Atomistic Aspects of Epitaxial Growth pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Kotrla, Miroslav (EDT)/ Papanicolaou, Nicolas I. (EDT)/ Vvendensky, Dimitri D. (EDT)/ Wille, Luc T.

出品人:

页数:620

译者:

出版时间:

价格:1992.00 元

装帧:

isbn号码:9781402006746

丛书系列:

图书标签:

• Epitaxy
• Atomistic
• Thin Films
• Materials Science
• Crystal Growth
• Surface Science
• Molecular Beam Epitaxy
• Heterostructures
• Semiconductors
• Nanomaterials
• Simulation

结构材料的形变与断裂：从微观机制到宏观性能 导言：探究材料的内在强度与韧性 本书旨在深入探讨金属、陶瓷及复合材料在复杂应力状态下的形变与断裂行为。我们不关注晶体生长的特定原子层面细节，而是将焦点置于材料在宏观载荷下如何响应、内部微结构如何演变，以及最终如何导致失效的全过程。材料的服役性能，如屈服强度、韧性、疲劳寿命及蠕变抗力，无不依赖于其内部缺陷的产生、运动和交互作用。理解这些机制，是设计和制造高性能结构部件的基石。 本书将系统梳理经典塑性理论的局限性，并引入现代损伤力学和断裂力学的核心概念，结合先进的实验技术和计算模拟方法，对材料的力学行为进行剖析。 --- 第一部分：塑性形变的基础与微观机制 本部分着重于材料在超过弹性极限后发生的永久形变现象，即塑性。我们将从晶体塑性的基本单元——位错——的运动学和动力学出发，构建理解宏观流变的基础。 第一章：晶体塑性的基本要素 本章首先回顾晶体的滑移系统概念，并详细阐述了位错的几何特征，包括刃位错、螺旋位错及其混合态。我们对位错的线能和应力场进行精确的数学描述，这是分析位错间相互作用的前提。 核心内容在于位错运动。我们分析位错在剪切应力作用下的滑移机制，并区分保守运动（纯剪切）和非保守运动（攀移和交滑移）。攀移机制在高温蠕变和扩散控制过程中的重要性将被详细讨论，而交滑移则被视为多晶体中实现均匀变形的关键路径。 第二章：位错源与位错密度演化 材料的初始强度往往受其初始位错密度和分布状态决定。本章聚焦于位错源的激活。我们将详细考察弗兰克-里德（Frank-Read）源的机制，解释位错如何通过钉扎和弯曲产生新的位错环，从而导致加工硬化。 随后，我们进入加工硬化理论。这部分深入探讨了在单晶和多晶体拉伸过程中，位错密度 ($ ho$) 如何随塑性应变 ($varepsilon_p$) 增加，并推导出经典自相关方程 ($ au = au_0 + alpha G b sqrt{ ho}$)。本章还将探讨动态回复（Recovery）过程，即在变形过程中，位错通过重排形成位错墙或胞状结构（Dislocation Cell Structures），这直接影响了材料的残余强度和低温脆性转变行为。 第三章：多相材料中的塑性耦合 对于包含第二相粒子的金属合金或复合材料，塑性形变不再是均匀的单相过程。本章分析位错与第二相粒子的交互作用机制。 主要机制包括： 1. 钉扎（Orowan 绕过）：位错绕过无法被剪切的粒子而形成环。我们将推导著名的 Orowan 应力公式，该公式量化了粒子强化效应。 2. 粒子切割：对于脆性或易于被位错穿透的粒子，位错可以将其切开，这通常发生在镍基高温合金或某些铝合金中。 3. 界面效应：在晶界或相界面处，位错的堆积和偏转如何影响局部应力集中和后续的晶界滑移。 --- 第二部分：宏观尺度下的形变、流动与损伤 本部分将视线从原子和晶体尺度提升到工程构件尺度，关注材料在复杂载荷下的本构关系、以及损伤的累积与演化。 第四章：非线性本构关系与流变学 在高温或高应变速率下，材料的力学行为不再可以用简单的线弹性或理想塑性模型描述。本章侧重于描述材料的粘塑性（Viscoplasticity）行为。 我们将介绍Norton-Bailey 关系及更复杂的麦克斯韦元/开尔文体模型（Maxwell/Kelvin Models）来描述蠕变过程，特别是稳态蠕变和瞬态蠕变。对于高应变率下的冲击加载，Johnson-Cook 模型及其改进形式将被引入，用以描述材料流动应力对硬化、应变率和温度的依赖性。 第五章：疲劳损伤的孕育与扩展 疲劳是结构材料失效的最常见形式。本章系统地研究疲劳过程，它被划分为三个阶段： 1. 疲劳萌生期：应力循环导致表面或内部微观缺陷（如夹杂、孔隙）附近的局部塑性应变集中。我们将探讨Coffin-Manson 关系在低周疲劳（LCF）中的应用，以及Basquin 关系在高周疲劳（HCF）中的应用。 2. 裂纹扩展期：一旦形成微裂纹，其扩展行为遵循帕里斯（Paris）定律，该定律将裂纹扩展速率 ($ ext{d}a/ ext{d}N$) 与应力强度因子范围 ($Delta K$) 联系起来。我们详细分析应力比 ($R$) 和平均应力对疲劳裂纹扩展的影响。 3. 疲劳断裂：疲劳损伤的累积最终导致剩余断面的承载能力不足而发生断裂。 第六章：断裂韧性与损伤累积模型 本章是关于材料抵抗裂纹扩展能力的量化研究。我们从格里菲斯（Griffith）理论出发，引入应力强度因子 ($K$) 概念，并定义了材料的临界断裂韧性 ($K_{IC}$)，这是抵抗脆性断裂的关键参数。 随后，我们转向对韧性断裂的分析： 有孔材料的塑性区分析：引入弹塑性断裂力学（EPFM），重点讨论裂纹尖端张开位移（CTOD, $delta$）和J 积分 ($J$) 作为更通用的断裂参数。 损伤力学：介绍内聚力区模型（Cohesive Zone Model, CZM），该模型能统一描述裂纹萌生、扩展及最终断裂过程，特别适用于处理界面失效和复合材料的分层问题，而无需在尖端无限聚焦应力。 --- 结论：面向未来挑战的材料设计 本书在对材料形变与断裂机制的微观基础和宏观现象进行详尽分析后，总结了当前工程应用中的挑战，如极端环境下的服役可靠性、增材制造（Additive Manufacturing, AM）材料的各向异性疲劳特性，以及如何通过调控微结构（如晶界工程、梯度材料设计）来同时提升强度和韧性（即克服强度-韧性权衡）。未来的研究方向将更加依赖于多尺度耦合模拟方法，以期在原子尺度上指导宏观性能的优化。

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**书评三：** 这本书的整体氛围偏向于理论物理学的视角来解读材料生长现象，这对于我这种偏向实验操作的人来说，既是挑战也是启发。作者似乎非常钟情于相场模型和蒙特卡洛模拟的结果，书中引用了大量的数值模拟数据来佐证其理论推导。我发现书中对不同衬底-薄膜体系的异质结形成过程的对比分析很有价值，例如，当应变累积到临界值时，晶格失配是如何通过形成螺旋位错来弛豫的，这部分描述得非常透彻。但是，我必须指出，书中的某些章节显得过于“数学化”，缺乏足够直观的类比或图示来帮助读者快速建立直觉印象。这使得我在尝试理解高阶扩散方程和界面动力学方程时，不得不花费大量时间去回顾相关的偏微分方程知识。总而言之，它是一部需要耐心和深厚数理基础才能驾驭的作品，但一旦掌握，它提供的洞察力是无与伦比的，能让你从一个更基础的物理层面去理解晶体生长的复杂性。

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**书评一：** 我最近翻阅了这本关于薄膜生长理论的著作，它的叙述风格可以说是非常严谨且具有学术深度。作者似乎对材料科学领域有着极为深刻的理解，尤其是在探讨原子级别的沉积过程时，其细节的刻画令人印象深刻。书中对晶格匹配、表面能以及界面相互作用的分析，简直可以看作是该领域经典教材的补充和深化。我特别欣赏其中对不同生长模式（如岛状生长、层状生长）的动力学解释，那些复杂的数学模型和物理图像的结合，清晰地展示了宏观现象背后的微观机制。然而，对于那些刚刚接触外延生长领域的初学者来说，这本书的门槛可能略高，某些章节需要读者具备扎实的固体物理和统计力学基础才能完全领会其精髓。整本书的结构逻辑性极强，从基础的热力学驱动力到具体的动力学演化路径，层层递进，犹如攀登一座知识的高峰，每一步都踏实而有力。这本书无疑是面向研究人员和高年级研究生的精品，它不提供简单的“菜谱式”指导，而是深入探究“为什么”以及“如何”在原子尺度上控制材料的结构。

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**书评五：** 这本书给我带来的阅读体验，更像是在一位经验极其丰富的老教授的指导下，一起解剖一个极其精密的科学难题。作者对“动力学控制”与“热力学控制”在薄膜质量上的权衡分析，是全书的亮点之一。他巧妙地利用相图和阿伦尼乌斯斜率的变化，来演示温度、束流密度这些宏观参数是如何调控原子在表面的迁移率和结合概率的。我注意到，作者在书中对“原子尺度下的表面粘附”现象的讨论，引用了非常前沿的量子化学计算结果，这使得本书的深度远远超出了传统的经典物理模型。这本书的排版和图表的质量都非常高，那些关于表面扩散路径的能量景观图，即使是印刷出来的，也显得层次分明，极具说服力。它不是那种可以轻松阅读的书，它要求读者投入思考，但正是这种深度的投入，换来了对晶体生长本质的深刻理解。读完它，你会发现自己对“完美晶体”的定义都有了更精确、更辩证的认识。

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**书评二：** 读完这本书，我有一种感觉，作者简直是一位细致入微的观察家，将外延生长这一瞬息万变的物理过程，用文字定格在了纸上。这本书的语言风格充满了那种老派科学家的严谨和一丝不苟，每一个术语的引入都经过了审慎的考量。我尤其欣赏作者在阐述各种实验技术（比如原子力显微镜在原位观测中的应用）时，那种将实验观察与理论预测紧密结合的处理方式。书中对缺陷形成机制的讨论尤为精彩，它没有停留在简单的分类上，而是追溯了位错和空位如何在生长界面的动力学过程中被“捕获”或“消除”。这本书的阅读体验是持续的挑战与顿悟交织的过程，它要求读者不仅要理解公式，更要想象原子间的推拉作用和能量势垒的起伏。我感觉它更像是一部研究手册，而不是科普读物，因为它聚焦于那些最前沿、最难以精确量化的复杂系统行为。那些关于表面重构的讨论，简直是艺术品级别的分析，将化学键的张力和几何构型的约束展现得淋漓尽致。

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**书评四：** 这本专业著作的视角非常独特，它似乎将“生长”视为一个时间演化的不可逆过程，充满了熵增和随机性的影响。作者没有将生长过程理想化为简单的原子堆积，而是深入探讨了热涨落和表面粗糙化在其中的关键作用。我个人非常喜欢它对“临界成核”概念的拓展应用，书中将这一概念从简单的两维岛屿形核，推广到了三维岛状生长的初始阶段，并且引入了新的判据来区分不同驱动力下的成核行为。这本书的结构组织非常精妙，它似乎遵循着一个从“平衡态”到“非平衡态”的探索路径，一步步引导读者脱离简单的能量最小化思维。唯一的遗憾是，在讨论一些新兴的、例如低温或高通量制备技术下的生长模式时，内容略显单薄，这可能也是由于该书出版时的技术前沿所致。然而，对于理解经典沉积过程的底层物理机制，这本书仍然是无可替代的基石。它的文字简练有力，几乎没有冗余的描述，每一个句子都承载着重要的信息量。

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