Materials Science for Engineers Addison-Wesley Series in Metallurgy and Materials

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isbn号码:9780201080742
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  • 材料科学
  • 工程材料
  • 金属材料
  • 材料工程
  • 机械工程
  • 物理学
  • 化学
  • 固体物理
  • 材料性能
  • 工程技术
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具体描述

Many readers of this preface are aware of the significant changes which occurred

in Materials Science and Materials Engineering within the decade preceding 1970.

Concurrent with the nucleation and growth of these new disciplines was the estab-

lishment of a course in Materials Science as one of the Engineering Sciences, not

only in this country but worldwide. With the changes just cited, it is necessary

that a materials science textbook for undergraduate engineering students draw as

much as possible upon the basic science background of those students--a back-

ground that commonly includes a working knowledge of calculus, an introduction

to structural chemistry, and an initial familiarity with the principles of electricity

in physics.

The starting point of the text which follows is the mathematics, chemistry, and

physics just described. This review, with an emphasis on those introductory

principles that specifically pertain to materials, is the content of the first three

chapters. Chapters 4 through 8 present the structures of solid phases with emphasis

on crystals, imperfections, molecular phases, and solid solutions. These chapters

provide a framework for considering, first, those properties which arise from the

atomic processes, such as diffusion and deformation (Chapters 6 through 12); and

second, those properties which originate from electrical processes (Chapters 13

through 16). The latter area is expanded and closely integrated with the preceding

topics of materials science. This close integration is a new venture for a second- or

third-year text and may place many instructors in a new teaching situation.

However, the author is confident that the long-term trend is in the direction taken

by this book, and that it is only a matter of time before all materials courses will

include such an arrangement. Following a more conventional presentation of

multiphase equilibria, reactions, and mierostructures (Chapters 17 through 19),

there is an expanded focus on materials utilization in Chapters 20 through 23.

Within this area, strengthening processes and materials failure receive separate

attention, and corrosion is viewed with a modern presentation. Materials systems,

including composites as well as bonding and induced stresses, constitute the

final topic.

固体物理学原理:面向应用的技术视角 作者:[此处可虚构一位资深教授或行业专家的名字] 出版社:[此处可虚构一家专业科技出版社的名称,如:Wiley-Interscience, CRC Press] 第一部分:晶体结构与缺陷的基石 本书旨在为工程、物理学及材料科学专业的学生和研究人员提供一个深入而严谨的固体物理学基础框架,重点关注晶体结构、电子行为以及热力学性质如何决定宏观材料性能。我们避开了过于抽象的量子力学推导,而是着重于建立清晰的物理图像和可应用的数学模型。 第一章:晶体学的几何基础与对称性 本章从描述原子在空间中周期性排列的数学语言入手。我们详细探讨了布拉维点阵、晶体基矢以及米勒指数系统。对于工程应用至关重要的概念,如晶面间距、倒易点阵及其在X射线衍射(XRD)中的应用,进行了细致的阐述。重点讨论了晶体结构对材料机械性能(如滑移系统的形成)的内在影响。此外,还深入分析了高对称性结构(如立方晶系、六方晶系)的对称操作群及其对能带结构简化的意义。 第二章:晶体缺陷的分类与热力学 任何实际材料的性能都受到缺陷的控制。本章系统地分类了点缺陷(空位、间隙原子、取代原子)、线缺陷(位错)和面缺陷(晶界、堆垛层错)。我们使用统计力学方法推导了点缺陷的热力学平衡浓度公式,并讨论了如何通过热处理来调控这些缺陷。特别强调了位错理论在塑性形变中的核心地位,包括刃位错和螺位错的应力场计算,以及位错缠结和交割如何影响材料的加工硬化。 第二部分:电子理论与电输运性质 理解材料的电子结构是预测其导电性、光学特性和磁性的关键。本部分将凝聚态物理的核心理论与实际工程测量相结合。 第三章:能带理论的近似与应用 从最基础的自由电子模型出发,本书逐步引入了周期性势场对电子行为的影响。我们详细解释了布洛赫定理、晶格的周期性边界条件以及费米能级的概念。重点分析了近自由电子模型和紧束缚模型如何解释金属、半导体和绝缘体之间的本质区别。使用能带结构图(E-k图)来预测直接带隙和间接带隙材料的光学行为。此外,还讨论了有效质量的概念及其对载流子输运的影响。 第四章:半导体物理与器件基础 本章聚焦于掺杂半导体的物理。详细介绍了施主和受主杂质的电离能,以及在外加电场或光照下载流子的产生、漂移和扩散。推导了费米-狄拉克分布函数在半导体中的应用,计算了本征、n型和p型半导体的载流子浓度。重点分析了p-n结的形成、耗尽区宽度、内建电势以及理想二极管方程的物理意义。这部分内容为集成电路和光电器件的设计提供了坚实的理论基础。 第三部分:热学、磁学与介电性质 第五章:晶格振动与热学行为 材料的热学性质源于原子晶格的集体振动——声子。本章基于弹性波理论,推导了一维和三维晶格的色散关系,并解释了声子谱的物理意义。详细阐述了德拜模型和爱因斯坦模型的优缺点,并计算了晶格比热容随温度的变化规律。此外,系统分析了声子散射机制,包括声子-声子散射(Umklapp过程)对材料热导率的贡献,这对于热管理应用至关重要。 第六章:磁性材料的微观机制 本章分类讨论了材料的宏观磁响应与其电子组态的内在联系。从朗之万顺磁理论出发,逐步深入到居里顺磁性。详细分析了铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性的微观起源,特别是通过海森堡交换作用和斯托纳的二人电子模型来解释自旋排列。对磁畴、磁滞回线以及磁畴壁运动的物理机制进行了深入探讨,并讨论了磁记录介质和软/硬磁性材料的设计原理。 第七章:介电与铁电现象 探讨材料在外加电场下的极化响应。区分了几种主要的极化机制:电子极化、离子极化和取向极化。推导了克劳修斯-莫索蒂方程,将宏观介电常数与微观极化率联系起来。特别强调了铁电体的特性,包括巴里相变、电畴的形成以及铁电滞后现象,并讨论了非线性光学材料的基本要求。 第四部分:动力学与输运现象 第八章:扩散与化学计量学 扩散过程是材料热力学活性的宏观体现。本章着重于固态扩散的动力学描述,包括菲克第一定律和第二定律。深入分析了扩散系数的阿伦尼乌斯温度依赖性,并讨论了点缺陷浓度如何主导扩散速率。通过举例说明了从表面反应到体相扩散的串联过程,如氧化还原反应在材料界面上的演化。 附录:计算工具与数值方法 本附录提供了解决固体物理问题的常用数值方法,包括有限差分法在求解薛定谔方程简化形式中的应用,以及用于分析实验数据的曲线拟合技术。 本书的特色在于其强大的工程导向性,每一个理论推导后都紧跟一个或多个实际工程案例分析,确保读者能够将抽象的物理概念转化为解决实际材料问题的工具。内容结构严谨,逻辑清晰,适合作为高年级本科生和研究生阶段的教材或参考书。

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