PERGAMON MATERIALS SERIES SERIES EDITOR R.W CAHN THE COMING OF MATERIALS SCIENCE R.W.CAHN Pergamon
谨以此书纪念 伯明翰大学的Daniel Hanson教授(18921953) 他在推动治金学教学的现代化中起到了重要作用 因而为材料科学的诞生奠定了基础
5a0ww28工年衣 4 我花费了许多年的时间作准备来写这本书，目的有两层意思。在我的职业生涯 中，“材料科学与工程”学科从最初的诞生，我就与它的发展休戚相关。因此，我 想要记录下来它的发展历史阶段，以及一些很久以前就预料发生的事情。我的第二 个目的与第一个目的密不可分，就是为初步接触本学科的读者以及那些长期从事材 料研究的人们勾画出相关研究的现状。我的主题是科学，而不是已在很多书中详细 描述的那些出现在科学之前的技艺。这本书主要写给正在从事相关研究的科学工作 者和工程师，还有那些有兴趣进入这一领域的学生们。如果还有专业从事科学史研 究的学者们对本书感兴趣，我将会由衷地感到高兴。 本书的第1章从学术和产业的角度叙述了材料科学概念的形成。第2章和第3 章回顾了材料科学出现之前的历史，包括原子、晶体和热力学这些概念的出现和应 用，以及许多相关学科的演化过程，从而看到相互之间的影响和帮助。因此，我从 不同方面和不同深度上作了努力。本书绝对不是一本材料科学的教科书，而是从一 段距离上来透视材料科学。一个具体学科的发展历程长短并不能作为本书说明其重 要性的依据，对于某一主题的冗长叙述也不代表判断其价值所在。我只是想在有限 的篇幅内平衡好各个主题，并从那些一起构建材料科学与工程的众多人物中选择一 些进行重点介绍 本书涉及的大量文献可清晰地分为两类，许多是最早期的重点文章和书籍；而 另外一些主要是书籍，其描绘了某一主题的目前状况。在本书的前面部分，多数文 献都来自于过去的特定时期。而在后面，由于涉及的是更为现代的部分，所以更偏 于选择近期的文献。 至于谁来领衔去写这样的历史，在专业的科学史学家中确实存在一些争论。那 些训练有素的史学家们肯定会对从事实际工作的科学家们所给出的描述感到不愉 快，这无异于从他们嘴里争食。而我们这些“老朽”的科学家们，被有些史学家们 贬称为“民权主义者”，只是一些与世无争、终生追求认识和改变自然的圣人 (A.R.Ha则称民权主义者把历史写成一个登向光彩而圣洁顶峰的传奇故事)。在 这一评论中还讲了一些公道话，虽然没有前者那样多。另一场争论，也就是最近爆 发的所谓“科学战争”，是发生在外表主义者和那些像我本人一样主要注重内在本 质的人之间；外表主义者认为科学主要依赖于社会压力而形成（不被科学实践者自 身所认可)，而注重本质的人则将科学研究视为来自于那些直接从发展知识及技术 迫切性面产生的问题。外表现象论与内在本质论之间的争论绝对不会最终得到解 决，但读者应至少知道它的存在。无论怎样，我已尽力去了解我自身从事学科的历 更， 并从我所发现的材料科学的演变中给出科学实践方面的一般性结论 贯穿整本书中的另一个主题是：什么是一门学科？学科的产生及其之间的差
异？一门学科能否成为交叉学科？材料科学是一门真正的学科吗？这些问题不是好 像词典编辑中的一份习题，回过头来看，正是这些问题最终给了我去写这本书的 动力。 书中展现了大量的题材，如有不妥之处，由我负责。任何读者如果发现错误之 处，并能通过电子邮件(rwcl2@cam.ac,cn)告知我，将对我是一次帮助。然后， 知有再版机会，我会以纠正。 本书第一次印刷后，正在谁备进行重印。借此机会我改正了许多在第一次印制 漏掉的打印错误及其它小错误。此外，有少数重大事件，如对某些发现的不正确说 明等，均已作了改正。 非常感谢发现本书中打印错误、遗漏之处以及重要脚误的那些读者，使我能在 本次印刷中得以纠正。特别要感谢I本的Masahiro Koiwa、法国的Jean Paul Poirier和Jean Philiber以及美国的Jack Westbrook和Arne Hessenbruch. Robert W.Cahn 剑桥，2002年10月 :醇：
致谢 我首先要感谢治金学家、爵土Alan Cottrel教授，他是我长达半个多世纪的 朋友和恩师。儿乎从我刚刚步人科学研究时起，他就细心地指导我。他还阅读了本 书的初稿，并给出了他的评价，使我获益匪浅。 其次我要感谢冶金学家和史学家Cyril Stanley Smith教授，他教授了我如钊对 一个技术学科历史进行恰当描述，并送给我多本他所著的重要书籍，在本书中我曾 多次引用。. 爵士Brian Pippard教授在1993年给了我一次机会，在·一部材料物理发展史的 书中撰写一个章节。该书名为《二十世纪物理学(Twentieth Century Physics)》, 由他主编并于1995年出版。那。个章节可以说是本书的一个有价值的开端。我也 看到了他自身的贡献对于那部书来说是多么重要。 I992年由Lillian Hoddeson等人编辑版的《晶体困惑之外(Out of the Crystal Maze)》,也是为材料物理提供有价值信息的一部书籍，对材料科学亦有 影响。 资深的固体物理学家Frederick Seitz博士为我提供了很多有价值的信息，特别 是关于半导体材料的发展历史。他与Alan Cottrell爵士一样，是一个不可多得的 典范，即退休后的科学家还可以做很多事情。 开放大学(Open University?)的科学史学家、名誉教授Colin Russel在化学史 方面给我提供了有价值的建议，并让我看到如何以哲学的态度对待现实的科学家与 科学史学家之间的争鸣。我「分感激他。 剑桥大学科学期刊图书馆是一个不可多得的新旧信息库，它的藏书和其工作人 员，以及Whipple历史和科学哲学图书馆、材料科学与冶金系的图书馆的收藏， 都给本书提供了无可比拟的信息来源。 剑桥大学我所在系的Derek Hull教授，Colin Humphreys教授和Alan Windle 教授一直提供理想的条件，使我能够全身心地投入本书的写作。我感谢他们。 还有许多提供过帮助的朋友与同仁，在这里难以一列举，他们通常是自愿地 为我提供了打印件和影印件。下列这些人曾为我提供了专门的信息、评论或说明， 或面谈：Kelly Anderson,V.S.Arunachalam、贝尔实验室的档案室、Yann le Bouar[提供了本书封面用的图l2.3(f)]、Stephen Braun、Paul D.Bristowe、Jo seph E.Burke、.Hendrik B.G.Casimir(已故)、Leo Clarebrough、Clive Cohen、 Peter Day、Anne Smith Denman、Cyril Domb、Peter Duncumb、Peter Edwards、 Morris Fine,Joan Fitch,Jacques Friedel,Robert L.Fullman,Stefano Gialanel- la、Jon Gjonnes,Herbert Gleiter、Gerhard Goldbeck-wood、Charles D.Graham、 Martin L.Green、.A.Lindsay Greer、Karl A.Gschneidner Jr、Peter Haasen(已
故)、Richard H.J.Hannink,Jack Harris、David Harrison爵土，Peter W.Hawkes、Mats Hillert、.Peter Ilirsch爵士、Michael Hoare,Gerald Holton、 John P.Howe(已故)、Archibald Howie、Palcy Johnson、Stephen Keith、An drew Keller(已故)、Peter Keller、David Kingery(已故)、Reiner Kirchheim、 Ernest Kirkendall、Ole,Kleppa、Masahiro Koiwa、Gero Kostorz、Eduard V.Kozlov、Edward Kramer、Kehsin Kuo(郭可信)、Vladislav G.Kurdyumov、 Elisabeth Leedham-Green,Lionel M.Levinson,Eric Lifshin,James Livingston, John W.Martin、Thaddeus Massalski、David Melford、.Harry Melville爵士（已 故)、Peter Morris、Jennifer Moss,.William W.Mullins、John Mundy、Frank Na- barro、Hideo Nakajima、Louis Neel(已故)、Arthur S.Nowick、Kazuhiro Otsu ka、Ronald Ottewill、David Pettifor、Jean-Paul Poirier、G.D.Price、Eugen Rabkin、Srinivasa Ranganathan、C.N.R.Rao、Perey Reboul、M.Wyn Roberts、 John H.Rodgers,Rustum Roy,Derek W.Saunders,Peter Paul Schepp,Her- mann Schmalzried、Changxu Shi(师吾绪)、K.Shimizu、Frans Spaepen,Hcin Stuwe,Robb Thomson、Victor Trefilov、C.Tuijn、David Turnbull、.Ruslan Va- iev、Ajit Ram Verma、Jeffrey Wadsworth、Frederick(Yed)Warner爵L、James A.Warren、Robert C.Weast、.Jack H.Westbrook,(uy White、Robert J.Young、 Xiaodong Xiang。如有狂何无意的疏忽，在此表示歉意。 Elsevier出版公司的Erik Oosterwijk和Lorna Canderton一直关注着本书的印 刷出版，在此我对其所做的一~切表示感谢。 我的儿子Andrew二直鼓励我去写这本书，我感谢他对我的始终支持。我亲爱 的夫人Pt对很多引文进行了评论，此外，是她使得全书的完成成为可能，不仅通 过她对其偏执丈夫不懈追求的信赖，而且总是营造一个温馨的家庭环境。我对她感 激不尽。 Robert W.Cahn
目录 第1章引言 1.1基本概念 1.1.1大学中的材料科学与工程… 1.1.2产业中的材料科学与工程 1.1.3材料研究实验室 1.1.4起源、定义和术语 参考文献 11 第2章学科的出现 13 2.1类比 13 2.1.1:物理化学的出现 2.1.2化学工程的起源 2器 2.1.3高分子群学…… 5 21,4胶体科学…………… 2.1.5体物理与化学 34 2.1.6体连续介质力学与原子力学 2.2学科的自然历史 38 参考文献 39 第3章材料科学诞生的基础 42 3.1:三脚凳的三条腿 42 3.1,1原子和晶体 42 3.1.1,1X射线衔射 50 3.1,2·相平衡与亚稳态 “4 55 3、1.2.1亚稳态………w… 64 3.1.2.2非化学计靠比 65 3.1.3显微组织… 65 3.13.1 眼见为实 72 3.2一些其它的基础… 74 3.2.11日式冶金学与物理治金学 74 3.2.2同素异构现象与相变… 79 3.22.1.形核与调幅分解 83 3.2.3晶体缺陷 84 不.2.3.1点缺陷… 84 3.2.3.2线缺陷：位错 88
3.2.3.3品体生长 93 3.2.3.4“多晶型 96 3.2.3.5: 晶体结构、晶体缺陷和化学反应 98 3.2.4晶体化学与物理 101 3.2.5物理矿物学与地球物理学 105 3.3固体物理学的早期作用 107 3.3.1量子理论和固体电子理论 107 3.3.1.1用电子理论理解合金 110 3.3.2统计力学…… 114 3.3.3磁学… 116 参考文献 121 第4章辅助学科的作用 13 4.1辅助学科在材料科学中的作用 131 4n2一些辅助学科…….…… 132 4.2.1.金属单晶…… 132 4.2.2扩散 137 4,2.3高压方面的研究 141 4.2.4晶体学…… I45 4.2.5超塑性 147 4.3辅助学科的起源和集成 149 参考文献 151 第5章走向定量描述 154 5,1物理治金学中定量理论的产生 154 5.1.1位错理论…… 155 5.1.2其它定量研究方面的成就 160 5,1.2.1巴氏定理…… 161 5.1.2.2变形机理与材料选择图 163 51.2.3体视金相学………… 165 5,1.3辐照损伤… 166 参考文献 169 第6章表征 … 172 6.1引言… 172 6.2微观结构的检测 173 6.2.1光学显微术… 174 6.2.2电子显微术…4 176 6.2.2:1透射电子显做术 177 6.2,2.2扫描电子显微术… 180
6.2,2.3:电子微探针分析 183 6.2.3扫描隧道显微术及其衍生扩展… 186 6.2.1场离子显微术和原了探针 188 6.3谱学技术 189 6,3.1狼量元素分析 190 63.2核方法 191 6.4热分析法 194 6.5硬度分析 19? 6.6结束语… 199 参考文献 200 第7章功能材料 203 7,1引言 203 7.2电子材料 203 7.2.1半导体 203 7.2.1.1硅和储……… 205 无.2.1.2物理学家、化学家和治金学家的合作 208 7.2.1,3《单片)策成电路… 210 7.2.1.4带隙工程：受很异质结…… 212 7.21.5光电袍………… 216 7,2.2电了陶瓷………… st-te 217 1:2.2:1铁电材料……… 220 之.2.2.快离子导体………… 221 7,22.3热电材料……… 222 7,2..1超导胸瓷…… 224 7.3磁性陶瓷 225 7.4计算机存储器 229 7.5光学玻璃 232 7.5.1光学纤维… 234 了.6液晶……… 237 7.7静电印刷 239 7,8结束语… 240 参考文献 240 第8章聚合物的变革……… 246 8.1引言… 246 8.2聚合物的合成 247 8.3聚合物科学中的概念 249 8.4结晶聚合物和半结晶聚合物 250
8,4.1球晶 250 8.4,2层状聚合物品体 251 8.4,3半结晶性………… 255 8:4.4半结聚合物的塑性变形 237 8.4.5浆合物纤维 257 8,5聚合物统计力学…… 259 8.5.1类橡胶弹性材料：合成橡胶 260 8,5.2聚合物中的扩散和蠕动 262 85.3:聚合物共混物 …263 8.5.4聚合物中的相变 264 8.6聚合物的加工 266 8.7分子量的测定 266 8.8聚合物表面及黏附 267 8.9聚合物的电性能… 268 8.9.1半导体聚合物及器科 269 参考文献 271 第9章从技术到科学 275 9,1工程用传统和新型金属与合金 27节 9.1.1凝和铸造… 275 9.1..1耀化煤 278 9.12钢 279 9.1.3高温合金i………… 282 9.1.4:金属间化合物 285 9.15高纯金属… 286 .2金属、合金及复合材料的塑性成型及断裂 287 9.3先进陶瓷的发展 290 9.3.1瓷器… 290 93.2高技术陶瓷的诞生：照明用灯 291 9.4烧结与粉未成型… 284 9.41无孔烧结…… :98 9.5高强结构陶瓷 300 95,1氮化硅 392 9.5.2其它陶密材料 304 9.6玻璃陶瓷 305 参考文献 308 第10章极端状态下的材料 314 10.1极端状态的形式