本教材兼顾材料科学与材料工程两个分支学科，全面介绍了材料的结构、性能、制备和应用等方面的基础知识，涵盖金属材料、无机非金属材料、高分子材料，以及半导体材料、能源材料、智能材料、生物材料等先进材料。教材分为结构与缺陷、形变与强化、扩散与相变、性能与应用四个部分，内容注重理论与实践的结合，通过丰富的实例，帮助读者深入理解材料科学与工程的基本概念和原理，掌握材料的力学、物理学、化学、生物学等方面的主要性能，了解材料在各个领域的应用和发展趋势。

叶飞，南方科技大学材料科学与工程系教授 。
作者于1994年至2004年在清华大学学习，并先后获得学士、硕士和博士学位。2004年至2010年在日本物质材料研究机构工作，并于2008年聘为正式研究员。2010年至2018年在大连理工大学材料科学与工程学院任教授，博士生导师。2018年7月在南方科技大学工作。
主要从事材料缺陷结构研究和燃料电池材料开发，揭示短程有序结构对材料性能的影响规律，提出控制纳米尺度结构提高性能的工艺方法 。

第1章　走进材料科学与工程 001
1.1　材料与人类文明 001
1.2　材料科学与工程的内涵 003
1.2.1　材料四要素之成分 003
1.2.2　材料四要素之结构 004
1.2.3　材料四要素之工艺 005
1.2.4　材料四要素之性能 008
1.3　材料演化与分类 009
1.3.1　天然材料 009
1.3.2　人工材料 009
1.3.3　发展趋势 013
习题 016


第一部分　结构与缺陷
第2章　原子结构与结合键 018
2.1　原子结构 018
2.1.1　原子的内部结构 018
2.1.2　原子结构模型 019
2.2　元素周期表 022
2.2.1　元素周期表的结构 022
2.2.2　元素性能的周期性规律 024
2.3　原子间结合键 024
2.3.1　原子间作用力和结合能 025
2.3.2　主价键 027
2.3.3　次价键 029
2.3.4　实际材料中的结合键 030
习题 031

第3章　晶体结构基础 032
3.1　晶体 032
3.1.1　晶体的定义 032
3.1.2　晶体的基本特征 033
3.2　空间点阵和晶胞 034
3.2.1　晶体结构与点阵 034
3.2.2　晶胞 035
3.2.3　晶体的对称性 036
3.2.4　晶系 036
3.2.5　布拉维点阵 037
3.3　晶向和晶面 039
3.3.1　晶向指数 039
3.3.2　晶面指数 040
3.3.3　六方晶系的四轴指数 041
3.3.4　晶向长度和夹角 042
3.3.5　晶面间距和夹角 042
3.4　晶体投影 044
3.4.1　极射赤面投影 044
3.4.2　乌氏网 046
3.5　非晶体 046
习题 048

第4章　固体结构 049
4.1　纯金属的晶体结构 049
4.1.1　面心立方结构 050
4.1.2　体心立方结构 051
4.1.3　密排六方结构 052
4.1.4　晶体的理论密度 052
4.1.5　原子堆垛 053
4.1.6　晶体结构中的间隙 054
4.2　合金的晶体结构 055
4.2.1　固溶体 056
4.2.2　金属间化合物 057
4.3　离子晶体的结构 060
4.3.1　离子晶体的结构规则 060
4.3.2　典型的离子晶体结构 062
4.4　共价晶体的结构 064
4.5　高分子聚合物的结构 065
4.5.1　碳氢分子 066
4.5.2　聚合物分子 067
4.5.3　聚合物的分子量 070
4.5.4　分子链的形态和结构 071
4.5.5　热塑性与热固性聚合物 072
4.5.6　聚合物晶体 073
4.6　同素异构与同分异构 074
4.6.1　同素异构 074
4.6.2　同分异构 076
习题 077

第5章　晶体缺陷 079
5.1　点缺陷 079
5.1.1　金属中的点缺陷 079
5.1.2　陶瓷中的点缺陷 081
5.1.3　晶态聚合物中的点缺陷 083
5.1.4　原子振动 084
5.2　位错 084
5.2.1　位错的结构特征 085
5.2.2　伯氏矢量 087
5.2.3　位错的线张力 089
5.2.4　位错的运动 090
5.2.5　位错的形成与增殖 094
5.3　面缺陷 096
5.3.1　晶体表面 096
5.3.2　晶界 099
5.3.3　相界 105
5.3.4　其他面缺陷 107
5.4　体缺陷 108
习题 108


第二部分　形变与强化
第6章　材料力学性能 110
6.1　应力与应变 110
6.2　弹性变形与塑性变形 111
6.2.1　弹性变形 111
6.2.2　塑性变形 112
6.3　材料的拉伸性能 112
6.3.1　材料拉伸测试 112
6.3.2　金属材料的拉伸性能 113
6.3.3　聚合物材料的拉伸性能 120
6.4　硬度 123
6.4.1　布氏硬度 124
6.4.2　洛氏硬度 124
6.4.3　维氏硬度 125
6.4.4　努氏硬度 126
6.4.5　邵氏硬度 126
6.5　抗冲击性能 127
6.6　其他常用力学性能 128
6.6.1　压缩 128
6.6.2　扭转 129
6.6.3　弯曲 130
6.7　材料性能的可变性与设计安全因素 132
6.7.1　材料性能的可变性 132
6.7.2　设计安全因素 133
习题 135

第7章　变形和强化机制 136
7.1　弹性变形机制 136
7.2　塑性变形机制 138
7.2.1　单晶体的滑移 138
7.2.2　单晶体的孪生 142
7.2.3　多晶体的塑性变形 144
7.3　塑性变形中材料组织和性能的变化 146
7.3.1　晶粒形貌 146
7.3.2　变形织构 147
7.3.3　位错亚结构 147
7.3.4　残余应力 147
7.4　强化机制 148
7.4.1　细晶强化 148
7.4.2　固溶强化 150
7.4.3　加工硬化 152
7.4.4　第二相强化 154
7.5　回复、再结晶和晶粒长大 157
7.5.1　回复 157
7.5.2　再结晶 158
7.5.3　再结晶后的晶粒长大 162
7.6　非晶体的塑性变形 164
7.6.1　非晶态聚合物的变形 164
7.6.2　非晶合金的变形 166
7.6.3　非晶陶瓷的变形 166
习题 167

第8章　材料的失效 168
8.1　断裂 168
8.1.1　韧性断裂和脆性断裂 168
8.1.2　断口特征 169
8.1.3　断裂力学原理 172
8.1.4　影响材料韧性的因素 174
8.2　疲劳 176
8.2.1　循环应力 177
8.2.2　SN曲线 178
8.2.3　疲劳裂纹的形成与扩展 179
8.2.4　影响疲劳寿命的因素 180
8.3　蠕变 182
8.3.1　蠕变行为 182
8.3.2　影响蠕变性能的因素 183
习题 184


第三部分　扩散与相变
第9章　固体中的扩散 186
9.1　扩散现象 186
9.2　稳态扩散与菲克第一定律 188
9.3　非稳态扩散与菲克第二定律 189
9.4　扩散微观机制 190
9.4.1　扩散机制 190
9.4.2　扩散通道 191
9.5　影响扩散的因素 192
9.5.1　温度 192
9.5.2　材料的结构 193
9.6　不同材料中的扩散 193
9.6.1　半导体材料中的扩散 193
9.6.2　离子晶体中的扩散 194
9.6.3　聚合物中的扩散 194
习题 195

第10章　相图 196
10.1　相和相平衡 196
10.1.1　相的概念 196
10.1.2　相平衡 197
10.1.3　相律 197
10.2　相图的测定和热力学基础 197
10.2.1　相图的测定方法 197
10.2.2　相图的热力学基础 200
10.3　单组元相图 204
10.4　二元相图 205
10.4.1　匀晶相图 205
10.4.2　共晶相图 209
10.4.3　共析和包晶相图 214
10.4.4　复杂二元相图分析 215
10.5　铁碳相图 216
10.5.1　铁碳相图的特征 216
10.5.2　典型铁碳合金的平衡凝固组织转变 219
10.5.3　含碳量对铁碳平衡组织和性能的影响 227
10.6　三元相图 229
10.6.1　三元相图成分表示方法 229
10.6.2　三元匀晶相图 232
10.6.3　截面图和投影图 232
习题 235

第11章　相变 237
11.1　相变过程中的形核 237
11.1.1　均匀形核 238
11.1.2　非均匀形核 242
11.2　相变过程中的晶核长大 244
11.3　固态相变 245
11.3.1　固态相变的特点 245
11.3.2　固态相变动力学 246
11.3.3　亚稳态和平衡态 247
11.4　等温转变 247
11.4.1　珠光体转变 247
11.4.2　贝氏体转变 251
11.4.3　马氏体转变 253
11.5　连续冷却转变 256
11.6　铁碳合金典型组织的力学性能 257
11.6.1　珠光体的力学性能 257
11.6.2　贝氏体的力学性能 259
11.6.3　马氏体的力学性能 261
习题 264


第四部分　性能与应用
第12章　电学性能 266
12.1　经典导电模型 266
12.1.1　欧姆定律和电导率 266
12.1.2　电子与离子导电 268
12.2　能带结构与导电性能 268
12.2.1　能带的形成 268
12.2.2　金属、半导体和绝缘体的能带结构 269
12.3　金属的导电性能 271
12.4　半导体的导电性能 272
12.4.1　本征半导体 273
12.4.2　非本征半导体 273
12.4.3　温度对载流子浓度的影响 275
12.4.4　影响迁移率的因素 276
12.4.5　霍尔效应 276
12.4.6　PN结与晶体管 277
12.5　陶瓷材料的导电性能 278
12.6　聚合物材料的导电性能 279
12.7　介电材料 280
12.7.1　介电材料的极化 280
12.7.2　储能介电材料 282
12.7.3　压电和铁电材料 285
12.7.4　低温共烧陶瓷技术与器件 286
习题 288

第13章　热学性能 289
13.1　热容 289
13.1.1　经典热容理论 290
13.1.2　量子热容理论 290
13.1.3　比热容的测定 292
13.2　热膨胀与热应力 292
13.2.1　热膨胀 292
13.2.2　热应力 293
13.3　储热和制冷 294
13.3.1　储热技术 294
13.3.2　卡路里制冷 295
13.4　热传导 295
13.4.1　热载流子 295
13.4.2　热导率 296
13.4.3　宏观传热模型 297
13.4.4　微观传热模型 298
13.4.5　热导率的测量方法 300
13.5　热阻 303
13.5.1　热阻的定义 303
13.5.2　界面热阻 304
13.5.3　界面热阻的物理模型 305
13.6　传热性能的优化与控制 306
13.6.1　提高热导率的方法 306
13.6.2　降低界面热阻的方法 306
习题 307

第14章　磁学性能 308
14.1　磁性相关物理量 308
14.1.1　磁偶极子和磁偶极矩 309
14.1.2　磁场强度和磁感应强度 309
14.1.3　相对磁导率和磁化强度 310
14.1.4　磁学物理量的单位 311
14.2　原子磁性来源 312
14.2.1　电子磁矩 312
14.2.2　原子核磁矩 314
14.3　宏观物质磁性的分类 315
14.3.1　抗磁性 315
14.3.2　顺磁性 317
14.3.3　磁序 318
14.4　磁畴与技术磁化 322
14.4.1　磁畴 322
14.4.2　磁化过程与磁滞 323
14.4.3　磁各向异性 324
14.5　磁性材料的表征与应用 325
14.5.1　磁性材料的表征 325
14.5.2　磁性材料的应用 326
习题 327

第15章　光学性能 328
15.1　介电材料的折射率 328
15.1.1　介电材料中束缚电子的动力学方程 329
15.1.2　介电材料的折射率模型 330
15.2　金属的折射率 332
15.2.1　金属中自由电子的动力学方程 332
15.2.2　金属的折射率模型 333
15.3　光在各向同性介质中的传播 335
15.3.1　光在材料界面的反射与折射 335
15.3.2　光在薄膜材料中的传播 338
15.3.3　材料折射率的测量 340
15.4　光在各向异性材料中的传播 341
15.4.1　双折射 341
15.4.2　琼斯矩阵 342
习题 344

第16章　生物相容性 345
16.1　材料与生物体的相互作用 345
16.1.1　材料与血液的相互作用 346
16.1.2　材料与蛋白质的相互作用 347
16.1.3　材料与细胞的相互作用 348
16.1.4　材料与组织的相互作用 349
16.1.5　植入材料在生物体内的变化 350
16.2　生物相容性的分类 351
16.2.1　组织相容性 352
16.2.2　血液相容性 352
16.3　影响材料生物相容性的因素 353
16.3.1　材料结构对组织相容性的影响 353
16.3.2　材料表面特性对血液相容性的影响 353
16.4　生物相容性的评价 353
16.4.1　生物相容性的评价标准 354
16.4.2　生物相容性的评价方法 354
习题 355

第17章　材料的前沿应用 356
17.1　半导体材料 356
17.1.1　晶体管 357
17.1.2　发光器件 359
17.1.3　光伏器件 361
17.1.4　热电器件 362
17.1.5　传感器件 363
17.2　智能材料 365
17.2.1　智能材料的发展历程 365
17.2.2　智能材料的分类 366
17.2.3　智能材料的应用 366
17.2.4　智能材料面临的挑战和发展趋势 373
17.3　电池材料 374
17.3.1　电池简史 374
17.3.2　锂离子电池 374
17.3.3　钠离子电池 380
17.3.4　下一代高性能电池 380
17.4　环境材料 384
17.4.1　环境材料的定义 384
17.4.2　环境材料的分类 385
17.4.3　生命周期评价 385
17.4.4　环境材料的应用 386
17.5　生物材料 388
17.5.1　生物材料的定义 388
17.5.2　生物材料的发展历程 388
17.5.3　生物材料的分类 390
17.5.4　生物材料的应用 392
习题 393

第18章　材料与社会 394
18.1　原料的丰度与纯度 394
18.1.1　丰度与供求平衡 394
18.1.2　纯度与高纯物质 397
18.2　材料的能耗与碳排放 398
18.3　产品的寿命与材料的失效 401
18.3.1　产品的寿命 401
18.3.2　材料的失效 401
18.4　废品的处置与循环 402
18.4.1　二次直接利用与二次工程化利用 402
18.4.2　原料回收与再利用 403
18.4.3　填埋与燃烧 405
18.5　材料优选与社会可持续发展 405
18.5.1　生态审计 406
18.5.2　材料优选 406
18.5.3　材料使用效率 407
18.5.4　社会可持续发展 408
习题 410


习题参考答案（二维码） 411

参考文献　 412