材料科学与工程基础（赵长生）（第三版）

本书共分5章：绪论、材料结构基础、材料组成与结构、材料的性能、材料的制备与成型加工。从材料科学与工程的基本原理出发，综合介绍了各种材料组成、结构、制备工艺、性能及应用的共性规律及金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料的个性特点和多种组分复合体系的基本特征。本书可供材料类专业本科生使用，也可供研究生、教师和工程技术人员阅读参考。

赵长生，男，1970年5月生，工学博士，教授，博士生导师，中共党员，*高分子材料与工程专业教学指导委员会，四川省学术和技术带头人，四川大学科技处处长。2005年*新世纪优 秀人才支持计划，2008年获四川省杰出青年基金，2012年获国家杰出青年科学基金，2013年获中组部“万人计划”中青年科技创新领军人才。　教学工作：承担国家精品课程《材料科学与工程基础》的讲授，主持并主讲《生物医用高分子材料》课程，2005年四川省优 秀教学成果一等奖，2010年四川省优 秀教学成果二等奖，发表教学改革论文7篇。科研工作：长期从事聚醚砜材料结构与性能调控的研究，主要从事生物医用高分子膜材料，及功能高分子材料的研究。承担国家自然科学基金项目7项，*博士学科点基金2项，*新世纪和回国留学基金各1项，四川省青年基金1项，以及横向科研课题多项。授权中国发明专利12项，转让7项，在Progress in Polymer Science，Biomaterials，Acta Biomaterialia，Analytica Chimica Acta，Journal of Hazardous Materials，Journal of Membrane Science等国际重要期刊上发表学术论文140篇，其中SCI收录120余篇，SCI引用1700余次。

1　绪论　0011.1　材料的定义、分类及基本性质 0011.1.1　金属材料 0021.1.2　无机非金属材料 0021.1.3　高分子材料 0031.1.4　复合材料 0041.2　材料科学与工程概述 0051.2.1　材料科学的由来 0051.2.2　材料科学与工程的性质与范围 0061.2.3　材料科学在工程中的作用 0072　材料结构基础　0102.1　物质的组成、状态及材料结构 0102.1.1　物质的组成和状态 0102.1.2　材料结构的含义 0122.2　材料的原子结构 0132.2.1　量子力学的几个基本概念 0142.2.2　原子核结构 0162.2.3　原子核外电子 0172.3　原子之间相互作用和结合 0212.3.1　基本结合（化学键合） 0222.3.2　派生结合（物理键合） 0252.3.3　各种键性的比较 0272.3.4　原子间距和空间排列 0282.4　多原子体系中电子的相互作用与稳定性 0322.4.1　杂化轨道和分子轨道理论 0332.4.2　费米能级 0362.4.3　固体中的能带 0392.5　固体中的原子有序 0412.5.1　晶体的特点与性质 0412.5.2　晶体几何学基础 0422.5.3　晶体的类型 0532.6　固体中的原子无序 0642.6.1　固溶体 0642.6.2　晶体结构缺陷 0682.6.3　非晶体 0742.6.4　扩散 0782.7　固体中的转变 0852.7.1　固体中的转变类型 0852.7.2　平衡和相变 0872.7.3　相图 0912.8　固体的表面结构 0982.8.1　表面力和表面力场 0992.8.2　表面能和表面张力 0992.8.3　表面结构及几何形状 1012.8.4　固体表面的特性 102习题及思考题 1093　材料组成与结构　1133.1　材料组成与结构的基本内容 1133.2　金属材料的组成与结构 1133.2.1　金属材料 1133.2.2　合金材料 1163.2.3　铁碳合金的基本知识 1183.2.4　非铁金属及合金 1293.2.5　非晶态合金 1313.2.6　金属材料的再结晶 1323.3　无机非金属材料的组成与结构 1343.3.1　无机非金属材料的组成与结合键 1343.3.2　无机非金属材料中的简单晶体结构 1353.3.3　硅酸盐结构 1403.3.4　无机非金属材料的非晶体结构 1443.3.5　陶瓷 1513.3.6　碳化合物 1523.4　高分子材料的组成与结构 1573.4.1　高分子材料组成与结构的基本特征 1573.4.2　高分子链的组成与结构 1583.4.3　高分子链的聚集态结构 1653.4.4　高分子材料的组成和织态结构及微区结构 1753.4.5　聚合物共混材料 1793.5　复合材料的组成与结构 1823.5.1　复合材料定义及分类 1823.5.2　复合材料的组成 1853.5.3　复合材料的结构 1883.5.4　复合材料的界面 190习题及思考题 1984　材料的性能　2004.1　固体材料的力学性能 2004.1.1　材料的力学状态 2004.1.2　应力和应变 2034.1.3　弹性形变 2084.1.4　永久形变 2184.1.5　强度、断裂及断裂韧性 2234.1.6　硬度 2434.1.7　摩擦和磨损 2474.1.8　疲劳 2544.2　材料的热性能 2584.2.1　热导率和比热容 2594.2.2　热膨胀性 2624.2.3　耐热性 2654.2.4　热稳定性 2664.2.5　高分子材料的燃烧特性 2684.3　材料的电学性能 2714.3.1　电导率和电阻率 2714.3.2　材料的结构与导电性 2754.3.3　材料的超导电性 2854.3.4　材料的介电性 2874.4　材料的磁学性能 2934.4.1　物质的磁性 2934.4.2　磁畴与磁滞回线 2974.4.3　金属材料的磁学性能 3004.4.4　非金属材料的磁学性能 3024.4.5　高分子材料的磁学性能 3054.5　材料的光学性能 3064.5.1　电磁辐射及其与原子的相互作用 3064.5.2　反射、吸收和透射 3084.5.3　材料的光学性质 3134.5.4　旋光性及非线性光学性 3184.5.5　光泽 3194.5.6　发光 3194.5.7　光敏性 3204.6　材料的耐腐蚀性 3214.6.1　物理腐蚀 3224.6.2　化学腐蚀 3254.6.3　电化学腐蚀 3324.7　复合材料的性能 3364.7.1　复合材料的特性 3364.7.2　复合材料性质的复合效应 3374.7.3　复合材料的力学性能 3424.8　纳米材料及效应 3484.8.1　纳米材料的结构 3494.8.2　纳米材料的基本物理效应 3534.8.3　纳米材料的表征与分析 3564.8.4　纳米材料的应用 356习题及思考题 3585　材料的制备与成型加工　3645.1　材料制备原理及方法 3645.1.1　金属材料的制备 3645.1.2　无机非金属材料的制备 3725.1.3　高分子材料的制备 3895.2　材料的成型加工性 3945.2.1　金属材料的加工工艺性 3945.2.2　聚合物的成型加工特性及成型加工方法 402习题及思考题 422参考文献　423

前　言四川大学的“材料科学与工程基础”课程于2004年评为*精品课程，于2013年作为“*精品资源共享课”上线，此课程的“中国大学MOOC”也于2019年上线。由四川大学主编的《材料科学与工程基础》于2002年4月正式出版发行，历经多次重印，获多所院校选用。2006年，《材料科学与工程基础》教材列入普通高等教育“十一五”*规划教材。2011年《材料科学与工程基础》（第二版）出版发行，同年被评为*精品课程教材，2013年获得中国石油和化学工业出版物奖（教材奖）一等奖，2014年列入“十二五”普通高等教育本科*规划教材。第二版教材通过融入部分英文教材内容调整和完善教材体系，及增添例题、习题、小故事等方式，进一步提高了教学效果，受到教师和学生的广泛欢迎。然而，材料学科是当今世界上发展*为迅速和应用*为广泛的学科之一，新材料、新原理、新方法等层出不穷、日新月异，需要我们不断地对教材内容进行补充。另外，作为一本高水平的教材而言，第二版教材在文字描述、图表等方面仍存在着一些疏漏之处，需要进行修订改正。此外，涉及教材的可读性问题，与专著不同，教材的使用者是学生，因此，有必要将文字描述得更加通俗易懂、概念更加准确清晰。与第二版教材相比，第三版主要在以下方面进行了修订：对部分章节的内容进行了补充或删减，使相关知识点更加完善和明晰；对部分图表进行了修正，使其更加准确；对全书文字描述进行了修订，提高了可读性和适应性；对章节后的小故事进行了更新，并采用扫描二维码的方式进行展示，增加了科学性和趣味性。 修订工作以2011年7月出版的《材料科学与工程基础》（第二版）为蓝本，以国家精品课程的课堂讲义内容为主线，由赵长生和顾宜提出修订大纲并统稿，其中大部分章节内容有所变动，部分章节未做变动。修订分工为：顾宜（第1章，第2章2.1节、2.2节、2.3节、2.4节）；赵长生（第4章4.1节）；冉起超（第3章3.2节、3.3节、3.5节，第4章4.5节、4.7节、4.8节，第5章5.1.1节、5.1.2节、5.2.1节）；凌红（第4章4.2节、4.4节、4.6节及习题）；杨坡（第3章3.4节，第4章4.3节，第5章5.1.3节）；谢邦互（第2章2.5节、2.6节、2.8节）；李曹（小故事）。虽然该教材内容经过历次修订已不断完善，但是材料科学与工程所涉及的学科和知识面十分广阔，囿于我们的专业范围和知识水平，仍有可能存在疏漏之处，敬请各位同仁批评指正。编　者2019年9月第二版前言由四川大学主编的《材料科学与工程基础》教材于2002年4月正式出版发行，之后多次重印，在多个学校获得使用。自2001年以来，四川大学对《材料科学与工程基础》课程进行了一系列改革，于2004年评为*精品课程，2006年《材料科学与工程基础》教材列入“十一五”*规划教材进行修订。在课程建设过程中，我们引进了William D. Callister，Jr.编写的《Fundamentals of Materials Science and Engineering》（Fifth Edition）（2001，John Wiley & Sons，Inc.，New York），将中英文教材的内容相结合，组织实施“双语”教学，建立了新的课程体系，编写了相应的讲义、课件、习题集；并在多年教学实践的基础上，按照新的课程内容体系完成了教材的修订。目前，国内外有关《材料科学与工程基础》类的教材从内容体系上主要有两大系列，一是传统的模式，将金属材料、无机非金属材料和高分子材料等三大类材料分别按照结构、特征和性质进行讨论，另一种是现代的、集成化的模式，将三大类材料整合在一起，讨论材料的结构、特征和性质的共性规律和个性特征。由四川大学主持编写、于2002年出版的《材料科学与工程基础》教材，正是一本按集成化方式编写的教材。该教材的内容体系由我们独立创建，但与英文教材（Fundamentals of Materials Science and Engineering，Fifth Edition，William D. Callister，Jr.）不谋而合。William D. Callister，Jr.教授先后编写了Fundamentals of Materials Science and Engineering教材五个版本，前四个版本都是按传统的模式编写的。在多年教学总结的基础上，他从更有利于教和学的角度，按照集成化的模式编写了第五版教材，受到了广泛的欢迎。与2002年版教材相比，修订版的《材料科学与工程基础》教材发生了一些显著的变化。通过删减一些不必要的内容和融入国外同类高水平教材部分内容，进一步完善了教材内容，使之更具先进性、科学性、系统性和适应性：增设了教学例题，进一步丰富了习题和思考题，更有利于学生学习和理解教学内容；在章节后添加一些小故事，介绍材料科学与工程领域中的著名科学家、高新技术领域的新材料，可扩展学生的知识面，激发学生的学习热情。修订工作以国家精品课程的课堂讲义内容为主线，以2002年版教材为蓝本，由顾宜和赵长生提出修订大纲并统稿，其中部分章节内容变动较大，部分章节未做变动。修订分工为：顾宜（第1章，第2章2.1、2.2、2.3、2.4、2.7，第3章3.1、3.2、3.3、3.4，第4章4.2，第5章5.1、5.2.1）；谢邦互（第2章2.5、2.6、2.8）；赵长生（第4章4.1、4.6）；汤嘉陵（第3章3.5，第4章4.7、4.8）；沈新元（第4章4.3、4.4、4.5）；蔡绪伏（第5章5.2.2）；李曹（习题和小故事）。虽然该修订教材内容已经过多年教学实践不断完善，但是材料科学与工程所涉及的学科和应用领域十分广阔，囿于我们的专业范围和知识水平，仍难免存在不少错误，敬请各位同仁批评指正。编　者2010年12月*版前言材料科学是20世纪60年代初期创立的研究材料共性规律的一门科学，其研究内容涉及金属、无机非金属、有机高分子等材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系。由于材料的获得、质量的改进与使材料成为人们可用的器件或构件都离不开生产工艺、制造技术和应用技术等工程知识，所以，人们往往把“材料科学”与“工程”相提并论，而称为“材料科学与工程”。国外大学的工学院已广泛把材料科学与工程作为大学低年级的一门公共必修课。四川大学（原成都科技大学）高分子材料系自1989年始，按照*教学改革的方针，为培养知识面广、适应面宽、基础扎实的高分子材料高级专业人才，在本科生专业主干课程《高分子材料导论》中讲授材料科学与工程的基本原理，并于1996年正式开设《材料科学与工程基础》课程。在由四川大学牵头，北京化工大学、华东理工大学、东北大学、武汉工业大学主持，东华大学、吉林工业大学参加的*面向21世纪高等工程教育教学内容和课程体系改革计划《材料类专业人才培养方案及教学内容体系改革的研究与实践》项目的五年研究中，项目组各校共同认识到：现代材料工业和科学技术的发展正推动着各类材料从多样化和单一性走向一体化和复合化；培养既掌握材料科学与工程基本原理，又通晓某一类材料制备与加工、组成与结构、性能与应用系统知识的宽专业人才，是21世纪材料类专业人才培养思路的重要内容。为此，决定设置材料科学与工程一级学科平台课程三门，并编写相应教材。《材料科学与工程基础》正是其中之一，该教材由四川大学主编，武汉工业大学和东华大学参编，*批准列入“面向21世纪课程教材”出版。本书编写从材料科学与工程的基本原理出发，力求较全面地说明各种材料的共性规律及金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料的个性特点和多种组分复合体系的基本特征。本着材料科学的范畴，以物质结构为基础，按照从微观到宏观、从内部到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子结构、原子间相互作用和结合方式，与固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构及变化规律之间的相互关系，使学生对材料组成（成分）与物质结构的内在联系有较系统、深刻的理解。从材料的组成（成分）入手，详细阐述高分子材料、金属材料和无机非金属材料的聚集态结构和宏观组织结构特点；详细阐述由特性不同的各类材料相互复合而成的纳米级、微米级、粒子填充、纤维增强等复合材料的微观和宏观结构以及界面结构，使学生较系统地掌握不同类型材料从微观到宏观的结构变化特点。本着材料科学的基本原理与材料的工程应用相结合，用大量篇幅阐明了在应力、热、电、光、磁、化学介质、氧等外界因素的作用下，各类材料所表现出来的宏观性质、破坏形式及其内部结构的变化规律；讲述各类宏观物理性质的定义及测试和评价方法。使学生掌握材料结构与性能关系的基本规律，了解不同类材料的结构与性能特征，为材料的设计和应用奠定基础。并从原料出发，简要地讲述材料的制备原理和主要方法，及由各种材料的结构和性能特点，讲述其加工行为和主要加工方法，使学生在材料工程的基础上，建立材料制备-加工-结构-性能关系的整体概念。本书在编写中注意引入材料科学中的新原理和新方法，例如在第4章增加了“纳米材料及效应”一节，以便学生对材料科学与工程发展中的前沿领域有一定的初步了解。本书由顾宜、尹光福、淡宜、曾光廷、汤嘉陵、赵长生、蔡绪伏（四川大学）、沈新元（东华大学）和黄学辉（武汉工业大学）编写。以顾宜和樊渝江1996年编写的《高分子材料导论（上册）》为蓝本，由顾宜提出编写大纲和统稿。编写分工为：顾宜（第1章、第2章2.1、2.3、2.5.1、2.5.2、2.6.4、2.7、2.8、第4章4.2），黄学辉（第2章2.2、2.4、2.5.3、2.6、2.8.4），沈新元（第4章4.3、4.4、4.5），淡宜（第3章3.1、3.2，第5章5.1.3），尹光福（第3章3.4、第5章5.1.2），曾光廷（第3章3.3、第5章5.1.1、5.2.1），汤嘉陵（第3章3.5、第4章4.7、4.8），赵长生（第4章4.1、4.6），蔡绪伏（第5章5.2.2），王劲协助编写习题和制图。该书稿于2000年12月汇稿并印制讲义供四川大学材料工程类专业九九级学生试用一届后进行了修改并编写习题。材料科学与工程所涉及的学科和应用领域十分广阔，囿于我们的专业范围和知识水平，难免存在较多误漏，祈望读者指正，以利进一步修订。在此，对*领导，对支持本书编写的四川大学、武汉工业大学、东华大学以及北京化工大学、华东理工大学、东北大学、吉林工业大学的领导、同仁表示深切的谢意。编　者2001年8月