材料科学基础

《材料科学基础：原书第三版：SI 版》是美国Cengage Learning出版的Essentials of Materials Science and Engineering第三版（SI版）第1~11章的中译本。原书第12~18 章作为《材料科学基础：原书第三版：SI 版》的姊妹书《材料工程基础》出版。作为材料科学基础部分，《材料科学基础：原书第三版：SI 版》系统介绍材料科学与工程的概念、原子结构、原子排列和离子排列及排列中的缺陷、材料中的原子和离子运动、材料力学性能（两章）、应变硬化与退火、凝固原理、固溶体与相平衡、弥散强化与共晶相图等。《材料科学基础：原书第三版：SI 版》每章安排有例题和解答，章后有小结、术语、习题，还有设计问题、计算机问题和科创问题。《材料科学基础：原书第三版：SI 版》以问题为导向，用大量实例和图表展现材料科学与工程的理论与实践的结合点，回溯材料领域关键知识产生背景和重大工程应用案例，可给读者的学习和未来的研究工作以启发。

目录
第1章材料科学与工程导论1
1.1何谓材料科学与工程？2
1.2材料的分类3
1.3材料的功能分类7
1.4材料的结构分类9
1.5环境及其他条件对材料的影响9
1.6材料的设计与选择10
小结11
术语12
习题13
第2章原子结构16
2.1与材料结构相关的应用技术问题17
2.2原子结构20
2.3原子的电子结构20
2.4元素周期表23
2.5原子键合27
2.6结合能和原子间距33
2.7碳的多种形式：原子的排列与材料性能的关系36
小结40
术语41
习题43
第3章原子排列与离子排列46
3.1短程有序与长程有序47
3.2非晶材料48
3.3点阵、基元、晶胞和晶体结构49
3.4同素异形或多晶型转化60
3.5晶胞中的点、晶向、晶面61
3.6间隙位置68
3.7离子键材料的晶体结构70
3.8共价结构75
3.9晶体结构衍射技术分析76
小结80
术语81
习题83
第4章原子及离子排列中的缺陷90
4.1点缺陷90
4.2其他点缺陷95
4.3位错97
4.4位错的意义103
4.5施密德定律104
4.6晶体结构的影响106
4.7面缺陷107
4.8缺陷的重要性111
小结113
术语114
习题115
第5章材料中的原子和离子运动120
5.1扩散的应用120
5.2原子和离子的稳定性122
5.3扩散机制124
5.4扩散活化能126
5.5扩散速率（菲克第一定律）127
5.6扩散的影响因素130
5.7聚合物的渗透性135
5.8组分分布（菲克第二定律）136
小结140
术语141
习题142
第6章力学性能（上）148
6.1技术意义149
6.2力学性能的专业术语150
6.3拉伸试验：应力-应变曲线图的应用153
6.4拉伸试验获得的性能156
6.5真应力和真应变164
6.6脆性材料的弯曲试验166
6.7材料的硬度169
6.8纳米压痕171
6.9应变率效应和冲击行为174
6.10材料的冲击试验性能176
6.11块状金属玻璃及其力学性能177
6.12小尺度材料的力学性能179
小结182
术语182
习题184
第7章力学性能（下）191
7.1断裂力学191
7.2断裂力学的重要性194
7.3金属材料断裂的显微结构特征197
7.4陶瓷和玻璃断裂的显微结构特征200
7.5韦布尔统计与失效强度分析201
7.6疲劳205
7.7疲劳试验结果208
7.8疲劳试验应用209
7.9蠕变、应力断裂和应力腐蚀213
7.10蠕变行为评估分析215
7.11蠕变数据的使用216
小结218
术语218
习题219
第8章应变硬化与退火223
8.1冷加工与应力-应变曲线的关系223
8.2应变硬化机制228
8.3性能与冷加工率229
8.4显微结构、织构强化和残余应力231
8.5冷加工特点235
8.6退火的三个阶段237
8.7退火的控制240
8.8退火和材料加工241
8.9热加工243
小结245
术语246
习题247
第9章凝固原理254
9.1技术意义255
9.2形核255
9.3控制形核的应用259
9.4生长机制261
9.5凝固时间和枝晶尺寸263
9.6冷却曲线267
9.7铸造结构268
9.8凝固缺陷270
9.9部件的铸造工艺275
9.10定向凝固、单晶生长和外延生长276
9.11聚合物和无机玻璃的凝固278
9.12金属材料的连接279
小结280
术语281
习题283
第10章固溶体与相平衡289
10.1相和相图289
10.2溶解度和固溶体293
10.3无限固溶体的条件294
10.4固溶强化296
10.5匀晶相图298
10.6材料性能和相图之间的关系304
10.7固溶体合金的凝固306
10.8非平衡凝固和分离307
小结309
术语310
习题311
第11章弥散强化与共晶相图316
11.1弥散强化原理与实例316
11.2金属间化合物318
11.3包含三相反应的相图320
11.4共晶相图322
11.5共晶合金的强度330
11.6共晶与材料加工335
11.7共晶体系中的非平衡凝固336
11.8纳米线与共晶相图337
小结339
术语340
习题341
附录348
附录A金属的部分物理性能348
附录B部分元素的原子半径和离子半径351
附录C美国单位制和国际单位制转换表353
附录D物理性质355
附录ESI词头355
附录F力学常用单位356
部分习题答案357

第1章 材料科学与工程导论
　　想一想
　　（1）材料科学家和工程师在研究什么？
　　（2）如何将钢材加工成高强、轻便、吸能性好、韧性佳的汽车底盘材料？
　　（3）用塑料能否制造出柔性、轻质的电子电路板？
　　（4）为什么金饰里会掺铜？
　　（5）什么是“智能材料”？
　　本章学习目标
　　（1）理解材料科学与工程的重要概念。
　　（2）了解材料科学在工艺设计中的作用。
　　（3）了解材料的功能分类。
　　（4）了解材料的结构分类。
　　本章通过实际案例来介绍材料科学与工程这一领域及材料的分类。大多数工程类专业会要求学生学习材料科学相关课程，但不能把对材料科学的研究仅看作是一个简单的学习要求。熟悉并掌握材料科学与工程方面的知识对于成为优秀的设计师和工程师大有帮助。材料科学是技术进步的基础，不仅要了解不同材料适合的应用领域，还要了解这些材料的属性，以及材料在制造与加工过程中为什么会发生变化和发生什么变化。
　　工程师可以通过书籍或数据库来了解材料的属性，从而使材料设计符合标准规格。材料设计具有创新性且保证安全，可以通过控制材料的结构特征和加工技术来实现，充分发挥材料的性能和功能。
　　材料昀重要的性能是可重塑性。材料可以制成很多东西，在人类文明史中，石头、铁和青铜等材料对人类的发展起着关键作用。在当今快节奏的生活中，硅单晶的发现以及对其特性的了解加速了信息时代的发展。
　　本书通过列举工程材料应用实例，以及介绍材料应用的多样性和材料使用的独特性，详细说明了为什么一名优秀的工程师需要全面了解材料科学与工程的应用原理。
　　1.1何谓材料科学与工程？
　　材料科学与工程（materials science and engineering，MSE）涉及多学科领域，主要研究和控制不同尺度材料的成分与结构，并在合成与加工过程中控制材料的性能。“成分”指材料的化学组成。“结构”指的是从不同的细节层面看到的材料原子或离子排列。材料科学家和工程师不仅要了解材料的发展，还要解决与部件生产相关的材料合成、加工以及制造工艺问题。“合成”是指用天然存在的或人造的化学物质制成材料。“加工”是指将原材料制成有用的、具有不同性能的部件。材料科学家和工程师昀重要的一个任务是确定材料或器件的属性、性能、成分和显微结构以及合成和加工方式之间的关系。材料科学中侧重材料的合成、加工、结构、性能之间的基本关系。材料工程侧重将材料转化或转换成可用的器件或结构。
　　材料科学的迷人之处在于对材料结构的研究，即使材料整体成分不发生变化，材料的结构对其性能也有很深刻的影响。例如，反复弯曲纯铜丝时，铜丝不仅会变硬，也会越来越脆，昀终变得又硬又脆，然后断裂。反复弯曲时，铜丝的电阻率也会增加。在上述例子中，材料的成分（即其化学组成）并没有改变，材料性能变化是内部结构变化导致的。弯曲后的铜丝，即使看起来与以前一样，但是它的结构已在微观尺度上发生了改变。微观尺度下的结构称为显微结构。理解了材料显微结构变化，便可尝试探索控制材料性能的方法。
　　用一个材料科学与工程要素四面体来说明用于汽车底盘制造的“钢板”（图 1-1）。众所周知，钢应用于制造业已经有几百年的历史了，可能在几千年前的铁器时代，就以天然物质的形式存在了。在汽车底盘制造过程中，需要一种强度极高但容易形成气动外形的材料，同时，还要考虑该材料是否影响汽车的燃油效率。因此，钢板必须薄且轻。此外，钢板在碰撞时要吸收大量能量，以此提高车辆的安全性。既要求钢板薄且轻，又要求钢板强度高，这样的要求是相互矛盾的。
　　在这种情况下，材料科学家关注的是钢板的成分、强度、重量、吸能性及延展性（成形性）。
　　材料科学家在检测钢的性能时，还会分析材料的微观结构特征，研究是否可以提高材料性能来满足以上要求，同时还必须考虑加工成本等。怎样才能制造出适用于汽车底盘并且成本效益高的钢？成形过程会影响钢的力学性能吗？什么样的涂料能增强钢的耐腐蚀性？在一些应用中，还要了解钢的焊接难易程度。可以看到，材料的设计和选择需要考虑很多问题。
　　图 1-1 将材料科学与工程知识应用于汽车底盘钢板的制造。注意成分、显微结构、合成和加工是相互关联的，它们共同影响材料的性价比（汽车图片由福特汽车公司提供，钢铁制造和汽车底盘图片由 Digital Vision/Getty提供，显微图片由 A. J. Deardo博士、M. Hua博士和 J. Garcia博士提供. 授权： . Cengage Learning 2014，Michael Shake/Shutterstock）
　　1.2材料的分类
　　材料有不同的分类方法，其中一种方法将材料分为以下五类（表 1-1）：
　　（1）金属和合金；
　　（2）陶瓷、玻璃和微晶玻璃；
　　（3）聚合物（塑料）；
　　（4）半导体材料；
　　（5）复合材料。
　　表 1-1 材料典型应用实例及性能
　　每种材料都有不同的结构和性能。在图 1-2中，对不同材料的强度进行了比较，工程师可以根据材料性能来选择不同的材料。金属材料广泛用于承重，其力学性能的应用也昀广泛。这里简要介绍一下，“应力”是指单位面积上的载荷或受力；“应变”指伸长或改变的尺寸除以原始尺寸。施加“应力”会导致“应变”。如果移除施加的载荷或应力后，应变消失了，这种应变称为“弹性应变”。如果应力消除后，应变仍然存在，则称为“塑性应变”。当变形是弹性变形时，应力、应变为线性相关，应力-应变关系图的斜率称为弹性模量或杨氏模量。材料发生塑性变形所需的应力称为“屈服强度”。测得的昀大变形率是衡量金属材料延展性的标准之一。这些概念将在第 6章和第 7章做进一步介绍。
　　金属和合金 金属包括铝、镁、锌、钛、铜和镍等。合金含有两种或两种以上的金属，或金属与非金属。一般来说，金属具有良好的导电性和导热性。金属和合金具有较高的强度、刚度和较佳的延展性及成形性，且耐冲击性好，适合作为结构件或承重件。尽管有时会使用纯金属，但合金可以改善材料某一属性或使材料性能更好。例如，纯黄金是软金属，珠宝商通过在金中掺铜来提高硬度，使黄金首饰不易损坏。
　　图 1-2 不同材料的强度范围（陶瓷的主要优势是抗压强度高）（授权： Cengage Learning 2014）
　　陶瓷 陶瓷可以定义为一种无机晶体材料。海滩的沙子和岩石都是天然陶瓷。先进陶瓷是由天然陶瓷经过一些特殊工艺精制而成的材料，常用于计算机芯片、传感器和执行器、电容器、无线通信元件、火花塞、感应器和电绝缘材料等的基板中。一些陶瓷被用作屏障涂层来保护涡轮发动机的金属基片。陶瓷还用于油漆、塑料和轮胎等工业消费品的制造。传统陶瓷通常用来做砖、餐具、卫浴、浴室水槽、耐火材料（耐热材料）和磨料。由于陶瓷中存在气孔（小孔），导热性一般较差。陶瓷必须加热到非常高的温度才会熔化。陶瓷虽然硬，但很脆。通常可以利用粉末制造不同形状的陶瓷。新的制造技术使陶瓷拥有良好的抗断裂性能，可以用于承载，如涡轮发动机的叶片。陶瓷有特殊的抗压强度，如用四个陶瓷咖啡杯就可以撑起一辆消防车。
　　玻璃和微晶玻璃玻璃是一种非晶材料，通常由熔体制成。“非晶体”是指组成物质的分子（或原子、离子）空间上不具有规则性或周期性排列的固体。非晶材料将在第 3章中讨论。光纤产业的形成主要基于高纯石英玻璃光纤。玻璃可用于住房、汽车、电脑和电视屏幕等。对玻璃进行热处理（回火），可以令其更坚固。通过特定的热处理制成玻璃，并在其中成核形成小晶体，这种材料称为微晶玻璃。零膨胀微晶玻璃 ZerodurTM是将微晶玻璃材料应用于大型望远镜的实例，如钱德拉（Chandra）望远镜和哈勃（ Hubble）望远镜。玻璃和微晶玻璃一般通过熔化和浇注的方式进行加工。
　　聚合物 聚合物属于典型的有机材料，是利用聚合的方法生产的。聚合材料包括橡胶（弹性体）和各种类型的胶黏剂。大多数聚合物是良好的电绝缘体和热绝缘体。虽然强度较低，但具有很好的比强度。聚合物通常不适合在高温下使用。许多聚合物还具有很好的耐化学腐蚀性。聚合物的应用十分广泛，如制造防弹背心、光盘（ compact disc，CD）、绳索、液晶显示器（ liquid crystal displayer，LCD）、衣服和咖啡杯等。热塑性聚合物的长分子链间不是刚性连接的，具有良好的延展性和成形性。热固性聚合物分子链紧密连接，其强度更高，但也更脆，如图 1-3所示。聚合物还可用于电子设备中。热塑性塑料由热熔成形，热固性塑料通常由模具铸造成形。塑料通常含有增强聚合物性能的添加剂。
　　图 1-3 当小圈代表的小分子结合形成大分子或聚合物时，会发生聚合反应。聚合物分子可以形成一个结构。聚合物包括许多分子链，缠结但不连接（热塑性塑料），或可以形成三维网络链，互相交叉连接（热固性塑料）（授权：. Cengage Learning 2014）
　　半导体材料 在计算机和电子产品中广泛应用的半导体材料，如硅、锗和砷化镓等，称为电子材料。半导体材料的导电性介于陶瓷绝缘体和金属导体之间。半导体促进了信息时代的发展。某些半导体导电性是可以控制的，从而可以利用电子器件构建集成电路，如晶体管、二极管等。在许多应用中，需要大尺寸半导体单晶，它们是从熔融材料中产生的。通常半导体材料薄膜也可以通过特定的工艺制成。
　　复合材料 复合材料的主要研发思路是融合不同材料的性能。复合材料由两种或两种以上的材料组成，具有单一材料不具有的性能。例如，混凝土、胶合板和玻璃纤维都属于复合材料。纤维玻璃复合材料是由玻璃纤维在聚合物基体中分散而成的。在不大幅增加材料密度的前提下，玻璃纤维可以使聚合物更坚硬。有了复合材料，就可以生产轻便、坚固、韧性好、耐高温的材料，也可以生产坚硬、防震、易切割的材料。先进飞机和航天飞机的制造主要依赖复合材料。例如，波音 787 飞机采用碳纤维增强塑料而不用铝，由该材料制作的结构部件能提高飞机的燃油效率。运动装备也使用了各种轻质高强的复合材料，如自行车、高尔夫球杆、网球拍等。