材料科学与工程基础 叶飞 材料科学材料工程基本概念原理 材料力学物理学化学生物学知识总结 材料科学工程学教学参考书

材料科学与工程基础

叶飞、刘玮书 等 编

开本:16

ISBN：97871224569

化学工业出版社

内容简介

《材料科学与工程基础》兼顾材料科学与材料工程两个分支学科，全面介绍了材料的结
构、性能、制备和应用等方面的基础知识，涵盖金属材料、无机非金属材料、高分子材料
以及半导体材料、能源材料、智能材料、生物材料等先进材料。书中分为结构与缺陷、形
变与强化、扩散与相变、性能与应用四个部分，内容注重理论与实践的结合，通过丰富的
实例，帮助读者深入理解材料科学与工程的基本概念和原理，掌握材料的力学、物理学、
化学、生物学等方面的核心基础，了解材料在各个领域的应用和发展趋势。
本书是材料科学与工程专业或相关专业的本科、研究生教材和教学参考书，也适合工
程技术人员学习使用。

作者简介

叶飞，南方科技大学材料科学与工程系教授 。
作者于1994年至2004年在清华大学学习，并先后获得学士、硕士和博士学位。2004年至2010年在日本物质材料研究机构工作，并于2008年聘为正式研究员。2010年至2018年在大连理工大学材料科学与工程学院任教授，博士生导师。2018年7月在南方科技大学工作。
主要从事材料缺陷结构研究和燃料电池材料开发，揭示短程有序结构对材料性能的影响规律，提出控制纳米尺度结构提高性能的工艺方法 。

前 言

“材料科学与工程基础”课程，以及一些名称和内容相近的课程如“材料科学基础”“工程材料基础”等，一直是材料科学与工程专业及相关专业最重要的专业基础课程，在各高等学校材料类专业的教学体系中均占据重要位置。通过多年的教学实践，教师对这门课的主体知识框架和教学内容已经基本达成共识。然而，由于材料科学与工程学科具有知识体系内涵和外延较宽的特点，教材编写过程中必然会融入大量相关学科的知识；同时，材料科学与工程学科在快速地发展，其具有旺盛的生命力，课程教学内容在追赶前沿知识的同时，知识也会越来越丰富。由此，不可避免地会产生以下疑问：作为一门基础课程，哪些知识是基础？在有限的教学学时中，如何取舍？
在深化新工科建设、加强高等学校战略性新兴领域卓越工程师培养的背景下，编者结合多年来从事材料科学与工程基础课程的教学实践经验和深入思考，基于以下原则对材料科学与工程基础教学内容进行取舍，也形成了本书的特色。
（1）融汇产学共识，兼顾材料科学与材料工程两个分支学科。材料科学主要关注材料的组织、结构与性能的关系，材料工程主要关注材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。本书则全面讨论材料的组成、结构、生产过程、性能以及它们之间的关系。
（2）抓牢关键基础知识，紧跟新兴领域前沿。在涵盖金属材料、无机非金属材料、高分子材料的同时，介绍了多种先进材料的应用现状。由于材料的发展日新月异，新材料不断涌现，本书未能涵盖所有的材料类型。考虑到本课程为基础课程，需要做好与后续专业课程的衔接，因此对于将在后续课程中深入学习的复合材料、纳米材料、半导体材料、能源材料、智能材料、生物材料等先进材料，本书仅在第1章和第17章中简单介绍，以期拓宽学生的视野，为后续学习打下基础；对于通常没有后续课程的准晶、液晶等知识，本书则没有介绍。
（3）注重理论与实践结合。通过丰富的实例，帮助读者深入理解材料科学与工程的基本概念和原理，了解材料在各个领域的应用，展望未来发展趋势与挑战。
本书建立了模块化的知识结构，共包括四个部分：“结构与缺陷”部分介绍原子结构、固体结构、固体缺陷的知识；“形变与强化”部分介绍材料力学性能、材料形变和强化机理、材料失效的知识；“扩散与相变”部分介绍固态扩散、二元相图、平衡和非平衡相变的知识；“性能与应用”部分介绍材料的物理学、生物学特性以及先进材料的应用。书中给出了与知识点相关的重要人物、历史事件或发现过程，以期帮助读者对材料人文有更多的了解，从历史中汲取走向未来的智慧。书中还提供了一些视频和课件等数字化素材，结合相关知识点进一步展示新材料的发展和应用。
本书由南方科技大学的多位教授以及西北工业大学李致朋教授、北京科技大学顾新福教授、深圳北理莫斯科大学叶曙龙教授共同撰写。具体分工如下：第1章，刘玮书；第2章，李致朋；第3章，顾新福；第4章，孙大陟；第5章，叶飞；第6章，廖成竹、王海鸥、李艳艳、李慧丽；第7章，叶曙龙；第8、9章，叶飞；第10章，郭传飞；第11章，叶曙龙、卢周广；第12章，汪宏、黎长建；第13章，李保文；第14章，邬家臻；第15章，李贵新；第16章，田雷蕾；第17章，王金龙、田颜清、卢周广、温瑞涛；第18章，刘玮书。叶飞和刘玮书负责全书内容设计，叶飞负责书稿整理，廖成竹、王海鸥、李艳艳、李慧丽4位老师协助制作数字化素材。
本书编写过程中参阅了很多国内外出版的文献，一并列在本书的最后。特别是引用了一些最新发表的学术论文，以充分展现材料领域的发展趋势，在此对这些文献的作者表示诚挚的敬意和衷心的感谢。
南方科技大学在智慧树网站已建设了与本书内容相关的《材料科学基础》和《材料科学与工程基础实验》慕课以及《材料科学与工程基础》虚拟仿真实验等线上资源，读者可以配合学习。
虽然各位编者付出了大量的时间和巨大的努力，但因水平有限，不当之处在所难免，恳请广大读者批评指正。
本教材出版得到了南方科技大学教材建设专项经费支持，在此表示感谢。
编著者
2024年5月

目 录

第1章 走进材料科学与工程 001
1.1 材料与人类文明 001
1.2 材料科学与工程的内涵 003
1.2.1 材料四要素之成分 003
1.2.2 材料四要素之结构 004
1.2.3 材料四要素之工艺 005
1.2.4 材料四要素之性能 008
1.3 材料演化与分类 009
1.3.1 天然材料 009
1.3.2 人工材料 009
1.3.3 发展趋势 013
习题 016
第一部分 结构与缺陷
第2章 原子结构与结合键 018
2.1 原子结构 018
2.1.1 原子的内部结构 018
2.1.2 原子结构模型 019
2.2 元素周期表 022
2.2.1 元素周期表的结构 022
2.2.2 元素性能的周期性规律 024
2.3 原子间结合键 024
2.3.1 原子间作用力和结合能 025
2.3.2 主价键 027
2.3.3 次价键 029
2.3.4 实际材料中的结合键 030
习题 031
第3章 晶体结构基础 032
3.1 晶体 032
3.1.1 晶体的定义 032
3.1.2 晶体的基本特征 033
3.2 空间点阵和晶胞 034
3.2.1 晶体结构与点阵 034
3.2.2 晶胞 035
3.2.3 晶体的对称性 036
3.2.4 晶系 036
3.2.5 布拉维点阵 037
3.3 晶向和晶面 039
3.3.1 晶向指数 039
3.3.2 晶面指数 040
3.3.3 六方晶系的四轴指数 041
3.3.4 晶向长度和夹角 042
3.3.5 晶面间距和夹角 042
3.4 晶体投影 044
3.4.1 极射赤面投影 044
3.4.2 乌氏网 046
3.5 非晶体 046
习题 048
第4章 固体结构 049
4.1 纯金属的晶体结构 049
4.1.1 面心立方结构 050
4.1.2 体心立方结构 051
4.1.3 密排六方结构 052
4.1.4 晶体的理论密度 052
4.1.5 原子堆垛 053
4.1.6 晶体结构中的间隙 054
4.2 合金的晶体结构 055
4.2.1 固溶体 056
4.2.2 金属间化合物 057
4.3 离子晶体的结构 060
4.3.1 离子晶体的结构规则 060
4.3.2 典型的离子晶体结构 062
4.4 共价晶体的结构 0
4.5 高分子聚合物的结构 065
4.5.1 碳氢分子 066
4.5.2 聚合物分子 067
4.5.3 聚合物的分子量 070
4.5.4 分子链的形态和结构 071
4.5.5 热塑性与热固性聚合物 072
4.5.6 聚合物晶体 073
4.6 同素异构与同分异构 074
4.6.1 同素异构 074
4.6.2 同分异构 076
习题 077
第5章 晶体缺陷 079
5.1 点缺陷 079
5.1.1 金属中的点缺陷 079
5.1.2 陶瓷中的点缺陷 081
5.1.3 晶态聚合物中的点缺陷 083
5.1.4 原子振动 084
5.2 位错 084
5.2.1 位错的结构特征 085
5.2.2 伯氏矢量 087
5.2.3 位错的线张力 089
5.2.4 位错的运动 090
5.2.5 位错的形成与增殖 094
5.3 面缺陷 096
5.3.1 晶体表面 096
5.3.2 晶界 099
5.3.3 相界 105
5.3.4 其他面缺陷 107
5.4 体缺陷 108
习题 108
第二部分 形变与强化
第6章 材料力学性能 110
6.1 应力与应变 110
6.2 弹性变形与塑性变形 111
6.2.1 弹性变形 111
6.2.2 塑性变形 112
6.3 材料的拉伸性能 112
6.3.1 材料拉伸测试 112
6.3.2 金属材料的拉伸性能 113
6.3.3 聚合物材料的拉伸性能 120
6.4 硬度 123
6.4.1 布氏硬度 124
6.4.2 洛氏硬