材料物理

第1章 材料的电子理论1

1.1 波函数和薛定谔方程1

1.1.1 微观粒子的波粒二象性1

1.1.2 波函数和薛定谔方程2

1.2 经典统计和量子统计4

1.3 自由电子假设6

1.3.1 经典自由电子理论6

1.3.2 量子自由电子理论6

1.4 能带理论13

1.4.1 近（准）自由电子近似和能带13

1.4.2 布里渊区17

1.4.3 近自由电子近似下的状态密度19

1.4.4 能带理论对材料导电性的解释20

思考题和习题21

第2章 材料的晶态结构23

2.1 晶体学基础23

2.1.1 点阵和晶胞23

2.1.2 晶向指数和晶面指数27

2.1.3 晶面间距29

2.1.4 非晶态材料的结构30

2.1.5 准晶体的结构31

2.2 金属材料的结构33

2.2.1 纯金属的典型晶体结构33

2.2.2 合金相结构37

2.3 陶瓷材料的结构44

2.3.1 特种陶瓷的结构45

2.3.2 硅酸盐的晶体结构46

2.3.3 玻璃的结构49

2.4 低维材料的结构51

2.4.1 薄膜的形成过程51

2.4.2 薄膜的结构54

思考题和习题56

第3章 晶体缺陷58

3.1 晶体缺陷概述58

3.2 点缺陷58

3.2.1 肖脱基缺陷和弗兰克尔缺陷58

3.2.2 点缺陷的特点59

3.2.3 点缺陷的平衡浓度59

3.2.4 空位形成能60

3.2.5 点缺陷对性能的影响61

3.2.6 过饱和点缺陷61

3.3 位错62

3.3.1 位错的发现62

3.3.2 位错的概念和柏氏矢量63

3.3.3 位错的运动65

3.3.4 位错对晶体性能的影响67

3.4 面缺陷68

3.4.1 晶界68

3.4.2 堆垛层错72

3.4.3 孪晶界73

3.4.4 外表面73

3.4.5 相界面74

思考题和习题75

第4章 材料的固态相变77

4.1 固态相变的概念及分类77

4.1.1 相变的基本概念77

4.1.2 固态相变的一般特点78

4.1.3 固态相变的分类80

4.2 多晶形性转变82

4.2.1 相变驱动力82

4.2.2 相变过程83

4.3 共析转变83

4.3.1 共析转变的热力学83

4.3.2 共析转变的过程84

4.3.3 共析转变的动力学86

4.4 马氏体转变87

4.4.1 马氏体的概念87

4.4.2 马氏体转变的特点88

4.4.3 马氏体转变的动力学89

4.4.4 马氏体转变的热力学91

4.4.5 马氏体的组织形态93

4.4.6 马氏体的转变机制94

4.4.7 热弹性马氏体与形状记忆效应96

4.5 贝氏体转变100

4.5.1 贝氏体的组织形态100

4.5.2 贝氏体转变的动力学102

4.5.3 贝氏体转变的特点102

4.5.4 贝氏体转变的机制103

4.5.5 贝氏体的定义103

4.6 玻璃态转变和非晶态合金104

4.6.1 非晶态转变和玻璃化温度104

4.6.2 非晶态合金的形成105

思考题和习题106

第5章 材料的固态扩散108

5.1 扩散动力学108

5.1.1 扩散第一定律108

5.1.2 扩散第二定律109

5.2 扩散机制113

5.2.1 间隙扩散113

5.2.2 置换扩散115

5.2.3 晶界扩散和位错扩散117

5.3 上坡扩散118

5.4 影响扩散的因素119

5.4.1 温度119

5.4.2 固溶体类型119

5.4.3 晶体结构120

5.4.4 溶质浓度120

5.4.5 第三组元120

5.4.6 晶体缺陷121

思考题和习题122

第6章 材料的电学性能123

6.1 金属导体的导电性123

6.1.1 自由电子近似下的导电性123

6.1.2 能带理论下的导电性124

6.1.3 导电性与温度的关系125

6.1.4 电导功能材料127

6.2 半导体的导电性128

6.2.1 本征半导体128

6.2.2 杂质半导体130

6.2.3 霍尔效应134

6.3 离子晶体的导电性135

6.3.1 离子导电的理论135

6.3.2 离子导电的影响因素138

6.3.3 快离子导体139

6.4 超导电性140

6.4.1 超导现象140

6.4.2 超导理论142

6.4.3 超导研究的进展及其应用145

6.5 热电效应146

6.5.1 热电势146

6.5.2 塞贝克效应147

6.5.3 珀耳帖效应149

6.6 材料的介电性能149

6.6.1 电介质的极化149

6.6.2 介电损耗153

6.6.3 介电体击穿156

思考题和习题158

第7章 材料的磁学性能160

7.1 材料磁性能的表征参量和材料磁化的分类160

7.1.1 材料磁性能的表征参量160

7.1.2 材料磁化的分类161

7.2 孤立原子的磁矩162

7.2.1 电子和原子核的磁矩162

7.2.2 原子的磁矩164

7.3 抗磁性和顺磁性165

7.3.1 抗磁性165

7.3.2 顺磁性166

7.4 铁磁性167

7.4.1 铁磁体磁化的现象167

7.4.2 铁磁体的自发磁化171

7.4.3 铁磁体的技术磁化177

7.5 强磁材料181

7.5.1 软磁材料181

7.5.2 硬磁材料181

7.5.3 磁记录材料182

思考题和习题183

第8章 材料的热学性能184

8.1 材料的热容184

8.1.1 杜隆珀替定律184

8.1.2 热容的量子理论185

8.1.3 实际材料的热容188

8.1.4 热分析法190

8.2 材料的热传导190

8.2.1 热传导的宏观现象190

8.2.2 热传导的机理191

8.2.3 实际材料的导热192

8.3 材料的热膨胀195

8.3.1 热膨胀的宏观现象195

8.3.2 热膨胀的微观机理196

8.3.3 热膨胀系数与其他物理量的

关系197

8.3.4 实际材料的热膨胀198

8.3.5 膨胀分析和膨胀合金200

8.4 材料的热稳定性201

8.4.1 热应力202

8.4.2 抗热冲击断裂性能203

8.4.3 实际材料热稳定性的表征206

思考题和习题207

第9章 材料的力学性能208

9.1 材料的力学性能指标208

9.1.1 应力和应变208

9.1.2 材料的静载力学性能指标209

9.1.3 硬度212

9.2 材料的变形213

9.2.1 晶体的弹性变形213

9.2.2 晶体的塑性变形218

9.2.3 晶体的蠕变223

9.2.4 材料的黏性流动和黏弹性224

9.3 材料的断裂226

9.3.1 理论断裂强度226

9.3.2 格里菲斯断裂强度理论228

9.3.3 材料断裂的过程230

9.4 材料的断裂韧性235

9.4.1 裂纹尖端应力场强度因子KⅠ及断裂韧性KⅠc235

9.4.2 裂纹尖端应力的塑性变形区修正236

9.4.3 陶瓷材料的强韧化方法239

9.5 材料的疲劳241

9.5.1 疲劳现象和疲劳极限241

9.5.2 疲劳破坏的微观机制243

9.6 材料的抗冲击性能244

9.6.1 冲击韧性试验244

9.6.2 金属材料的冷脆245

思考题和习题246

第10章 材料的光学性能248

10.1 光与材料的作用248

10.1.1 光的物理本质248

10.1.2 光与材料作用的一般规律249

10.1.3 金属材料对光的吸收和反射250

10.1.4 非金属材料对光的反应251

10.2 材料的发光和激光259

10.2.1 发光和热辐射259

10.2.2 激光的产生260

10.3 光学材料262

10.3.1 发光材料262

10.3.2 固体激光工作物质262

10.3.3 光导纤维264

思考题和习题265

参考文献266

本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材。讲述材料中的主要物理现象及其本质机理和应用。全书共分为十章，分别是：材料的电子理论、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、材料的电学性能、材料的磁学性能、材料的热学性能、材料的力学性能、材料的光学性能。为了便于学习使用，特在每章后附有思考题和习题。
　　本书可作为工科学校的材料科学与工程专业师生的材料物理课程教材，也可作为相近专业研究生和本科生的教材和参考书以及材料科学与工程工作者的参考书。