金属工艺学(上册)(第3版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:高等教育出版社

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出版时间:1900-01-01

价格:12.0

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isbn号码:9787040027570

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• 金属工艺学
• 金属材料
• 金属加工
• 铸造
• 锻造
• 焊接
• 热处理
• 金属表面处理
• 机械制造
• 材料科学

现代材料科学与工程导论 第一章 导论：材料在工程中的核心地位 材料是人类文明进步的基石。从远古的石器时代到如今的半导体和超导材料，工程学的每一次重大飞跃都与新材料的发现和应用息息相关。本章旨在为读者构建一个宏观的视角，理解材料科学与工程（MSE）这门学科的范畴、历史演变及其在当代技术领域中的不可替代性。 1.1 材料科学与工程的学科交叉性 材料科学与工程并非一门孤立的学科，它是物理学、化学、力学和工程学原理的完美融合。材料科学家专注于理解材料的结构（从原子到宏观层面）、性能（机械、热学、电学、光学等）以及加工与性能之间的内在联系（即“结构-性能关系”）。工程学的视角则侧重于如何利用这些知识来设计、制造和应用具有特定功能的材料和结构。本章将详细阐述材料的四大基本类别：金属、陶瓷、聚合物和复合材料，并简要引入新兴的功能材料，如智能材料和纳米材料。 1.2 材料在工程设计中的决策流程 一个成功的工程设计过程，从根本上说，是一个材料选择和优化过程。本节将探讨工程师如何在性能要求、成本限制、环境影响和可制造性之间进行权衡。我们将引入“材料选择图谱”（如Ashby图）的概念，展示如何利用材料的特定性能参数（例如强度与密度之比）来筛选出最适合特定应用的候选材料。案例分析将涉及从航空航天结构件到生物植入物的不同设计挑战。 --- 第二章 材料的微观结构基础：原子与晶体 材料的宏观性能源于其微观的原子排列方式。本章深入探讨构成物质的微观世界，这是理解所有材料行为的起点。 2.1 晶体结构与堆积密度 对于大多数工程金属和一些陶瓷，原子以高度有序的周期性阵列排列，即形成晶体结构。本章将详尽解析几种最常见的晶体结构——简单立方（SC）、体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和密排六方（HCP）。我们将计算并比较这些结构的配位数和原子堆积密度（APF），理解APF如何影响材料的密度和理论强度。理解BCC（如铁在室温下）和FCC（如铝、铜）结构的区别，对于解释它们的塑性变形能力至关重要。 2.2 晶体缺陷：结构不完美性的重要性 理想的完美晶体结构在自然界中几乎不存在，而正是这些“缺陷”赋予了材料所需的工程特性，特别是塑性和强度。本节将系统地分类和描述晶体缺陷： 点缺陷： 空位、间隙原子和取代原子。我们将使用浓度方程来量化热平衡下的空位浓度，并讨论它们对扩散（见第三章）的影响。 线缺陷（位错）： 位错是材料塑性变形的根本原因。我们将深入探讨边缘位错和螺型位错的几何结构、Burgers 矢量的定义及其方向，以及它们在剪切应力作用下的运动机制。 面缺陷： 晶界、孪晶界和堆垛层错。晶界是材料性能的关键控制因素，它们影响着材料的强度、导电性和耐腐蚀性。 2.3 非晶态材料的结构描述 并非所有材料都是晶体。玻璃、许多聚合物和一些金属合金（如非晶合金）缺乏长程有序结构。本章将介绍短程有序的概念，并讨论非晶态结构如何导致材料表现出与晶体材料截然不同的机械特性，例如更高的弹性极限和独特的粘滞流动行为。 --- 第三章 材料中的输运现象：扩散与电导率 原子和电子的运动是材料响应外部刺激（如温度梯度、电势差）的基础。本章侧重于材料内部的动态过程——扩散和电荷载流子的传输。 3.1 固态扩散机制 扩散是材料科学中的一个核心概念，指的是原子在固态材料内部的净迁移过程。本节将区分两种主要的扩散机制： 1. 置换式扩散（Vacancy Diffusion）： 原子通过占据晶体中的空位进行迁移。 2. 间隙式扩散（Interstitial Diffusion）： 较小的原子（如碳、氢）穿过晶格间的空隙进行迁移。 我们将引入菲克第一定律（描述稳态扩散）和菲克第二定律（描述非稳态扩散），并着重分析阿伦尼乌斯方程，该方程揭示了扩散系数对温度的指数依赖性，解释了为何高温下材料的化学反应和性能变化加速。 3.2 电学性能与电子结构 材料的导电性是其在电子设备中应用的关键。本章将结合能带理论（Band Theory）来解释导体的电阻率、半导体和绝缘体的区别。 能带结构： 详细阐述价带、导带和禁带宽度（$E_g$）的概念。 载流子概念： 区分金属中的自由电子导电与半导体中的电子和空穴共同导电机制。 费米能级： 解释费米能级在不同材料类型中的位置及其对材料电学行为的决定性影响。 3.3 热学性能的微观基础 材料的热传导主要依赖于晶格振动（声子）和自由电子的运动。本节将分析晶格振动理论，并比较金属、陶瓷和聚合物的热导率差异，解释为何金属通常是优良的热导体，而陶瓷和聚合物则常被用作隔热材料。 --- 第四章 机械性能：强度、硬度与塑性变形 机械性能是决定材料能否在结构工程中服役的关键指标。本章将从微观层面解释宏观的力学响应。 4.1 应力、应变与弹性行为 首先，定义工程中的基本力学概念：应力（作用力与截面积之比）和应变（形变与原始尺寸之比）。我们将专注于线性弹性区的材料响应，介绍胡克定律，并定义描述材料刚度的关键参数：杨氏模量（弹性模量）、剪切模量和泊松比。理解这些参数如何依赖于晶体结构和化学键的本质至关重要。 4.2 材料的屈服与塑性变形 当应力超过材料的弹性极限时，材料开始发生永久性形变，即塑性变形。本节的核心是位错运动在宏观塑性中的作用。 临界分切应力（CRSS）： 解释位错滑移所需的最小应力。 加工硬化（冷作硬化）： 分析位错密度增加如何阻碍后续位错运动，从而提高材料强度。 回复与再结晶： 介绍高温退火处理对消除内应力、降低位错密度并恢复塑性的过程。 4.3 强度、硬度与韧性的量化 本章将详细介绍几种主要的机械性能测试方法和指标： 拉伸试验（Tensile Test）： 确定屈服强度、抗拉强度和延伸率（韧性的宏观体现）。 硬度测试（如洛氏、维氏）： 作为一种快速、无损的强度表征手段。 断裂韧性： 介绍断裂力学的基础概念，特别是描述材料抵抗裂纹扩展能力的应力强度因子（K）和断裂韧性（$K_{IC}$）。 --- 第五章 结构材料的微观组织控制 工程材料的最终性能往往不是由其化学成分决定，而是由其微观组织（Microstructure）——即相的分布、晶粒尺寸和形状——所控制。本章专注于如何通过热处理和加工工艺来“调控”材料的微观组织。 5.1 相图与相变原理 相图是材料科学的“路线图”。本节将解析单组元和二组元相图（如Fe-C体系的简化部分），解释杠杆定律和冷却曲线的解读。重点关注固相分解和共晶/共析转变，这些是理解合金热处理的基础。 5.2 金属的热处理工艺 热处理是改变金属性能最有效的手段。本章将系统介绍几种关键的热处理过程及其对微观组织和性能的预期影响： 退火（Annealing）： 旨在软化材料、消除内应力和提高塑性。 正火（Normalizing）： 获得均匀细小的晶粒结构。 淬火与回火（Quenching and Tempering）： 淬火形成马氏体（高硬度、高脆性），回火用于降低脆性，提高韧性，同时保持较高的强度。 5.3 晶粒尺寸控制与Hall-Petch关系 晶粒尺寸是影响材料强度的关键微观参数。我们将推导并应用Hall-Petch方程（$sigma_y = sigma_0 + k_y d^{-1/2}$），证明减小晶粒尺寸是提高屈服强度的有效途径。本节还将讨论细化晶粒的工艺，如晶界处的形核剂添加和高应变率加工。 --- 第六章 聚合物、陶瓷与复合材料的特性 除了传统的金属材料，现代工程对轻质、耐腐蚀、高绝缘性的需求推动了其他三大类材料的发展。 6.1 聚合物的结构与粘弹性行为 聚合物（塑料、橡胶）由长链分子构成。本章将讨论聚合度、结晶度对性能的影响。聚合物区别于金属的关键在于其粘弹性（Viscoelasticity）——即同时表现出粘性流体和弹性固体的特性。我们将介绍玻璃化转变温度（$T_g$）的概念，以及它如何决定聚合物在不同温度下的力学响应。 6.2 陶瓷材料的结构与挑战 陶瓷（如氧化铝、碳化硅）以其高硬度、耐高温和优异的化学稳定性著称，但同时也具有内在的脆性。本节将分析陶瓷材料的离子键/共价键特性，解释其高杨氏模量和抗压强度的微观原因。我们将探讨陶瓷的断裂韧性（$K_{IC}$）提升策略，如引入第二相增强体。 6.3 复合材料的设计与优势 复合材料通过组合两种或多种不相溶的材料来获得优于任何单独组分的性能。本章重点分析纤维增强复合材料（如碳纤维/环氧树脂），包括纤维和基体的选择、界面粘接的重要性，以及混合律模型在预测各向异性性能中的应用。 --- 第七章 材料的失效分析：疲劳、蠕变与腐蚀 即使材料性能优异，如果在服役环境中未能满足要求，仍会导致系统性失效。本章是材料应用层面的重要延伸。 7.1 疲劳与断裂 疲劳是导致结构件（特别是受交变载荷的部件）失效的最常见原因。我们将研究S-N曲线，区分疲劳极限和疲劳强度。本节将深入探讨疲劳裂纹的萌生、扩展和最终断裂的三个阶段，并介绍Paris定律在预测裂纹扩展速率中的应用。 7.2 蠕变与高温服役 蠕变是指材料在恒定载荷和高温（通常高于熔点一半）作用下发生的缓慢塑性变形。我们将分析蠕变的三个阶段，并讨论Norton定律等本构方程在描述蠕变速率中的作用。这对于涡轮叶片、锅炉管道等高温部件的设计至关重要。 7.3 环境影响：腐蚀与氧化 腐蚀是材料的退化过程。本章将概述电化学腐蚀（如析氢、吸氧）的基础原理，并探讨电化学等效电路模型。我们将分类讨论几种重要的腐蚀类型，如均匀腐蚀、点蚀和应力腐蚀开裂（SCC），并介绍通过合金化、涂层或阴极保护来抵抗腐蚀的工程方法。

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这本书的行文风格是那种非常严谨、逻辑链条清晰的学术写作，但它却奇妙地避开了传统教材的枯燥感。这种感觉很奇特，就像是听一位经验极其丰富的、思维极其缜密的行业泰斗在娓娓道来。作者在阐述复杂的物理机制时，总能找到最恰当的比喻或类比，使得原本晦涩难懂的概念，比如晶界扩散或位错运动，一下子变得生动起来，仿佛在你眼前上演了一场微观世界的“舞蹈”。我特别欣赏它对“工艺参数选择”的讨论，它没有简单地给出最优解，而是详细分析了不同约束条件（成本、精度、材料特性）下，决策者是如何权衡和取舍的，这种“决策思维”的植入，远比单纯的知识传授更有价值，它训练的不是记忆力，而是工程师的判断力。

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我花了整整一个周末的时间，沉浸在这本书所构建的理论世界里，最大的感受就是其内容的广度和深度达到了一个令人震撼的平衡。它并没有停留在教科书那种纯粹的定义和公式罗列上，而是巧妙地融入了大量的实际工程案例和历史背景分析。例如，在讲解某个特定合金的热处理过程时，作者不仅详细阐述了相变动力学，还穿插了该技术在二十世纪初期的工业应用瓶颈及其突破，这种叙事方式极大地增强了知识的立体感。对于我这种偏爱“知其所以然”的学习者来说，这种深入浅出的讲解方式简直是福音。而且，书中的插图和示意图质量极高，很多复杂的三维结构和应力分布图，用传统的二维图示很难清晰表达，但这本书通过精妙的透视图和剖面图，将这些概念可视化了，这对于理解那些抽象的微观结构变化至关重要，可以说是把“读图”的体验提升到了一个新的层次。

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初次翻阅，我最关注的是这本书的更新程度和与时俱进性。在这个技术迭代飞快的时代，一本经典的教材如果不能跟上最新的研究进展，那价值就会大打折扣。这本书在这方面做得相当出色，尽管它似乎承载着深厚的历史积淀，但在讨论先进制造技术，比如增材制造（3D打印）在金属材料应用中的前沿进展时，其论述既严谨又富有洞察力。我注意到一些近期才在顶级期刊上出现的概念或实验数据，竟然也能在书中找到比较系统化的介绍，这表明作者团队的学术视野非常开阔，并且在编撰过程中进行了大量的文献追踪和整合。对于我们这些希望站在行业前沿的人来说，这本书就像是一张高清晰度的路线图，不仅指明了现有技术的高度，也暗示了未来技术突破的潜在方向，这比任何单一的、局限性的技术手册都要宝贵得多。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面那种略带磨砂质感的深灰色调，配上烫金的书名和作者信息，显得既沉稳又不失现代感。拿到手里分量十足，这厚度一看就知道内容肯定很扎实。内页纸张选择的也很好，不是那种反光的亮面纸，长时间阅读眼睛也不会太累，墨水的清晰度也令人满意，即便是细小的图表和公式，排版也十分考究，能看出编辑在细节上下了不少功夫。我特别留意了一下目录的编排逻辑，从基础材料学原理到具体的成型工艺流程，过渡得非常自然，章节之间的衔接似乎是经过精心设计的，引导读者由浅入深地构建知识体系，而不是简单地堆砌知识点。这对于我们这些需要系统学习新领域知识的读者来说，简直太友好了。总而言之，从外在的触感到内在的结构设计，这本书展现出了一种对待知识的敬畏和专业性，让人一翻开就充满了阅读下去的动力和期待。

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这本书的价值远远超出了它作为一本专业教材的范畴，它更像是一本关于“材料哲学”的探讨。在探讨每一种金属加工方法时，作者不仅关注了“如何做”，更深入地追问了“为什么是这种方法，而不是其他”。例如，在比较铸造和锻造工艺的优劣时，它不仅对比了力学性能的差异，还回顾了不同历史时期社会对材料性能的结构性需求是如何反向驱动了这些工艺的发展，形成了一种技术与需求相互塑造的辩证关系。这种宏大叙事和微观细节的完美结合，让读者在学习具体的工艺流程时，也能体会到学科发展的历史脉络和内在驱动力。读完后，我不仅掌握了技术，更收获了一种看待工业问题的深度和广度，这种由内而外的思维提升，才是最让人感到欣慰的。

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