材料科学基础 第3版

前言
材料科学基础是材料科学与工程专业一门重要的专业基础课程，为必修主干课程，也是研究生入学的必考课程。由于该门课程具有概念多、理论抽象、涉及知识面广等特点，使学习者颇感困难。随着*“卓越工程师教育培养计划”的实施和“新工科”建设的不断推进，对材料科学与工程专业的主干课程——材料科学基础也提出了更高要求。为了培养学生掌握材料科学与工程研究的科学原理、科学方法和基本的创新方法，本教材在注重基本概念和基本理论的基础上，适当拓展了教学内容的深度和宽度，及时吸纳了材料科学领域的研究成果，包括纳米晶结构、非平衡态下的材料科学问题、表面微观结构与亲/疏水特性的关系等内容。
为了进一步推进“课程思政”建设，培养具有独立思考能力，能够解决实际材料工程问题的高水平专业人才，本教材在加强课程基础内容的同时，在每章开始增加了构思巧妙、配图精致的导读内容；在各章后部分，都从哲学的角度对相关内容进行了总结和分析，同时还将我国科学家研究成果有机融入课程章节体系中，积极引导学生建立正确的价值理念和精神追求。
同时，本教材还开发了金属层状复合材料构件的制备与性能虚拟仿真实验平台（http:virtualism.nuaa.edu.cn/exp/30.html），旨在帮助学生熟练掌握材料科学基础课程中相关知识，包括金属的晶体结构、固相扩散、固态相变、金属的塑性变形及材料表界面工程等内容，从而全面提升学生独立分析、创新设计和解决疑难问题的能力。
本教材采用数字融合出版的呈现形式，提供了系统的在线开放课程，中国大学MOOC（慕课）https：//www.icourse163.org/course/NUAA1461589176；配有丰富的在线教学内容，包括教学课件、拓展阅读、要点总结，以丰富的二维/三维动画、视频、文本等将材料科学基础中大量抽象和难以理解的概念与原理形象化地表达出来，非常有助于教师教学与学生自学。
本次修订由陶杰提出修订提纲，统稿由陶杰、薛烽和沈一洲共同完成。参加本书修订的人员有南京航空航天大学的陶杰教授、沈一洲副教授、张平则教授、姚正军教授和汪涛教授；东南大学的薛烽教授、周健副教授、白晶副教授和晏井利副教授；合肥工业大学的孙建副教授和崔接武副教授。南京航空航天大学许杨江山、江家威博士生参与了部分插图和文字编辑工作，在此谨致谢意。
因编者水平有限，书中不妥或谬误之处在所难免，恳请读者批评指正。

编者
2021年5月于南京

第二版前言
材料技术与信息、生物、能源技术并列，被世界各国公认为当代以及今后相当长的时期内总揽人类社会全局的高科技技术。新材料技术既是一个独立的技术领域，又对其他领域起着引导、支撑和相互依存的关键性作用。可以说，没有先进的材料，就没有先进的工业、农业和科学技术。从世界科技发展史看，重大的技术革新往往起始于材料的革新，而近代新技术的发展又促进了新材料的研制。材料的基础理论实际上就是综合数学、物理、化学等各种基础知识来分析实际的材料问题。
目前，国内外材料科学基础课程的内容并未定型，材料科学基础教材的内容也不尽相同。有的偏重金属材料，有的偏重无机材料，还有的偏重性能，且面比较宽。本教材是在汲取近十几年国内有关材料大专业培养模式改革实践经验的基础上，并结合南京航空航天大学、东南大学等几所大学的传统与特色，确定以材料的基础理论为重点,并将金属材料、陶瓷材料和高分子材料与复合材料的内容有机结合起来。基础理论是共性的，适用于各种材料，是材料科学与工程专业的基础。随着材料科学与工程的发展，基础理论显得日益重要，对发展新材料、培养学生创新能力具有深远的意义。《材料科学基础》版自2006年由化学工业出版社出版以来，已印刷多次，得到许多高校老师和同学的喜爱。2013年本书入选“十二五”普通高等教育本科规划教材书目。
随着科学技术的快速发展，加之高校课程体制和教学时数的改革，特别是为适应普通高校工程教育本科专业认证要求，我们进一步完善了原教材的相关内容，并优化了原教材中的图表，修正了其中的错漏之处，增加了纳米材料科学的新成果、非平衡态下的材料科学问题、表面微观结构与亲水疏水特性的关系以及超塑性机理与应用等内容。
本书配有数字化教学资源，以丰富的动画、视频、图表等将材料科学基础中大量抽象的、难以理解的概念、原理形象直观地表达出来，非常有助于教师备课和学生学习。
南京航空航天大学陶杰教授、姚正军教授、汪涛教授、苏新清副教授以及东南大学的薛烽教授、周健副教授全面参与了本教材的修订工作，沈一洲博士、王文涛博士、张平则教授、李勇教授、白晶副教授和晏井利博士参加了部分内容的修订。
因编者水平有限，书中不妥或疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。

编者
2017年6月

版前言
本书为江苏省普通高校“十一五”精品立项教材，是在1998年国家*高等学校专业设置调整、高等教育办学层次普遍提升的背景下，根据材料科学与工程一级学科办学的基础课教学实际需要，结合多年来从事本门课程的教学实践和体会精心编写而成。其编写的原则是进一步融合金属学原理、无机非金属材料物理化学、高分子材料科学等学科的共性科学原理和方法，从教学要求出发，着重对基本概念和基础理论的阐述，力求教材内容的科学性、先进性和实用性，培养学生运用科学原理解决材料工程实际问题的能力。
材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺及材料性能与应用之间相互关系的科学，其基本原理植根于凝聚态物理学、物理化学与合成化学。虽然各种材料的分支学科的学术背景不尽相同，其交叉融合需要一个历史过程，然而进入21世纪以来，随着科学技术的迅猛发展，学科之间的交叉融合正在加速进行，也促成了这门材料科学与工程专业本科生核心专业基础课——材料科学基础的日趋完善。
本教材的特点表现在：
1.适应了新世纪对人才培养的新要求，打破传统各类小专业之间的条块分割，真正做到将金属材料、陶瓷材料、高分子材料以及复合材料四者有机结合起来，建立了更为宽广的基础知识体系，有关材料基础理论更全面、更系统、更实用；全书内容共性突出，个性分明；
2.本书是在完成面向21世纪材料类大专教学内容和课程体系一系列改革的基础上编写的，能够反映当代教学改革的成果；
3.本书能够体现当代材料领域所取得的理论与发展成果，如有关纳米材料及一些新型功能材料等内容；
4.本书配有多媒体教学资源，以丰富的二维三维动画、图表、录像等将材料科学基础中大量抽象的、难于理解的或极其复杂的概念、原理形象直观地表达出来，非常有助于教师备课和学生学习；
5.本书自编教材已印刷过两版，在南京航空航天大学及东南大学已试用过五届，获得了有关教师及学生们的宝贵意见，对此书正式出版有很大裨益；
6.在结构编排方面突出教材编排的新颖性及易读性。教材适应面广，既适应于材料科学与工程一级学科本科生基础课教学使用，亦可作为相关专业工程技术人员的参考书。
本书由南京航空航天大学陶杰、姚正军，东南大学薛烽，合肥工业大学宫晨利、许少凡等教授编写。具体编写分工如下：南京航空航天大学姚正军编写第1章、第2章、第4章部分内容；合肥工业大学宫晨利编写第3章、第6章；合肥工业大学许少凡编写第5章；南京航空航天大学陶杰编写第7章、第8章和第10章部分内容；东南大学薛烽编写第8章部分内容、第9章；南京航空航天大学苏新清编写了全书的高分子材料科学内容；南京航空航天大学李勇编写了书中的复合材料内容；南京航空航天大学向定汉、傅仁利编写了书中的陶瓷材料相关内容；南京航空航天大学汪涛、东南大学孙扬善、合肥工业大学吴玉程参与了本书的有关章节的审定和编写工作。全书由陶杰、姚正军和薛烽统稿，薛烽还绘制了本书中的大部分彩图。江苏省教育厅、南京航空航天大学对本书的编写和出版给予了大力支持，南京航空航天大学材料科学与技术学院的同事对本书提出了许多有益的建议，研究生陶海军、季光明、季学来、周金堂等在本书的资料收集等方面付出了辛勤劳动，编者对这些单位和个人的无私帮助和热情关怀表示衷心的感谢。
由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，敬请读者批评指正。

编者
2006年2月

本书以材料基础理论为重点，将金属材料、陶瓷材料和高分子材料与复合材料有机结合，建立了更为宽广的基础知识体系，系统介绍了固体的结构、相图和相变基础、晶体的缺陷与界面结构和固体材料的变形等。具体细分为晶体学基础、固体材料的结构、固体中的扩散、凝固、相图、固态相变的基本原理、晶体缺陷、材料表面与界面、金属材料的变形与再结晶、非金属材料的应力应变行为与变形机制共10章内容。本书适合材料类专业本科生、研究生以及工程技术人员学习使用。

本书以材料基础理论为重点，将金属材料、陶瓷材料和高分子材料与复合材料有机结合，建立了更为宽广的基础知识体系，系统介绍了固体的结构、相图和相变基础、晶体的缺陷与界面结构和固体材料的变形等。具体细分为晶体学基础、固体材料的结构、固体中的扩散、凝固、相图、固态相变的基本原理、晶体缺陷、材料表面与界面、金属材料的变形与再结晶、非金属材料的应力应变行为与变形机制共10章内容。本书适合材料类专业本科生、研究生以及工程技术人员学习使用。

陶杰，南京航空航天大学，教授，博导，材料学院院长。南京航空航天大学纳米材料研究所所长；亚澳复合材料协会理事;江苏省复合材料学会副理事长。长期从事金属材料成型加工、金属材料表面功能涂层、纳米材料、复合材料等方面的研究。近六年来，主持了国家自然科学基金、国家科技部重点推广项目、江苏省重大成果转化项目、省部级项目等20余项课题，发表论文100 余篇，出版学术专著3部,教材3部。在金属材料成型与性能分析、表面功能涂层技术等方面取得多项研究成果，获部省级科技进步二等奖2项、三等奖1项。已获中国发明专利授权19项。 2001 年被江苏省人民政府授予有突出贡献的中青年专家称号； 2006年入选国防科工委国防科技工业“511人才工程”；2007年入选“江苏省333高层次人才培养工程中青年科学技术带头人”，同年被评为“南京航空航天大学教学名师”；2008年被美国福特公司聘为“福特特聘教授”。

第1章晶体学基础001
1.1晶体的周期性和空间点阵002
1.1.1晶体与晶体学002
1.1.2晶体点阵与空间点阵004
1.2布拉菲点阵007
1.3晶向指数与晶面指数010
1.3.1晶向指数010
1.3.2晶面指数011
1.3.3六方晶系的晶向指数与晶面指数013
1.4晶面间距、晶面夹角和晶带定理014
1.4.1晶面间距014
1.4.2晶面夹角014
1.4.3晶带定理015
1.5晶体的对称性016
1.5.1宏观对称元素016
1.5.232种点群017
1.5.3微观对称元素020
1.5.4空间群023
1.6极射投影023
1.6.1参考球和极射投影024
1.6.2吴氏网025
1.6.3标准投影图026

第2章固体材料的结构027
2.1基础知识028
2.1.1原子结构028
2.1.2能级图和原子的电子结构029
2.1.3周期表与周期性032
2.1.4晶体中的原子结合036
2.2金属及合金相的晶体结构040
2.2.1元素的晶体结构040
2.2.2典型金属的晶体结构041
2.2.3合金相的晶体结构051
2.3陶瓷的晶体结构073
2.3.1概述073
2.3.2离子晶体结构074
2.3.3硅酸盐晶体结构086
2.3.4同质异构现象092
2.4非晶、准晶和纳米晶093
2.4.1非晶态材料093
2.4.2准晶的结构103
2.4.3纳米晶的结构106
2.5高分子的链结构及聚集态结构108
2.5.1高分子链的组成和构造(近程结构)108
2.5.2高分子链的构象(远程结构)113
2.5.3高聚物的晶态结构125
2.5.4高聚物的非晶态、取向及液晶态结构132
2.5.5高分子合金的织态结构136
2.6复合材料的细观结构138
2.6.1复合材料及其组成138
2.6.2复合材料的细观结构140

第3章固体中的扩散143
3.1扩散定律及其应用145
3.1.1扩散定律145
3.1.2扩散第二定律145
3.1.3扩散第二定律的解及其应用146
3.2扩散微观理论与机制150
3.2.1原子跳动和扩散距离150
3.2.2原子跳动和扩散系数152
3.2.3扩散的微观机制154
3.2.4扩散激活能156
3.3达肯方程158
3.3.1柯肯达尔效应158
3.3.2达肯方程与互扩散系数159
3.4扩散的热力学分析161
3.4.1扩散的驱动力161
3.4.2扩散系数的普遍形式161
3.4.3上坡扩散162
3.5影响扩散的因素163
3.5.1温度163
3.5.2成分164
3.5.3晶体结构167
3.5.4短路扩散167
3.6反应扩散169
3.6.1反应扩散的过程及特点169
3.6.2反应扩散动力学171

第4章凝固173
4.1液体的性能与结构174
4.1.1液态金属的结构174
4.1.2高分子溶液176
4.2金属的凝固与结晶181
4.2.1纯金属的凝固182
4.2.2固溶体合金的凝固194
4.2.3共晶合金的凝固202
4.2.4铸锭组织与凝固技术203
4.3陶瓷的凝固213
4.4聚合物的结晶214
4.4.1结晶动力学215
4.4.2结晶热力学219

第5章相图221
5.1相图基础知识222
5.1.1研究相图的意义222
5.1.2相图的表示方法223
5.1.3相图的建立225
5.1.4相图热力学基础226
5.1.5杠杆定律和重心法则230
5.2一元相图233
5.2.1纯铁的相图233
5.2.2碳的相图234
5.3二元相图234
5.3.1二元匀晶相图234
5.3.2二元共晶相图238
5.3.3二元包晶相图244
5.3.4二元相图的分析与使用247
5.3.5实际二元相图举例252
5.4三元相图265
5.4.1两相平衡的三元相图265
5.4.2三相平衡的三元相图272
5.4.3四相平衡的三元相图277
5.4.4形成稳定化合物的三元相图287
5.4.5三元相图小结288
5.4.6实际三元相图举例289
5.4.7三元交互系统相图292

第6章固态相变的基本原理297
6.1固态相变的分类与特征299
6.1.1固态相变的分类299
6.1.2固态相变的特征301
6.2相变热力学304
6.2.1热力学基本原理304
6.2.2固态相变的形核306
6.3相变动力学316
6.3.1扩散性长大316
6.3.2相变动力学方程318
6.4扩散型相变319
6.4.1固溶体的析出319
6.4.2共析转变329
6.5非扩散型相变336
6.5.1马氏体相变的基本特征337
6.5.2马氏体相变热力学340
6.5.3马氏体相变动力学343
6.5.4钢中马氏体的晶体结构344
6.5.5马氏体的组织形态345
6.5.6马氏体相变机制347
6.5.7马氏体的力学性能348
6.6过渡型相变349
6.6.1贝氏体转变的基本特征349
6.6.2贝氏体的组织形态351
6.6.3贝氏体的力学性能354

第7章晶体缺陷355
7.1点缺陷357
7.1.1空位与间隙原子357
7.1.2点缺陷的平衡浓度357
7.1.3点缺陷的移动360
7.1.4过饱和点缺陷360
7.1.5点缺陷对金属性能的影响361
7.2位错的基本知识361
7.2.1位错概念的产生361
7.2.2位错类型和柏氏矢量363
7.3位错的运动369
7.3.1位错的滑移369
7.3.2刃型位错的攀移371
7.3.3位错运动的ξ×v规则372
7.3.4位错的基本几何性质小结373
7.4位错的弹性性质373
7.4.1位错的应力场373
7.4.2位错的应变能375
7.4.3位错运动的动力与阻力377
7.4.4位错的线张力379
7.4.5位错间的相互作用380
7.4.6位错间的塞积382
7.4.7位错间的交割383
7.4.8位错与点缺陷的交互作用385
7.5位错的生成与增殖387
7.5.1位错密度387
7.5.2位错的生成388
7.5.3位错的增殖388
7.6实际晶体中的位错390
7.6.1实际晶体结构中的单位位错390
7.6.2堆垛层错391
7.6.3不全位错393
7.6.4位错反应399
7.6.5FCC晶体中位错反应的一般表示：汤普森四面体400
7.6.6位错反应举例403

第8章材料表面与界面407
8.1基础知识408
8.1.1物质表面409
8.1.2固体的表面自由能和表面张力410
8.1.3纯金属表面张力的估算412
8.1.4固液界面与润湿413
8.1.5固固界面与黏附415
8.2晶体中的界面结构416
8.2.1界面类型与结构416
8.2.2界面能量421
8.3晶体中界面的偏聚与迁移422
8.3.1晶界平衡偏析422
8.3.2界面迁移驱动力423
8.3.3影响界面迁移的因素424
8.4界面与组织形貌425
8.4.1单相组织形貌425
8.4.2复相组织形貌427
8.5高聚物的表面张力与界面张力430
8.5.1表面张力与分子间的作用力430
8.5.2高聚物表面张力的影响因素431
8.5.3高聚物界面张力435
8.6复合体系的界面结合特性438
8.6.1复合材料界面的形成过程439
8.6.2树脂基复合材料的界面结构及界面理论439
8.6.3非树脂基复合材料的界面结构441
8.6.4复合材料界面破坏443
8.7材料的复合原理445
8.7.1复合材料力学性能的复合规律447
8.7.2复合材料物理性质的复合规律447

第9章金属材料的变形与再结晶449
9.1金属的应力应变曲线451
9.1.1工程应力应变曲线451
9.1.2真应力真应变曲线451
9.2金属的塑性变形455
9.2.1单晶体的塑性变形455
9.2.2多晶体的塑性变形465
9.2.3合金的塑性变形与强化468
9.2.4变形后的组织与性能473
9.3回复与再结晶477
9.3.1冷变形晶体的回复479
9.3.2冷变形金属的再结晶481
9.3.3再结晶后的晶粒长大487
9.3.4再结晶织构与退火孪晶489
9.4金属的热变形、蠕变与超塑性490
9.4.1晶体的热变形490
9.4.2蠕变492
9.4.3超塑性495

第10章非金属材料的应力应变行为与变形机制501
10.1陶瓷的弹性变形502
10.1.1陶瓷的弹性变形与弹性模量502
10.1.2显微结构对弹性模量的影响503
10.2陶瓷材料的塑性503
10.2.1单晶陶瓷的塑性504
10.2.2多晶陶瓷的塑性505
10.2.3非晶体陶瓷的变形506
10.3陶瓷材料的强度508
10.3.1陶瓷材料的断裂与断裂强度508
10.3.2陶瓷材料的弯曲强度512
10.3.3陶瓷材料的压缩强度512
10.3.4影响陶瓷材料强度的因素513
10.4高聚物的分子运动与转变514
10.4.1分子运动的特点与材料的力学状态514
10.4.2玻璃态与晶态的分子运动517
10.4.3玻璃化转变及影响因素519
10.4.4高分子流动性质521
10.5高聚物的高弹性523
10.5.1高弹态与分子结构523
10.5.2能弹性与熵弹性523
10.6高聚物的黏弹性525
10.6.1黏弹性现象525
10.6.2黏弹性与力学松弛525
10.6.3黏弹性的温度依赖性时温等效原理531
10.7高聚物的应力应变行为534
10.7.1高聚物的塑性及屈服534
10.7.2聚合物的断裂与强度537

附录材料科学基础专业词汇541

参考文献547

本书以材料基础理论为重点，将金属材料、陶瓷材料和高分