材料科学基础 1

自序
第1章 材料的原子结构 1
1.1 历史回顾 1
1.2 氢原子光谱 3
1.3 玻尔原子结构理论 4
1.4 微观粒子运动的基本特征 5
1.5 原子结构的量子力学描述 7
1.6 量子数 8
1.7 多电子原子结构 10
1.7.1 基态原子的核外电子排布规则 10
1.7.2 能级交错现象 12
1.7.3 原子轨道能级图 12
1.7.4 基态原子的核外电子排布 13
1.8 元素周期表 15
1.8.1 元素的周期 16
1.8.2 元素的族 17
1.8.3 元素的分区 17
1.9 元素性质的周期性 18
1.9.1 原子半径 18
1.9.2 电离能 19
1.9.3 电子亲和能 20
1.9.4 电负性 21
1.10 原子结合键 22
1.10.1 离子键 23
1.10.2 共价键 24
1.10.3 金属键 25
1.10.4 二次键 26
1.10.5 混合键 28
1.11 分子的电子结构 29
1.11.1 分子轨道理论 30
1.11.2 能带理论 34
1.12 小结 37
习题 39
第2章 材料的晶体结构 41
2.1 晶体学发展历程 41
2.2 晶体结构和空间点阵 44
2.3 晶体结构抽象为空间点阵 46
2.3.1 一维周期性结构与直线点阵 47
2.3.2 二维周期性结构与平面点阵 48
2.3.3 三维周期性结构与空间点阵 49
2.4 空间点阵基本规律 51
2.5 晶系和布拉维点阵 51
2.6 几种典型的金属晶体结构 56
2.6.1 晶胞中的原子数 57
2.6.2 配位数 57
2.6.3 点阵常数 57
2.6.4 致密度 58
2.6.5 晶体结构中的间隙 58
2.6.6 晶体中原子的堆垛方式 63
2.7 晶面指数和晶向指数 65
2.7.1 晶面指数 65
2.7.2 晶面族 68
2.7.3 晶向指数 69
2.7.4 六方晶系晶面指数表示 72
2.7.5 六方晶系晶向指数表示 74
2.7.6 晶向指数变换 75
2.7.7 立方和六方晶体中重要晶向的快速标注 76
2.8 晶体内的密排面和密排方向 77
2.9 晶带和晶带定律 78
2.9.1 已知晶面确定晶向 79
2.9.2 已知晶向确定晶面 79
2.9.3 三晶轴同面 80
2.9.4 三晶面同属一个晶带 80
2.10 晶面间距 80
2.11 晶体投影 82
2.11.1 晶体的球面投影 82
2.11.2 晶体的极射投影 83
2.11.3 乌氏网 85
2.11.4 标准投影 87
2.12 倒易点阵 89
2.12.1 布拉格方程 89
2.12.2 埃瓦尔德反射球 90
2.12.3 倒易点阵的基矢 91
2.12.4 倒易点阵的基本性质 91
2.12.5 倒易点阵的应用 94
2.12.6 复杂晶胞的倒易点阵 96
2.12.7 实际晶体的倒易点阵 97
2.13 元素的晶体结构 102
2.14 元素的多晶型性 103
2.15 合金的晶体结构 103
2.15.1 固溶体 104
2.15.2 金属间化合物 107
2.16 离子晶体的结构 111
2.16.1 离子半径、配位数和离子堆积 112
2.16.2 离子晶体结构规则 115
2.16.3 典型离子晶体的结构 117
2.17 共价晶体的结构 119
2.18 晶体结构中的原子半径 120
2.19 小结 122
习题 127
第3章 晶体中的缺陷 130
3.1 晶体缺陷的认知历程 130
3.2 点缺陷 135
3.2.1 点缺陷的类型 136
3.2.2 点缺陷的产生及热力学分析 138
3.2.3 过饱和点缺陷的形成 145
3.2.4 点缺陷对晶体性质的影响 145
3.2.5 点缺陷浓度的实验测量 147
3.3 位错 148
3.3.1 应力及其表示 148
3.3.2 应变及其表示 151
3.3.3 固体的弹性能 154
3.3.4 位错理论的引入 157
3.3.5 位错的基本类型及特征 160
3.3.6 伯格斯矢量 163
3.3.7 位错的运动 169
3.3.8 位错密度 176
3.3.9 位错的基本几何特征 177
3.3.10 位错的应力场 178
3.3.11 位错的应变能与线张力 184
3.3.12 位错的受力 188
3.3.13 位错与位错之间的交互作用 193
3.3.14 位错与点缺陷之间的交互作用 201
3.3.15 镜像力 202
3.3.16 位错运动的阻力 204
3.3.17 位错的交割 209
3.3.18 位错的起源与增殖 214
3.3.19 位错的塞积 223
3.4 实际晶体中的位错 228
3.4.1 实际晶体中位错的基本概念 228
3.4.2 实际晶体中位错的伯氏矢量 228
3.4.3 面心立方晶体中的位错 229
3.4.4 位错反应 239
3.4.5 体心立方晶体中的位错 245
3.4.6 密排六方晶体中的位错 249
3.4.7 其他晶体中的位错 251
3.5 面缺陷 253
3.5.1 表面及表面能 254
3.5.2 晶界和亚晶界 255
3.5.3 相界 260
3.6 体缺陷 261
3.7 缺陷的实验观察 261
3.7.1 蚀坑法 262
3.7.2 缀饰法 263
3.7.3 显微技术 263
3.8 小结 266
习题 271
第4章 固体中的扩散 276
4.1 固体中扩散现象的概述 276
4.1.1 固体中扩散的驱动力和基本特点 276
4.1.2 固体中扩散的条件 277
4.1.3 固体中扩散的分类及应用 277
4.1.4 固体中扩散的研究内容 278
4.2 固体中质点扩散的唯象理论 278
4.2.1 菲克第一定律 279
4.2.2 菲克第二定律 281
4.2.3 稳态扩散及其应用 285
4.2.4 非稳态扩散 289
4.2.5 D-C相关 301
4.3 固体中质点扩散的微观理论 304
4.3.1 原子随机跳动与扩散距离 304
4.3.2 扩散系数的微观表示 306
4.3.3 扩散的微观机制 309
4.3.4 原子激活概率和扩散激活能 312
4.4 互扩散 316
4.4.1 柯肯德尔效应 316
4.4.2 柯肯德尔效应的机制和影响 317
4.4.3 达肯方程 318
4.4.4 摩尔密度保持不变的假设 320
4.5 扩散热力学 322
4.5.1 扩散的驱动力 323
4.5.2 扩散系数的普遍形式 323
4.6 影响扩散的因素 327
4.6.1 温度的影响 327
4.6.2 成分的影响 328
4.6.3 晶体结构的影响 332
4.7 短路扩散 334
4.8 反应扩散 336
4.8.1 反应扩散的过程及特点 336
4.8.2 反应扩散动力学 338
4.9 离子晶体中的扩散 340
4.9.1 肖特基空位机制 341
4.9.2 弗仑克尔空位机制 341
4.9.3 非禀性空位机制 342
4.9.4 离子晶体电导率 342
4.10 共价晶体中的扩散 343
4.11 半导体材料中的扩散 343
4.12 纳米颗粒中的扩散 346
4.13 金属中的电迁移与热迁移 347
4.14 小结 348
习题 352
第5章 固体的形变 356
5.1 固体材料的力学性质 356
5.1.1 材料力学性能的实验测量 357
5.1.2 材料的弹性性能 359
5.1.3 金属的力学行为 366
5.1.4 离子晶体的力学行为 374
5.1.5 材料的硬度 376
5.2 单晶体的塑性形变 377
5.2.1 单晶体塑性形变的微观机制 377
5.2.2 滑移现象 379
5.2.3 滑移系 380
5.2.4 施密特定律及其应用 382
5.2.5 滑移时参考方向和参考面的变化 387
5.2.6 滑移过程中晶体的转动 390
5.2.7 滑移过程的次生现象 395
5.2.8 单晶体的应力-应变曲线 396
5.2.9 单晶体的孪生形变 397
5.2.10 孪生形变的应力-应变曲线 403
5.2.11 孪生和滑移的比较 404
5.3 多晶体的塑性形变 405
5.3.1 晶界的影响 405
5.3.2 形变的协调 408
5.3.3 晶粒大小的影响 408
5.3.4 多晶体应力-应变曲线 409
5.3.5 塑性形变对金属组织及性能的影响 410
5.4 金属的强化机制 413
5.4.1 固溶强化 413
5.4.2 应变强化 415
5.4.3 屈服点现象和应变时效 416
5.5 金属的断裂 421
5.5.1 断裂的晶体学和工程学分类 422
5.5.2 晶体的理论断裂强度 423
5.5.3 晶体的实际断裂强度 424
5.5.4 裂纹的萌生 426
5.5.5 断裂的形式 427
5.5.6 影响断裂的主要因素 430
5.6 小结 431
习题 434
参考文献 437