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《工程材料基础与应用》 图书简介 一、 概述与定位 《工程材料基础与应用》是一本系统性地阐述现代工程领域核心材料的性能、制备、结构与应用规律的专业教材与参考手册。本书旨在为机械、土木、航空航天、材料科学与工程等专业本科生、研究生提供扎实的理论基础，并为工程技术人员提供详尽的实践参考。 本书的核心目标在于建立材料的“微观结构—性能—加工工艺—服役表现”之间的内在联系，强调材料设计与选择在解决实际工程问题中的决定性作用。与传统的侧重于理论推导的力学书籍不同，本书将重点放在材料本身的物理、化学和力学行为上，深入剖析材料如何应对各种外部载荷、环境因素和制造过程的挑战。 二、 核心内容体系 全书内容结构严谨，逻辑清晰，共分为六大部分，涵盖了材料科学与工程的基石内容： 第一部分：材料科学的基石与晶体结构 本部分作为全书的理论基础，详细介绍了工程材料的分类、基本性能指标的定义（如强度、韧性、硬度、弹性模量等）。重点深入探讨了晶体结构原理，包括晶系、晶面指数、晶格缺陷（点缺陷、线缺陷、面缺陷）的形成机制及其对材料宏观性能的决定性影响。特别关注了晶体塑性变形的微观机理，如位错的运动、交滑移及其对材料强化机制的贡献。 第二部分：热力学、相图与微观组织控制 本部分聚焦于材料的相变行为。详细阐述了材料的热力学基础，包括吉布斯自由能的概念在相平衡中的应用。核心章节对二元、三元合金相图进行了详尽的解读，重点分析了固溶、共晶、共析等关键相变过程。通过对冷却曲线和相场演化的分析，构建了理解材料热处理过程的理论框架。此外，本部分还引入了非平衡相变的概念，为后续的快速凝固技术奠定基础。 第三部分：金属材料的性能、强化与热处理 金属材料是现代工程应用的主体。本部分集中研究了钢铁材料和典型非铁金属（如铝合金、钛合金、高温合金）的组织结构与性能关系。 钢铁材料： 深入分析了铁碳合金相图，详细讲解了退火、正火、淬火、回火等关键热处理工艺对马氏体、贝氏体、珠光体等组织形态的控制。特别关注了现代钢材如高强低合金钢和先进高强钢的性能设计原理。 强化机制： 系统梳理了材料的强化途径，包括固溶强化、晶界强化（Hall-Petch关系）、第二相粒子强化（沉淀硬化）以及加工硬化。 断裂基础： 引入了韧性断裂与脆性断裂的概念，探讨了裂纹萌生、扩展和稳定性的基础知识。 第四部分：陶瓷与复合材料的特性 针对结构陶瓷（如氧化物、碳化物、氮化物）和先进复合材料，本部分着重分析了其特有的高硬度、耐磨性、耐高温性以及在低断裂韧性方面的挑战。 陶瓷： 阐述了离子键和共价键对陶瓷高熔点和化学稳定性的影响，分析了陶瓷的烧结过程和孔隙率控制技术。 复合材料： 重点介绍了纤维增强复合材料（FRP，MMC）和层状复合材料的理论设计。阐述了各向异性性能的计算方法，以及界面结合对整体材料性能的耦合作用。 第五部分：高分子材料的结构与粘弹性行为 高分子材料以其轻质、易成型和可设计性强而广泛应用于包装、摩擦和减震领域。本部分详细介绍了高分子的分子结构（线性、支化、交联）、聚合反应的类型。 粘弹性理论： 深入讲解了高分子材料的独特行为——粘弹性，包括蠕变、应力松弛现象，并引入了Maxwell模型和Voigt模型的应用。 性能控制： 分析了增塑剂、稳定剂等添加剂对高分子材料力学性能和老化行为的影响。 第六部分：材料的失效分析与表面工程 本部分将理论知识与实际工程应用紧密结合，聚焦于材料在实际服役环境下的可靠性问题。 疲劳与蠕变： 详细分析了循环载荷下的疲劳过程，包括疲劳极限、S-N曲线的建立，以及低周疲劳与高周疲劳的差异。对于高温应用，则深入探讨了蠕变断裂机理。 腐蚀与防护： 系统分类了电化学腐蚀、应力腐蚀开裂（SCC）和氢脆现象，并介绍了钝化膜、牺牲阳极保护、电镀等多种表面防护技术。 失效诊断： 提供了金属断口分析的基本方法（如扫描电镜观察），指导工程师如何根据失效形态判断主要的失效模式。 三、 教材特色 1. 强调微观-宏观关联： 贯穿全书的核心思想是“结构决定性能”，所有性能的讨论都追溯到其晶体、分子或微观组织层面。 2. 丰富案例研究： 每一章后都附有贴近工业实际的案例分析，例如航空发动机叶片的合金选择、桥梁钢材的抗疲劳设计、半导体封装材料的热膨胀匹配等。 3. 图表与数据详尽： 书中包含大量的实验数据、相图、应力-应变曲线和微观形貌照片，便于读者直观理解复杂的材料行为。 4. 前沿技术引入： 在传统内容的基础上，适度引入了增材制造（3D打印）材料的特殊性能、纳米结构材料的特性以及智能材料等前沿课题，拓宽读者的视野。 四、 适用对象 本书内容深度适中，既可作为高等工科院校材料科学与工程、机械工程、土木工程等专业的本科核心课程教材，亦可作为相关领域工程师进行材料设计、选型和失效分析的必备工具书。
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