材料科學與工程基礎

本書由williamF.Smith和JavedHashemi編寫的《材料科學與工程基礎》第5版於2008年由McGraw-Hill出版。2006年機械工業出版社影印該書第4版，獲得好評，相對第4版，第5版有很多大的改進：對原子結構和結合鍵部分重新編寫，更精確，更新穎，更加有利於教學；納米技術貫穿於各章節中；對習題也有較大改進，進行科學分類，有利於學生和教師實現教學計劃所要求的目標和校準。希望引進該書第5版能使老師的教學和學生的使用更加方便。 ^[2] 

出版説明

第5版影印前言

第4版影印前言

Perface

第1章材料科學與工程引論2

11材料與工程3

12材料科學與工程6

13材料的種類8

131金屬材料8

132聚合物材料10

133陶瓷材料11

134複合材料13

135電子材料14

14材料間的競爭15

15材料科學與技術的最新進展和未來趨勢17

151智能材料17

152納米材料19

16材料設計與選擇19

17第1章小結20

18定義21

19習題22

第2章原子結構與鍵合24

21原子結構和亞原子粒子25

22原子序數、質量數和相對原子質量28

23原子的電子結構31

231普朗克量子理論和電磁輻射31

232氫原子的玻爾理論34

233不確定原理和薛定諤波函數37

234量子數、能級和原子軌道40

235多電子原子的能態43

236量子力學模型和元素週期表44

24原子尺寸、離化能和電子親合力的週期性

變化49

241原子尺寸的變化趨勢49

242離化能的變化趨勢49

243電子親和力的變化趨勢52

244金屬、類金屬和非金屬52

25一次鍵54

251離子鍵55

252共價鍵61

253金屬鍵68

254混合鍵70

26二次鍵71

27第2章小結74

28定義75

29習題77

第3章材料中的晶體結構和非晶態結構84

31空間點陣和晶胞85

32晶系與布拉菲點陣86

33主要的金屬晶體結構87

331體心立方（BCC）晶體結構89

332面心立方（FCC）晶體結構92

333密排六方（HCP）晶體結構93

34立方晶胞中的原子位置95

35立方晶胞中的晶向96

36立方晶胞中晶面的米勒指數100

37密排六方晶體結構中的晶面和晶向105

371HCP晶胞中的晶面指數105

372HCP晶胞中的晶向指數106

38FCC、HCP和BCC晶體結構的比較108

381FCC和HCP晶體結構108

382BCC晶體結構110

39體密度、面密度以及線密度的晶胞計算110

391體密度110

392面密度111

393線密度113

310多晶型或同素異構114

311晶體結構分析115

3111X光源116

3112X光衍射117

3113晶體結構的X光衍射分析119

312非晶態材料125

313第3章小結126

314定義127

315習題128

材料科學與工程基礎目錄

第4章凝固和晶體缺陷136

41金屬的凝固137

411液態金屬中穩定晶核的形成139

412液態金屬中晶體生長與晶粒

結構的形成 144

413工業鑄件中的晶粒結構145

42單晶體的凝固146

43金屬固溶體150

431置換式固溶體151

432間隙式固溶體153

44晶體缺陷155

441點缺陷155

442線缺陷（位錯）156

443面缺陷159

444體缺陷162

45鑑別微觀結構和缺陷的實驗技術163

451光學金相、ASTM晶粒尺寸和

晶粒直徑的確定163

452掃描電子顯微鏡（SEM）168

453透射電子顯微鏡（TEM）169

454高分辨率透射電子顯微鏡

（HRTEM）170

445掃描探針顯微鏡和原子分辨率173

46第4章小結176

47定義177

48習題178

第5章熱激活過程和固體中的擴散186

51固體中的速率過程187

52固體中的原子擴散191

521固體中的擴散概述191

522擴散機制191

523穩態擴散193

524非穩態擴散196

53擴散過程的工業應用198

531氣體滲碳使鋼鐵表面硬化198

532集成電路用硅晶圓的雜質擴散202

54温度對固體擴散的影響204

55第5章小結208

56定義208

57習題209

第6章金屬的力學性能(Ⅰ)214

61金屬與合金的成形加工215

611金屬和合金的鑄造215

612金屬和合金的熱軋和冷軋217

613金屬和合金的擠壓221

614鍛造222

615其他的金屬成形工藝224

62金屬材料中的應力和應變225

621彈性變形和塑性變形225

622工程應力和工程應變226

623泊松比228

624切應力與切應變228

63拉伸試驗和工程應力應變圖230

631由拉伸試驗和工程應力應變圖

獲得的力學性能數據232

632部分合金的工程應力應變曲線的

比較237

633 真應力和真應變237

64硬度與硬度測試239

65金屬單晶體的塑性形變240

651金屬晶體表面的滑移帶與滑移線240

652金屬晶體由滑移機制造成的塑性

形變242

653滑移系統244

654金屬單晶體的臨界切應力249

655施密特定律250

656孿生252

66多晶金屬的塑性形變254

661晶界對金屬強度的影響254

662塑性形變對晶粒形狀和位錯分佈的

影響256

663冷塑性形變對金屬強度增加的影響258

67金屬的固溶強化259

68塑性形變金屬的回覆和再結晶261

681深冷加工金屬再加熱之前的結構262

682回覆263

683再結晶264

69金屬中的超塑性268

610納米晶金屬270

611第6章小結271

612定義272

613習題273

第7章金屬的力學性能(Ⅱ)280

71金屬的斷裂281

711韌性斷裂282

712脆性斷裂283

713韌度和衝擊試驗286

714韌性脆性轉變温度286

715斷裂韌度289

72金屬的疲勞291

721週期應力295

722韌性金屬在疲勞過程中發生的

基本結構變化296

723影響金屬疲勞強度的幾個主要因素297

73疲勞裂紋擴展速率298

731疲勞裂紋擴展與應力、裂紋長度的

關係298

732疲勞裂紋擴展速率與應力

強度因子範圍作圖300

733疲勞壽命計算302

74金屬的蠕變和應力斷裂304

741金屬的蠕變304

742蠕變試驗306

743蠕變斷裂試驗307

75第7章小結308

76定義309

77習題309

第8章相圖316

81純物質的相圖317

82吉布斯相律319

83冷卻曲線320

84二元勻晶合金系統321

85槓桿定律324

86合金的非平衡凝固328

87二元共晶合金系統331

88二元包晶合金系統339

89二元偏晶系統344

810不變反應345

811有中間相和中間化合物的相圖347

812三元相圖351

813第8章小結354

814定義355

815習題357

第9章工程合金366

91鐵和鋼的生產368

911高爐中的生鐵生產368

912鍊鋼和主要鋼鐵產品形式的加工369

92鐵碳系統371

921鐵鐵碳化物相圖371

922FeFe3C相圖中的固相371

923FeFe3C相圖中的不變反應372

924碳素鋼的緩慢冷卻374

93普通碳素鋼的熱處理381

931馬氏體381

932奧氏體的等温分解386

933共析碳素鋼的連續冷卻轉變曲線391

934碳素鋼的退火與正火394

935碳素鋼的回火395

936碳素鋼的分類與典型的力學性能399

94低合金鋼400

941合金鋼的分類400

942合金鋼中合金元素的分佈402

943合金元素對鋼的共析温度影響403

944淬硬性404

945低合金鋼典型的力學性能和應用409

95鋁合金409

951析出強化（硬化）411

952鋁及其產品的一般性能418

953鍛造鋁合金419

954鑄造鋁合金424

96第9章小結426

97定義427

98習題428第10章聚合物材料436

101概述437

1011熱塑性塑料438

1012熱固性塑料438

102聚合反應439

1021單個乙烯分子的共價鍵結構439

1022一個活化乙烯分子的共價鍵結構440

1023聚乙烯聚合的整體反應和聚合度441

1024鏈式聚合步驟441

1025熱塑性塑料的平均相對分子質量443

1026單體的官能度444

1027非晶體線性聚合物的結構444

1028乙烯基樹脂與亞乙烯基樹脂446

1029均聚物與共聚物447

10210其他聚合方法450

103工業用聚合方法452

104一些熱塑性塑料的結晶度與立體異構

現象454

1041非晶態熱塑性塑料的凝固454

1042半晶態熱塑性塑料的凝固454

1043半晶態熱塑性塑料的結構456

1044熱塑性塑料的立體異構現象457

1045齊格勒（Ziegler）催化劑與

納塔（Natta）催化劑458

105塑料的加工459

1051用於熱塑性塑料的加工工藝460

1052用於熱固性塑料的加工工藝464

106通用熱塑性塑料466

1061聚乙烯468

1062聚氯乙烯均聚物與共聚物471

1063聚丙乙烯473

1064聚苯乙烯473

1065聚丙烯腈474

1066苯乙烯丙烯腈（SAN）475

1067ABS475

1068聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）477

1069氟塑料478

107工程熱塑性塑料479

1071聚酰胺（尼龍）480

1072聚碳酸酯483

1073苯氧基樹脂484

1074聚甲醛485

1075熱塑性聚酯486

1076聚苯硫醚487

1077聚醚酰亞胺488

1078聚合物合金488

108熱固性塑料（熱固性樹脂）489

1081酚醛塑料491

1082環氧樹脂492

1083不飽和聚酯494

1084氨基樹脂（尿素塑料和三聚氰胺）495

109第10章小結497

1010定義498

1011習題500

第11章陶瓷材料510

111概述511

112簡單陶瓷的晶體結構513

1121簡單陶瓷化合物中的離子鍵和共

價鍵513

1122存在於離子鍵固體中的簡單離子

排列514

1123氯化銫晶體（CsCl）結構517

1124氯化鈉晶體（NaCl）結構518

1125FCC與HCP晶格中的間隙位置522

1126閃鋅礦晶體（ZnS）結構524

1127氟石晶體（CaF2）結構526

1128反氟石晶體結構528

1129剛玉晶體（Al2O3）結構528

11210尖晶石（MgAl2O4）晶體結構528

11211鈣鈦礦（CaTiO3）晶體結構528

11212碳和它的同素異形體529

113硅酸鹽結構533

1131硅酸鹽結構的基本結構單元533

1132硅酸鹽的島狀結構、鏈狀結構

及環狀結構533

1133硅酸鹽的片狀結構533

1134硅酸鹽的網絡結構535

114陶瓷製備過程536

1141材料準備537

1142成形537

1143熱處理542

115傳統陶瓷和工程陶瓷544

1151傳統陶瓷544

1152工程陶瓷547

116陶瓷的力學性能549

1161概述549

1162陶瓷材料變形的機制549

1163影響陶瓷材料強度的因素550

1164陶瓷材料的韌度551

1165部分穩定氧化鋯（PSZ）的相變

增韌553

1166陶瓷的疲勞失效553

1167陶瓷研磨劑材料555

117陶瓷材料的熱學性能556

1171陶瓷耐火材料557

1172酸性耐火材料558

1173鹼性耐火材料558

1174航天航空器用陶瓷瓦絕熱片558

118玻璃558

1181玻璃的定義560

1182玻璃的轉變温度560

1183玻璃的結構561

1184玻璃的組成562

1185玻璃的粘性變形564

1186玻璃的形成方法566

1187鋼化玻璃568

1188化學強化玻璃568

119陶瓷塗層和表面工程570

1191硅酸鹽玻璃塗層570

1192氧化物和碳化物塗層570

1110納米技術和陶瓷571

1111第11章小結573

1112定義574

1113習題575

第12章複合材料582

121概述583

122增強塑料類複合材料用纖維584

1221增強塑料用玻璃纖維584

1222增強塑料用碳纖維587

1223增強塑料用的芳族聚酰胺纖維589

1224增強塑料類複合材料用的碳纖維、

芳族聚酰胺纖維和玻璃纖維的力學

性能比較589

123纖維增強塑料類複合材料591

1231纖維增強塑料的基體材料591

1232纖維增強塑料592

1233在等應變、等應力情況下的片狀連續纖維

塑料基體複合材料的彈性模量方程596

124纖維增強塑料的開式模塑加工工藝601

1241手鋪成型工藝601

1242噴射鋪展成型工藝601

1243真空包熱壓成型工藝602

1244繞絲成型工藝603

125纖維增強塑料的閉式模塑加工工藝604

1251壓塑與注射成型加工工藝604

1252片狀模塑複合材料（SMC）加工

工藝605

1253連續擠壓成型加工工藝606

126金屬基和陶瓷基複合材料606

1261金屬基複合材料（MMCs）606

1262陶瓷基複合材料（CMCs）608

127第12章小結613

128定義614

129習題616

第13章材料的電學性能624

131金屬的電導625

1311金屬電導現象的經典模型625

1312歐姆定律627

1313金屬導體中電子的漂移速度631

1314金屬的電阻率632

132電導性的能帶模型636

1321金屬的能帶模型636

1322絕緣體的能帶模型638

133本徵半導體638

1331本徵半導體的電導機制638

1332純硅晶體點陣中的電荷輸運639

1333元素本徵半導體的能帶圖640

1334元素本徵半導體電導的定量關係641

1335温度對本徵半導體的影響643

134非本徵半導體645

1341n型（負型）非本徵半導體645

1342p型（正型）非本徵半導體647

1343非本徵硅半導體材料的摻雜劑649

1344摻雜劑對非本徵半導體中的

載流子濃度的影響649

1345在室温條件下總電離雜質濃度

對硅中載流子遷移率的影響652

1346温度對非本徵半導體電導率的

影響653

135半導體器件655

1351pn結656

1352pn結型二極管的一些應用659

1353雙極性結型晶體管660

136微電子學662

1361微電子平面雙極性晶體管662

1362微電子平面場效應晶體管663

1363微電子集成電路的製作666

137化合物半導體673

138陶瓷的電學性能676

1381介電體的基本特性676

1382陶瓷絕緣體材料678

1383陶瓷電容器材料679

1384陶瓷半導體680

1385鐵電陶瓷682

139納電子學685

1310第13章小結686

1311定義687

1312習題690

第14章光學性質與超導材料696

141概述697

142光譜和電磁波頻譜697

143光的折射699

1431折射率699

1432光折射的斯涅耳定律701

144光的吸收、輻射和反射702

1441金屬702

1442硅酸鹽玻璃703

1443塑料704

1444半導體706

145發光707

1451光致發光708

1452陰極發光708

146射線的受激發射和激光710

147光導纖維714

1471光導纖維中的光損失714

1472單模和多模光導纖維715

1473光導纖維的加工716

1474現代光導纖維通信系統718

148超導材料719

1481超導態719

1482超導體的磁學性質720

1483超導體中的電流和磁場722

1484高電流、高磁場超導體723

1485高臨界温度(Tc)超導氧化物725

149定義727

1410習題728

第15章磁學性能732

151概述733

152磁場和參量733

1521磁場733

1522磁感應736

1523磁導率736

1524磁化率738

153磁性的類型738

1531反磁性739

1532順磁性739

1533鐵磁性739

1534原子的單個未成對電子的磁矩741

1535反鐵磁性743

1536亞鐵磁性743

154温度對鐵磁性的影響743

155鐵磁疇744

156決定鐵磁疇結構的能量類型746

1561交換能量746

1562靜磁能量747

1563磁晶各向異性能747

1564疇壁能量748

1565磁致伸縮能量749

157鐵磁性金屬的磁化和退磁751

158軟磁材料752

1581軟磁材料的理想性能753

1582軟磁材料的能量損失753

1583鐵硅合金754

1584金屬玻璃755

1585鎳鐵合金756

159硬磁材料759

1591硬磁材料的性能 759

1592鋁鎳鈷（Alnico）合金761

1593稀土合金763

1594釹鐵硼磁合金765

1595鐵鉻鈷磁合金765

1510鐵氧體767

15101軟磁鐵氧體767

15102硬磁鐵氧體771

1511第15章小結771

1512定義772

1513習題775

附錄 Ⅰ：部分元素的一些性質780

附錄 Ⅱ：元素的離子半徑782

習題解答784