材料科學簡明教程

第1章 緒論　1
1.1 材料的類型 1
1.1.1 金屬材料 1
1.1.2 無機非金屬材料 1
1.1.2.1 工程材料 2
1.1.2.2 功能材料 3
1.1.3 有機高分子材料 3
1.1.4 復合材料 5
1.2 材料的破壞與失效 6
1.2.1 變形失效 6
1.2.2 斷裂失效 7
1.2.3 腐蝕失效 8
1.2.4 磨損失效 8
1.3 材料的加工方法 9
1.3.1 熱加工 9
1.3.1.1 鑄造 9
1.3.1.2 鍛造 9
1.3.1.3 焊接 11
1.3.2 機械加工 11
1.3.2.1 車削 11
1.3.2.2 鉆削 12
1.3.2.3 刨削 13
1.3.2.4 銑削 13
1.3.2.5 磨削 13
1.3.3 壓力加工 14
1.3.3.1 軋制 14
1.3.3.2 擠壓 14
1.3.3.3 拉拔 14
1.3.3.4 板料沖壓 14
1.3.4 材料的強化處理 15
1.3.4.1 熱處理 15
1.3.4.2 表面強化 15
1.4 材料的選擇 16
1.4.1 功能性原則 16
1.4.2 環(huán)保原則 17
思考題 17
第2章 材料的微觀結(jié)構　19
2.1 原子結(jié)構 19
2.2 原子的結(jié)合鍵 20
2.2.1 金屬鍵 20
2.2.2 離子鍵 21
2.2.3 共價鍵 21
2.2.4 范德瓦耳斯力 22
2.2.5 氫鍵 23
2.3 高分子鏈 23
2.4 晶體結(jié)構 25
2.4.1 空間點陣 26
2.4.2 典型晶體結(jié)構 28
2.4.2.1 體心立方晶格 28
2.4.2.2 面心立方晶格 29
2.4.2.3 密排六方晶格 30
2.4.3 晶面和晶向 31
2.4.3.1 晶向指數(shù) 31
2.4.3.2 晶面指數(shù) 32
2.4.3.3 六方晶系的晶面指數(shù)和晶向指數(shù) 33
2.5 各向異性 33
2.6 晶體的缺陷 34
2.6.1 點缺陷 34
2.6.2 位錯 36
2.6.2.1 理想晶體的滑移 36
2.6.2.2 實際晶體的滑移 37
2.6.3 界面 38
2.6.3.1 外表面 38
2.6.3.2 晶界和亞晶界 39
2.6.3.3 晶界的特性  40
2.6.3.4 相界 40
思考題 42
第3章 固體材料中的相　43
3.1 固溶體 43
3.1.1 置換固溶體 43
3.1.2 間隙固溶體 45
3.1.3 有序固溶體和超結(jié)構 45
3.1.4 固溶體的性質(zhì) 47
3.2 金屬間化合物 48
3.2.1 種類及用途 48
3.2.2 離子化合物 49
3.2.3 電子化合物 49
3.2.4 間隙化合物 50
3.2.4.1 簡單間隙化合物 50
3.2.4.2 復雜間隙化合物 51
3.3 陶瓷晶體相 51
3.3.1 陶瓷晶體相的結(jié)構 51
3.3.2 硅酸鹽 52
3.4 玻璃相 54
3.4.1 玻璃的形成 54
3.4.2 玻璃的結(jié)構 55
3.5 分子相 56
3.5.1 高分子及其結(jié)構 56
3.5.2 結(jié)構單元 57
3.6 超材料相 58
思考題 59
第4章 金屬的結(jié)晶過程　60
4.1 金屬的結(jié)晶 60
4.1.1 結(jié)晶現(xiàn)象 60
4.1.2 結(jié)構條件 61
4.1.3 熱力學條件 62
4.2 晶核的形成 63
4.2.1 自發(fā)形核 63
4.2.2 非自發(fā)形核 64
4.3 晶核的長大 65
4.3.1 長大條件 65
4.3.2 長大方式 65
4.3.3 長大形態(tài) 67
4.4 晶粒尺寸 68
4.4.1 晶粒尺寸對性能的影響 68
4.4.2 影響晶粒尺寸的因素 68
4.4.3 晶粒細化 69
4.5 鑄件的組織 70
4.5.1 宏觀組織 70
4.5.2 晶區(qū)的形成 70
4.5.3 鑄件的缺陷 72
思考題 73
第5章 相圖及其應用　74
5.1 二元相圖 74
5.1.1 表示方法 74
5.1.2 杠桿定律 75
5.1.3 相圖分析 76
5.1.3.1 二元勻晶相圖 76
5.1.3.2 共晶相圖 80
5.1.3.3 包晶相圖 87
5.1.3.4 其他類型的二元合金相圖 91
5.2 二元相圖的分析 96
5.2.1 Mo合金強化機制 96
5.2.2 Mo-Ti、Mo-Zr的部分相圖分析 97
5.2.3 Mo-Fe的部分相圖分析 98
5.2.4 Mo-Cr相圖分析 99
5.2.5 Mo-W 相圖分析 99
5.3 三元相圖 100
5.3.1 三元相圖的表示 100
5.3.2 直線定律 101
5.3.3 重心法則 102
5.3.4 等溫和變溫截面 102
5.3.4.1 等溫截面 102
5.3.4.2 變溫截面 103
5.3.4.3 簡單的三元共晶相圖 104
5.3.4.4 三元共晶相圖的分析 106
思考題 110
第6章 材料的變形與破壞　111
6.1 拉伸時材料的力學性能 111
6.1.1 低碳鋼 111
6.1.2 鑄鐵 112
6.1.3 木材 112
6.2 壓縮時材料的力學性能 113
6.3 塑性變形機制 114
6.3.1 滑移 114
6.3.1.1 單滑移 115
6.3.1.2 多滑移 116
6.3.1.3 交滑移 116
6.3.2 孿生 116
6.3.2.1 孿生變形的特點 117
6.3.2.2 發(fā)生孿生變形的條件 117
6.3.3 其他變形機制 117
6.4 多晶體塑性變形的特點 118
6.4.1 變形的不均勻性 119
6.4.2 晶界作用及晶粒大小的影響 119
6.5 合金的塑性變形 120
6.5.1 固溶體的塑性變形 120
6.5.2 多相合金的塑性變形 120
6.5.3 塑性變形對金屬組織與性能的影響 121
6.6 金屬的斷裂行為 122
6.6.1 基本類型 122
6.6.1.1 脆性斷裂 123
6.6.1.2 韌性斷裂 124
6.6.2 影響因素 125
6.7 高分子材料的變形 126
6.7.1 熱塑性高分子材料 126
6.7.1.1 應力-應變曲線 126
6.7.1.2 屈服與冷拉 127
6.7.1.3 剪切帶與銀紋 128
6.7.2 熱固性高分子材料 128
6.8 陶瓷材料的變形 128
6.8.1 陶瓷材料的塑性 129
6.8.2 單晶陶瓷的塑性 129
6.8.3 多晶陶瓷的塑性  131
6.8.4 陶瓷材料的超塑性 131
思考題 132
第7章 加工過程中材料的組織轉(zhuǎn)變　133
7.1 金屬的冷變形 133
7.1.1 微觀結(jié)構的變化 133
7.1.2 組織的變化 135
7.1.2.1 加工硬化現(xiàn)象 135
7.1.2.2 加工硬化影響因素 136
7.1.3 性能的變化 136
7.1.3.1 加工性能 136
7.1.3.2 物理性能 137
7.2 回復和再結(jié)晶 138
7.2.1 回復 138
7.2.2 再結(jié)晶 139
7.3 晶粒長大 139
7.3.1 正常晶粒長大 140
7.3.2 異常晶粒長大 141
7.3.3 晶粒大小的控制 141
7.3.4 再結(jié)晶織構的控制 141
7.4 熱加工組織 142
7.4.1 動態(tài)回復 143
7.4.2 組織軟化 145
7.4.3 強度和塑性 146
思考題 148
第8章 固態(tài)相變　149
8.1 固態(tài)相變的特點 149
8.1.1 應變能的影響 149
8.1.2 界面位向的影響 150
8.1.3 慣習面的影響 151
8.1.4 晶體缺陷和過渡相 151
8.2 固態(tài)相變的類型 151
8.3 固態(tài)相變的形核 152
8.3.1 均勻形核 153
8.3.2 非均勻形核 153
8.3.3 影響因素 153
8.4 晶粒的生長 154
8.4.1 長大機制 154
8.4.2 長大速度 156
8.5 馬氏體相變 158
8.5.1 熱力學條件 158
8.5.2 形核和長大 159
8.5.2.1 馬氏體的形核 159
8.5.2.2 馬氏體的長大 161
8.5.3 相變的特點 161
8.5.4 相的形態(tài)特點 163
8.5.5 其他馬氏體相 164
8.5.6 馬氏體的應用 165
8.6 相變的強化作用 166
思考題 167
第9章 擴散的基本原理　169
9.1 固態(tài)擴散的分類 169
9.2 擴散定律 170
9.2.1 菲克第一定律 170
9.2.2 菲克第二定律 170
9.2.3 擴散定律的應用 171
9.3 擴散的熱力學理論 175
9.3.1 擴散驅(qū)動力 175
9.3.2 擴散系數(shù) 175
9.4 金屬材料中的擴散 176
9.4.1 置換型固溶體中的擴散 176
9.4.2 滲層中的反應擴散 176
9.4.3 離子晶體中的擴散 177
9.5 影響擴散的因素 178
9.5.1 溫度 179
9.5.2 晶體結(jié)構 179
9.5.3 元素濃度 179
9.5.4 晶體缺陷 180
9.5.5 第三組元 180
思考題 180
第10章 復合材料　182
10.1 復合材料的分類 182
10.1.1 增強體的性能 183
10.1.2 材料的復合效應 184
10.2 復合材料的增強原理 185
10.2.1 彌散增強型 185
10.2.2 纖維增強型 186
10.3 復合材料的界面現(xiàn)象 187
10.3.1 界面的結(jié)合 187
10.3.2 粒子增強型 189
10.3.3 纖維增強型 191
10.4 納米自組裝材料 192
思考題 194
第11章 功能材料　196
11.1 電工材料 196
11.1.1 電阻合金 196
11.1.1.1 電熱合金 196
11.1.1.2 精密電阻合金 197
11.1.1.3 應變電阻合金 199
11.1.1.4 熱敏電阻合金 199
11.1.2 熱電偶合金 199
11.1.2.1 標準熱電偶 199
11.1.2.2 熱電偶補償導線 200
11.1.3 電觸頭材料 200
11.2 形狀記憶合金 201
11.2.1 形狀記憶合金的原理 201
11.2.2 形狀記憶合金的偽彈性 202
11.2.3 形狀記憶合金的種類 202
11.2.3.1 Ti-Ni形狀記憶合金 203
11.2.3.2 Cu基形狀記憶合金 203
11.2.3.3 Fe基形狀記憶合金 203
11.3 磁性材料 203
11.3.1 物理要求 203
11.3.2 軟磁合金 204
11.3.2.1 工業(yè)純鐵 204
11.3.2.2 硅鋼 204
11.3.2.3 Fe-Ni合金 205
11.3.2.4 Fe-Co合金 205
11.3.2.5 Fe-Al合金 205
11.3.3 硬磁合金 206
11.3.3.1 Al-Ni-Co合金 206
11.3.3.2 Fe-Cr-Co合金 206
11.3.3.3 Pt-Co合金 206
11.3.3.4 稀土永磁合金 207
11.4 儲氫材料 207
11.4.1 稀土系儲氫合金 208
11.4.2 鎂系儲氫合金 208
11.4.3 鈦系儲氫合金 208
11.5 超導材料 209
11.6 熱膨脹合金 209
11.6.1 低膨脹合金 210
11.6.2 定膨脹合金 210
11.6.3 高膨脹合金 210
11.7 彈性合金 210
11.8 磁阻合金 211
11.9 金屬陶瓷 212
11.10 減振合金 212
11.11 生物材料 214
11.12 光催化材料 215
11.13 稀土光功能材料 216
參考文獻　218