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全书共9章，主要包括：材料的晶态结构、晶体缺陷、材料的固态相变、材料的固态扩散、材料的电子理论、材料的电学性能、材料的磁学性能、材料的热学性能、材料的力学性能。

本书适用于材料科学与工程一级学科的本科专业，如材料学、材料加工、材料物理化学、高分子材料、生物医学材料、电子材料等。与材料相关的本科专业，如机械、化学工程等专业选修课、相近专业的研究生也可选用此教材。

第1章材料的晶态结构/ 1

1.1晶体学基础1

1.1.1点阵和晶胞1

1.1.2晶向指数和晶面指数6

1.1.3晶面间距8

1.1.4非晶态材料的结构10

1.1.5准晶体的结构11

1.2金属材料的结构12

1.2.1纯金属的典型晶体结构13

1.2.2合金相结构17

1.3陶瓷材料的结构26

1.3.1特种陶瓷的结构27

1.3.2硅酸盐的晶体结构29

1.3.3玻璃的结构32

1.4低维材料的结构34

1.4.1薄膜的形成过程34

1.4.2薄膜的结构37

思考题和习题40

第2章晶体缺陷/ 42

2.1晶体缺陷概述42

2.2点缺陷43

2.2.1肖特基缺陷和弗兰克尔缺陷43

2.2.2点缺陷的特点43

2.2.3点缺陷的平衡浓度44

2.2.4空位形成能45

2.2.5点缺陷对性能的影响45

2.2.6过饱和点缺陷46

2.3位错46

2.3.1位错的发现46

2.3.2位错的概念和柏氏矢量48

2.3.3位错的运动52

2.3.4位错对晶体性能的影响55

2.4面缺陷56

2.4.1晶界56

2.4.2堆垛层错61

2.4.3孪晶界62

2.4.4外表面63

2.4.5相界面64

思考题和习题65

第3章材料的固态相变/ 67

3.1固态相变的概念及分类67

3.1.1相变的基本概念67

3.1.2固态相变的一般特点68

3.1.3固态相变的分类70

3.2多晶型性转变73

3.2.1多晶型性转变的相变驱动力74

3.2.2多晶型性转变的相变过程74

3.3共析转变75

3.3.1共析转变的热力学75

3.3.2共析转变的过程76

3.3.3共析转变的动力学78

3.4马氏体转变79

3.4.1马氏体的概念79

3.4.2马氏体转变的特点80

3.4.3马氏体转变的动力学81

3.4.4马氏体转变的热力学84

3.4.5马氏体的组织形态86

3.4.6马氏体的转变机制87

3.4.7热弹性马氏体与形状记忆效应90

3.5贝氏体转变94

3.5.1贝氏体的组织形态94

3.5.2贝氏体转变的动力学96

3.5.3贝氏体转变的特点96

3.5.4贝氏体转变的机制97

3.5.5贝氏体的定义98

3.6玻璃态转变和非晶态合金98

3.6.1非晶态转变和玻璃化温度98

3.6.2非晶态合金的形成99

思考题和习题101

第4章材料的固态扩散/ 103

4.1扩散动力学103

4.1.1扩散定律103

4.1.2扩散第二定律104

4.2扩散机制109

4.2.1间隙扩散109

4.2.2置换扩散111

4.2.3晶界扩散和位错扩散113

4.3上坡扩散114

4.4影响扩散的因素115

4.4.1温度116

4.4.2固溶体类型116

4.4.3晶体结构116

4.4.4溶质浓度117

4.4.5第三组元117

4.4.6晶体缺陷118

思考题和习题119

第5章材料的电子理论/ 120

5.1波函数和薛定格方程120

5.1.1微观粒子的波粒二象性120

5.1.2波函数和薛定格方程121

5.2经典统计和量子统计124

5.3自由电子假设126

5.3.1经典自由电子理论126

5.3.2量子自由电子理论126

5.4能带理论133

5.4.1近(准)自由电子近似和能带134

5.4.2布里渊区137

5.4.3近自由电子近似下的状态密度140

5.4.4能带理论对材料导电性的解释140

思考题和习题142

第6章材料的电学性能/ 144

6.1金属导体的导电性144

6.1.1自由电子近似下的导电性144

6.1.2能带理论下的导电性145

6.1.3导电性与温度的关系146

6.1.4电导功能材料148

6.2半导体的导电性150

6.2.1本征半导体150

6.2.2杂质半导体152

6.2.3霍尔效应156

6.3离子晶体的导电性157

6.3.1离子导电的理论158

6.3.2离子导电的影响因素161

6.3.3快离子导体162

6.4超导电性163

6.4.1超导现象163

6.4.2超导理论166

6.4.3超导研究的进展及其应用169

6.5热电效应1716.5.1热电势171

6.5.2塞贝克效应172

6.5.3珀耳帖效应173

6.6材料的介电性能174

6.6.1电介质的极化174

6.6.2介电损耗178

6.6.3介电体击穿181

思考题和习题183

第7章材料的磁学性能/ 186

7.1材料磁性能的表征参量和材料

磁化的分类186

7.1.1材料磁性能的表征参量186

7.1.2材料磁化的分类187

7.2孤立原子的磁矩188

7.2.1电子和原子核的磁矩188

7.2.2原子的磁矩190

7.3抗磁性和顺磁性191

7.3.1抗磁性192

7.3.2顺磁性193

7.4铁磁性194

7.4.1铁磁体磁化的现象194

7.4.2铁磁体的自发磁化198

7.4.3铁磁体的技术磁化204

7.5强磁材料209

7.5.1软磁材料209

7.5.2硬磁材料210

7.5.3磁记录材料210

思考题和习题211

第8章材料的热学性能/ 213

8.1材料的热容213

8.1.1杜隆珀替定律213

8.1.2热容的量子理论214

8.1.3实际材料的热容217

8.1.4热分析法219

8.2材料的热传导220

8.2.1热传导的宏观现象220

8.2.2热传导的机理221

8.2.3实际材料的导热222

8.3材料的热膨胀225

8.3.1热膨胀的宏观现象225

8.3.2热膨胀的微观机理226

8.3.3热膨胀系数与其他物理量的

关系228

8.3.4实际材料的热膨胀230

8.3.5膨胀分析和膨胀合金231

8.4材料的热稳定性233

8.4.1热应力233

8.4.2抗热冲击断裂性能234

8.4.3实际材料热稳定性的表征238

思考题和习题239

第9章材料的力学性能/ 241

9.1材料的力学性能指标241

9.1.1应力和应变241

9.1.2材料的静载力学性能指标242

9.1.3硬度245

9.2材料的变形247

9.2.1晶体的弹性变形247

9.2.2晶体的塑性变形254

9.2.3晶体的蠕变259

9.2.4材料的黏性流动和黏弹性261

9.3材料的断裂263

9.3.1理论断裂强度263

9.3.2格里菲斯断裂强度理论264

9.3.3材料断裂的过程267

9.4材料的断裂韧性273

9.4.1裂纹尖端应力场强度因子KⅠ

及断裂韧性KⅠc273

9.4.2裂纹尖端应力的塑性变形区修正275

9.4.3陶瓷材料的强韧化方法278

9.5材料的疲劳280

9.5.1疲劳现象和疲劳极限281

9.5.2疲劳破坏的微观机制282

9.6材料的抗冲击性能284

9.6.1冲击韧性试验284

9.6.2金属材料的冷脆285

思考题和习题286

第10章材料的光学性能/ 289

10.1光与材料的作用289

10.1.1光的物理本质289

10.1.2光与材料作用的一般规律290

10.1.3金属材料对光的吸收和反射291

10.1.4非金属材料对光的反应292

10.2材料的发光和激光302

10.2.1发光和热辐射302

10.2.2激光的产生303

10.3光学材料306

10.3.1发光材料306

10.3.2固体激光工作物质307

10.3.3光导纤维307

思考题和习题309

附录物理常量表/311

参考文献/312

李志林，北京化工大学材料科学与工程学院，教授，主要从事合金的电子结构与成分设计、电化学诱导相变、电催化材料的合成与制备等方面的研究。承担省部级以上科研项目和企业合作研究项目20余项，发表研究论文70余篇，其中30余篇被SCI收录，出版专著1部，教材1部，申请国家发明专利5项，获省部级科技奖励2项。

主持*和省部级特色专业建设项目各1项。主讲研究生课程《固体与分子经验电子理论》、《合金价电子结构与成分设计》、 《固体科学中的空间群》、《材料结构与性能》、《材料物理》等5门，本科生课程《材料物理》、《材料性能基础》、《材料科学研究方法》、《金属热处理原理》、《金属学》、《热处理车间设计》、《专业英语》、《金属学及热处理》、《机械工程材料》等9门。主编的教材《材料物理》入选国家“十一五”规划教材， 2010年获中国石油和化学工业联合会颁发的中国石油和化学工业优秀出版物奖（教材奖）一等奖，2011年被北京市教育委员会评为北京市高等教育精品教材。

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前言

前言

本书版出版以后，蒙众多院校选为材料物理课程的教材，获得了普遍的好评。使用本书的学生、任课教师，同行专家对本书贯通金属材料和无机非金属材料、紧密联系工程实际和知识体系的系统性等方面的特点给予充分肯定。

本书版出版之后，材料物理学科近年来相继出现了一些令人瞩目的新进展，笔者觉得有必要在本书中向读者介绍。另外，限于笔者的学识水平，本书版在使用过程中也发现了一些瑕疵和不当。基于此，在版的基础上进行了内容和阐述方式的增加和修订，主要体现在：，增加了材料物理学科中近年来的进展；第二，更正了版中的不当之处和某些问题的叙述方法，使之更容易为读者接受；第三，在部分章节增加了少量思考题或习题，便于读者通过思考练习理解本书内容；第四，在附录中增加了常用物理常量，便于读者计算时查找；第五，调整了部分章节的顺序，方便读者理解。

同样，本书注意保持版浅显实用的特色，使之适用于工科学生。除了作为工科的材料物理教材外，本书还可以作为相近专业研究生和本科生的教材和参考书。

囿于笔者的学识水平，书中难免还存在缺点、疏漏，希望读者给予批评指正。

编著者

2014年9月

版前言

材料是人类文明发展的重要标志。可以说人类文明的进展一直是与材料的发展同步进行的。所以才有历史学家以某一时代占主导地位或代表文明水平的材料来划分历史时代，即所谓的石器时代、青铜时代、铁器时代。

尽管我们为中国以瓷器闻名于世而骄傲，为我们的祖先在商朝就创造了光辉灿烂的青铜文明而自豪，但我们对材料的使用和研究在大多数情况下是自发的、不系统的。整个人类也是如此。直到约200年前，由于大机器工业对新材料的追求，才逐渐出现了现代意义上的冶金工业。矿业、冶金、交通运输等近代工业的发展促进了冶金学、冶金物理化学、凝固和固态相变理论、晶体结构理论等的相继出现。近几十年来，随着物理学的进展，材料研究逐渐深入到了其电子理论的本质层次。量子力学与统计力学结合，从单原子体系到多原子体系，逐渐可以解决材料中的多体系问题。特别是能带理论对材料导电、导热等机理的成功揭示标志着材料科学的发展进入了一个新的阶段。

然而，这些理论的成功更多地体现在金属和合金中。尽管人类在几千年前就开始使用陶瓷材料，但对其进行系统研究的时间并不长。人们开始深入地研究特种陶瓷不过有几十年的历史。人们对有机高分子材料的认识则更晚。近几十年来，伴随着现代石油化学工业的蓬勃发展，人工合成的高分子材料才开始大行其道。意识到了不同材料的优点和不足，顺理成章地，人们开始有目的地将不同的材料用不同的方式组合在一起，这就是所谓的复合材料。

由于材料的发现和使用是分散的，人们对材料的研究也缺乏系统性。在近20年前，多数人仍然对无机材料和有机材料结构、性能等中的共同规律认识不足。所以我们的材料教育也一直是分割成若干部分。涉及材料的专业就有金相（金属材料及热处理）、铸造、锻压、焊接、冶金物理化学、金属腐蚀与防护、金属物理、粉末冶金、钢铁冶金、有色金属冶金、高温合金、精密合金、电子材料、硅酸盐、矿物岩石材料、建筑材料、耐火材料、无机非金属材料、高分子材料、生物医学材料、复合材料等。

随着材料科学与工程的发展，人们越来越意识到了材料中的结构、性能等方面共性的东西。材料学(materialurgy)这一名词的出现标志着材料科学开始成为一门统一的科学。*1998年公布新的专业目录时，在材料科学与工程一级学科下设置材料学、材料加工工程、材料物理化学三个专业，这一方面是为了适应培养通才、拓宽专业口径的教学改革思想，另一方面也反映了材料科学发展的进程。同时，各校在该专业目录之外还保留了一些材料类的特色专业，如高分子材料、生物医学材料等。

但是，新的材料专业的教学体系的构建远非一个专业目录就可以完成的。专业名称改革之前，在不同的专业中，有关材料中的物理问题分散于固体物理、金属物理、金属学、热处理原理、陶瓷学、无机非金属材料工程学、高分子物理、金属物理性能、金属力学性能等课程中。新的专业教学体系迫切需要将金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料乃至复合材料中的物理问题融合为统一整体的材料物理教材。

*新的专业目录公布后，1999年国内就有同时涉及这些材料的材料物理教材问世，满足了一时之急需。但短时间的仓促成书也显出一些弊病，一是未经实际教学检验，二是虽将不同材料的问题编写在一起，但缺乏有机的融合。之后也有相应教材的成熟之作问世，但就我们所见的教材是适用于理科的本科生和研究生的，学习该类教材的学生必须有较好的数理基础，对工科的材料学、材料加工工程等专业的本科生来讲有一定的难度。所以，工科类材料科学与工程专业的材料物理课程教学中一直难于找到合适的教材，这是笔者编写本教材的初衷。同时，本教材力求适应工科材料学及相关专业学生的数理基础，较全面地反映材料中共有的物理现象及其本质。教材编写过程中注意从材料中的物理现象出发，在一定的模型、假设的基础上，用一定的理论结果对现象进行形象的定性描述。当然，用方程式来描述材料中的物理现象是比任何语言都更准确的，但在有限的学时中能否使学生完全掌握则存在问题。因此本书对现象的说明尽量略去繁复的推导，使初学者逐步了解和掌握材料中的物理现象及其本质原因。如果使用后表明本书确实具有上述特色，笔者将感到十分欣慰。

除了作为工科的材料物理教材外，本书还可以作为相近专业研究生和本科生的教材和参考书。

由于笔者的学识水平有限，书中可能存在一些疏漏和错误，希望读者给予批评指正。你的指正必然有助于本书的完善，笔者对此不胜感激。

编著者

2008.12