內容簡介
《工程材料(第5版)》根據高等工業學校機械工程材料及物理化學課程教學指導小組製定的機械工程材料課程教學大綱和教學基本要求編寫。闡述瞭工程材料的結構、組織、性能及其影響因素等工程材料的基本理論和基本規律;介紹瞭金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復閤材料等常用工程材料以及它們的應用等基本知識;討論瞭機械零件的失效與選材等內容。
《工程材料(第5版)》可作為高等院校機類專業學生用書,也可供報考機械類專業研究生的考生和有關工程技術人員學習、參考。
《工程材料(第5版)》課程2005年被評為國傢精品課程,並榮獲2004年度北京市高等教育教學成果二等奬。
與《工程材料(第5版)》相配的《工程材料習題與輔導(第5版)》及與《工程材料(第5版)》相配的《工程材料(第5版)教師參考書》、《工程材料(第5版)多媒體教案》也已經由清華大學齣版社齣版。
內頁插圖
目錄
緒論
0.1 中華民族對材料發展的重大貢獻
0.2 材料的結閤鍵
0.3 工程材料的分類
第1章 材料的結構與性能特點
1.1 金屬材料的結構與組織
1.1.1 純金屬的晶體結構
1.1.2 閤金的晶體結構
1.1.3 金屬材料的組織
1.2 金屬材料的性能特點
1.2.1 金屬材料的_丁藝性能
1.2.2 金屬材料的力學性能
1.2.3 金屬材料的理化性能
1.3 高分子材料的結構與性能特點
1.3.1 高分子材料的結構
1.3.2 高分子材料的性能特點
1.4 陶瓷材料的結構與性能特點
1.4.1 陶瓷材料的結構
1.4.2 陶瓷材料的性能特點
第2章 金屬材料組織和性能的控製
2.1 純金屬的結晶
2.1.1 純金屬的結晶
2.1.2 同素異構轉變
2.1.3 鑄錠的結構
2.1.4 結晶理論的工程應用
2.2 閤金的結晶
2.2.1 二元閤金的結晶
2.2.2 閤金的性能與相圖的關係
2.2.3 鐵碳閤金的結晶
……
第3章 金屬材料
第4章 高分子材料
第5章 陶瓷材料
第6章 復閤材料
第7章 功能材料及新材料
第8章 零件失效分析與選材原則
第9章 典型工件的選材及工藝路綫設計
第10章 工程材料的應用
附錄1 金屬材料室溫拉伸試驗方法新、舊國傢標準性能名稱和符號對照錶
附錄2 金屬熱處理工藝的分類及代號(摘自GB/T12603-2005)
附錄3 常用鋼的臨界點
附錄4 鋼鐵及閤金牌號統一數字代號體係(摘自GB/T17616-1998)
附錄5 國內外常用鋼號對照錶
附錄6 常用鋁及鋁閤金狀態代號與說明(摘編自GB/T16475-2008)
附錄7 若乾物理量單位換算錶
附錄8 工程材料常用詞匯中英文對照錶
參考文獻
前言/序言
《工程材料》課程是高等院校機類專業的一門技術基礎課。《工程材料》課程的任務是從機械工程的應用角度齣發,闡明機械工程材料的基本理論,瞭解材料的成分、加工工藝、組織、結構與性能之間的關係;介紹常用機械工程材料及其應用等基本知識。本課程的目的是使學生通過學習,在掌握機械工程材料的基本理論及基本知識的基礎上,具備根據機械零件使用條件和性能要求,對結構零件進行閤理選材及製定零件工藝路綫的初步能力。由於能源、材料和信息是現代社會和現代科學技術的三大支柱,學習並掌握工程材料的基本知識,對於工科院校機械類專業的學生是十分必要的。國內外許多高等院校已把《工程材料》(或稱《機械工程材料》)課程設置為機械類專業的一門十分重要的技術基礎課。
本書根據高等工業學校機械工程材料教學大綱和教學要求編定,可作為高等院校學生學習工程材料課程的教材,也可供報考機械類專業和材料科學與工程類專業研究生的考生和有關工程技術人員學習、參考。
清華大學齣版社齣版的鄭明新教授主編的《工程材料》第1版(1983年)、第2版(1991年)、硃張校教授主編的《工程材料》第3版(2001年)、硃張校、姚可夫教授主編的《工程材料》第4版(2009年)共計齣版發行約30萬冊。我國許多高等院校采用瞭這本教材。其中《工程材料》第2版獲機械部優秀教材2等奬、教育部科技進步奬3等奬;《工程材料》第3版獲北京市高等教育教學成果2等奬。《工程材料》教材被教育部列為普通高等教育“十五”、“十一五”國傢級規劃教材及“十二五”普通高等教育本科國傢級規劃教材。清華大學的工程材料課程被評為國傢級精品課程、北京市精品課程。為瞭適應材料學科快速發展的需要,進一步提高工程材料課程的教學水平與教學質量,本次對工程材料教材進行瞭較大修訂。由於本書主要供機械類專業學生使用,因此重點在於闡明各種工程材料的組織結構、性能和應用,以及正確選材和用材的基本知識。近年來,我國的研究生教育事業發展很快,一些院校和研究單位把“工程材料”作為機械類專業研究生招生考試科目,並把清華大學的《工程材料》教材作為重要參考書。因此本書加強瞭材料學方麵的內容,以利於加強學生的材料科學基礎知識。同時重視材料學理論在工程實際中的應用,引入瞭大量工程應用實例,引導學生理論聯係實際,掌握基本理論知識。
《工程材料》第5版由三部分內容組成。第一部分為基本理論部分,由第1章、第2章組成,闡述瞭工程材料學的基本概念和基本理論,其內容為工程材料的結構、組織和性能以及它們之間的關係;金屬材料組織與性能的影響因素和規律。第二部分為工程材料知識部分,包括第3章至第7章,介紹瞭常用金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復閤材料的成分、組織、性能及其應用知識。同時對功能材料和其他新材料作瞭介紹,以擴展學生的材料知識麵。第三部分為工程材料的應用部分,由第8章至第10章組成。介紹機械零件的失效與選材知識以及工程材料在汽車、機床、儀器儀錶、熱能、化工及航空航天等領域的應用情況,其中“工程材料的應用”一章可根據不同專業的學生有選擇地講授部分內容,其他內容可由學生自學。書中引入瞭較多的新材料、新技術知識,有利於培養學生的創新意識。本書的重點是第2、3章和第9章。
本書中介紹的材料牌號采用瞭最新的國傢標準。考慮到讀者對材料新牌號尚不熟悉,因此保留瞭部分材料的舊牌號,文中用括號錶明。例如不銹鋼牌號20Cr13(2Cr13)、鋁閤金牌號5A05(LF5),其中20Cr13、5A05為新牌號,2Cr13、LF5為舊牌號。
本教材力求體係更科學閤理,內容更豐富新穎;盡量做到理論性強,概念清晰,語言簡潔,條理性強,注重理論聯係實際,實例豐富。本書介紹的材料種類多,牌號新,材料知識麵廣。本教材適用麵寬,可作為高等院校各機械類專業學生的教材或學習參考書。書末附有國內外常用鋼號對照錶及工程材料常用詞匯中英文對照錶,可供讀者閱讀有關外文參考教‘材或文獻時查閱。
配閤本教材,作者另外編寫瞭《工程材料習題與輔導(第5版)》-書作為《工程材料(第5版)》的配套教材。內容包括《工程材料(第5版)》各章重點、習題、課童討論指導書、實驗指導書等,同時編寫瞭《工程材料(第5版)教師參考書》,製作瞭《工程材料(第5版)多媒體教案》光盤,為工程材料課程教師提供瞭必要的教學資源。以上教學資源都已由清華大學齣版社齣版。
在教育部新世紀網絡課程建設工程資助下,作者研製瞭《工程材料網絡課程》,建設瞭國傢級精品課工程材料課程網站。《工程材料網絡課程》已由高等教育電子音像齣版社齣版。學生可以在網絡環境下自主學習。
本書編寫者分工如下:
緒論、第1章1.1節、1.2節、第2章2.1節至2.4節、第9章9.3節、9.4節由硃張校編改。第1章1.3節、第4章、第7章由張弓編改。第1章1.4節、第5章、第6章由張華堂編改。第2章2.5節、第3章3.1節、3.2節、第9章9.1節、第10章10.4節由王昆林編改。第2章2.6節、第8章、第10章10.2節、10.3節由張人佶編改。第3章3.3節、第9章9.2節、第10章10.1節由姚可夫編改。第3章3.4節由吳運新編改。第10章10.5節、10.6節由鞏前明編改。附錄1、3、4、6、7、8由硃張校整編,附錄2、5由張欣整編。書中顯微組織照片由丁蓮珍、張欣、硃張校提供。
鄭明新教授對本書的編寫提齣瞭非常寶貴的意見,並審閱瞭全書。全體編者對鄭明新教授錶示衷心的感謝。
本書的編寫中引用瞭有關材料牌號方麵的最新國傢標準,參考瞭部分國內外有關教材、科技著作及論文,部分照片下載自互聯網。在此特嚮有關作者緻以深切的謝意。
由於編者水平有限,本書不足之處在所難免,敬請讀者批評指正。
工程材料(第5版) 概述 《工程材料(第5版)》是一部全麵、深入探討現代工程領域至關重要的一環——材料科學與工程的權威性教材。本書旨在為讀者提供一個紮實且廣泛的材料基礎知識體係,涵蓋從基礎理論到實際應用的各個層麵,幫助未來的工程師和研究人員深刻理解材料的結構、性能、加工以及在不同工程環境下的行為。本版在繼承前幾版經典內容的基礎上,融入瞭最新的研究進展和行業動態,內容更加貼近當前工程實踐的需求,是一部不可或缺的參考工具書。 內容梗概 本書以係統性的視角,從微觀的原子結構齣發,逐步深入到宏觀的材料性能和應用。其結構清晰,邏輯嚴謹,理論與實踐相結閤,力求使讀者在掌握基本概念的同時,也能理解材料在實際工程設計中的重要性。 第一部分:材料基礎 材料的微觀結構與性能: 這一部分是理解材料的基石。內容將詳細介紹物質的基本構成,包括原子、分子、晶體結構以及非晶態結構。讀者將學習到如何描述和錶徵材料的晶格、晶界、位錯、空位等微觀缺陷,並理解這些缺陷如何深刻影響材料的力學、電學、磁學、熱學以及光學性能。本書將重點闡述不同材料體係(如金屬、陶瓷、聚閤物、復閤材料)的典型微觀結構特徵,以及它們與宏觀性能之間的內在聯係。例如,在金屬部分,將深入探討麵心立方(FCC)、體心立方(BCC)和六方密排(HCP)等晶體結構,以及這些結構如何影響金屬的延展性和強度。對於陶瓷,則會介紹離子鍵和共價鍵的性質,以及它們如何導緻陶瓷的硬度和脆性。聚閤物部分將聚焦於長鏈分子結構、鏈纏結、結晶與非晶區域,以及這些因素如何決定聚閤物的柔韌性、強度和熱性能。 相變與熱處理: 相變是材料性能改變的關鍵過程。本書將詳細介紹固態相變的基本原理,包括形核與生長機製,以及常見的相圖(如二元閤金相圖)的解讀方法。讀者將學習如何利用相圖預測材料在不同溫度和成分下的相組成和相結構,並理解這些相變過程對材料性能的影響。熱處理是控製材料性能的有效手段。本書將係統介紹各種熱處理工藝,如退火、正火、淬火、迴火、時效等,並深入分析不同熱處理工藝對金屬閤金(特彆是鋼和鋁閤金)的顯微組織和力學性能(如強度、硬度、韌性)的影響。例如,對於鋼,將詳細介紹奧氏體化、淬火冷卻速率與馬氏體相變的關係,以及不同迴火溫度對馬氏體組織轉變和力學性能的影響。 第二部分:工程材料類彆 金屬及其閤金: 金屬材料因其優異的力學性能、導電性和導熱性,在工程領域占據著核心地位。本書將係統介紹黑色金屬(如各種鋼、鑄鐵)和有色金屬(如鋁、銅、鈦、鎂及其閤金)的組成、組織、性能和應用。對於鋼,將重點介紹碳鋼、閤金鋼、不銹鋼、工具鋼等不同類彆鋼的牌號、性能特點和適用範圍。對於鑄鐵,將深入探討灰鑄鐵、球墨鑄鐵、白口鑄鐵等的組織與性能差異。有色金屬部分,將詳細闡述鋁閤金、銅閤金、鈦閤金等在高強度、輕質化、耐腐蝕等方麵的優勢,以及它們在航空航天、汽車、電子電器等領域的廣泛應用。本書還將介紹金屬的塑性變形機製,如滑移和孿晶,以及加工硬化和固溶強化、沉澱強化、晶界強化等強化機製。 陶瓷材料: 陶瓷材料以其高硬度、高耐溫性、耐腐蝕性和優良的電絕緣性而聞名,在高溫工程、電子器件、生物醫學等領域發揮著不可替代的作用。本書將介紹傳統陶瓷(如氧化物、碳化物、氮化物)和先進陶瓷(如氧化鋯、碳化矽、氮化矽)的分類、微觀結構、性能特點和製備工藝。讀者將學習到陶瓷材料的力學性能(特彆是其脆性及其剋服方法)、熱學性能、電學性能以及光學性能,並瞭解陶瓷材料在航空發動機、燃氣輪機葉片、絕緣子、傳感器等關鍵部件中的應用。本書還將探討陶瓷的燒結過程,以及如何通過控製燒結參數來優化陶瓷的緻密度和性能。 聚閤物材料: 聚閤物材料因其輕質、易加工、成本低廉且性能可調,已成為現代工程中不可或缺的材料。本書將詳細介紹通用塑料(如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯)、工程塑料(如聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛)以及特種工程塑料(如聚醚醚酮)的結構、性能和應用。讀者將學習到聚閤物的分子鏈結構、玻璃化轉變溫度(Tg)、熔點(Tm)、結晶度等關鍵參數如何影響聚閤物的力學、熱學和化學性能。本書還將探討聚閤物的加工工藝,如注塑、擠齣、吹塑等,以及聚閤物的增強和改性方法,以滿足不同工程需求。 復閤材料: 復閤材料是將兩種或兩種以上不同性質的材料結閤在一起,以獲得單一材料無法實現的優異性能。本書將重點介紹縴維增強聚閤物(FRP)復閤材料,如碳縴維增強聚閤物(CFRP)和玻璃縴維增強聚閤物(GFRP),以及顆粒增強復閤材料和層狀復閤材料。讀者將深入理解復閤材料的組成(基體和增強體)、微觀結構、力學性能(如高比強度、高比模量)以及設計原則。本書還將討論復閤材料在航空航天、汽車、風力發電葉片等領域的創新應用,以及復閤材料的失效模式和壽命預測。 第三部分:材料的性能與應用 力學性能: 力學性能是衡量材料能否承受外力的關鍵指標。本書將詳細介紹材料的強度(屈服強度、抗拉強度)、韌性(斷裂韌性)、硬度、疲勞強度、蠕變性能等。讀者將學習到如何通過拉伸試驗、壓縮試驗、彎麯試驗、衝擊試驗、硬度試驗等標準試驗方法來測定材料的力學性能,並理解這些性能指標在工程設計中的重要性。本書還將介紹應力集中、斷裂力學等概念,幫助讀者理解材料在復雜應力狀態下的行為。 電學、磁學、熱學與光學性能: 除瞭力學性能,材料在電、磁、熱、光等方麵的性能同樣至關重要。本書將介紹不同材料的導電性、絕緣性、半導體特性,以及鐵磁性、順磁性、抗磁性等磁學行為。在熱學方麵,將涉及材料的導熱性、熱膨脹係數、比熱容等。光學性能部分,將介紹材料的透明性、反射性、摺射率以及發光特性。本書將結閤具體的材料類型和工程應用,闡述這些性能的內在聯係和應用實例,如導體在電子綫路中的應用,絕緣體在高壓設備中的應用,磁性材料在電機和存儲設備中的應用,熱敏材料在傳感器中的應用等。 材料的腐蝕與防護: 腐蝕是導緻材料性能退化和失效的重要原因。本書將係統介紹金屬材料在不同環境下的腐蝕機理,包括電化學腐蝕、化學腐蝕等。讀者將學習到不同腐蝕類型(如均勻腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂)的特徵和影響因素。本書還將重點介紹各種材料的防護措施,如錶麵處理(電鍍、陽極氧化、塗層)、緩蝕劑的使用、陰極保護等,以提高材料的使用壽命和可靠性。 材料的加工與成形: 材料的加工與成形工藝直接影響其最終的組織和性能。本書將介紹金屬的鑄造、鍛造、軋製、焊接等成形工藝,陶瓷的粉末冶金、壓製、燒結等工藝,以及聚閤物的注塑、擠齣、吹塑等成形方法。讀者將瞭解不同加工工藝對材料微觀結構和宏觀性能的影響,以及如何選擇閤適的加工工藝來獲得理想的材料性能和産品。 失效分析與可靠性: 理解材料的失效模式是保障工程安全和可靠性的關鍵。本書將介紹常見的材料失效類型,如斷裂(脆性斷裂、韌性斷裂)、疲勞、蠕變、腐蝕失效等,並提供失效分析的基本方法和案例。同時,本書還將探討材料的可靠性評估和壽命預測,幫助工程師設計更安全、更耐用的工程産品。 第四部分:先進材料與未來展望 先進材料: 隨著科技的飛速發展,對材料性能的要求也日益提高。本書將介紹一些前沿的先進材料,如納米材料、智能材料(形狀記憶閤金、壓電材料)、生物材料、能源材料(如太陽能電池材料、電池材料)等。將概述這些材料的特性、製備方法和潛在應用,為讀者提供一個瞭解材料科學最新研究動態的窗口。 可持續性與環保: 在當今社會,可持續性已成為工程領域的重要考量。本書將討論材料的生命周期評估,包括原材料的獲取、材料的加工、使用以及廢棄物的迴收和處理。將強調發展綠色材料、可再生材料和易迴收材料的重要性,以及如何通過材料設計和選擇來降低工程對環境的影響。 學習目標 通過學習《工程材料(第5版)》,讀者將能夠: 深刻理解材料的微觀結構與其宏觀性能之間的內在聯係。 掌握不同類型工程材料(金屬、陶瓷、聚閤物、復閤材料)的基本原理、性能特點和應用領域。 熟練運用材料性能指標進行工程設計和選材。 理解材料的加工、成形、失效機理和防護方法。 瞭解當前先進材料的研究進展和未來發展趨勢。 培養材料的選擇和應用中的可持續性意識。 《工程材料(第5版)》不僅是一本教科書,更是一本麵嚮廣大工程師、研究人員和相關領域學生的實用指南,為他們在日益復雜和充滿挑戰的工程世界中提供堅實的材料基礎和創新的解決方案。