材料物理(李志林 )(第三版)

《材料物理》是普通高等教育“十一五”国家级规划教材、战略性新兴领域“十四五”高等教育教材，北京高等教育精品教材、北京高等学校优质本科教材、教育部高等学校材料类专业教学指导委员会规划教材、中国石油和化学工业优秀出版物奖（教材奖）一等奖获奖教材。本书主要描述材料中的物理现象及其本质机理和应用，全书共10 章，分别是：材料的晶态结构、晶体缺陷、材料的固态相变、材料的固态扩散、材料的电子理论、材料的电学性能、材料的磁学性能、材料的热学性能、材料的力学性能、材料的光学性能。为便于学习使用，在每章后提供思考题。本书附有“材料物理相关的一般现象和规律”的附录，启发读者深入理解材料中诸多物理现象的内在联系，激发读者的科学研究创新思维。本书还提供知识图谱、教学课件、教学视频、“材料物理性质的工程应用案例研究”教学方案、课程思政案例等数字资源供读者选用。 本书可作为材料科学与工程等工科专业材料物理课程的教材，也可作为相近专业研究生、本科生的教材和参考书以及材料科学工作者和材料工程技术人员的参考书。

李志林，北京化工大学教授，从事材料科学与工程专业课教学34年，主讲本科课程12门，研究生课程5门。由于对教育的突出贡献获国务院颁发的政府特殊津贴，被评为全国石油和化工行业教学名师、北京市教学名师。对材料专业工程教育、培养方式改革、校企合作实践基地建设等方面进行深入研究，所负责的北京化工大学材料科学与工程专业被评为北京市特色专业、国家 级特色专业、国家 级一 流专业，通过国家工程教育专业认证。所负责的材料物理课程被评为北京化工大学精品课程、研究性示范课程、精品在线开放培育课程，材料与文明课程被评为北京化工大学通识教育核心课程，材料结构与性能课程被评为北京化工大学研究生核心示范课程、研究生在线课程。 近五年主讲本科生材料物理、材料两门课程，主讲研究生课程材料结构与性能、材料物理2。主持国家 级、北京市教学研究项目各1项，校级教学研究项目8项。发表教学研究论文2篇，作为第 一获奖人获得国家 级教学荣誉和奖励2项，省部级教学荣誉和奖励3项，北京化工大学教学荣誉和奖励11项。

1 材料的晶态结构 001 1.1 晶体学基础 001 1.1.1 点阵和晶胞 001 1.1.2 晶向指数和晶面指数 005 1.1.3 晶面间距 008 1.1.4 非晶态材料的结构 009 1.1.5 准晶体的结构 010 1.2 金属材料的结构 012 1.2.1 纯金属的典型晶体结构 012 1.2.2 合金相结构 016 1.3 陶瓷材料的结构 024 1.3.1 特种陶瓷的结构 024 1.3.2 硅酸盐的晶体结构 026 1.3.3 玻璃的结构 029 1.4 低维材料的结构 031 1.4.1 薄膜的形成过程 031 1.4.2 薄膜的结构 034 思考题 037 2 晶体缺陷 039 2.1 晶体缺陷概述 039 2.2 点缺陷 040 2.2.1 肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷 040 2.2.2 点缺陷的特点 040 2.2.3 点缺陷的平衡浓度 041 2.2.4 空位形成能 042 2.2.5 点缺陷对性能的影响 042 2.2.6 过饱和点缺陷 043 2.3 位错 043 2.3.1 位错的发现 043 2.3.2 位错的概念和柏氏矢量 045 2.3.3 位错的运动 047 2.3.4 位错对晶体性能的影响 050 2.4 面缺陷 051 2.4.1 晶界 051 2.4.2 堆垛层错 056 2.4.3 孪晶界 056 2.4.4 外表面 057 2.4.5 相界面 058 思考题 059 3 材料的固态相变 061 3.1 固态相变的概念及分类 061 3.1.1 相变的基本概念 061 3.1.2 固态相变的一般特点 062 3.1.3 固态相变的分类 064 3.2 多晶型性转变 067 3.2.1 多晶型性转变的相变驱动力 067 3.2.2 多晶型性转变的相变过程 068 3.3 共析转变 069 3.3.1 共析转变的热力学 069 3.3.2 共析转变的过程 070 3.3.3 共析转变的动力学 072 3.4 马氏体转变 073 3.4.1 马氏体的概念 073 3.4.2 马氏体转变的特点 073 3.4.3 马氏体转变的动力学 075 3.4.4 马氏体转变的热力学 077 3.4.5 马氏体的组织形态 078 3.4.6 马氏体的转变机制 080 3.4.7 热弹性马氏体与形状记忆效应 083 3.5 贝氏体转变 087 3.5.1 贝氏体的组织形态 087 3.5.2 贝氏体转变的动力学 088 3.5.3 贝氏体转变的特点 089 3.5.4 贝氏体转变的机制 090 3.5.5 贝氏体的定义 090 3.6 玻璃态转变和非晶态合金 091 3.6.1 非晶态转变和玻璃化转变温度 091 3.6.2 非晶态合金的形成 092 思考题 093 4 材料的固态扩散 095 4.1 扩散动力学 095 4.1.1 扩散第一定律 095 4.1.2 扩散第二定律 096 4.2 扩散机制 101 4.2.1 间隙扩散 101 4.2.2 置换扩散 103 4.2.3 晶界扩散和位错扩散 105 4.3 上坡扩散 106 4.4 影响扩散的因素 108 4.4.1 温度 108 4.4.2 固溶体类型 108 4.4.3 晶体结构 108 4.4.4 溶质浓度 109 4.4.5 第三组元 109 4.4.6 晶体缺陷 110 思考题 111 5 材料的电子理论 112 5.1 波函数和薛定谔方程 112 5.1.1 微观粒子的波粒二象性 112 5.1.2 波函数和薛定谔方程概述 113 5.2 经典统计和量子统计 116 5.3 自由电子假设 118 5.3.1 经典自由电子理论 118 5.3.2 量子自由电子理论 119 5.4 能带理论 126 5.4.1 近（准）自由电子近似和能带 127 5.4.2 布里渊区 130 5.4.3 近自由电子近似下的状态密度 132 5.4.4 能带理论对材料导电性的解释 133 思考题 134 6 材料的电学性能 136 6.1 金属导体的导电性 136 6.1.1 自由电子近似下的导电性 136 6.1.2 能带理论下的导电性 137 6.1.3 导电性与温度的关系 138 6.1.4 电导功能材料 140 6.2 半导体的导电性 142 6.2.1 本征半导体 142 6.2.2 杂质半导体 144 6.2.3 霍尔效应 147 6.3 离子晶体的导电性 149 6.3.1 离子导电的理论 149 6.3.2 离子导电的影响因素 152 6.3.3 快离子导体 153 6.4 超导电性 154 6.4.1 超导现象 154 6.4.2 超导理论 157 6.4.3 超导研究的进展及其应用 160 6.5 热电效应 161 6.5.1 热电势 161 6.5.2 塞贝克效应 163 6.5.3 佩尔捷效应 164 6.6 材料的介电性能 165 6.6.1 电介质的极化 165 6.6.2 介电损耗 168 6.6.3 介电体击穿 172 思考题 174 7 材料的磁学性能 176 7.1 材料磁性能的表征参量和材料磁化的分类 176 7.1.1 材料磁性能的表征参量 176 7.1.2 材料磁化的分类 177 7.2 孤立原子的磁矩 178 7.2.1 电子和原子核的磁矩 178 7.2.2 原子的磁矩 180 7.3 抗磁性和顺磁性 182 7.3.1 抗磁性 182 7.3.2 顺磁性 183 7.4 铁磁性 184 7.4.1 铁磁体磁化的现象 184 7.4.2 铁磁体的自发磁化 188 7.4.3 铁磁体的技术磁化 194 7.5 强磁材料 198 7.5.1 软磁材料 198 7.5.2 硬磁材料 199 7.5.3 磁记录材料 199 思考题 200 8 材料的热学性能 202 8.1 材料的热容 202 8.1.1 杜隆-珀蒂定律 202 8.1.2 热容的量子理论 203 8.1.3 实际材料的热容 207 8.1.4 热分析法 209 8.2 材料的热传导 209 8.2.1 热传导的宏观现象 209 8.2.2 热传导的机理 210 8.2.3 实际材料的导热 211 8.3 材料的热膨胀 214 8.3.1 热膨胀的宏观现象 214 8.3.2 热膨胀的微观机理 215 8.3.3 热膨胀系数与其他物理量的关系 217 8.3.4 实际材料的热膨胀 219 8.3.5 膨胀分析和膨胀合金 220 8.4 材料的热稳定性 222 8.4.1 热应力 222 8.4.2 抗热冲击断裂性能 224 8.4.3 实际材料热稳定性的表征 227 思考题 228 9 材料的力学性能 230 9.1 材料的力学性能指标 230 9.1.1 应力和应变 230 9.1.2 材料的静载力学性能指标 231 9.1.3 硬度 234 9.2 材料的变形 236 9.2.1 晶体的弹性变形 236 9.2.2 晶体的塑性变形 242 9.2.3 晶体的蠕变 247 9.2.4 材料的黏性流动和黏弹性 249 9.3 材料的断裂 251 9.3.1 理论断裂强度 251 9.3.2 格里菲斯断裂强度理论 252 9.3.3 材料断裂的过程 254 9.4 材料的断裂韧性 260 9.4.1 裂纹尖端应力场强度因子KI及断裂韧性KIc 260 9.4.2 裂纹尖端应力的塑性变形区修正 261 9.4.3 陶瓷材料的强韧化方法 264 9.5 材料的疲劳 267 9.5.1 疲劳现象和疲劳极限 267 9.5.2 疲劳破坏的微观机制 268 9.6 材料的抗冲击性能 270 9.6.1 冲击韧性试验 270 9.6.2 金属材料的冷脆 271 思考题 272 10 材料的光学性能 274 10.1 光与材料的作用 274 10.1.1 光的物理本质 274 10.1.2 光与材料作用的一般规律 275 10.1.3 金属材料对光的吸收和反射 276 10.1.4 非金属材料对光的反应 277 10.2 材料的发光和激光 286 10.2.1 发光和热辐射 286 10.2.2 激光的产生 287 10.3 光学材料 290 10.3.1 发光材料 290 10.3.2 固体激光工作物质 290 10.3.3 光导纤维 292 思考题 293 附录 295 附录一 材料物理相关的一般现象和规律 295 附录1-1 场的作用 296 附录1-2 热激活过程与温度的关系 296 附录1-3 同一现象的不同模型 297 附录1-4 平衡空位浓度和热膨胀 298 附录1-5 矛盾影响因素控制的极值 298 附录1-6 影响因素的极限 300 附录1-7 晶体缺陷的共性 302 附录1-8 扩散与导热 303 附录1-9 半导体与离子晶体的导电性 304 附录1-10 极化与磁化 305 附录1-11 交变条件引起的能量损耗 307 附录1-12 晶体的各向异性和元素性质的周期性 308 附录1-13 电导率和热导率的关系及杂质的影响 310 附录1-14 复相材料电场、热膨胀系数与相组成的关系 310 附录1-15 尺寸的变化率 311 附录1-16 金属和陶瓷的强韧化 312 附录二 物理常量表 314 参考文献 315