素如何影响材料的相变过程，并分析其在实际应用中的潜力。 联系与展望：微观结构与相变在材料科学中的统一 本专著的第三部分将着重于连接微观结构和相变，强调它们在材料科学中的相互依存和统一性。我们将深入探讨微观结构如何影响相变动力学和热力学。例如，晶粒尺寸、晶界密度、第二相粒子的分布等微观结构特征，会显著影响相变的形核率和长大速率。反过来，相变过程又会重塑和改变材料的微观结构。例如，马氏体相变过程中会形成特定的板条状或片状结构，而扩散型相变则会产生新的晶粒形貌和相分布。 我们将讨论如何通过控制微观结构来调控相变行为，从而实现对材料性能的精确设计。例如，通过细化晶粒可以提高材料的屈服强度（Hall-Petch效应）；引入第二相粒子可以阻碍位错运动，提高材料的硬度。理解相变过程，可以帮助我们选择合适的工艺参数，例如热处理温度、冷却速率、变形量等，以获得期望的微观结构和性能。 最后，我们将展望微观结构与相变研究在材料科学中的未来发展方向。计算材料科学，特别是基于第一性原理的计算和分子动力学模拟，为我们理解原子尺度上的相变机制提供了强大的工具，能够预测材料的相稳定性、计算相变能垒、模拟原子扩散过程，极大地推动了对相变的深入认识。 多尺度模拟，从原子尺度到介观尺度，再到宏观尺度，将是未来研究的重要趋势。结合不同尺度的模拟方法，可以更全面地描述材料从微观结构演变到宏观性能的整个过程。 智能材料和功能材料的设计，例如具有响应性、自修复性、记忆效应的材料，都离不开对相变过程的精妙控制。微观结构的设计是实现这些功能的核心。 本专著旨在为研究生、研究人员以及对材料科学感兴趣的工程师和学者提供一个全面而深入的视角，理解材料的内在秩序及其演变规律。通过对微观结构和相变的深入研究，我们能够更好地理解现有材料的性能，并为开发下一代高性能材料奠定坚实的基础。

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