上海市教育委员会组编材料科学基础胡祥蔡珣主编上海交通大学出版社
上 海 市 教 育 委 员 会 组 编 材 料 科 学 基 础 胡赓祥 蔡 珣 主编 上 海 交 通 大 学 出 版 社
内容简介材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺与材料性能及应用之间相互关系的新兴学科，它将金属、陶瓷、高分子等不同材料的微观特性和宏观规律建立在共同的理论基础上，对生产、使用和发展材料具有指导意义。本书是材料科学与工程专业的基础理论教材，属上海市普通高校“九五”重点教材建设项目。其内容包括材料的微观结构，晶体缺陷，原子及分子的运动，材料的范性形变和再结晶，相平衡及相图，材料的亚稳态等，着重于基本概念和基础理论，强调科学性、先进性和实用性，并介绍材料科学领域的新发展，注意应用理论于解决实际问题。本书既是材料科学与工程或相关专业的教材，也可用作从事材料研究、生产和使用的科研人员和工程技术人员的参考书。图书在版编目（CIP）数据材料科学基础胡祥，蔡珣主编，一上海：上海交通大学出版社，2000（2002重印）ISBN7-313-02480-0I.材...II.①胡..②蔡..ⅢI材料科学高等学校-教材IV.TB3中国版本图书馆CIP数据核字（2002）第35788号材料科学基础上海市教育委员会组编胡祥蔡珀主编上海交通大学出版社出版发行（上海市番禺路877号邮政编码200030）电话：64071208出版人：张天蔚常熟市华顺印刷有限公司印刷全国新华书店经销开本：787mm×1092mm1/16印张：24插页：4字数：598千字2000年11月第1版2002年8月第3次印刷印数：3051~6100定价：38.00元ISBN7-313-02480-QTB·054版权所有有侵权必究
内 容 简 介 材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺与材料性能及应用之间相互关 系的新兴学科 ,它将金属、陶瓷、高分子等不同材料的微观特性和宏观规律建立在共 同的理论基础上 ,对生产、使用和发展材料具有指导意义。本书是材料科学与工程专 业的基础理论教材 ,属上海市普通高校“九五”重点教材建设项目。其内容包括材料 的微观结构 ,晶体缺陷 ,原子及分子的运动 , 材料的范性形变和再结晶 , 相平衡及相 图 , 材料的亚稳态等 ,着重于基本概念和基础理论 , 强调科学性、先进性和实用性 ,并 介绍材料科学领域的新发展 , 注意应用理论于解决实际问题。 本书既是材料科学与工程或相关专业的教材 , 也可用作从事材料研究、生产和使 用的科研人员和工程技术人员的参考书。 图书在版编目( CIP) 数据 材料科学基础/ 胡赓祥, 蔡珣主编 . —上海: 上海交 通大学出版社, 2000 (2002 重印) ISBN 7 - 313 - 02480 - 0 Ⅰ . 材 . . . Ⅱ . ①胡 . . .②蔡 . . . Ⅲ . 材料科学 - 高等学校 - 教材 Ⅳ . TB3 中国版本图书馆 CIP 数据核字( 2002 )第 35788 号 材料科学基础 上海市教育委员会组编 胡赓祥 蔡 珣 主编 上海交通大学出版社出版发行 ( 上海市番禺路 877 号 邮政编码 200030 ) 电话: 64071208 出版人 :张天蔚 常熟市华顺印刷有限公司 印刷 全国新华书店经销 开本 :787mm×1092mm 1/ 16 印张 : 24 插页 : 4 字数 :598 千字 2000 年 11 月第 1 版 2002 年 8 月第 3 次印刷 印数 :3 051～6 100 ISBN7 - 313 - 02480 - 0/ TB·054 定价 :38 .00 元 版权所有 侵权必究
序《材料科学基础》是材料科学与工程专业的主要理论基础课程。这个专业建立已逾40年，但国际上还没有很合适的材料科学基础教材。编写这类教材的困难之处在于，既要横向地融合金属材料、陶瓷材料和高分子材料的基础理论于一炉，又要纵向地充分运用本专业学生已学过的基础知识（包括材料热力学、材料动力学、固体物理、量子力学和统计物理等），并能连接继后有关材料测试、加工和应用等课程。本人在担任“材料科学基础”教席数年经验的基础上和其他同事们共同编写了《材料科学导论》（上海科学技术出版社，1986），权作为这门课程的教材。并经几所大学（武汉大学等）试用。此书虽名为导论，实际执笔者较多，篇幅较大，上述两个困难并未很好给以解决。十余年来国内大学材料系中多数似仍以金属学（台湾称物理冶金学）作为基础课程。面向扩大专业内容的教学改革，《材料科学基础》的确已属共识，相应的教材就显得十分需要。上海市人民政府高瞻远瞩，着重专业教材建设。市教委于1998年决定以《材料科学基础》为“九五”重点教材并资助出版。上海交大胡祥教授、蔡珣教授、戎咏华教授和华东理工大学黄译副教授都具有丰富的教学经验并热心教学改革，勇于担任本书的编著任务，无疑是一项艰巨和珍贵的尝试。本书的出版标志着我国材料专业建设迈入新的征程，承前启后，作用匪浅。教材建设需经千锤百炼。随着我国经济的持续发展，科教兴国战略的深入贯彻，新型的、较有宽广材料基础、并有志教育人才的苗长，材料专业的教学改革和教材建设事业必将更加灿烂夺目。在草草阅读本书样稿后，谨记述个人的感触情怀,聊以为序。补神9H
序 《材料科学基础》是材料科学与工程专业的主要理论基础课程。这个专业建 立已逾 40 年 , 但国际上还没有很合适的材料科学基础教材。编写这类教材的困 难之处在于 ,既要横向地融合金属材料、陶瓷材料和高分子材料的基础理论于一 炉 , 又要纵向地充分运用本专业学生已学过的基础知识(包括材料热力学、材料动 力学、固体物理、量子力学和统计物理等) , 并能连接继后有关材料测试、加工和应 用等课程。本人在担任“材料科学基础”教席数年经验的基础上和其他同事们共 同编写了《材料科学导论》(上海科学技术出版社 , 1986) , 权作为这门课程的教材 , 并经几所大学(武汉大学等)试用。此书虽名为导论 , 实际执笔者较多 , 篇幅较大 , 上述两个困难并未很好给以解决。十余年来国内大学材料系中多数似仍以金属 学(台湾称物理冶金学) 作为基础课程。面向扩大专业内容的教学改革 ,《材料科 学基础》的确已属共识 , 相应的教材就显得十分需要。上海市人民政府高瞻远瞩 , 着重专业教材建设。市教委于 1998 年决定以《材料科学基础》为“九五”重点教材 并资助出版。上海交大胡赓祥教授、蔡珣教授、戎咏华教授和华东理工大学黄怿 副教授都具有丰富的教学经验并热心教学改革 , 勇于担任本书的编著任务 , 无疑 是一项艰巨和珍贵的尝试。本书的出版标志着我国材料专业建设迈入新的征程 , 承前启后 ,作用匪浅。 教材建设需经千锤百炼。随着我国经济的持续发展 , 科教兴国战略的深入贯 彻 , 新型的、较有宽广材料基础、并有志教育人才的茁长 , 材料专业的教学改革和 教材建设事业必将更加灿烂夺目。在草草阅读本书样稿后 , 谨记述个人的感触情 怀 , 聊以为序
前言材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺与材料性能及应用之间相互关系的科学，它对生产、使用和发展材料具有指导意义。材料对人类历史的进展起着重要的作用，人类使用材料已有悠久的历史，随着人类文明和生产的发展，对材料的要求不断增加和提高，于是由采用天然材料进而为加工制作、再发展为研制合成。在近代科学技术的推动下，材料的品种日益增多，不同效能的新材料不断涌现，原有材料的性能也更为改善与提高，力求满足各种使用要求，故材料科学又成为科学技术发展的基础、工业生产的支柱。在材料科学发展过程中，为了改善材料的质量，提高其性能，扩大品种，研究开发新型材料，人们必须加深对材料的认识，从理论上阐明其本质，掌握其规律，以此能指导实践。通过从其他学科如物理、化学、力学、工程学等领域吸取有关的理论基础，进行彼此间的交叉渗透，并应用各种实验手段从宏观现象到微观结构作测试分析，结合生产和应用实践，予以分析归纳、总结深化，取得了材料理论的迅速进展。但原先由于所用原料及制备过程的不同，通常把材料归类为金属材料、陶瓷材料、高分子材料等类型，故材料理论的发展也分别有金属学、陶瓷学、高分子物理学等范畴。随着认识的提高和深入，人们发现不同类型的材料虽各有其特点，却有许多共性和相通之处，它们的微观特性和宏观规律能以统一的理论来概括，于是就逐渐形成材料科学这门新兴学科。学科的发展必然带来教学体系的相应变化，自20世纪60年代起，美国高校开始出现以“材料科学与工程”系取代原先治金系的变革，将专业范围由金属扩大到陶瓷，并进一步包含高分子材料。这些年来，这一变革逐渐为国际同行所认同，纷纷相继成立这方面的系或专业，我国也于20世纪80年代初经国家教委决定试办材料科学专业，以此与国际接轨。近年教育部已将材料科学与工程定为一级学科，这是材料学科发展的必然方向，是适应21世纪对材料领域专门人才需求的必要措施。针对上述情况，作为专业基础理论的课程“材料科学基础”迫切需要适用的教材以解决教学之需。本书是根据上海市普通高校“九五”重点教材建设计划所提出的任务而编写的。其意图是改革传统的按材料分类的专业理论基础，拓宽专业面，将原先限于各自范畴的内容在共同的基础上融合为一体。其编写原则是从教学要求出发，着重于基本概念和基础理论，适当地掌握内容的深度和广度，要求科学性、先进性和实用性，并能引导学生应用理论于解决材料工程的实际问题。本书的内容安排如下：材料内部的微观结构，包括原子态到聚合态（第1章），一1一
前 言 材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺与材料性能及应用之间相 互关系的科学 , 它对生产、使用和发展材料具有指导意义。材料对人类历史的进 展起着重要的作用 ,人类使用材料已有悠久的历史 , 随着人类文明和生产的发展 , 对材料的要求不断增加和提高 , 于是由采用天然材料进而为加工制作、再发展为 研制合成。在近代科学技术的推动下 , 材料的品种日益增多 , 不同效能的新材料 不断涌现 ,原有材料的性能也更为改善与提高 , 力求满足各种使用要求 , 故材料科 学又成为科学技术发展的基础、工业生产的支柱。在材料科学发展过程中 , 为了 改善材料的质量 , 提高其性能 , 扩大品种 , 研究开发新型材料 , 人们必须加深对材 料的认识 ,从理论上阐明其本质 , 掌握其规律 ,以此能指导实践。通过从其他学科 如物理、化学、力学、工程学等领域吸取有关的理论基础 , 进行彼此间的交叉渗透 , 并应用各种实验手段从宏观现象到微观结构作测试分析 , 结合生产和应用实践 , 予以分析归纳、总结深化 , 取得了材料理论的迅速进展。但原先由于所用原料及 制备过程的不同 , 通常把材料归类为金属材料、陶瓷材料、高分子材料等类型 , 故 材料理论的发展也分别有金属学、陶瓷学、高分子物理学等范畴。随着认识的提 高和深入 ,人们发现不同类型的材料虽各有其特点 , 却有许多共性和相通之处 , 它 们的微观特性和宏观规律能以统一的理论来概括 , 于是就逐渐形成材料科学这门 新兴学科。 学科的发展必然带来教学体系的相应变化 , 自 20 世纪 60 年代起 , 美国高校 开始出现以“材料科学与工程”系取代原先冶金系的变革 , 将专业范围由金属扩大 到陶瓷 , 并进一步包含高分子材料。这些年来 , 这一变革逐渐为国际同行所认同 , 纷纷相继成立这方面的系或专业 ,我国也于 20 世纪 80 年代初经国家教委决定试 办材料科学专业 , 以此与国际接轨。近年教育部已将材料科学与工程定为一级学 科 , 这是材料学科发展的必然方向 , 是适应 21 世纪对材料领域专门人才需求的必 要措施。针对上述情况 , 作为专业基础理论的课程“材料科学基础”迫切需要适用 的教材以解决教学之需。本书是根据上海市普通高校“九五”重点教材建设计划 所提出的任务而编写的。其意图是改革传统的按材料分类的专业理论基础 , 拓宽 专业面 , 将原先限于各自范畴的内容在共同的基础上融合为一体。其编写原则是 从教学要求出发 , 着重于基本概念和基础理论 , 适当地掌握内容的深度和广度 , 要 求科学性、先进性和实用性 ,并能引导学生应用理论于解决材料工程的实际问题。 本书的内容安排如下 : 材料内部的微观结构 , 包括原子态到聚合态 (第 1 章) , — 1 —
从理想的完整结构（第2章）到存在各种缺陷的不完整晶体结构（第3章），原子和分子在固体中的运动（第4章），以及材料在受力变形时组织结构的变化和恢复过程（第5章）：在上述基础上，进一步介绍材料组织结构的转变规律，包括单元系转变（第6章），二组元间的相互作用及转变（第7章）和三元系的相互作用规律（第8章），通过这些内容来了解材料的形成规律和存在状态；鉴于上述内容主要是对材料处于平衡状态（稳定态）而言，而实际材料（特别是金属材料）却往往在非平衡的亚稳态使用，因为材料处于亚稳态时其某些性能往往远高于平衡态时的性能。为此编写了有关材料业稳态的内容列于第9章中其中还介绍了近年来在亚稳态研究中的一些新成就，如纳米晶、准晶态及非晶态材料等，让学生了解材料科学发展的一些动态。本书的编写者为上海交通大学蔡珣教授（第1,2，3,5,8章），上海交通大学戎咏华教授（第4，6，7章），上海交通大学胡祥教授（第9章），华东理工大学黄副教授（各章中有关高分子材料部分），全书由胡祥教授、蔡珣教授主编。上海市教委、上海交通大学对本书的编写和出版给予大力支持和提供经济资助，中科院院士、上海交通大学徐祖耀教授对本书的编写十分关心和支持，在此一并表示衷心的感谢。本书的编写是新的尝试过程，由于水平有限，经验不多，必然存在不少缺点和错误，切希望读者提出宝贵意见。编著者2000年7月2
从理想的完整结构(第 2 章)到存在各种缺陷的不完整晶体结构 (第 3 章) , 原子和 分子在固体中的运动(第 4 章) ,以及材料在受力变形时组织结构的变化和恢复过 程(第 5 章) ;在上述基础上 ,进一步介绍材料组织结构的转变规律 , 包括单元系转 变(第 6 章) ,二组元间的相互作用及转变(第 7 章)和三元系的相互作用规律(第 8 章) ,通过这些内容来了解材料的形成规律和存在状态 ; 鉴于上述内容主要是对材 料处于平衡状态(稳定态)而言 ,而实际材料(特别是金属材料)却往往在非平衡的 亚稳态使用 ,因为材料处于亚稳态时其某些性能往往远高于平衡态时的性能。为 此编写了有关材料亚稳态的内容列于第 9 章中 , 其中还介绍了近年来在亚稳态研 究中的一些新成就 ,如纳米晶、准晶态及非晶态材料等 , 让学生了解材料科学发展 的一些动态。 本书的编写者为上海交通大学蔡珣教授(第 1 ,2 , 3 ,5 , 8 章) , 上海交通大学戎 咏华教授(第 4 , 6 , 7 章) , 上海交通大学胡赓祥教授 (第 9 章 ) , 华东理工大学黄怿 副教授(各章中有关高分子材料部分 ) , 全书由胡赓祥教授、蔡珣教授主编。上海 市教委、上海交通大学对本书的编写和出版给予大力支持和提供经济资助 , 中科 院院士、上海交通大学徐祖耀教授对本书的编写十分关心和支持 , 在此一并表示 衷心的感谢。 本书的编写是新的尝试过程 ,由于水平有限 , 经验不多 , 必然存在不少缺点和 错误 , 恳切希望读者提出宝贵意见。 编著者 2000 年 7 月 — 2 —