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出版者:

作者:Hill, John W./ Petrucci, Ralph H./ McCreary, Terry W./ Perry, Scott S.

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價格:249.65

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isbn號碼:9780131920156

叢書系列:

圖書標籤:

• 化學
• 普通化學
• 大學教材
• 科學
• 化學原理
• 化學反應
• 物質結構
• 化學鍵
• 熱力學
• 溶液化學

《材料科學基礎：從原子到宏觀性能的橋梁》 內容提要 《材料科學基礎：從原子到宏觀性能的橋梁》是一部全麵、深入探討現代材料科學核心概念、基本原理及其在工程應用中實現路徑的權威教材。本書旨在為初學者和有一定基礎的學生提供一個堅實而廣闊的知識框架，使他們能夠理解和預測不同材料——包括金屬、陶瓷、聚閤物以及復閤材料——的微觀結構如何決定其宏觀性能，並指導材料的選擇與設計。 本書的結構設計遵循“微觀至宏觀”的邏輯遞進，從物質最基本的構成單元——原子和晶體結構——齣發，逐步過渡到材料的微觀缺陷、擴散、相變動力學，最終將這些基礎知識與材料的力學、熱學、電學、磁學及光學性能緊密聯係起來。 --- 第一部分：材料的原子基礎與結構（The Atomic Basis and Structure of Materials） 第一章：材料的本質——原子鍵閤與晶體結構 本章是理解材料行為的基石。首先，詳細闡述瞭原子間的各種基本作用力，包括離子鍵、共價鍵、金屬鍵和範德華力。通過深入分析薛定諤方程在多電子原子中的應用簡化模型，解釋瞭不同化學鍵的形成機製、鍵能及其對材料熔點、硬度和電導率的初步影響。 隨後，重點轉嚮固體的周期性排列——晶體結構。本章係統地介紹瞭晶體學基礎，包括晶格、晶胞的概念，以及布拉維點陣的分類。對於金屬材料，詳盡解析瞭麵心立方（FCC）、體心立方（BCC）和密排六方（HCP）結構的幾何特性，計算其原子堆積密度（APF）和配位數。對於陶瓷材料，引入瞭離子晶體的電中性原則，並基於半徑比規則，詳細分析瞭如氯化鈉（NaCl）、閃鋅礦（ZnS）和鈣鈦礦（Perovskite）等典型結構單元的形成條件。最後，探討瞭非晶態固體（如玻璃）的短程有序特性，並引入瞭X射綫衍射（XRD）作為結構錶徵的基本工具。 第二章：材料的微觀不完美性——晶體缺陷 沒有一種材料是完美無瑕的，這些“不完美”——晶體缺陷——恰恰是決定材料性能和加工性的關鍵因素。本章係統分類並深入分析瞭不同維度的晶體缺陷： 1. 點缺陷（零維）： 詳盡討論瞭金屬中的空位和間隙原子，以及化閤物中的肖特基缺陷（Schottky）和弗倫剋爾缺陷（Frenkel）。通過熱力學平衡模型，定量計算瞭特定溫度下的平衡空位濃度，並解釋瞭其對擴散速率的控製作用。 2. 綫缺陷（一維）： 重點闡述瞭位錯（Dislocations）的幾何形態，包括邊緣位錯、螺型位錯及其混閤形式。通過分析位錯的滑移係統（Slip Systems），解釋瞭晶體塑性變形的本徵機製（剪切）。同時，引入瞭位錯的應力場模型，為後續的力學性能分析奠定基礎。 3. 麵缺陷（二維）： 考察瞭晶界（Grain Boundaries）的結構和類型（如小角度傾斜/扭轉晶界），討論瞭晶界能及其在材料燒結和晶粒生長中的作用。還涵蓋瞭堆垛層錯（Stacking Faults）和孿晶界（Twin Boundaries）。 --- 第二部分：材料的性能與結構演化（Material Properties and Structural Evolution） 第三章：材料的熱力學與擴散 本章將材料科學與熱力學原理相結閤。首先迴顧瞭吉布斯自由能的概念，並將其應用於判斷相的穩定性、溶解度極限和反應的自發性。 核心部分聚焦於擴散（Diffusion）現象，這是材料加工（如熱處理、滲碳）和材料失效（如高溫腐蝕）的基礎。詳細分析瞭原子在固體中遷移的兩種主要機製——空位機製和間隙機製。通過菲剋第一定律和第二定律，對穩態和非穩態擴散過程進行數學描述。重點講解瞭擴散係數與溫度的依賴關係（阿倫尼烏斯方程），並探討瞭晶界、空位濃度和擴散路徑對擴散速率的顯著影響。 第四章：相變與微觀結構控製 材料的許多關鍵性能是在相變過程中確定的。本章探討瞭相圖（Phase Diagrams）的解讀，包括單組元和雙組元（如Fe-C體係的簡化）相圖，分析瞭共晶、共熔、共析等平衡相變點的意義。 隨後，深入探討瞭相變動力學。引入瞭成核（Nucleation）和長大（Growth）理論，區分瞭平衡相變和固態相變。重點分析瞭非擴散型相變（如馬氏體轉變）和擴散型相變（如析齣相的形成）。通過熱力學驅動力和動力學阻力（如過冷度、時間）的權衡，解釋瞭如何通過控製冷卻速率來調控微觀結構，如細化晶粒尺寸、控製析齣物形態，從而實現對材料強度的優化。 第五章：力學性能基礎：應力、應變與塑性 本章是連接微觀結構與宏觀機械性能的核心。首先，定義瞭綫彈性行為，推導瞭楊氏模量、剪切模量和泊鬆比之間的關係，並討論瞭鬍剋定律在不同材料中的適用性。 塑性變形機製是本章的重點。通過分析位錯在滑移麵上的運動，解釋瞭金屬材料的屈服強度（Yield Strength）和加工硬化（Strain Hardening）。係統性地介紹瞭影響強度的主要微觀機製，包括： 1. 晶粒細化強化： 基於Hall-Petch關係，闡述瞭晶界作為位錯運動阻礙的作用。 2. 固溶強化： 探討瞭溶質原子對位錯綫的釘紮效應。 3. 第二相粒子強化（沉澱硬化）： 分析瞭Orowan繞過機製和穿透機製。 此外，本章還覆蓋瞭韌性（Ductility）、脆性（Brittleness）、斷裂韌性（Fracture Toughness）的概念，並引入瞭Griffith裂紋擴展理論，為理解材料的失效行為奠定瞭基礎。 --- 第三部分：工程材料的關鍵性能與應用（Key Performance and Application of Engineering Materials） 第六章：金屬材料的強化與失效機製 本章將前述原理應用於實際工程中最常用的材料——金屬閤金。詳細分析瞭鋼（鐵碳閤金）的微觀結構演變，特彆是退火、正火、淬火和迴火等熱處理工藝如何精確控製馬氏體、貝氏體、珠光體和滲碳體等相的分布。 探討瞭金屬在高應力或疲勞條件下的失效模式。對疲勞（Fatigue）現象進行瞭深入剖析，從低周疲勞到高周疲勞，解釋瞭S-N麯綫、疲勞極限以及疲勞裂紋的萌生、擴展與最終斷裂過程。同時，討論瞭蠕變（Creep）——高溫下材料的長期塑性變形，分析瞭位錯攀移和擴散在高溫蠕變中的作用機製。 第七章：陶瓷、聚閤物與復閤材料 本章拓展瞭材料體係的廣度，關注非金屬材料的獨特屬性。 陶瓷： 強調陶瓷的離子/共價鍵閤帶來的高硬度、高熔點和電絕緣性，但同時也解釋瞭其低斷裂韌性的根本原因（缺乏有效塑性變形能力）。分析瞭氣孔缺陷對性能的災難性影響。 聚閤物： 從分子鏈結構（綫型、支化、交聯）角度解析瞭其獨特的粘彈性行為。討論瞭玻璃化轉變溫度（Tg）的概念，解釋瞭聚閤物的力學性能如何隨溫度變化而急劇改變。 復閤材料： 將前述材料通過先進技術結閤，以實現性能的協同增強。係統介紹瞭縴維增強復閤材料（如碳縴維/環氧樹脂）和粒子增強復閤材料的設計原則，重點分析瞭界麵（Interface）在載荷傳遞中的關鍵作用。 --- 結論與展望 全書最後總結瞭從原子尺度到工程應用之間的知識鏈條，強調瞭材料工程師在理解結構-性能-加工-應用之間的循環關係中所扮演的核心角色。本書旨在培養讀者運用多尺度分析方法解決實際工程問題的能力，並對新興材料（如納米材料、智能材料）的發展趨勢進行瞭簡要展望。

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我購買這本書的初衷是想找一本能係統梳理高中化學知識，並平滑過渡到大學基礎化學的過渡讀物。從這個目標來看，這本書的錶現隻能說是“超額完成任務，但方嚮有點跑偏”。它確實囊括瞭所有基礎知識點，甚至深入到瞭本科一、二年級纔會接觸的復雜配位化學和電化學電池設計，這讓我感到物超所值。但問題在於，它的難度跨度太大，就像一輛跑車，既能慢悠悠地在城市裏代步，又能瞬間飆到賽道極限速度。對於剛接觸化學的讀者，前幾章的“鋪墊”部分顯得過於簡單和囉嗦，浪費瞭篇幅；而當進入到後麵涉及哈密頓量或分子軌道理論時，跳躍性又太大，缺乏必要的中間步驟支撐。因此，這本書在針對特定學習階段的精準度上有所欠缺，它似乎更適閤那些希望擁有一個“全景式化學百科全書”的讀者，而不是那些有明確階段性學習目標的學生。它知識全麵，但“教”的藝術上，缺乏那種精準的靶嚮性。

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我必須承認，我對這本書的某些章節感到非常失望，尤其是關於光譜分析和計算化學的應用部分。作者似乎在這兩個領域投入的精力遠少於對傳統無機和有機化學的敘述。當我們現在進入現代化學研究領域，量子力學基礎和數據處理能力是必不可少的技能，但這本書對這些工具的介紹，停留在上個世紀的教科書水平，充其量隻是簡單提瞭幾個名詞，完全沒有給齣實際操作的指導或者哪怕是僞代碼層麵的演示。這對於希望將理論知識轉化為實際科研能力的讀者來說，無疑是一種錯失良機。我在嘗試理解核磁共振（NMR）的基本原理時，發現書中的插圖不夠清晰，而且對化學位移的敏感性解釋過於籠統，導緻我不得不轉嚮在綫的專業數據庫進行二次學習。如果作者能與時俱進，加入一些關於使用主流化學軟件進行模擬和數據可視化的簡介，這本書的價值將不再局限於理論知識的堆砌，而是真正成為跨越理論與實踐的橋梁。

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這本書讀起來，感覺就像是跟一位學識淵博但脾氣有點古怪的老教授對話。他的知識儲備是毋庸置疑的，你能在字裏行間感受到他對化學這門科學的深厚熱愛與敬畏。他對於化學反應的“為什麼會發生”比“如何發生”更有興趣，這一點從他大量的哲學思辨式的論述中可以窺見一斑。我特彆欣賞他對於化學平衡常數 K 的討論，他沒有簡單地將 K 視為一個數值，而是深入探討瞭熵增和吉布斯自由能之間的微妙平衡，這讓原本枯燥的計算題變得有瞭溫度和深度。然而，這種深度也帶來瞭閱讀上的挑戰。當他開始深入探討過渡態理論或溶劑效應時，語言的密度瞬間增大，句子結構變得極其復雜，需要我反復閱讀纔能捕捉到核心邏輯。這使得這本書不太適閤在課堂上作為主要教材，因為它要求讀者必須投入大量的時間進行深度消化，它更像是一本供人在安靜的午後，泡上一杯咖啡，慢慢咀嚼、體會化學之美的“心靈讀物”。

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這本書的裝幀和排版設計簡直是教科書中的典範，這一點我必須給予高度贊揚。那種厚重、沉穩的質感，拿在手裏就能感受到知識的重量。紙張的選取和油墨的質量都錶明齣版方在硬件上毫不吝嗇。每一章的布局都經過深思熟慮，關鍵定義詞使用瞭醒目的粗體，重要的公式都被單獨框齣，方便快速檢索。更值得稱贊的是，作者在引入新概念時，往往會先從一個曆史性的故事或一個重大的科學發現入手，這種“講故事”的方式極大地降低瞭化學這門學科給人的枯燥感。例如，它對道爾頓原子論的演變過程的描述，生動地展現瞭科學是如何在質疑與修正中前進的。不過，美中不足的是，在一些涉及立體化學（Stereochemistry）的復雜結構圖示上，二位圖的局限性暴露無遺，有時候即便使用瞭虛綫和實綫，依然難以準確判斷分子的空間構象，建議後續版本可以考慮增加可鏇轉的在綫3D模型鏈接，以解決這種固有限製的尷尬局麵。

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這本書，坦白說，我讀完後最大的感受就是“信息量爆炸，但脈絡有點模糊”。它試圖涵蓋的範圍之廣，簡直讓人驚嘆，從最基礎的原子結構、化學鍵理論，一直講到復雜的有機反應機理和物理化學的高級概念。對於一個初學者來說，這簡直像是一次衝進知識的海洋，讓人應接不暇。我特彆喜歡它在闡述一些經典實驗設計時的那種嚴謹態度，圖文並茂的插圖質量也相當不錯，能幫助我們這些視覺學習者更好地構建立體認知。然而，在處理像熱力學第二定律這種需要高度抽象思維的章節時，作者的解釋似乎略顯倉促，很多關鍵的數學推導過程被一帶而過，留下瞭一堆需要讀者自行去外部資料補充的空白。如果能針對這些核心難點，增加更詳盡的步驟解析和生活化的類比，這本書的實用價值將能再提升一個檔次。總的來說，它更像是一本非常詳盡的參考手冊，而不是一本循序漸進的入門教材，適閤已經有一定基礎，需要查漏補缺的進階學習者。

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