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出版者:清华大学

作者:吴明友

出品人:

页数:686

译者:

出版时间:2008-1

价格:69.00元

装帧:

isbn号码:9787302166627

丛书系列:

图书标签:

• 数控加工
• 自动编程
• G代码
• CNC
• 编程技术
• 机械制造
• 工业自动化
• 数控机床
• 加工工艺
• 模具设计

精密制造的基石：现代工程材料学前沿探索 一、 引言：材料决定制造的边界 在现代工业体系中，制造技术的每一次飞跃，都离不开对材料性能的深刻理解与精准控制。本书《精密制造的基石：现代工程材料学前沿探索》并非聚焦于某一特定制造工艺的软件或硬件操作，而是将视野投向更深层次的基础科学——工程材料学。我们深知，无论加工方法如何先进，材料本身的微观结构、力学性能、热学特性以及化学稳定性，才是决定最终产品精度、可靠性和使用寿命的根本要素。 本书旨在为材料工程师、结构设计人员以及从事高端装备研发的专业人士，提供一个系统、深入且面向未来的材料科学知识体系。我们摒弃了对基础化工原料的传统叙述，转而侧重于那些驱动下一代工业革命的关键新型材料及其在极端条件下的行为分析。 二、 结构与性能的统一：高熵合金与复合材料的范式革命 传统的材料设计往往依赖于单主元或简单的二元、三元合金体系。然而，面对航空航天、深海探测以及核能等对材料性能要求极为苛刻的应用场景，这种设计哲学已显露出其局限性。 2.1 高熵合金（HEAs）的设计原理与性能调控 本书用大量篇幅剖析了高熵合金这一新兴领域。我们详尽阐述了其基于“高熵效应”、“迟滞效应”、“缺位效应”和“腐蚀失序效应”的四大设计原则。重点内容包括： 微观结构解析： 通过高分辨透射电镜（HRTEM）和同步辐射X射线衍射（XRD）技术，分析高熵合金中纳米析出相的形成机制及其对韧性-强度平衡的影响。 热力学模拟： 运用第一性原理计算（DFT）和 CALPHAD 方法，预测不同组元比下，高熵合金的相稳定性和晶界行为，为实验制备提供理论指导。 极端环境下的蠕变与疲劳： 探讨高熵合金在超高温（>1200°C）和高应力循环下的损伤演化机制，这对于制造燃气轮机叶片等关键热端部件至关重要。 2.2 陶瓷基复合材料（CMCs）的界面工程 陶瓷材料具有耐高温和高硬度等优势，但其脆性限制了其应用。本书重点探讨如何通过先进的复合化技术克服这一缺陷。 纤维增强机制： 深入研究碳化硅（SiC）纤维、硼化钛（TiB2）纤维在陶瓷基体中的有效应力传递机制。特别关注反应性界面层的设计，例如，如何利用氮化硅（Si3N4）或硼化物的薄层来阻碍基体裂纹的扩展。 自修复功能化： 介绍将封装的修复剂嵌入到复合材料内部的理念，探讨在材料服役过程中，通过热激活或应力触发实现微裂纹的“自愈合”技术，以延长结构寿命。 三维编织技术对性能的提升： 对比传统铺层技术与先进的陶瓷纤维三维（3D）编织技术在提高材料抗冲击韧性和分层抗性方面的差异和优势。 三、 增材制造对材料结构的影响：从冶金到功能化 增材制造（AM，如选区激光熔化SLM和电子束熔化EBM）正在重塑传统制造流程，但其快速的液固相转变过程对材料的微观结构带来了独特的挑战和机遇。 3.1 凝固过程的非平衡态冶金 AM 过程中的极快冷却速率（可达 $10^5$ K/s 级别）使得材料凝固路径偏离平衡态，导致出现亚稳相、枝晶细化甚至非晶化现象。 快速凝固对晶粒取向的影响： 分析激光扫描速度、离焦量和预热温度如何影响熔池的液态金属流动，进而控制最终宏观件的晶粒生长方向性（Texture），这对各向异性材料的设计至关重要。 缺陷的形成与抑制： 详细探讨增材制造过程中气孔、未熔合区和热裂纹的形成机理，以及如何通过优化工艺参数（如能量密度）来最小化这些缺陷。 3.2 梯度材料与多功能集成 AM 技术的一大优势在于能够实现材料成分和结构的梯度分布。 功能梯度材料（FGM）的构建： 阐述如何通过连续改变激光功率和进料粉末的配比，实现在单个部件内部从高强度到高耐磨性的平滑过渡，例如在刀具制造中实现刀尖的超硬化与刀体的韧化集成。 异质结构集成： 探讨在不使用传统连接工艺的情况下，如何通过选择性激光熔化技术，直接将两种或多种性能互补的材料（如金属与陶瓷粉末）冶金结合在一起，实现电学、热学和机械性能的协同优化。 四、 表面工程与防护：提升服役可靠性的关键 即使是性能优异的本体材料，在复杂服役环境中也面临着腐蚀、磨损和热氧化等严峻考验。本书将表面工程提升到与本体材料同等重要的地位。 4.1 极端环境下的腐蚀行为与防护涂层 高温氧化与热腐蚀： 针对燃气轮机和化工反应器的环境，深入分析含硫、含钒气氛下的腐蚀机理，并重点介绍抗氧化性能卓越的贵金属涂层（如铂族元素）和热障涂层（TBCs）的制备与失效模式。 应力腐蚀开裂（SCC）的微观机制： 探讨特定介质（如氯离子）在材料晶界处的优先吸附和电化学作用如何诱发材料的灾难性失效，以及如何通过表面残余压应力或惰性涂层进行有效防护。 4.2 摩擦学行为与耐磨损界面设计 自润滑材料的开发： 介绍将石墨烯、二硫化钼（MoS2）等二维材料作为添加剂，嵌入到金属或聚合物基体中，以在摩擦副界面形成低剪切强度的转移膜，实现长期免维护润滑。 高强度耐磨层的沉积技术： 详细对比等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和磁控溅射（Sputtering）技术在制备超硬的类金刚石碳（DLC）涂层时的工艺窗口和薄膜的内应力控制，确保涂层与基体间的优良附着力。 五、 结论：面向未来的材料设计理念 本书的最终目标是构建一个闭环的思维模式：从应用需求出发，通过先进的材料设计理念和制造技术，实现高性能、高可靠性工程部件的制造。它强调材料科学家不仅需要理解材料的当前行为，更要能够预测和设计其在未来极端工况下的响应。通过对高熵合金、先进复合材料、增材制造冶金以及前沿表面防护技术的深入剖析，《精密制造的基石：现代工程材料学前沿探索》为读者打开了一扇通往下一代工业制造核心技术的窗口。

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