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出版者:McGraw-Hill

作者:Wowk, Victor

出品人:

页数:368

译者:

出版时间:1991-7

价格:$ 96.05

装帧:HRD

isbn号码:9780070719361

丛书系列:

图书标签:

• 机械振动
• 振动分析
• 故障诊断
• 机械工程
• 状态监测
• 信号处理
• 工业设备
• 预测性维护
• 旋转机械
• 振动测试

《工程材料科学基础》：探寻物质世界的微观与宏观 本书导言： 在人类文明的演进历程中，材料始终扮演着至关重要的角色。从燧石工具到先进的复合材料，人类对物质特性的理解和运用水平，直接决定了工程技术的上限。本书《工程材料科学基础》旨在系统、深入地剖析现代工程材料的内在结构、性能、加工以及应用原理。我们不再将材料视为静态的“东西”，而是将其视为在特定环境和载荷作用下，表现出特定行为的复杂系统。本书的读者群体涵盖了机械工程、土木工程、航空航天、材料科学等多个领域的学生、研究人员以及一线工程师，致力于提供一个既扎实又前沿的理论框架。 第一部分：晶体结构与缺陷——材料的微观基石 材料的宏观性能，无不源于其微观尺度的排列。本部分首先从原子尺度入手，详细阐述了晶体结构的基础理论。 第一章：晶体结构基础 本章深入探讨了晶体学的基本概念，包括晶格、晶胞、晶面指数（密勒指数）和晶向指数的确定方法。我们着重分析了金属中最常见的晶体结构——面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和六方最密堆积（HCP）的堆积密度和对称性。通过对比不同结构在应力下的变形模式，揭示了结构对力学性能的决定性影响。此外，对于非晶态材料（如玻璃和聚合物），我们也探讨了短程有序和长程无序的特性，并引入了结构因子分析的概念，用以理解X射线衍射（XRD）的原理。 第二章：晶体缺陷的分类与影响 任何实际工程材料都存在缺陷，这些缺陷是材料性能，尤其是塑性变形和导电性的关键所在。本章详细分类了线缺陷（位错）、面缺陷（晶界、孪晶界）和体缺陷（空位、间隙原子、填隙原子）。对于位错，本书不仅阐述了刃型、螺旋型位错的几何形态，更重要的是，深入分析了位错的运动——滑移和攀移，这是金属塑性变形的微观机制。我们使用 Burgers 矢量来量化位错的强度和性质，并讨论了如何通过引入晶界（强化机制之一）来阻碍位错运动，从而提高材料的强度。空位浓度与扩散系数的关系，也在此章得到了严谨的推导和应用实例的说明。 第二部分：材料的热力学与动力学行为 材料的稳定性、相变过程和扩散行为，是理解材料加工和服役寿命的基础。 第三章：材料的热力学基础与相图 本章侧重于材料体系的能量状态和平衡条件。我们回顾了吉布斯自由能（G）的概念，并将其作为判断相稳定性的判据。重点解析了二元合金相图的绘制和解读，包括液相线、固相线、共晶反应、共熔反应和包析反应等关键热力学转变点。对于实际应用，我们详细分析了铁碳合金相图（Fe-C体系），这是理解钢和铸铁性能的基础，深入剖析了奥氏体、铁素体、渗碳体和石墨的形成与转化。 第四章：固态扩散动力学 扩散是材料科学中一个核心的动力学过程，它驱动着热处理、渗碳、氧化等所有涉及原子迁移的现象。本章首先基于爱因斯坦的随机游走模型，推导出菲克第一和第二定律。随后，详细分析了扩散机制，包括原子通过空位机制和间隙机制的迁移。我们引入了阿伦尼乌斯方程，量化温度对扩散系数的影响，并讨论了晶界扩散和表面扩散在特定情境下的重要性，通过实际案例（如电子元件的互连技术）说明扩散在工程中的实际意义。 第三部分：力学性能与变形机制 材料在外部载荷作用下的响应，是工程设计中最直接的需求。本部分专注于描述和解释宏观力学行为。 第五章：弹性与粘弹性行为 材料在小应变下的响应主要由弹性模量描述。本章详细介绍了胡克定律，以及杨氏模量、剪切模量和泊松比之间的关系，特别是在各向异性材料（如复合材料）中的张量表示法。随后，我们引入了粘弹性概念，探讨了聚合物和生物材料在时间依赖性载荷下的蠕变和应力松弛现象，使用标准粘弹性模型（如Maxwell模型和Kelvin-Voigt模型）进行数学描述。 第六章：塑性变形与断裂力学 塑性变形主要由位错运动引起，本章将微观的位错运动与宏观的应力-应变曲线联系起来。我们详细分析了加工硬化（应变硬化）的机制，以及通过热处理（退火、正火、淬火、回火）来控制材料微观结构和力学性能的方法。 断裂是材料失效的终极形式。本章从脆性断裂和韧性断裂两个方面展开。对于韧性断裂，我们介绍了Griffith的能量平衡理论和Irwin对裂纹扩展的描述，重点讲解了应力强度因子 $K_I$ 和断裂韧度 $K_{IC}$ 的概念及其在评估结构安全性中的应用。此外，疲劳断裂是结构长期服役中的主要失效模式，本章系统阐述了S-N曲线、Basquin关系，以及影响疲劳寿命的关键因素，如平均应力效应和应力集中。 第四部分：功能材料与表面工程 现代工程对材料的要求不再局限于强度和韧性，功能性需求日益突出。 第七章：电学、磁学与导热性能 本章深入探讨了不同材料的电子结构如何决定其电学特性。从导体、半导体到绝缘体，通过能带理论解释了电导率的差异。特别针对半导体材料，详细分析了本征半导体和掺杂半导体的载流子浓度和迁移率，为电子器件的设计奠定基础。在磁性方面，我们区分了抗磁性、顺磁性、铁磁性和亚铁磁性，并解释了磁畴、磁滞回线及其在软磁和硬磁材料应用中的差异。 第八章：腐蚀与表面改性技术 材料的失效往往始于表面。本章系统介绍了电化学腐蚀的基本原理，包括阳极和阴极反应，以及对常见腐蚀类型（如点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂）的分析。在表面工程方面，本书重点介绍了提高材料服役性能的关键技术，包括热喷涂、PVD/CVD镀膜技术，以及通过离子注入和表面形变硬化技术来提高材料的耐磨性和抗腐蚀能力。 总结与展望： 《工程材料科学基础》力求以严谨的物理化学原理为指导，将微观结构、热力学、动力学与宏观性能紧密结合。本书不仅提供了理解现有材料的工具箱，更重要的是，它激发读者思考如何通过结构设计和工艺控制来创造具有特定性能的新型材料。材料科学的发展永无止境，本书将作为读者探索更前沿领域，如纳米材料、智能材料和增材制造材料的坚实跳板。

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