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出版者:中国电力出版社

作者:黄晓荣

出品人:

页数:273

译者:

出版时间:2005-7

价格:27.00元

装帧:

isbn号码:9787508334431

丛书系列:

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现代材料科学导论：从微观结构到宏观性能的跨越 书籍简介 《现代材料科学导论》旨在为工程、物理、化学等相关领域的学生和专业人士提供一个全面而深入的材料科学基础框架。本书严格遵循科学原理，系统阐述了构成现代工程体系的各类基础材料——金属、陶瓷、高分子聚合物以及复合材料的内在结构、制备工艺、关键性能表征及其在实际工程应用中的行为模式。全书力求在保持理论深度与工程实用性之间找到最佳平衡点，确保读者能够建立起从原子尺度到宏观应用的全景视野。 本书的核心理念是：材料的性能（Phenomena）是由其内部结构（Structure）决定的，而这些结构是通过特定的加工和处理（Processing）获得的，最终服务于特定的应用（Application）。我们将紧密围绕这“四要素”展开论述。 --- 第一部分：材料科学的基石——结构与性能的关联 本部分首先建立起材料科学的基本框架，聚焦于材料的微观世界及其如何映射到可观测的宏观性质。 第一章：原子结构与化学键 详细解析了固体材料的晶体结构基础。我们从元素周期表出发，探讨原子尺度上的电子排布和轨道杂化理论，这是理解化学键强度的前提。随后，深入分析了晶体结构类型，包括体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和六方密堆积（HCP）等常见金属结构。对晶格缺陷——点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界、孪晶界）的几何特征、形成能和对材料塑性的决定性影响进行了详尽的数学描述和图示解析。对于非晶态材料（如玻璃和某些聚合物），则侧重于短程有序和长程无序的统计描述。 第二章：材料的热力学与动力学基础 本章将材料行为置于热力学框架下考察。引入吉布斯自由能、相图（单组元与多组元，重点阐述二元合金相图的绘制、解读和利用，如杠杆定律的应用）。重点讨论相变过程的驱动力，包括析出相的成核与长大机制（经典成核理论）。在动力学方面，深入探讨扩散在材料加工和服役中的核心作用，详细分析菲克定律（Fick's Laws）及其在温度梯度和浓度梯度驱动下的应用，特别是科特勒尔-唐南（Kirkendall Effect）效应在界面扩散中的体现。 第三章：晶体形变与力学性能 这是连接结构与力学性能的关键章节。详细阐述了理想强度与实际强度之间的巨大差异，并将其归因于位错运动。系统分析了滑移（Slip）、攀移（Climb）和交滑移（Cross-slip）等位错运动机制。通过引入施密德因子（Schmid Factor），解释了单晶体定向载荷下的屈服。针对多晶材料，重点分析了晶界对位错运动的阻碍作用，详述了霍尔-佩奇（Hall-Petch）关系，揭示了晶粒细化对强度的提升机制。此外，还包括弹性变形的本构关系、应力-应变曲线的完整分析，以及韧性、脆性的微观判据。 --- 第二部分：主要工程材料的特性与加工 本部分将理论知识应用于四大类主要工程材料，探讨它们的特殊结构及其对性能的支配作用。 第四章：金属材料的结构与强化 聚焦于合金化对金属性能的调控。详细分析了固溶强化、沉淀强化（如铝合金中的$ ext{GP}$区和$ ext{S}$相）、加工硬化（位错缠结）和晶界强化。针对钢材，系统讲解了铁碳相图，并深入剖析了奥氏体分解过程（贝氏体和马氏体转变），特别是马氏体转变的无扩散特性及其对钢材高硬度和高强度的贡献。热处理工艺（退火、正火、淬火、回火）的原理与效果被细致阐述。对于轻质合金（铝、钛、镁），则侧重于其晶体结构特点及耐腐蚀性能。 第五章：陶瓷材料的结构与脆性 陶瓷因其高熔点、高硬度、耐腐蚀和优异的电学/热学绝缘性而被广泛应用。本章首先分类介绍结构陶瓷（如氧化铝、碳化硅）和功能陶瓷（如压电陶瓷、铁电陶瓷）。重点分析了离子键和共价键在陶瓷材料中的主导地位，以及由此带来的高模量和低延展性。深入探讨了陶瓷的断裂韧性，特别是格里菲斯（Griffith）裂纹扩展理论在脆性材料中的应用。制备工艺方面，详细描述了粉末冶金技术、烧结过程（致密化机理）以及晶界工程在提高陶瓷性能中的作用。 第六章：高分子聚合物的构象与粘弹性 聚合物因其独特的长链结构而表现出粘弹性行为。本章首先介绍聚合物的分子结构（链的拓扑结构、分子量分布）和分子间作用力。重点讨论了聚合物的构象（无规线团、拉伸状态）及其对宏观性能的影响。对玻璃化转变温度（$ ext{Tg}$）和熔点（$ ext{Tm}$）的测量与意义进行了详尽阐述。粘弹性理论，包括蠕变（Creep）和应力松弛（Stress Relaxation）现象，将通过麦克斯韦模型和开文汉姆模型进行解析。此外，还涵盖了热塑性与热固性树脂的差异，以及交联对性能的强化作用。 第七章：复合材料的设计与界面作用 复合材料是实现性能定制化的关键途径。本章系统介绍了纤维增强复合材料（如碳纤维/环氧树脂）和粒子增强复合材料的构成。核心内容放在界面（Interface）的分析上——界面是实现基体与增强相之间载荷有效传递的桥梁。详细讨论了界面剪切强度、界面脱粘对复合材料整体力学性能（如层间剪切强度 $ ext{ILSS}$）的影响。对金属基复合材料（$ ext{MMC}$）和陶瓷基复合材料（$ ext{CMC}$）的特殊界面问题进行了展望。 --- 第三部分：材料的性能表征与环境行为 本部分关注材料在实际服役环境中的动态响应，以及现代无损检测手段的应用。 第八章：材料的电学与磁学性能 涵盖了导电性（自由电子模型与能带理论）、半导体特性（本征与杂质半导体、费米能级）以及绝缘体。在磁性方面，详细解释了磁畴结构、居里温度以及软磁材料（如坡莫合金）和硬磁材料（用于永磁体）的设计原理，特别是磁滞回线的物理意义。 第九章：材料的腐蚀与老化 腐蚀是工程材料面临的重大挑战。本章从电化学热力学角度（能斯特方程、普拉斯图）剖析了金属腐蚀的机理，区分了电化学腐蚀（如析氢、吸氧）与化学腐蚀。重点分析了应力腐蚀开裂（$ ext{SCC}$）、氢脆等环境敏感性断裂现象，并介绍了防腐蚀措施（如牺牲阳极保护、电镀、缓蚀剂）。对于聚合物，则讨论了光氧化、热氧化和辐射老化过程。 第十章：材料的失效分析与检测技术 失效分析是工程实践的最终环节。本章系统介绍了疲劳断裂（$ ext{S-N}$曲线、基恩斯（Basquin）关系、帕里斯（Paris）定律）、蠕变断裂以及冲击韧性的评估方法（如夏比冲击试验）。材料的微观检测技术是失效分析的基础，包括扫描电子显微镜（$ ext{SEM}$，结合能谱$ ext{EDS}$）、透射电子显微镜（$ ext{TEM}$）和 $ ext{X}$ 射线衍射（$ ext{XRD}$）在晶体结构确认和微观形貌分析中的具体应用流程。 --- 本书特色： 图表驱动： 配备了数百张精选的材料微观结构图、相图和性能曲线，辅以清晰的数学推导，帮助读者建立直观理解。 工程案例贯穿： 每章末尾附有“工程应用聚焦”栏目，将理论知识与实际工程问题（如航空发动机叶片材料选择、生物植入体材料要求）相结合。 严格的物理基础： 确保所有性能的讨论都追溯到其热力学和动力学根源，而非简单的现象描述。 本书是材料科学学习者从基础原理走向高阶研究和实际工程应用之间不可或缺的桥梁。

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这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，那种沉稳的墨绿色配上烫金的字体，透着一股老派的严谨和专业感，拿到手里就感觉分量十足，仿佛里面承载的知识也是厚重的。我原本以为这种技术类的书籍会是枯燥乏味的，但翻开扉页后，那种精心排版的图文结合立刻吸引了我。尤其是那些复杂的结构图，不仅清晰度极高，连细节的标注都考虑得非常周到，即便是初学者，也能通过这些图示迅速建立起对机械原理的初步认知。我特别欣赏作者在基础概念阐述上的耐心，像是对待一个完全不了解这个领域的新朋友，没有急于抛出深奥的公式，而是循序渐进地引导，用生活中的例子来类比那些抽象的力学概念。比如，讲解摩擦力时，他会提到自行车的刹车系统，一下子就让理论变得触手可及。这种深入浅出的叙事方式，极大地降低了学习的心理门槛，让我这个工科背景不那么扎实的读者，也能啃下那些原本望而生畏的章节。这本书的逻辑脉络构建得非常清晰，从最基本的运动和约束开始，逐步过渡到零件设计和机构分析，每一步都像是精心铺设的石阶，稳健地把我引向更深层的理解。

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这本书的理论深度显然是为专业人士准备的，读起来感觉像是在进行一场高强度的智力马拉松。我记得在看到“瞬时速度和加速度的分析”那一章时，我不得不停下来，反复研读了好几遍作者给出的那个复杂多点的运动分析模型。作者在这里的处理方式非常硬核，没有做任何简化，直接引入了矩阵变换和微分方程组来求解，这对于追求精确计算的工程师来说，无疑是提供了最直接的工具。那些大量的数学推导过程，虽然过程繁琐，但每一步的逻辑跳跃都非常严密，显示出作者深厚的数学功底和对物理规律的深刻洞察。我发现，这本书的优势就在于它的“不妥协”，它没有为了迎合大众读者的阅读习惯而削弱理论的严谨性，而是直接提供了最原始、最核心的理论框架。对于那些已经具备一定基础，希望将知识体系系统化、精深化的人来说，这本书无疑是一部案头必备的工具书。特别是对于涉及到疲劳强度和可靠性分析的部分，引用了大量的实验数据和失效模式分析，这些内容在其他泛泛而谈的教材中是很难找到的，它真正教会你如何预见和避免工程中的“黑天鹅事件”。

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这本书的习题设置简直是“魔鬼级别”的挑战，它完全不是那种做完就能得满分的标准练习册。我尝试做了几道几何精度和误差分析的综合题，发现每道题都需要跨越好几个章节的知识点进行整合，而且往往需要运用到一些非常规的解题思路，计算量大且极易出错。我曾花了一个下午的时间去解一道关于复杂曲面运动轨迹的题目，结果发现最终答案的量级和方向性跟我预期的完全不一样，最后仔细核对，才发现是自己对其中一个约束条件的物理意义理解出现了偏差。这种高难度的反馈机制，虽然过程令人挫败，但一旦攻克，那种知识点融会贯通的成就感是无与伦比的。它不是在考你是否记住了公式，而是在测试你对整个力学系统的动态把握能力，以及在复杂约束下进行最优选择的工程判断力。对于那些希望通过刻苦训练真正掌握机械设计精髓的硬核学习者，这本书的习题部分绝对是最好的“试金石”。

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如果说这本书有什么可以让我感到稍许“不适”的地方，那可能就是它的插图风格过于写实和工程化了，缺乏现代教材中那种色彩鲜明的示意图。大量的线条图，虽然保证了尺寸的精确性，但对于初次接触复杂机构（比如凸轮从动件的复杂行程设计）的读者来说，要快速在脑海中构建出三维动态模型的难度比较高。我常常需要借助辅助工具，比如自己动手用纸板搭建一个简易模型，才能真正理解书中某个特定截面图所表达的相对运动关系。当然，我理解这可能是为了保持传统工程图纸的标准性，但这确实增加了一定的认知负担。另外，书中对特定材料性能的引用似乎停留在上一个十年的标准上，对于一些新兴的复合材料和高强度合金的特性描述相对较少，如果能加入一些关于现代材料学对机械设计影响的讨论，我想这本书的覆盖面和前瞻性会更上一层楼。但总的来说，瑕不掩瑜，它依然是一部扎根于经典、注重实用的教科书。

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这本书的排版和字体选择，透露出一种上个世纪八十年代技术手册的古典美学，这种感觉非常怀旧，却又带着一种不可动摇的权威感。我尤其喜欢作者在引入新概念时，习惯性地在旁边附带一个“历史注脚”，简短地介绍该理论的提出者及其研究背景。这种做法极大地丰富了阅读的层次感，让我意识到我们今天习以为常的机械原理，其实是无数前辈学者几十年甚至上百年探索的结果。这种对知识传承的尊重，让阅读过程本身变成了一种对工程历史的致敬。举个例子，在讲到齿轮设计时，作者不仅讲解了最新的渐开线理论，还花篇幅回顾了过去摆线齿轮的优缺点，这种对比分析，让读者能够更立体地理解技术演进的必然性。我个人认为，技术学习不应只是公式的堆砌，更应是理解其思想的演变过程，这本书在这方面做得非常出色，它不仅仅在教你“怎么做”，更在引导你思考“为什么是这样”。这种深厚的文化底蕴，让这本书读起来远超一般的技术手册范畴。

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