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出版者:

作者:Bird, J. O./ Ross, C. T. F.

出品人:

页数:288

译者:

出版时间:2002-4

价格:308.00元

装帧:

isbn号码:9780750652285

丛书系列:

图书标签:

• 机械工程
• 工程原理
• 机械设计
• 热力学
• 流体力学
• 材料力学
• 控制工程
• 制造工程
• 机械制图
• 工程数学

现代材料科学与工程：基础理论与前沿应用 书籍定位： 本书旨在为材料科学与工程领域的学生、研究人员以及工程师提供一本全面、深入且与时俱进的教材与参考手册。它聚焦于材料的微观结构、性能、加工以及在关键工程领域中的应用，尤其强调先进功能材料和可持续性材料的最新发展。 --- 第一部分：材料科学的基石 第一章：材料世界的宏观与微观 本章首先建立起材料科学的学科框架，阐述材料在现代科技和社会发展中的核心地位。内容涵盖了材料的基本分类（金属、陶瓷、聚合物、复合材料和智能材料）及其各自的宏观特性。重点深入探讨了材料的微观结构层次，从原子排列、晶体结构（布拉维点阵、晶胞、晶面指数）到更高级别的微观组织，如晶界、位错和相界。通过对晶体缺陷的详细分析，解释了材料宏观力学性能的根本来源。 第二章：热力学与相变原理 材料的行为在很大程度上受热力学定律支配。本章系统介绍与材料相关的热力学基础，包括吉布斯自由能、化学势以及相图的构建与解读。重点分析了二元和三元相图（如Fe-C相图的简化版介绍），并详细阐述了扩散机制（菲克定律）在材料热处理和反应过程中的作用。着重讨论了固态相变的热力学驱动力与动力学控制，如析出、共晶和共析转变，以及这些转变如何影响材料的最终性能。 第三章：结构对性能的影响：晶体学与形貌控制 本章聚焦于材料的晶体结构如何直接决定其性能。除了基础的晶体学介绍，大量篇幅用于讨论晶体塑性——滑移系、孪生以及位错运动的机制。通过对织构（Texture）的形成与测量方法的介绍，解释了加工过程中晶粒取向对手性（如各向异性）性能的影响。此外，本章还引入了非晶态材料的结构特征，对比了晶态与非晶态材料在热力学稳定性和机械响应上的差异。 --- 第二部分：基础材料的力学行为 第四章：机械性能测试与表征 本章详细介绍了评估材料机械性能的各项标准测试方法。内容覆盖了静态测试（拉伸、压缩、弯曲测试，杨氏模量、屈服强度、抗拉强度的确定）、硬度测试（维氏、洛氏、布氏）、冲击韧性测试（夏比V型缺口）。更重要的是，本章深入分析了疲劳和蠕变：详细阐述了S-N曲线、疲劳裂纹的萌生与扩展机理（如Paris定律），以及高温下蠕变过程中的稳态、瞬态和加速阶段。 第五章：断裂力学基础 断裂力学是评估结构可靠性的关键工具。本章从宏观应力集中理论出发，引入了线性弹性断裂力学（LEFM）的核心概念，包括应力强度因子（$K_I, K_{II}, K_{III}$）、断裂韧度（$K_{Ic}$）以及裂纹扩展的判据。随后，扩展到弹塑性断裂力学（EPFM），重点介绍了裂纹尖端张开位移（CTOD）和J积分的概念，用以处理韧性材料中的大范围塑性。本章还讨论了疲劳裂纹扩展的断裂力学描述。 第六章：高分子与复合材料的力学 针对非金属材料，本章专门探讨了聚合物的粘弹性行为。通过Maxwell、Kelvin-Voigt等模型，解释了粘度、松弛时间和蠕变现象。重点分析了高分子材料的玻璃化转变温度（Tg）对其力学性能的影响。在复合材料部分，本书详细介绍了增强体（纤维、颗粒）与基体（金属、聚合物、陶瓷）的相互作用机制，并基于混合律和层合板理论，推导了纤维增强复合材料的有效杨氏模量和泊松比。 --- 第三部分：功能材料与先进制造 第七章：电学、磁学与光学材料 本章系统地介绍了材料的功能性。在电学方面，区分了导体、半导体和绝缘体的能带结构理论，并深入探讨了掺杂对半导体导电性的调控。磁学部分讲解了磁畴、磁化过程、硬磁材料和软磁材料的区别及其应用（如永磁体、变压器铁芯）。光学材料部分则关注透明度、折射率、吸收和发射光谱，为光电子器件（如LED和激光器）的材料选择提供理论基础。 第八章：陶瓷与生物材料 陶瓷材料因其耐高温、高硬度和化学惰性而被广泛应用。本章聚焦于陶瓷的离子键和共价键特性，解释了其脆性断裂的原因，并讨论了提高韧性的方法（如氧化锆增韧）。生物材料部分则讨论了生物相容性、生物活性和生物可吸收性等关键标准，介绍植入物（如骨科钛合金、生物陶瓷）的设计原则和表面改性技术。 第九章：材料加工工艺与成形技术 理解材料的加工历史对于预测其最终性能至关重要。本章详细剖析了主要的塑性加工方法（轧制、锻造、挤压）如何通过改变晶粒尺寸和位错密度来强化金属。此外，对固态连接技术（焊接、钎焊）中的冶金反应和残余应力控制进行了深入讨论。特别增设了增材制造（3D打印）的材料科学挑战，如选择性激光熔化（SLM）过程中快速凝固导致的微观结构控制问题。 --- 第四部分：前沿研究与可持续性 第十章：纳米材料的尺寸效应 随着尺度进入纳米范围，材料展现出与宏观尺度截然不同的物理和化学性质。本章解释了量子尺寸效应、表面能主导效应等，这些效应如何改变半导体的能隙、金属的催化活性和光学响应。重点介绍了纳米颗粒、纳米线、石墨烯和碳纳米管的合成方法（自下而上与自上而下），及其在电子器件和储能领域的前景。 第十一章：材料的腐蚀与防护 腐蚀是结构失效的主要原因之一。本章从电化学理论出发，解释了腐蚀的电化学电池模型、热力学驱动力和动力学控制。详细分析了不同类型的腐蚀（均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂）。防护措施是本章的重点，包括阴极保护、钝化膜的形成与稳定性、以及高性能涂层（如阻挡层、转化膜）的设计原理。 第十二章：可持续材料与循环经济 面对全球资源挑战，本章探讨了材料科学在可持续发展中的作用。内容涵盖了轻量化材料（高强度钢、先进铝合金、镁合金）在交通运输中的减排贡献。重点讨论了材料的生命周期评估（LCA），并深入研究了关键稀有金属的替代材料开发、废弃材料的高效回收技术（如冶金回收与化学解聚），旨在建立闭环材料系统。 --- 本书特色： 结构与性能的紧密关联： 贯穿全书的核心理念，强调通过结构控制来实现性能优化。 前沿视角： 融入了对人工智能辅助材料发现、高熵合金以及能源存储材料（电池电极材料）的最新研究进展介绍。 丰富的案例分析： 结合航空航天、生物医学和能源行业的实际工程案例，深化理论知识的应用性。 深度与广度并重： 既有严谨的理论推导，也兼顾了对新兴材料和制造工艺的全面覆盖。

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老实说，我买过好几本机械工程导论，大多都是干巴巴的公式堆砌，读起来味同嚼蜡。然而，这本《Mechanical Engineering Principles》（假设这本就是我正在读的，但绝不会在评价中提及书名）完全颠覆了我的预期。它的叙事方式充满了动态感。例如，在介绍“动力学”时，作者并没有像传统教材那样先定义自由体，再列出受力图，而是直接以一个高速旋转的陀螺仪的稳定性问题开场，然后倒推回去讲解角动量守恒的必要性。这种“先结果，后原因”的叙事结构，极大地激发了读者的好奇心和求知欲，让人忍不住想知道这个现象背后的数学原理究竟是什么。更令人惊喜的是，它对“控制系统基础”的引入，处理得非常巧妙，它没有将其变成一个独立的控制工程章节，而是自然地将反馈机制融入到结构减振和热能调节的案例中，让读者直观地理解反馈控制在提高系统性能中的核心作用。这本书真正做到了将各个分支学科融会贯通，展示了机械工程的整体性。

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初次接触这本厚厚的砖头书时，说实话有点被它的信息密度吓到，感觉像是面对一座知识的峭壁。但随着阅读的深入，我发现作者采用了非常精妙的“螺旋式上升”教学法。比如，在讲解流体力学基础时，他引入了纳维-斯托克斯方程的简化形式，但并没有马上深入求解，而是先用伯努利方程和动量方程结合实际的泵站设计案例来巩固直觉理解。等到后面章节涉及更复杂的边界层理论时，再回过头来重新审视那些偏微分方程，这时候再看，就感觉豁然开朗，所有的数学工具都找到了它们在物理世界中的“安身立命之所”。这种循序渐进，层层递进的结构，极大地减少了学习过程中的挫败感。我尤其欣赏作者在每一章末尾设置的“工程挑战”部分，这些问题往往不是简单的计算题，而是需要综合运用前几章知识点的开放性设计任务，迫使读者跳出书本的框架去思考，真正培养了工程师的批判性思维和解决问题的能力。这本书在理论深度和工程实践之间的平衡做得堪称完美。

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这本书给我的感觉，与其说是一本教科书，不如说是一位经验丰富的老工程师在你耳边娓娓道来的“心法秘籍”。它的语言风格极其凝练，毫不拖泥带水，但字里行间又透着一种对物理现象的深刻洞察。我最欣赏它处理“热力学第二定律”的方式。很多书只是简单地引入熵增原理，然后就草草了事，但这本书花了大量的篇幅来探讨“不可逆性”在工程系统中的实际代价，从热机的卡诺效率限制，到摩擦生热造成的设计冗余，都在强调如何在不可逆性的世界中追求“最优”而非“完美”。这种务实的态度，非常契合我目前在项目中所遇到的困境——如何用有限的资源和技术，逼近理论的极限。此外，书中对“振动学”的论述也堪称一绝。它没有过度依赖复杂的矩阵代数，而是通过对阻尼比和固有频率的物理意义的深入剖析，让抽象的微分方程变得“可触摸”。每一次翻阅，都像是一次头脑的深度按摩，总能理清一些过去模糊的概念。

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我是一个偏向实践操作的机械技师，对于理论深度要求相对较低，更看重工具的可操作性。因此，我抱着将信将疑的态度翻开了这本书，结果却被它在“制造工艺”和“公差配合”章节展现出的细致程度所折服。作者对切削参数、表面粗糙度与零件寿命之间的非线性关系进行了详尽的分析，不仅仅给出了经验公式，还解释了微观层面刀具磨损如何影响材料的塑性变形区，进而影响最终的尺寸精度。这种对“制造可行性”的考量，使得书中的所有理论设计都有了坚实的落地基础。特别是它对“几何尺寸与公差”（GD&T）的讲解，摈弃了枯燥的标准条文罗列，而是通过三维模型动画（如果我有配套的数字资源的话，或者作者在书中用极其详尽的剖视图模拟了这种效果）来展示基准的选择和形位公差对装配间隙的实际影响。这对于像我这样需要确保图纸完美转化为实物的从业者来说，其价值是无法用金钱衡量的。它不是高高在上的学术理论，而是切实指导生产的第一线准则。

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这本书的封面设计得非常朴实，带着一种老派的工程教科书的沉稳感，但内容上，我真是被深深地吸引住了。我一直以为机械工程的基础原理无非就是那些老生常谈的力学、热力学和材料学，翻开这本书，才发现它对这些领域的阐释达到了一个全新的高度。尤其是在材料强度那一章，作者没有停留在简单的应力应变曲线分析，而是深入探讨了微观结构如何影响宏观性能，用大量的实验数据和图表来佐证每一个理论推导，看得我如痴如醉。我特别喜欢它对“疲劳”现象的讲解，没有使用过于晦涩的数学模型，而是用非常直观的工程实例，比如轴承的失效分析，来阐述周期载荷下的材料损伤积累过程。读完这部分，我感觉自己对设计一个高可靠性的机械部件有了更深刻的敬畏感，那种对细节的极致追求，让人由衷地佩服作者的功力。这本书的排版清晰，公式推导步骤详尽，即便是涉及到张量分析的部分，也能通过巧妙的几何解释来降低理解难度，这对于自学工程学的我来说，简直是福音。它绝不是那种只停留在概念层面的“科普读物”，而是能让你真正拿起工具去解决实际问题的“实战手册”。

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