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页数:347

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出版时间:2010-2

价格:39.00元

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isbn号码:9787564030544

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现代工程材料学基础 第一章：绪论 本教材旨在为读者提供现代工程材料学的全面而深入的概览，重点关注材料的结构、性能、加工以及应用之间的内在联系。我们将从材料科学的基本原理出发，系统探讨金属、陶瓷、高分子材料以及复合材料四大类核心工程材料的微观结构特征及其宏观力学、物理和化学性能的调控机制。本书不仅涵盖了经典材料学的理论框架，更紧密结合当前先进制造、新能源、生物医学等前沿领域对高性能、多功能材料的迫切需求，力求构建一个理论与实践并重的学习平台。 1.1 材料科学在现代工程中的地位与作用 材料是现代工程技术的物质基础。从航空航天到信息技术，再到日常消费品，材料的选择和性能直接决定了工程设计的可行性与产品的可靠性。本章首先阐述材料科学学科的演进历程，强调材料设计从经验试错向理性设计（基于第一性原理和计算模拟）的转变趋势。我们将讨论如何通过材料的“成分-结构-性能-应用”四要素模型，实现材料性能的最优化。 1.2 材料的分类与基本术语 系统介绍工程材料的宏观分类体系，包括金属材料（如结构钢、铝合金、高温合金）、无机非金属材料（如硅酸盐、玻璃、结构陶瓷）、高分子材料（如塑料、橡胶、纤维）以及日益重要的复合材料。同时，界定和解释晶体学、缺陷理论、相图分析等核心术语，为后续章节的深入学习奠定坚实的术语基础。 第二章：材料的微观结构 材料的宏观性能源于其微观尺度的结构特征。本章深入剖析材料的原子排列、晶体结构以及各种尺度的缺陷。 2.1 晶体结构与晶格理论 详细讲解体心立方（BCC）、面心立方（FCC）、密排六方（HCP）等常见晶体结构，运用密堆积原理和晶体学指标（如Miller指数）描述晶面和晶向。讨论晶体结构对材料塑性变形、导电性等特性的决定性影响。 2.2 材料中的晶体缺陷 缺陷是材料性能调控的关键。本章重点分析点缺陷（空位、间隙原子）、线缺陷（位错）和面积缺陷（晶界、孪晶界）。尤其对位错理论进行详尽论述，解释位错的运动如何控制金属的塑性、加工硬化和蠕变行为。 2.3 晶体生长与形核 探讨固-液、固-固相变过程中的形核与长大机制。介绍冷却速率、过冷度对晶粒尺寸、形态及分布的影响，这是理解铸造、凝固过程和材料微观组织控制的基础。 第三章：金属材料的结构与性能 金属材料因其优异的强度、韧性和导电性，在工程中占据核心地位。本章聚焦于合金化、热处理对钢铁及非铁金属性能的调控。 3.1 铁碳合金与热处理 详尽分析铁碳相图，重点解析奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体、贝氏体和马氏体的形成条件与结构特征。系统阐述退火、正火、淬火、回火等经典热处理工艺的目的、过程与效果，特别是马氏体相变的关键性。 3.2 结构钢与不锈钢 分类介绍低合金结构钢、高强度低合金钢（HSLA）的性能特点及应用。深入分析不锈钢中铬、镍等元素的作用，区分奥氏体、铁素体、马氏体和双相不锈钢的微观组织与耐腐蚀机理。 3.3 铝、镁、钛及高温合金 介绍轻质金属（Al, Mg, Ti）的特点，着重分析它们在航空航天领域的应用。详细讨论镍基、钴基高温合金中强化相（如γ'相）的析出强化机制，以及它们在极端温度下的抗蠕变性能。 第四章：高分子材料的化学基础与力学性能 高分子材料以其轻质、易加工、可设计性强等特点，广泛应用于包装、汽车和电子领域。 4.1 高分子结构与聚合反应 阐述单体、聚合物、分子量、分子量分布的概念。系统介绍加聚反应（如自由基聚合）和缩聚反应的机理，以及如何控制聚合过程以获得所需分子量。 4.2 粘弹性和形变行为 高分子材料具有独特的粘弹性。本章引入橡胶弹性理论、蠕变、应力松弛现象，解释高分子材料的力学性能如何依赖于温度和时间（时间-温度等效原理）。 4.3 聚合物的形态结构与性能 区分非晶态、部分结晶态高分子的结构特征。讨论结晶度、取向度对材料刚度、强度和透明度的影响。介绍热塑性塑料与热固性树脂的主要区别及其典型应用。 第五章：陶瓷与复合材料 先进陶瓷和复合材料是实现极端性能突破的关键。 5.1 工程陶瓷的结构与断裂韧性 介绍氧化物陶瓷（如Al2O3, ZrO2）和非氧化物陶瓷（如SiC, Si3N4）的制备工艺。着重分析陶瓷的脆性本质，以及通过引入第二相（如部分稳定化氧化锆，PSZ）来提高其断裂韧性的增韧机理。 5.2 复合材料的增强机制 复合材料由基体和增强相组成。详细阐述纤维增强复合材料（FRC）和颗粒增强复合材料（PRC）的性能预测模型（如混合律）。讨论碳纤维、玻璃纤维等增强体对复合材料各向异性力学性能的贡献。 5.3 复合材料的界面行为 强调界面在传递载荷和决定复合材料整体性能中的核心作用。介绍界面粘合强度、界面反应对材料长期稳定性的影响。 第六章：材料的物理性能与环境行为 材料的可靠性不仅取决于力学性能，还与其导电、导热、耐腐蚀性能密切相关。 6.1 导电与导热机制 在金属中，阐述自由电子模型和能带理论对导电性的解释。在陶瓷和高分子中，分析晶格振动和缺陷在热传导中的作用。讨论如何设计材料以满足特定的热管理需求。 6.2 腐蚀与防护 介绍电化学腐蚀的基础理论，分类阐述均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂（SCC）等常见失效模式。探讨牺牲阳极保护、电镀、涂层等主要的金属腐蚀防护技术。 6.3 疲劳、蠕变与断裂力学基础 系统回顾材料的疲劳损伤机制（裂纹萌生、扩展、断裂），介绍S-N曲线和高周疲劳/低周疲劳的区别。引入断裂力学基本概念，如应力强度因子（K）和断裂韧性（KIC），用于评估结构安全。 第七章：材料的测试、表征与设计 本章介绍现代材料研究中常用的先进表征技术，以及如何将材料科学知识应用于实际工程设计。 7.1 结构与形貌表征技术 重点介绍X射线衍射（XRD）用于晶体结构分析、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）用于微观形貌和缺陷观察。介绍能谱分析（EDS）在成分分析中的应用。 7.2 性能测试与无损评价 阐述标准化的力学性能测试方法（拉伸、压缩、硬度测试）。介绍超声波、射线检测等无损检测技术在评估材料内部缺陷和结构完整性中的应用。 7.3 材料的计算模拟与先进设计 介绍计算材料学（如分子动力学MD、密度泛函理论DFT）在预测材料性能和指导新材料设计中的潜力。讨论材料基因工程的概念，强调数据驱动的设计方法。 结语 《现代工程材料学基础》力求全面覆盖材料科学的理论核心与应用前沿。通过对材料微观结构与宏观性能之间复杂关系的深入探讨，读者将能掌握材料选择、性能预测和结构优化的基本技能，为解决复杂的工程问题打下坚实的基础。本书适合材料工程、机械工程、航空航天、土木工程等相关专业的高年级本科生及研究生使用，也可作为工程技术人员的参考用书。

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