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出版者:

作者:Neathery, Raymond F.

出品人:

页数:384

译者:

出版时间:2010-11

价格:$ 98.03

装帧:

isbn号码:9780133787955

丛书系列:

图书标签:

• 力学
• 应用力学
• 工程力学
• 材料力学
• 结构力学
• 静力学
• 动力学
• 机械工程
• 物理学
• 工程技术

深入解析现代材料科学与工程：从微观结构到宏观性能的跨越 图书名称： 现代材料科学与工程：基础原理、前沿应用与未来展望 图书简介： 本书旨在为读者提供一个全面、深入且与时俱进的材料科学与工程领域知识体系。它不仅仅是一部教科书，更是一本面向科研人员、工程师以及高年级学生的权威参考手册，着重探讨材料的内在结构、加工工艺如何决定其宏观性能，并最终指导材料的创新设计与实际应用。本书内容横跨基础理论、先进实验技术、前沿材料体系以及工程实践中的关键挑战。 第一部分：材料科学的基石——结构与性能的内在联系 (Foundations: Structure-Property Relationships) 本部分奠定了理解所有工程材料的基础。我们首先从晶体结构与缺陷理论入手，详细解析了点缺陷、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）的形成机制及其对材料力学性能、电学性能和扩散行为的决定性影响。通过介绍布拉维点阵、密堆积结构以及非晶态物质的短程有序性，读者将建立起对固体物质微观形态的精确认知。 随后，重点转向热力学与相变动力学。材料的稳定性和演化路径是理解其加工和使用环境下的行为的关键。本书深入探讨了吉布斯自由能、相图的解读与构建（包括二元、三元体系），并详尽阐述了扩散理论（Fick定律的深入分析）以及形核与长大理论（如冷却速率、过冷度对微观结构的影响）。特别强调了时效硬化、再结晶、晶粒长大等关键热处理过程的动力学模型。 第二部分：工程材料的核心类别与设计策略 (Core Material Systems and Design Strategies) 本部分系统地梳理了四大类主要的工程材料体系，并侧重于现代设计理念的融入。 2.1 金属与合金：从传统到高熵 (Metals and Alloys) 除了对传统钢铁材料（铁碳相图、奥氏体/铁素体转变）和铝、钛合金的经典介绍外，本书将大量篇幅投入到先进金属材料的设计哲学。详细讨论了晶界工程（Grain Boundary Engineering）在提升材料韧性和抗蠕变性能中的作用。重点解析了高熵合金（HEAs） 的“五个E”原则、复杂构型对复杂性能的影响，以及如何利用机器学习辅助设计新型服役合金。 2.2 陶瓷材料：结构与功能的一体化 (Ceramics: Structure and Function Integration) 陶瓷材料的挑战在于其固有的脆性。本书深入分析了断裂力学在陶瓷设计中的应用，包括Weibull统计模型、断裂韧性的提高策略（如引入增韧相、纤维增强）。在功能陶瓷方面，详尽阐述了氧化物、非氧化物以及复合陶瓷在压电效应、铁电性、超导性中的微观机制，并结合先进的烧结技术（如放电等离子烧结, SPS）来控制其致密化过程与最终性能。 2.3 高分子材料：粘弹性行为与形态控制 (Polymeric Materials: Viscoelasticity and Morphology Control) 高分子材料的独特性在于其长链结构和时间-温度依赖性。本书对聚合物结构（如结晶度、玻璃化转变温度 $T_g$）如何影响其粘弹性响应进行了详尽的数学建模和实验验证。重点讨论了交联网络对机械性能的调控，以及先进的聚合反应工程，例如活性/可控自由基聚合（RAFT, ATRP）在合成具有精确分子量分布和拓扑结构的功能化聚合物中的应用。 2.4 复合材料：界面工程的艺术 (Composites: The Art of Interfacial Engineering) 复合材料是实现性能“量大于一”的关键。本书将界面视为决定性能的最重要因素，详细分析了纤维/基体界面的化学键合、应力传递机制和失效模式。内容涵盖了颗粒增强、纤维增强（单向、短切、编织结构）和层合板的理论分析。特别关注了智能复合材料（如形状记忆聚合物复合材料）和多功能复合材料的设计，以实现结构与传感或自修复功能的集成。 第三部分：加工工艺与性能的耦合 (Processing-Structure-Property Coupling) 材料的性能并非固定不变，而是通过加工过程被“固化”的。本部分详细审视了从熔融到固态加工的各个阶段。 塑性加工理论： 深入探讨了晶体塑性理论，包括滑移系统、孪晶与变形机制。详细分析了轧制、锻造、挤压过程中的应力状态、残余应力和微观组织演变。对于增材制造（3D打印） 过程，本书从快速凝固动力学、热梯度影响和残余应力累积的角度，解析了选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）中材料特有的孔隙率控制与各向异性形成机制。 表面工程与涂层技术： 讨论了如何通过表面改性来显著提升材料的抗腐蚀性、耐磨损性和生物相容性。内容包括热喷涂、PVD/CVD技术，以及先进的表面激活技术（如激光冲击强化）。 第四部分：材料的服役行为与先进表征 (In-Service Behavior and Advanced Characterization) 材料的真正价值体现在其长期服役的可靠性上。 材料失效分析： 系统阐述了疲劳、蠕变、应力腐蚀开裂（SCC）的物理模型和预测方法。特别是对高周疲劳（HCF）和低周疲劳（LCF） 的本构关系进行了深入对比。 先进的表征技术： 本书强调了现代计算与实验相结合的重要性。详细介绍了同步辐射X射线衍射（XRD） 在原位应变分析中的应用、透射电子显微镜（TEM） 在原子尺度缺陷成像中的能力，以及原子力显微镜（AFM） 对表面形貌和局部力学性能的探查。此外，还引入了计算材料学的基本工具，如密度泛函理论（DFT）计算材料的热力学稳定性和电子结构，以及相场法（Phase-Field Method）模拟微观结构演化。 第五部分：面向未来的功能材料与可持续发展 (Future Directions: Functional Materials and Sustainability) 最后一部分着眼于材料科学的前沿和未来工业需求。内容包括： 能源材料： 锂离子电池的固态电解质设计、燃料电池催化剂的结构优化、高效光伏材料（如钙钛矿）的稳定性挑战。 生物医学材料： 生物惰性、生物活性材料的界面设计、可降解植入物、组织工程支架的力学匹配。 可持续性与循环经济： 关键稀有金属的替代材料研究、材料的生命周期评估（LCA）、以及先进的回收和再利用技术。 本书以严谨的科学逻辑、丰富的工程案例和最新的研究进展，为读者提供了一套完整的、从原子到结构的材料科学方法论，助力其在下一代材料创新中取得突破。

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我对这本书的整体感觉是，它极大地拓宽了我对“力学”这个学科的理解边界。在我的固有印象中，力学总是与冰冷的数字和僵硬的结构联系在一起，但这本书里，作者似乎赋予了这些理论生命力。他不是简单地罗列公式，而是通过大量的历史背景介绍和案例分析，将理论与人类工程史紧密地联系起来。比如，在讨论拱形结构稳定性时，作者没有直接抛出复杂的曲率方程，而是先讲述了古罗马人在设计万神殿穹顶时所经历的智慧积累和试错过程，这一下子就让那个原本枯燥的数学表达变得生动起来，充满了人文关怀。这种叙事手法的运用，让那些原本觉得力学“晦涩难懂”的读者，也能感受到其中蕴含的创造力和美感。这本书成功地架起了一座桥梁，连接了纯粹的理论数学和宏伟的工程实践，让我看到了科学背后那种追求完美的执着。

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这本书的排版和装帧工艺，说实话，是现代教材里少有的良心之作。字体大小适中，行距把握得恰到好处，即便是长时间阅读，眼睛也不会有明显的疲劳感。我尤其欣赏作者在每一个关键定义旁边设置的小注释框，它们往往不是对公式的简单重复，而是对该概念在工程实践中可能遇到的局限性或者特殊情况的简要补充，这种细微之处的关怀，体现了作者深厚的实践功底。我记得有一次，我在研究一个关于材料疲劳的章节时，被一个复杂的应力集中模型绕晕了，正准备放弃时，我注意到旁边一个小小的方框里提到，在实际应用中，通常会使用一个简化系数来弥补模型与真实世界之间的差异，这个提示立刻帮我打通了思路。这种设计，让阅读过程变成了一种双向的、互动的探索，而不是单向的信息灌输。它不仅仅是一本教科书，更像是一个耐心的导师，在你快要迷失方向时，轻轻地给你指引一下正确的方向，然后让你自己继续前行。

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这本书的章节逻辑衔接得非常顺畅，犹如一条精心编织的河流，从源头的微观概念，层层递进，汇聚成解决宏观复杂问题的洪流。最让我印象深刻的是，作者在每一大章的结尾处，都会设置一个“跨领域关联”的小节，这在同类书籍中非常罕见。例如，在讲完平面应力分析之后，他会简要地引述一下量子力学中对晶格形变的初步描述，虽然只是点到为止，但它巧妙地暗示了我们所学的经典力学在更深层次上的局限性，并为进一步深入学习指明了方向。这种“不满足于已知”的治学态度，深深地感染了我。它让我明白，学习知识不是为了应付考试，而是为了不断地追问和探索那个更深层的真理。这本书不仅教会了我如何分析力学问题，更重要的是，它塑造了一种严谨、求真、永不停止探索的治学精神，这对于任何一个想在技术领域有所建树的人来说，都是最宝贵的财富。

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这本书的习题部分，简直是对手册的一次强力挑战和升华。我通常对教材附带的练习题持保留态度，因为很多都是换汤不换药的重复计算，但这里的习题设置显示出了极高的教学智慧。它们不是简单地检验你是否记住了公式，而是真正考察你对原理的理解深度和综合运用能力。有些题目甚至设计成“开放式问题”，要求我们结合最新的材料特性或者特定的环境条件去进行初步的力学建模，这极大地锻炼了我的批判性思维和解决问题的能力。我敢说，如果能扎扎实实地把后面的大部分习题都攻克下来，那么在面对实际工程项目中的复杂受力分析时，心态上也会从容许多。它迫使你跳出书本的框架，去思考如何将这些学到的工具应用到一个尚未被标准化的情境中，这种“实战演练”的价值，是任何课堂讲授都难以比拟的。

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这本书，坦白说，拿到手里沉甸甸的，封面设计得倒是挺朴素，黑底白字，透着一股子老派的严谨劲儿。我本来对这种理论性极强的书是有点抗拒的，毕竟现在市面上充斥着太多追求“速成”和“实用”的读物，总觉得少点什么。但翻开目录那一刻，我心里咯噔了一下，这内容划分得太细致了，从静力学的基本原理讲起，到复杂的结构受力分析，每一步都像是精心铺设的台阶，不容许你有丝毫的马虎。初读引言部分，作者的语气非常平实，没有那种故作高深的腔调，而是像一位经验丰富的工程师在向一个求知若渴的学生解释一个复杂的概念，他总能找到最贴切的日常例子来佐证那些抽象的数学公式，这一点非常加分。我花了整整一个下午才啃完第一章，不是因为内容有多难懂，而是因为我忍不住停下来，在笔记本上画图，试图用我自己的理解去重构作者的逻辑链条。这本书的魅力就在于，它不只是告诉你“是什么”，更深层次地，它在教你“为什么是这样”，这种对根本原理的探究，对于真正想在这个领域站稳脚跟的人来说，简直是无价之宝。

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