材料科学简明教程

材料科学是研究材料的成分、组织与性能之间关系的学科，它对生产、使用和开发材料具有指导意义。在近代科学技术的推动下，材料的制备方法和检测技术不断进步，材料学科持续发展，材料的品种日益增多，新型材料不断涌现，原有材料的性能更加完善。特别是近年来，一些新型金属材料、复合材料、功能材料不断出现，已在现代工业中得到广泛应用。目前，在材料的生产和使用过程中需要关注的问题不只是如何改善材料质量，还要考虑如何减少资源和能源消耗及污染物排放，使人与自然环境和谐相处。这就要求人们加深对材料的认识，从理论上掌握传统金属材料、陶瓷材料和高分子材料的共性和相通之处，通过与其他学科如数学、物理、化学、力学、工程学等，进行交叉渗透，使用统一的理论来概括这些材料的微观特性和宏观规律，并利用多种实验手段对材料进行测试分析，结合生产和应用实践，解决材料生产和使用中的实际问题。
学科的发展必然带来教学体系的相应变化。20世纪60 年代之前，有关材料科学的学生培养仍分布在冶金、机械、化工等专业，美国西北大学学者首先提出了“材料科学与工程”这一概念。随后西方国家才逐步将高校中冶金、机械、化工等涉及材料学科的专业确定为“材料科学与工程系”“材料科学系”。我国也于20世纪80年代初试办材料科学专业，部分以工科为主的高校中，基于冶金与机械，或金属、非金属、高分子专业建立起材料科学与工程学科，侧重于新材料的性能评价与使用的研究；部分综合性大学在物理学、化学学科的基础上，逐步形成材料学与物理、化学相融合的材料物理与材料化学专业，侧重于基础研究。目前，已将材料科学与工程定为一级学科，这是材料学科发展的必然方向，是适应21世纪对材料领域专门人才需求的必要措施。教材建设是人才培养的关键环节，“材料科学基础”是材料科学与工程学科的专业基础理论课，随学科的不断交叉，特别是“卓越工程师教育培养计划”要求培养出创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才，这就要改革传统的按材料种类划分的专业理论基础课程内容，将不同种类材料的内容在同一基础上融合。本书从教学要求出发，在强调基本概念和理论的基础上，适当地拓展内容的深度和广度，在要求科学性的同时，还要保持教材内容的先进性和实用性，并注意降低难度，最终的目的是使学生通过学习能将理论应用于解决材料工程的实际问题。
本书以材料内部微观结构和凝固的基本理论为基础，以解决材料宏观破坏和微观缺陷的方法和原理为主线，围绕材料的制备和性能，介绍了材料的类型、工程应用及失效方式。主要内容有：材料的微观结构，包括价键理论，从理想晶体的完整结构到存在缺陷的不完整晶体；固体材料中常见相的种类、结构及特点，金属在结晶过程中的形核、长大及组织缺陷；并在上述基础上，进一步介绍材料在受力变形时组织结构的变化和恢复过程，以及材料组织结构的转变规律，包括单组元系转变，二组元间的相互作用及转变和三元系的相互作用规律，以及材料中扩散的基本原理，通过这些内容来了解材料的形成规律和存在状态；最后对复合材料和功能材料中的一些新成就进行了介绍，使学生了解材料科学发展的一些动态。书中涉及的数学工具，注重解决工程问题，加强对物理概念的解释，通过本课程的学习，希望学生有能力在后续专业课的学习过程中，将基础理论与应用技术结合，初步具备解决实际工程问题的能力。本书也注意展现历史上一些著名科学家的创新精神和研究方法，用不多的篇幅使读者在较完整和系统地了解整个材料科学框架的同时，从中领略和体会材料科学发展过程中的人文内涵，从而提高科学素质。
本书由江西科技师范大学多树旺教授和潍坊科技学院谢冬柏教授主编，并由多树旺统稿。其中第1、6、8、9章由多树旺编写；第2、3、4、5、7章由谢冬柏编写；第10章由江西科技师范大学张豪编写；第11章由潍坊科技学院李强编写。兰州理工大学的洪昊同学和江西科技师范大学的赖天同学参加了书中部分图表的绘制和校对工作。本书得到江西科技师范大学教材出版基金资助，化学工业出版社的编辑为本书出版付出了大量心血，在此表示感谢。
本书的编写是新的尝试过程，由于水平有限，疏漏与不足之处在所难免，敬请广大读者提出宝贵意见，以便再版时修订完善。

编者
2023年1月

材料科学是研究材料成分、组织与性能之间关系的学科，是一门与工程技术密不可分的应用科学。《材料科学简明教程》涵盖了金属、陶瓷、高分子等材料的微观结构和宏观性能，其内容包括材料的微观结构，晶体缺陷，金属的结晶过程，相平衡及相图，材料的变形与破坏及回复与再结晶，固态相变和扩散原理，并对复合材料和功能材料进行了介绍。着重于基本概念和基础理论，强调实用性，其内容涵盖了材料科学的最基本要求，难度适中，配有一定数量的思考题，方便自学。本书可作为材料加工工程、材料学、材料物理与化学等相关学科专业学生的教科书及考研参考书，也可用作从事材料研究、生产和使用的科研和工程技术人员的参考书。

多树旺，博士，教授，硕士生导师，现任江西科技师范学院材料科学与工程学院副院长，江西省材料表面工程重点实验室副主任,南昌航空大学兼职硕士生导师。材料化学硕士点学科带头人，特色学科材料物理化学学科带头人。主要从事低地轨道空间环境效应机理及有机/无机杂化材料合成制备方面的研究工作。1. 目前研究方向主要有:空间环境效应机理及防护技术研究；2. PVD涂层在模具中的应用及开发；3. 太阳能电池薄膜材料的研究。

第1章 绪论　1
1.1 材料的类型 1
1.1.1 金属材料 1
1.1.2 无机非金属材料 1
1.1.2.1 工程材料 2
1.1.2.2 功能材料 3
1.1.3 有机高分子材料 3
1.1.4 复合材料 5
1.2 材料的破坏与失效 6
1.2.1 变形失效 6
1.2.2 断裂失效 7
1.2.3 腐蚀失效 8
1.2.4 磨损失效 8
1.3 材料的加工方法 9
1.3.1 热加工 9
1.3.1.1 铸造 9
1.3.1.2 锻造 9
1.3.1.3 焊接 11
1.3.2 机械加工 11
1.3.2.1 车削 11
1.3.2.2 钻削 12
1.3.2.3 刨削 13
1.3.2.4 铣削 13
1.3.2.5 磨削 13
1.3.3 压力加工 14
1.3.3.1 轧制 14
1.3.3.2 挤压 14
1.3.3.3 拉拔 14
1.3.3.4 板料冲压 14
1.3.4 材料的强化处理 15
1.3.4.1 热处理 15
1.3.4.2 表面强化 15
1.4 材料的选择 16
1.4.1 功能性原则 16
1.4.2 环保原则 17
思考题 17

第2章 材料的微观结构　19
2.1 原子结构 19
2.2 原子的结合键 20
2.2.1 金属键 20
2.2.2 离子键 21
2.2.3 共价键 21
2.2.4 范德瓦耳斯力 22
2.2.5 氢键 23
2.3 高分子链 23
2.4 晶体结构 25
2.4.1 空间点阵 26
2.4.2 典型晶体结构 28
2.4.2.1 体心立方晶格 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 晶向指数 31
2.4.3.2 晶面指数 32
2.4.3.3 六方晶系的晶面指数和晶向指数 33
2.5 各向异性 33
2.6 晶体的缺陷 34
2.6.1 点缺陷 34
2.6.2 位错 36
2.6.2.1 理想晶体的滑移 36
2.6.2.2 实际晶体的滑移 37
2.6.3 界面 38
2.6.3.1 外表面 38
2.6.3.2 晶界和亚晶界 39
2.6.3.3 晶界的特性  40
2.6.3.4 相界 40
思考题 42

第3章 固体材料中的相　43
3.1 固溶体 43
3.1.1 置换固溶体 43
3.1.2 间隙固溶体 45
3.1.3 有序固溶体和超结构 45
3.1.4 固溶体的性质 47
3.2 金属间化合物 48
3.2.1 种类及用途 48
3.2.2 离子化合物 49
3.2.3 电子化合物 49
3.2.4 间隙化合物 50
3.2.4.1 简单间隙化合物 50
3.2.4.2 复杂间隙化合物 51
3.3 陶瓷晶体相 51
3.3.1 陶瓷晶体相的结构 51
3.3.2 硅酸盐 52
3.4 玻璃相 54
3.4.1 玻璃的形成 54
3.4.2 玻璃的结构 55
3.5 分子相 56
3.5.1 高分子及其结构 56
3.5.2 结构单元 57
3.6 超材料相 58
思考题 59

第4章 金属的结晶过程　60
4.1 金属的结晶 60
4.1.1 结晶现象 60
4.1.2 结构条件 61
4.1.3 热力学条件 62
4.2 晶核的形成 63
4.2.1 自发形核 63
4.2.2 非自发形核 64
4.3 晶核的长大 65
4.3.1 长大条件 65
4.3.2 长大方式 65
4.3.3 长大形态 67
4.4 晶粒尺寸 68
4.4.1 晶粒尺寸对性能的影响 68
4.4.2 影响晶粒尺寸的因素 68
4.4.3 晶粒细化 69
4.5 铸件的组织 70
4.5.1 宏观组织 70
4.5.2 晶区的形成 70
4.5.3 铸件的缺陷 72
思考题 73

第5章 相图及其应用　74
5.1 二元相图 74
5.1.1 表示方法 74
5.1.2 杠杆定律 75
5.1.3 相图分析 76
5.1.3.1 二元匀晶相图 76
5.1.3.2 共晶相图 80
5.1.3.3 包晶相图 87
5.1.3.4 其他类型的二元合金相图 91
5.2 二元相图的分析 96
5.2.1 Mo合金强化机制 96
5.2.2 Mo-Ti、Mo-Zr的部分相图分析 97
5.2.3 Mo-Fe的部分相图分析 98
5.2.4 Mo-Cr相图分析 99
5.2.5 Mo-W 相图分析 99
5.3 三元相图 100
5.3.1 三元相图的表示 100
5.3.2 直线定律 101
5.3.3 重心法则 102
5.3.4 等温和变温截面 102
5.3.4.1 等温截面 102
5.3.4.2 变温截面 103
5.3.4.3 简单的三元共晶相图 104
5.3.4.4 三元共晶相图的分析 106
思考题 110

第6章 材料的变形与破坏　111
6.1 拉伸时材料的力学性能 111
6.1.1 低碳钢 111
6.1.2 铸铁 112
6.1.3 木材 112
6.2 压缩时材料的力学性能 113
6.3 塑性变形机制 114
6.3.1 滑移 114
6.3.1.1 单滑移 115
6.3.1.2 多滑移 116
6.3.1.3 交滑移 116
6.3.2 孪生 116
6.3.2.1 孪生变形的特点 117
6.3.2.2 发生孪生变形的条件 117
6.3.3 其他变形机制 117
6.4 多晶体塑性变形的特点 118
6.4.1 变形的不均匀性 119
6.4.2 晶界作用及晶粒大小的影响 119
6.5 合金的塑性变形 120
6.5.1 固溶体的塑性变形 120
6.5.2 多相合金的塑性变形 120
6.5.3 塑性变形对金属组织与性能的影响 121
6.6 金属的断裂行为 122
6.6.1 基本类型 122
6.6.1.1 脆性断裂 123
6.6.1.2 韧性断裂 124
6.6.2 影响因素 125
6.7 高分子材料的变形 126
6.7.1 热塑性高分子材料 126
6.7.1.1 应力-应变曲线 126
6.7.1.2 屈服与冷拉 127
6.7.1.3 剪切带与银纹 128
6.7.2 热固性高分子材料 128
6.8 陶瓷材料的变形 128
6.8.1 陶瓷材料的塑性 129
6.8.2 单晶陶瓷的塑性 129
6.8.3 多晶陶瓷的塑性  131
6.8.4 陶瓷材料的超塑性 131
思考题 132

第7章 加工过程中材料的组织转变　133
7.1 金属的冷变形 133
7.1.1 微观结构的变化 133
7.1.2 组织的变化 135
7.1.2.1 加工硬化现象 135
7.1.2.2 加工硬化影响因素 136
7.1.3 性能的变化 136
7.1.3.1 加工性能 136
7.1.3.2 物理性能 137
7.2 回复和再结晶 138
7.2.1 回复 138
7.2.2 再结晶 139
7.3 晶粒长大 139
7.3.1 正常晶粒长大 140
7.3.2 异常晶粒长大 141
7.3.3 晶粒大小的控制 141
7.3.4 再结晶织构的控制 141
7.4 热加工组织 142
7.4.1 动态回复 143
7.4.2 组织软化 145
7.4.3 强度和塑性 146
思考题 148

第8章 固态相变　149
8.1 固态相变的特点 149
8.1.1 应变能的影响 149
8.1.2 界面位向的影响 150
8.1.3 惯习面的影响 151
8.1.4 晶体缺陷和过渡相 151
8.2 固态相变的类型 151
8.3 固态相变的形核 152
8.3.1 均匀形核 153
8.3.2 非均匀形核 153
8.3.3 影响因素 153
8.4 晶粒的生长 154
8.4.1 长大机制 154
8.4.2 长大速度 156
8.5 马氏体相变 158
8.5.1 热力学条件 158
8.5.2 形核和长大 159
8.5.2.1 马氏体的形核 159
8.5.2.2 马氏体的长大 161
8.5.3 相变的特点 161
8.5.4 相的形态特点 163
8.5.5 其他马氏体相 164
8.5.6 马氏体的应用 165
8.6 相变的强化作用 166
思考题 167

第9章 扩散的基本原理　169
9.1 固态扩散的分类 169
9.2 扩散定律 170
9.2.1 菲克第一定律 170
9.2.2 菲克第二定律 170
9.2.3 扩散定律的应用 171
9.3 扩散的热力学理论 175
9.3.1 扩散驱动力 175
9.3.2 扩散系数 175
9.4 金属材料中的扩散 176
9.4.1 置换型固溶体中的扩散 176
9.4.2 渗层中的反应扩散 176
9.4.3 离子晶体中的扩散 177
9.5 影响扩散的因素 178
9.5.1 温度 179
9.5.2 晶体结构 179
9.5.3 元素浓度 179
9.5.4 晶体缺陷 180
9.5.5 第三组元 180
思考题 180

第10章 复合材料　182
10.1 复合材料的分类 182
10.1.1 增强体的性能 183
10.1.2 材料的复合效应 184
10.2 复合材料的增强原理 185
10.2.1 弥散增强型 185
10.2.2 纤维增强型 186
10.3 复合材料的界面现象 187
10.3.1 界面的结合 187
10.3.2 粒子增强型 189
10.3.3 纤维增强型 191
10.4 纳米自组装材料 192
思考题 194

第11章 功能材料　196
11.1 电工材料 196
11.1.1 电阻合金 196
11.1.1.1 电热合金 196
11.1.1.2 精密电阻合金 197
11.1.1.3 应变电阻合金 199
11.1.1.4 热敏电阻合金 199
11.1.2 热电偶合金 199
11.1.2.1 标准热电偶 199
11.1.2.2 热电偶补偿导线 200
11.1.3 电触头材料 200
11.2 形状记忆合金 201
11.2.1 形状记忆合金的原理 201
11.2.2 形状记忆合金的伪弹性 202
11.2.3 形状记忆合金的种类 202
11.2.3.1 Ti-Ni形状记忆合金 203
11.2.3.2 Cu基形状记忆合金 203
11.2.3.3 Fe基形状记忆合金 203
11.3 磁性材料 203
11.3.1 物理要求 203
11.3.2 软磁合金 204
11.3.2.1 工业纯铁 204
11.3.2.2 硅钢 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 储氢材料 207
11.4.1 稀土系储氢合金 208
11.4.2 镁系储氢合金 208
11.4.3 钛系储氢合金 208
11.5 超导材料 209
11.6 热膨胀合金 209
11.6.1 低膨胀合金 210
11.6.2 定膨胀合金 210
11.6.3 高膨胀合金 210
11.7 弹性合金 210
11.8 磁阻合金 211
11.9 金属陶瓷 212
11.10 减振合金 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

参考文献　218

材料科学是研究材料成分、组织与性能之间关系的学科，是一门与工程技术密不可分的应用科学。《材料科学简明教程》涵盖了金属、陶瓷、高分子等材料的微观结构和宏观性能，其内容包括材料的微观结构，晶体缺陷，金属的结晶过程，相平衡及相图，材料的变形与破坏及回复与再结晶，固态相变和扩散原理，并对复合材料和功能材料进行了介绍。着重于基本概念和基础理论，强调实用性，其内容涵盖了材料科学的最基本要求，难度适中，配有一定数量的思考题，方便自学。本书可作为材料加工工程、材料学、材料物理与化学等相关学科专业学生的教科书及考研参考书，也可用作从事材料研究、生产和使用的科研和工程技术人员的参考书。

多树旺，博士，教授，硕士生导师，现任江西科技师范学院材料科学与工程学院副院长，江西省材料表面工程重点实验室副主任,南昌航空大学兼职硕士生导师。材料化学硕士点学科带头人，特色学科材料物理化学学科带头人。主要从事低地轨道空间环境效应机理及有机/无机杂化材料合成制备方面的研究工作。1. 目前研究方向主要有:空间环境效应机理及防护技术研究；2. PVD涂层在模具中的应用及开发；3. 太阳能电池薄膜材料的研究。