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出版者:Butterworth-Heinemann

作者:Philip, Mathew/ Bolton, Bill

出品人:

页数:471

译者:

出版时间:2002-10

价格:$ 73.39

装帧:Pap

isbn号码:9780750656436

丛书系列:

图书标签:

• 工程材料
• 材料科学
• 材料工程
• 金属材料
• 非金属材料
• 聚合物
• 陶瓷
• 复合材料
• 材料性能
• 材料选择

机械工程材料技术 第一部分：材料基础与性能 第一章：绪论 本书旨在为机械工程领域的学生和从业者提供坚实而全面的材料科学基础，重点关注材料的性能、结构、加工以及在各种工程应用中的选择与优化。机械工程的进步与新材料的开发和应用息息相关，理解并掌握材料的内在规律，是设计、制造和维护高效、可靠、经济的机械系统的基石。本章将概述材料在机械工程中的重要性，介绍材料科学的基本概念，并勾勒出本书的整体框架和学习目标。我们将探讨材料的基本分类，例如金属、陶瓷、聚合物以及复合材料，并初步了解它们各自独特的性能特征。此外，还将强调材料选择在工程设计决策中的关键作用，以及材料失效分析和可持续性考量对现代工程实践的影响。 第二章：原子结构、化学键与晶体结构 材料的宏观性能与其微观结构和原子层面的相互作用密切相关。本章将深入探讨原子的基本组成，包括质子、中子和电子的排布，以及原子核周围电子的能级和轨道。我们将重点阐述化学键的类型，如离子键、共价键、金属键和范德华力，以及它们如何决定材料的结合强度、熔点、导电性和导热性等基本属性。例如，强烈的共价键使得陶瓷材料通常具有高硬度和高熔点，而自由电子的金属键则赋予了金属优异的导电性和延展性。 接着，我们将详细介绍晶体结构的概念，包括晶格、晶基和晶胞。我们将重点研究几种重要的晶体结构，如体心立方（BCC）、面心立方（FCC）和六方密排（HCP）结构，分析它们的原子堆积方式以及由此产生的各向异性。对晶体结构的理解对于解释金属的塑性变形、孪晶以及相变等关键力学行为至关重要。此外，我们还将触及非晶态材料（如玻璃）的结构特点，并对比其与晶体材料的性能差异。 第三章：缺陷与固溶强化 任何材料的性能都受到其内部缺陷的影响。本章将系统性地介绍材料中的各种缺陷，包括点缺陷（如空位、填隙原子和取代原子）、线缺陷（如位错）和面缺陷（如晶界和层错）。我们将详细分析位错在材料塑性变形中的作用，解释位错的滑移和攀移机制如何使得材料能够发生永久变形。 固溶强化作为一种重要的强化机制，将作为重点进行讨论。我们将阐述杂质原子如何进入基体材料的晶格中，形成固溶体，并通过产生晶格畸变来阻碍位错运动，从而提高材料的屈服强度和硬度。我们将介绍固溶强的理论模型，并列举实际应用中的例子，例如在铜中加入锌形成黄铜，在钢中加入铬和镍形成不锈钢。对缺陷和固溶体的深入理解，是后续学习材料强化、热处理和加工工艺的基础。 第四章：相变与热处理 相变是指材料在温度、压力或成分改变时，其晶体结构或化学组成发生变化的现象。本章将深入探讨相变的热力学原理，包括自由能、相平衡和相图。我们将重点研究二元合金的相图，如Fe-C相图，并分析其中的重要相（如铁素体、奥氏体、渗碳体）及其在不同温度和成分下的稳定性。 热处理是改变材料显微组织和性能的重要手段，本章将详细介绍几种主要的金属热处理工艺，包括退火、正火、淬火和回火。我们将解释每种工艺的目的，例如退火用于消除内应力、软化材料；淬火用于获得高硬度的马氏体组织；回火则用于降低淬火脆性，获得韧性与硬度兼顾的性能。通过对相变和热处理的深入理解，我们可以有针对性地设计热处理方案，以获得满足特定工程需求的材料性能。 第五章：机械性能 机械性能是衡量材料抵抗外力作用能力的指标，也是机械工程设计中最为关键的考量因素之一。本章将详细介绍几种重要的机械性能测试方法和表征参数。 拉伸性能： 我们将深入分析拉伸试验，解释应力-应变曲线的各个关键点，如弹性模量、比例极限、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率。这些参数直接反映了材料的强度、刚度和延性。 硬度： 硬度是材料抵抗局部塑性变形能力的度量。我们将介绍几种常用的硬度测试方法，如布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度，并讨论硬度与强度之间的关系。 韧性与脆性： 韧性是指材料吸收能量并抵抗断裂的能力，而脆性则表现为材料在断裂前变形很小的倾向。我们将重点介绍冲击试验（如夏比冲击试验），分析韧性转变温度的概念，以及影响材料韧性的因素，如温度、应变速率和微观组织。 疲劳性能： 疲劳是指材料在反复加载作用下，即使应力低于屈服强度，也会发生断裂的现象。我们将详细讲解应力-寿命（S-N）曲线，解释疲劳极限和疲劳寿命的概念，并讨论影响疲劳性能的因素，如表面状态、应力集中和环境因素。 蠕变性能： 蠕变是指材料在恒定载荷和高温下随时间发生的缓慢塑性变形。我们将介绍蠕变曲线，讨论蠕变速率和持久强度，并强调蠕变在高温工程部件中的重要性。 第六章：金属材料 I：钢铁 钢铁是现代工业中使用最广泛的金属材料，其性能优异且成本相对较低。本章将聚焦于钢铁材料。 钢铁的分类： 我们将按照化学成分和用途对钢铁进行分类，包括碳素钢、合金钢（如不锈钢、工具钢、轴承钢）、铸铁等。 碳素钢： 详细介绍不同碳含量对碳素钢性能的影响，以及低碳钢、中碳钢和高碳钢的典型应用。 合金钢： 重点讨论合金元素（如铬、镍、钼、钒、钨）对钢铁性能的改善作用。例如，铬的加入显著提高了不锈钢的耐腐蚀性；镍的加入提高了钢的韧性和强度。我们将介绍不同种类不锈钢（如奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢）的特点和应用。 热处理工艺与组织： 结合第四章的相变知识，详细阐述针对不同种类钢铁的常用热处理工艺，如渗碳、氮化、调质等，以及这些工艺如何改变钢铁的微观组织和宏观性能。 钢铁的失效分析： 探讨钢铁在工程应用中常见的失效模式，如腐蚀、磨损、疲劳断裂和应力腐蚀开裂，并提出相应的预防措施。 第七章：金属材料 II：有色金属及其合金 有色金属及其合金在许多领域具有不可替代的作用，它们通常具有比钢铁更轻的密度、更好的耐腐蚀性或更高的导电性。本章将介绍几种重要的有色金属及其合金。 铝及其合金： 重点介绍铝的轻质、高强度、优良的耐腐蚀性和导电性。我们将讨论常见的铝合金系列（如1xxx、2xxx、5xxx、6xxx、7xxx系列），分析其主要的合金元素（如铜、镁、硅、锌）的作用，以及相关的热处理和加工工艺。铝合金在航空航天、汽车、建筑等领域的广泛应用将被重点提及。 铜及其合金： 介绍铜的优异导电性和导热性，以及良好的耐腐蚀性。我们将重点介绍黄铜（铜-锌合金）、青铜（铜-锡合金）和白铜（铜-镍合金）等重要合金，分析它们的性能特点和应用领域，例如在电子电气、管道和装饰品中的应用。 镁及其合金： 强调镁的极轻密度，使其成为航空航天和汽车领域实现轻量化的重要材料。我们将讨论镁合金的加工难度以及如何通过合金化和特殊的加工工艺来改善其性能。 钛及其合金： 介绍钛的优良比强度、耐腐蚀性和生物相容性。我们将讨论钛合金在航空发动机、医疗植入物和海洋工程中的应用。 其他有色金属： 简要介绍镍、钴、铅、锡等金属及其合金，以及它们在特定领域的应用。 第八章：陶瓷材料 陶瓷材料以其高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀和优良的绝缘性而著称，但其脆性也限制了其应用。本章将深入探讨陶瓷材料。 陶瓷的定义与分类： 介绍传统陶瓷（如粘土陶瓷、氧化物陶瓷）和先进陶瓷（如碳化物、氮化物、硅化物、玻璃陶瓷）的概念。 陶瓷的微观结构与性能： 分析陶瓷的离子键和共价键特点，以及其致密的微观结构（通常不含位错）。解释这些特点如何导致其高硬度、高熔点和低导电性。 陶瓷的性能： 详细讨论陶瓷的力学性能（高抗压强度、低抗拉强度、高脆性）、热学性能（低导热系数、高热膨胀系数）、电学性能（绝缘体）和化学稳定性。 陶瓷的加工与成型： 介绍陶瓷的粉末制备、成型（如压制、注浆、挤压）和烧结工艺，以及这些工艺对最终产品性能的影响。 先进陶瓷的应用： 探讨先进陶瓷在耐磨材料、耐火材料、电子元件、传感器、切削刀具和生物陶瓷等领域的广泛应用。 第九章：聚合物材料 聚合物材料以其轻质、易于加工、绝缘性和可设计性而广泛应用于日常生活和工业生产中。本章将对聚合物材料进行系统性介绍。 聚合物的结构与分类： 介绍聚合物的基本构成单元（单体）和聚合反应。我们将根据单体种类、聚合方式和分子结构将聚合物分为热塑性聚合物（如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯）、热固性聚合物（如酚醛树脂、环氧树脂）和弹性体（橡胶）。 聚合物的性能： 详细讨论聚合物的力学性能（低密度、良好的韧性、可调节的强度和弹性）、热学性能（低导热性、良好的绝缘性）和电学性能（优良的绝缘体）。我们将解释分子链的缠结、结晶度以及交联对聚合物性能的影响。 聚合物的加工成型： 介绍常用的聚合物加工技术，如注塑成型、挤出成型、吹塑成型、压延成型和模压成型，以及这些工艺如何影响聚合物制品的结构和性能。 聚合物合金与复合材料： 探讨通过共混或增强来改善聚合物性能的方法，为后续介绍复合材料打下基础。 第十章：复合材料 复合材料是将两种或两种以上不同材料（基体和增强体）复合而成的新型材料，旨在获得单一组分无法实现的优异综合性能。 复合材料的定义与分类： 介绍复合材料的基本组成，包括基体材料（如聚合物、金属、陶瓷）和增强材料（如纤维、颗粒、片层）。我们将根据增强体的形式和基体材料对复合材料进行分类。 纤维增强聚合物（FRP）复合材料： 重点介绍玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等增强体与聚合物基体形成的复合材料。我们将详细分析不同增强纤维的性能特点，以及它们如何显著提高复合材料的强度、刚度和韧性。例如，碳纤维增强聚合物（CFRP）在航空航天和高性能体育用品中的应用。 颗粒增强复合材料： 讨论颗粒作为增强相如何影响基体材料的性能。 层状复合材料： 介绍层状结构如何提供优异的界面性能和力学行为。 金属基复合材料（MMC）与陶瓷基复合材料（CMC）： 简要介绍这些高性能复合材料的特点和应用。 复合材料的性能特点： 强调复合材料设计自由度高，可以根据具体应用需求定制性能。 第二部分：材料的加工与失效 第十一章：金属加工工艺 金属加工工艺是将原材料塑造成所需形状和尺寸的关键环节。本章将重点介绍主要的金属加工方法。 铸造： 介绍砂型铸造、金属型铸造、压力铸造等工艺，以及它们的适用范围和优缺点。 塑性变形加工： 详细阐述轧制、锻造、挤压、拉拔和冲压等工艺。我们将分析这些工艺如何改变金属的显微组织和力学性能，例如冷加工引起的加工硬化。 切削加工： 介绍车削、铣削、钻削、磨削等机加工方法，以及刀具材料、切削参数对加工精度和效率的影响。 焊接与连接： 讨论电弧焊、电阻焊、气体保护焊等焊接方法，以及铆接、螺纹连接等机械连接方式，并分析它们在结构件制造中的应用。 增材制造（3D打印）： 简要介绍金属3D打印技术，如选择性激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）等，及其在复杂零件制造中的潜力。 第十二章：非金属材料加工工艺 与金属加工不同，非金属材料（陶瓷、聚合物）的加工工艺各有特点。 陶瓷加工： 重复和深化第九章的讨论，侧重于陶瓷的成型、烧结和后续精加工工艺，如研磨和抛光。 聚合物加工： 详细介绍第十章中提及的注塑、挤出、吹塑等成型工艺，并强调工艺参数（温度、压力、时间）对制品性能的影响。 复合材料加工： 介绍手糊成型、真空辅助树脂灌注（VARI）、自动铺丝（ATL）和自动带缠绕（ABR）等复合材料的成型技术，以及预浸料的应用。 第十三章：表面工程与防护 材料的表面性能往往对其整体的使用寿命和功能至关重要。本章将聚焦于表面工程技术。 表面改性： 介绍物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等薄膜沉积技术，以及它们在提高材料硬度、耐磨性和耐腐蚀性方面的应用。 热处理表面强化： 再次提及渗碳、氮化、碳氮共渗等工艺，以及它们如何改变材料表面的成分和组织，从而提高表面硬度。 喷涂与涂层： 讨论等离子喷涂、火焰喷涂等技术，用于制备耐磨、耐腐蚀或隔热涂层。 电镀与阳极氧化： 介绍这些工艺在改善材料外观、耐腐蚀性和导电性方面的作用。 腐蚀防护： 详细介绍电化学腐蚀机理，以及缓蚀剂、防锈涂料、牺牲阳极等防护措施。 第十四章：材料的失效分析 了解材料失效的原因是避免重复发生故障、提高产品可靠性的关键。本章将系统地分析材料的失效模式。 断裂力学基础： 介绍应力强度因子、断裂韧度等概念，以及脆性断裂和韧性断裂的机制。 疲劳失效： 再次深入探讨疲劳断裂的过程，包括裂纹萌生、扩展和最终断裂。分析加载条件、表面缺陷和几何形状对疲劳寿命的影响。 蠕变失效： 讨论高温下材料因蠕变而导致的变形和断裂。 腐蚀失效： 详细分析电化学腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂等腐蚀模式。 磨损失效： 介绍磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损等磨损机理。 失效分析方法： 介绍宏观断口分析、微观断口分析（SEM）、能谱分析（EDS）等失效分析常用技术。 第三部分：材料的选择与可持续性 第十五章：工程材料的选择 在实际工程设计中，根据应用需求选择合适的材料是一项复杂而重要的任务。 材料性能与设计要求的匹配： 强调根据载荷、工作环境、使用寿命、成本等设计要求，来确定所需的材料性能参数，如强度、刚度、韧性、耐腐蚀性、耐磨性等。 材料数据库与选择工具： 介绍可用的材料数据库和材料选择软件，以及如何利用它们来快速筛选潜在的材料。 多准则决策分析： 探讨如何综合考虑多种性能要求和约束条件，对备选材料进行评估和排序。 生命周期成本分析： 强调在材料选择过程中，不仅要考虑材料本身的成本，还要考虑加工、使用、维护和报废等整个生命周期的成本。 法规与标准： 提醒设计者关注相关的材料标准、安全法规和行业规范。 第十六章：可持续性与绿色材料 随着环境意识的提高，材料的可持续性成为越来越重要的考量因素。 材料的环境影响评估： 介绍生命周期评估（LCA）方法，评估材料从原材料获取、生产、使用到废弃的整个生命周期对环境的影响。 可再生与生物基材料： 探讨使用可再生资源生产的材料，如生物聚合物、天然纤维等。 可回收与可降解材料： 关注材料的可回收性，以及开发能够自然降解的材料，以减少废弃物对环境的压力。 轻量化设计与材料选择： 强调使用轻质高强材料，如铝合金、镁合金、碳纤维复合材料，以减少能源消耗，尤其是在交通运输领域。 循环经济与材料再利用： 介绍如何通过回收和再加工，实现材料的循环利用，降低对原生资源的依赖。 本书旨在为读者提供一个全面而深入的机械工程材料技术知识体系，帮助读者理解材料的内在联系，掌握材料的性能特点，学会如何选择、加工和防护材料，并最终能够根据工程需求做出明智的材料决策。通过掌握这些知识，读者将能更好地应对现代工程挑战，推动技术创新和可持续发展。

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