本书阐述了材料科学与工程的基础理论及其在材料加工工程中的应用，介绍了材料的成分、加工工艺、组织结构和性能之间的关系。主要包括原子结构与原子间结合键、晶体结构、固体中的扩散、材料的固化、相图、固态相变与金属热处理、金属的力学性能及其他性能、高分子材料的结构与性能、陶瓷的结构与性能等内容。
本书可作为高等院校材料科学与工程、材料加工工程和机械工程类专业学生的教材，也可供有关工程技术人员学习、参考。
本书为北京高等教育精品教材。
本书是根据教育部1998年调整的最新专业目录，为适应按系设置宽口径专业的改革需要，本着加强基础、淡化专业和宽口径的宗旨，作为材料加工工程专业的通用教材，并作为“材料加工原理”、“材料加工工艺”和“工程材料”课程的配套教材而编写的。
本书是在清华大学出版社《材料工程基础》第1版（2003年）的基础上重编的。保留了《材料工程基础》第1版中的一些重要内容，并参照国内外最新教材，按新的材料加工工程专业方向的要求，进行了较大的修改和补充。本书不仅系统介绍了材料科学与工程的基础理论，而且各章节均紧密结合材料加工学科的现状与发展动向，补充了较多的新事例，介绍了前沿性科研成果，为学生进一步学习材料加工工程的专业知识打下必要的基础。如在“晶体结构”一章中，不但介绍了晶体结构的经典内容，而且介绍了准晶和液晶等新内容，以及分析晶体结构的X射线法；在“固体扩散”一章中，不仅介绍了扩散的一般特点，还介绍了离子晶体、共价晶体和非晶体扩散的特点，以及扩散与材料加工的关系等新内容；在“凝固”一章中，首先介绍了材料固化的一般理论，接着介绍了金属凝固和高聚物的固化等，还增加了凝固理论的实际应用部分，介绍了微重力条件下金属的凝固、定向凝固和急冷凝固技术等具有国际先进水平的新科研成果和前沿课题；既考虑到目前以金属材料为主要加工对象的现状，又注意到高分子材料和陶瓷在材料加工工程中日益广泛应用的发展前景。
本书不仅介绍材料组织结构的知识，而且增加了材料性能尤其是力学性能的知识，重点突出材料的成分、加工工艺、组织结构与性能的关系，使学生更好地掌握本课程学习的主线。
配合本教材，另外编写了《材料工程基础辅导与实验》一书。内容包括《材料工程基础》各章内容提要、习题、课堂讨论指导书和实验指导书，作为《材料工程基础》的配套教材。
本书得到北京市教育委员会高等教育精品教材建设项目和清华大学“985”教材项目的资助，特表示衷心的感谢。
本书的编写参考了国内外的有关教材、科技著作等文献，在此特向有关作者致以深切的谢意。
由于编者水平有限，本书不足之处在所难免，敬请读者批评指正。
王昆林 2009年3月
目 录1 绪论1
1.1 材料发展概要1
1. 1. 1 石器时代1
1. 1. 2 青铜器时代2
1. 1. 3 铁器时代3
1. 1. 4 钢铁工业和有色金属的发展3
1. 1. 5 非金属材料的发展4
1. 1. 6 复合材料及新材料技术的发展 4
1.2 材料应用现状5
1. 3 新材料的发展趋势7
1.4 材料科学与工程简介11
1. 4. 1 材料科学与工程学科的形成11
1. 4. 2 材料科学与工程的内容12
1. 4. 3 材料科学与工程的特点16
1.5 材料的分类17
1. 5. 1 金属材料18
1. 5. 2 高分子材料18
1. 5. 3 陶瓷材料19
1. 5. 4 复合材料19
1. 6 材料加工工程简介19
1. 6. 1 材料加工工艺20
1.6.2 新一代材料加工技术21
1.6.3 材料加工过程的计算机建模与仿真22
1. 6. 4 材料加工对结构和性能的影响23
2 原子结构与原子间结合键25
2.1 原子结构25
2.2 原子序数和原子质量25
2. 2. 1 原子序数25
2. 2. 2 核素与同位素26
2. 2. 3 原子质量与相对原子质量26
2.3 原子的电子层结构27
2. 3. 1 核外电子的运动状态27
2. 3. 2 多电子原子轨道的能级29
2. 3. 3 原子的电子层结构31
2. 3. 4 原子的电子层结构与元素周期律、周期表35
2. 3. 5 原子结构与元素性质38
2. 4 原子的结合键43
2. 4. 1 一次键43
2. 4. 2 二次键46
2. 4. 3 混合键47
2. 4. 4 结合键的本质及原子间距48
2. 4. 5 结合键与性能49
材料工程基础（第2版）目 录3 晶体结构51
3. 1 晶体特征51
3. 2 空间点阵与晶胞52
3. 2. 1 空间点阵和晶格52
3. 2. 2 晶胞52
3. 3 晶系与布拉菲点阵53
3. 4 晶向与晶向指数55
3. 4. 1 立方晶系的晶向指数55
3. 4. 2 六方晶系的晶向指数56
3. 5 晶面与晶面指数56
3. 5. 1 立方晶系的晶面指数56
3. 5. 2 六方晶系的晶面指数58
3. 6 晶带和晶面间距58
3.6.1 晶带58
3.6.2 晶面间距59
3. 7 典型的金属晶体结构60
3. 7. 1 体心立方晶胞60
3. 7. 2 面心方立晶胞60
3. 7. 3 密排六方晶胞61
3. 7.4 三种典型晶体结构的比较61
3.8 原子体密度、面密度和线密度67
3.8.1 原子体密度67
3.8.2 原子面密度67
3.8.3 原子线密度69
3. 9 多晶型性与同素异构转变69
3. 10 单晶与多晶71
3.11 离子晶体结构与共价晶体结构72
3.11.1 离子晶体结构72
3.11.2 共价晶体结构73
3. 12 微晶、准晶与液晶74
3. 12. 1 微晶74
3. 12. 2 准晶74
3. 12. 3 液晶75
3. 13 合金相结构77
3. 13. 1 固溶体77
3. 13. 2 中间相84
3. 14 晶体缺陷89
3. 14. 1 点缺陷90
3. 14. 2 线缺陷92
3. 14. 3 面缺陷100
3. 15 非晶态合金104
3. 16 用X射线衍射法分析晶体结构105
4 固体中的扩散 107
4.1 概述107
4.1.1 扩散机制107
4.1.2 扩散的驱动力109
4.1.3 固态扩散的分类109
4.2 扩散定律110
4.2.1 稳态扩散与扩散第一定律110
4.2.2 非稳态扩散与扩散第二定律111
4.3 影响扩散的因素113
4.3.1 温度的影响113
4.3.2 晶体结构的影响114
4.3.3 基体金属的性质114
4.3.4 固溶体类型对扩散的影响115
4.3.5 固溶体浓度对扩散的影响115
4.3.6 晶体缺陷的影响116
4.4 反应扩散116
4.4.1 反应扩散的过程及特点116
4.4.2 反应扩散的实例116
4.5 离子晶体和共价晶体中的扩散118
4.5.1 离子晶体中的扩散118
4.5.2 共价晶体中的扩散119
4.6 纳米晶体材料的扩散119
4. 7 非晶体中的扩散120
4.8 扩散与材料加工120
4.8.1 扩散与晶粒长大120
4.8.2 钢的气体渗碳表面硬化121
4.8.3 硅晶片的掺杂扩散 123
4.8.4 扩散焊123
4.8.5 扩散与烧结和粉末冶金124
5 材料的固化125
5.1 材料固化的概念与特征125
5.1.1 材料固化的概念125
5.1.2 材料固化的特征125
5.2 金属的结晶126
5.2.1 金属结晶的条件与过程126
5.2.2 形核130
5.2.3 晶核长大136
5.2.4 金属铸锭的组织141
5.3 高聚物的固化142
5.3.1 固化过程及特点142
5.3.2 二次结晶与热处理144
5.4 材料固化理论的应用145
5.4.1 细化晶粒145
5.4.2 液态急冷技术147
5.4.3 单晶的制取150
5.4.4 定向凝固150
5.4.5 微重力(太空失重)条件下的材料固化151
6 相图153
6.1 相图基本概念153
6.1.1 相图153
6.1.2 相图的表示方法153
6.1.3 相图的建立方法154
6.2 相律和杠杆定律155
6.2.1 相律155
6.2.2 杠杆定律155
6.3 二元匀晶相图157
6.3.1 相图分析157
6.3.2 平衡结晶过程分析157
6.3.3 非平衡结晶过程分析158
6.3.4 成分过冷与晶体长大形态160
6.4 二元共晶相图164
6.4.1 相图分析164
6.4.2 典型合金平衡结晶过程分析165
6.4.3 初晶和共晶的组织形态168
6.4.4 非平衡结晶的特点170
6.5 二元包晶相图172
6.5.1 相图分析172
6.5.2 典型合金平衡结晶过程分析173
6.5.3 非平衡结晶的特点174
6.6 其他类型的二元相图175
6.6.1 具有化合物的相图175
6.6.2 具有三相平衡恒温转变的其他二元相图177
6.6.3 具有同素异晶转变的相图178
6.7 相图基本类型小结180
6.7.1 相图基本形式180
6.7.2 相图基本单元及其组合规律--相区接触法则180
6.8 二元相图的分析181
6.8.1 二元相图的分析方法181
6.8.2 二元相图分析举例182
6.9 相图与性能的关系183
6.9.1 相图与合金使用性能的关系183
6.9.2 相图与合金工艺性能的关系184
6.10 铁碳合金相图185
6.10.1 铁碳相图185
6.10.2 典型铁碳合金的平衡结晶过程189
6.10.3 碳对铁碳合金平衡组织与性能的影响195
6.10.4 Fe-Fe3C相图在材料加工中的应用199
7 固态相变与金属热处理201
7.1 固态相变概述201
7.1.1 固态相变的概念201
7.1.2 相变的分类202
7.2 钢的热处理原理204
7.2.1 钢在加热时的转变204
7.2.2 钢在冷却时的转变209
7.2.3 珠光体转变216
7.2.4 马氏体转变221
7.2.5 贝氏体转变225
7.3 钢的热处理工艺228
7.3.1 钢的普通热处理229
7.3.2 钢的表面热处理239
7.3.3 钢的化学热处理240
7.3.4 钢的热处理新技术247
8 金属的力学性能及其他性能251
8.1 金属的应力与应变251
8.1.1 拉伸的应力与应变251
8.1.2 压缩的应力与应变254
8.1.3 弯曲的应力与应变255
8.1.4 剪切的应力与应变257
8.1.5 扭转的应力与应变258
8.2 弹性性能259
8.3 金属单晶体的塑性变形261
8.3.1 滑移261
8.3.2 孪生265
8.4 金属多晶体的塑性变形266
8.4.1 多晶体塑性变形的特点267
8.4.2 晶粒大小对变形的影响268
8.5 合金的塑性变形269
8.5.1 固溶体的塑性变形特点269
8.5.2 多相合金的塑性变形特点271
8.6 塑性变形对合金组织和性能的影响272
8.6.1 塑性变形对组织结构的影响272
8.6.2 塑性变形对性能的影响275
8.7 金属及合金的回复与再结晶276
8.7.1 形变金属或合金加热过程中的一般变化277
8.7.2 回复278
8.7.3 再结晶279
8.7.4 再结晶后的晶粒长大283
8.7.5 再结晶退火后的组织286
8.7.6 金属与合金的热加工287
8.8 金属的断裂288
8.8.1 断裂的一般过程289
8.8.2 脆性断裂289
8.8.3 韧性断裂291
8.8.4 韧性-脆性的转移292
8.8.5 断裂韧性293
8.9 金属的疲劳294
8.10 金属的蠕变和持久强度296
8.10.1 金属的蠕变296
8.10.2 持久强度297
8.11 硬度297
8.11.1 布氏硬度298
8.11.2 洛氏硬度298
8.12 金属的磨损299
8.13 金属的物理和化学性能300
8.13.1 金属的物理性能300
8.13.2 金属的化学性能302
8.14 金属的工艺性能302
8.14.1 铸造性能303
8.14.2 锻造性能303
8.14.3 焊接性能304
8.14.4 切削加工性能304
8.14.5 热处理工艺性能304
9 高分子材料的结构与性能305
9.1 概述305
9.1.1 高分子材料的基本概念305
9.1.2 高分子材料的合成308
9.1.3 高聚物材料的加工成型309
9.2 高聚物的结构310
9.2.1 大分子内和大分子之间的相互作用310
9.2.2 大分子链结构311
9.2.3 大分子的聚集态结构317
9.3 高聚物的性能319
9.3.1 高聚物的力学性能319
9.3.2 高聚物的物理性能和化学性能特点330
10 陶瓷的结构与性能333
10.1 陶瓷材料概述333
10.1.1 陶瓷的概念333
10.1.2 陶瓷的分类333
10.1.3 陶瓷的生产334
10.2 陶瓷的组织与结构336
10.2.1 陶瓷的组织336
10.2.2 陶瓷的结构336
10.3 陶瓷材料的性能342
10.3.1 陶瓷的机械性能342
10.3.2 陶瓷的物理和化学性能346
10.4 陶瓷材料加工347
10.4.1 陶瓷表面金属化与封接(焊接)347
10.4.2 陶瓷表面涂层349
10.4.3 陶瓷的加工354
参考文献357
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