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內容簡介: |
《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、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。
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關於作者: |
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。
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目錄:
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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
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內容試閱:
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第三版前言
《 材料物理》第一版、第二版出版以来,越来越多的院校选用本书为材料物理课程的教材,表明了读者对于本书的特点和实用性的认可。用书院校的学生、任课教师和多位同行专家对本书贯通金属材料和无机非金属材料、紧密联系工程实际、适合工科学生的数理基础、知识体系的系统性等方面的特点给予充分肯定。
本书第二版出版之后,我们在材料物理课程教学过程中尝试了一些教学方法和内容的改进。在使用过程中也发现了一些瑕疵甚至错讹,也有读者提出某些内容与作者商榷。基于此,在第二版的基础上进行了内容和阐述方式的增加和修订,主要体现在:第一,增加附录一:材料物理相关的一般现象和规律,引导读者在通读本书后思考各章节的内在联系、共同规律,期望读者能通过这些归纳、总结不再孤立地认识材料中的诸多物理现象,能够认识到他们共同的内在机制,体会到课程学习的思考方法,进而体会科学研究的某些思考方法,启发读者的创新性思维;第二,充分利用信息技术的高速发展,提供了知识图谱、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、课程思政案例等电子资源供读者选用;第三,在部分章节增加了少量思考题,包括编著者自创的内容扩展思考题,便于读者通过思考和练习加深对本书内容的理解,并体会材料物理课程与其他学科的联系,使读者学习后的收获不局限于本书内容;第四,更正了第二版中的不当之处和某些问题的叙述方法,使之更容易被读者接受;第五,增加了材料物理学科中近年来的进展。
本书仍然注意保持前两版浅显实用的特色,使之适用于工科学生。除了作为工科的材料物理教材外,本书还可以作为相近专业研究生、本科生的教材和参考书。
编著者的学识水平有限,蒙读者对前两版书中的缺点、疏漏和错误提出商榷与批评,促进了本书质量的提高。希望读者能够一如既往给予同样的帮助,编著者对此不胜感激。
编著者
2024年6月
第一版前言
材料是人类文明发展的重要标志。可以说人类文明的进展一直是与材料的发展同步进行的,所以才有历史学家以某一时代占主导地位或代表文明水平的材料来划分历史时代,即所谓的石器时代、青铜时代、铁器时代。
尽管我们为中国以瓷器闻名于世而骄傲,为我们的祖先在商朝就创造了光辉灿烂的青铜文明而自豪,但我们对材料的使用和研究在大多数情况下是自发的、不系统的。整个人类也是如此。直到约200 年前,由于大机器工业对新材料的追求,才逐渐出现了现代意义上的冶金工业。矿业、冶金、交通运输等近代工业的发展促进了冶金学、冶金物理化学、凝固和固态相变理论、晶体结构理论等的相继出现。近几十年来,随着物理学的进展,材料研究逐渐深入到了其电子理论的本质层次。量子力学与统计力学结合,从单原子体系到多原子体系,逐渐可以解决材料中的多体系问题。特别是能带理论对材料导电、导热等机理的成功揭示标志着材料科学的发展进入了一个新的阶段。
然而,这些理论的成功更多地体现在金属和合金中。尽管人类在几千年前就开始使用陶瓷材料,但对其进行系统研究的时间并不长。人们开始深入地研究特种陶瓷不过有几十年的历史。人们对有机高分子材料的认识则更晚。近几十年来,伴随着现代石油化学工业的蓬勃发展,人工合成的高分子材料才开始大行其道。意识到了不同材料的优点和不足,顺理成章地,人们开始有目的地将不同的材料用不同的方式组合在一起,这就是所谓的复合材料。
由于材料的发现和使用是分散的,人们对材料的研究也缺乏系统性。在20 年前,多数人仍然对无机材料和有机材料结构、性能等中的共同规律认识不足。所以我们的材料教育也一直是分割成若干部分。涉及材料的专业就有金相(金属材料及热处理)、铸造、锻压、焊接、冶金物理化学、金属腐蚀与防护、金属物理、粉末冶金、钢铁冶金、有色金属冶金、高温合金、精密合金、电子材料、硅酸盐、矿物岩石材料、建筑材料、耐火材料、无机非金属材料、高分子材料、生物医学材料、复合材料等。
随着材料科学与工程的发展,人们越来越意识到了材料中的结构、性能等方面共性的东西。材料学(materialurgy)这一名词的出现标志着材料科学开始成为一门统一的科学。1998 年公布新的专业目录时,在材料科学与工程一级学科下设置材料学、材料加工工程、材料物理化学三个专业,这一方面是为了适应培养通才、拓宽专业口径的教学改革思想,另一方面也反映了材料科学发展的进程。同时,各校在该专业目录之外还保留了一些材料类的特色专业,如高分子材料、生物医学材料等。
但是,新的材料专业的教学体系的构建远非一个专业目录就可以完成的。专业名称改革之前,在不同的专业中,有关材料中的物理问题分散于固体物理、金属物理、金属学、热处理原理、陶瓷学、无机非金属材料工程学、高分子物理、金属物理性能、金属力学性能等课程中。新的专业教学体系迫切需要将金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料乃至复合材料中的物理问题融合为统一整体的材料物理教材。
新的专业目录公布后,1999 年国内就有同时涉及这些材料的材料物理教材问世,满足了一时之急需。但短时间的仓促成书也显出一些弊病,一是未经实际教学检验,二是虽将不同材料的问题编写在一起,但缺乏有机的融合。之后也有相应教材的成熟之作问世,但就我们所见的教材是适用于理科的本科生和研究生的,学习该类教材的学生必须有较好的数理基础,对工科的材料学、材料加工工程等专业的本科生来讲有一定的难度。所以,工科类材料科学与工程专业的材料物理课程教学中一直难以找到合适的教材,这是笔者编写本教材的初衷。同时,本教材力求适应工科材料学及相关专业学生的数理基础,较全面地反映材料中共有的物理现象及其本质。教材编写过程中注意从材料中的物理现象出发,在一定的模型、假设的基础上,用一定的理论结果对现象进行形象的定性描述。当然,用方程式来描述材料中的物理现象是比任何语言都更准确的,但在有限的学时中能否使学生完全掌握则存在问题。因此本书对现象的说明尽量略去繁复的推导,使初学者逐步了解和掌握材料中的物理现象及其本质原因。如果使用后表明本书确实具有上述特色,笔者将感到十分欣慰。
除了作为工科的材料物理教材外,本书还可以作为相近专业研究生和本科生的教材和参考书。
由于笔者的学识水平有限,书中可能存在一些疏漏和错误,希望读者给予批评指正。您的指正必然有助于本书的完善,笔者对此不胜感激。
编著者
2008年12月
第二版前言
本书第一版出版以后,蒙众多院校选为材料物理课程的教材,获得了普遍的好评。使用本书的学生、任课教师,同行专家对本书贯通金属材料和无机非金属材料、紧密联系工程实际和知识体系的系统性等方面的特点给予充分肯定。
本书第一版出版之后,材料物理学科近年来相继出现了一些令人瞩目的新进展,笔者觉得有必要在本书中向读者介绍。另外,限于笔者的学识水平,本书第一版在使用过程中也发现了一些瑕疵和不当。基于此,在第一版的基础上进行了内容和阐述方式的增加和修订,主要体现在:第一,增加了材料物理学科中近年来的进展;第二,更正了第一版中的不当之处和某些问题的叙述方法,使之更容易为读者接受;第三,在部分章节增加了少量思考题或习题,便于读者通过思考练习理解本书内容;第四,在附录中增加了常用物理常量,便于读者计算时查找;第五,调整了部分章节的顺序,方便读者理解。
同样,本书注意保持第一版浅显实用的特色,使之适用于工科学生。除了作为工科的材料物理教材外,本书还可以作为相近专业研究生和本科生的教材和参考书。
囿于笔者的学识水平,书中难免还存在缺点、疏漏,希望读者给予批评指正。
编著者
2014年9月
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