机械工程材料基础

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出版者:中南大学出版社
作者:高为国
出品人:
页数:290
译者:
出版时间:2004-1
价格:24.00元
装帧:
isbn号码:9787810618182
丛书系列:
图书标签:
  • 机械工程
  • 材料科学
  • 工程材料
  • 金属材料
  • 非金属材料
  • 材料性能
  • 材料选择
  • 机械设计
  • 材料基础
  • 高等教育
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具体描述

《机械工程材料基础》是由湖南省高等教育学会金工教学委员会组织编写的“工程材料及机械制造基础”系列教材之一。是以国家教育部颁布的《工程材料及机械制造基础课程教学基本要求》和《工程材料及机械制造基础系列课程改革指南》为指导进行编写的。

《机械工程材料基础》从机械类各专业学生的实际出发,以机械工程材料的基础知识为主线,重点介绍了常用机械工程材料及其应用。主要内容包括:机械工程材料概论、金属的晶体结构与结晶、合女的结构与结晶、铁碳合金、钢的热处理、合金钢、铸铁、有色金属与粉末冶金材料、其他常用的机械工程材料、工程设计制造与材料选择等共十章。为帮助学生复习和巩固所学知识,各章后面均附有习题与思考题。

《机械工程材料基础》是高等工科院校机械类、近机械类专业用教材,也可供高等职业技术学院、电视大学、函授大学选用,同时还可作为相关专业工程技术人员的参考书籍。

《现代工程材料手册》 内容简介 《现代工程材料手册》是一本全面、深入且高度实用的工程材料参考指南,旨在为工程师、设计师、技术人员以及相关领域的学生提供最新、最权威的材料信息。本书内容涵盖了从传统金属材料到先进复合材料的广泛领域,并重点关注材料的性能、应用、失效机理、加工技术以及未来发展趋势。其目标是帮助读者深刻理解各种工程材料的内在规律,从而在实际工程设计和制造中做出最优化、最经济、最可靠的材料选择。 第一部分:材料基础理论与分类 本部分将对工程材料的基本概念、性能表征以及分类方法进行系统性的介绍。 晶体结构与缺陷: 深入探讨金属、陶瓷等晶体材料的晶体结构,包括面心立方(FCC)、体心立方(BCC)、六方密排(HCP)等常见晶格类型。详细阐述点缺陷(空位、间隙原子、取代原子)、线缺陷(位错)和面缺陷(晶界、孪晶界)的存在及其对材料宏观性能的影响,例如屈服强度、塑性变形机制等。 相图与相变: 介绍二元和多元相图的绘制原理及解读方法,重点讲解固溶体、化合物、共晶、共析、偏析等重要相平衡关系。深入分析加热、冷却过程中发生的相变,如奥氏体化、贝氏体转变、马氏体转变、沉淀硬化等,以及这些相变对材料组织和性能的决定性作用。 力学性能表征: 全面讲解拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、疲劳、蠕变等力学性能的测试方法和数据解读。详细阐述屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、断裂韧性、疲劳极限、蠕变速率等关键指标的物理意义。介绍应力-应变曲线的各个阶段,并解释弹性模量、泊松比、应变硬化等概念。 物理性能与化学性能: 详细介绍材料的密度、热导率、热膨胀系数、电导率、介电常数、磁导率、耐蚀性、耐氧化性等重要物理和化学性能。阐述这些性能如何影响材料在不同环境下的工作表现,例如在高温、低温、腐蚀性介质或电磁场环境下的应用。 材料的微观结构与性能关系: 强调宏观性能与微观结构之间的深刻联系。通过显微镜(光学显微镜、扫描电子显微镜 SEM、透射电子显微镜 TEM)观察材料的晶粒尺寸、晶界特征、第二相分布、缺陷密度等微观形貌,并将其与材料的强度、韧性、硬度、耐蚀性等联系起来。 第二部分:金属材料及其应用 本部分将对主要的金属材料及其合金进行详尽的分析。 钢铁材料: 碳素钢: 详细介绍低碳钢、中碳钢、高碳钢的成分、组织、性能及热处理工艺。重点阐述碳含量对钢的强度、硬度、塑性的影响。 合金钢: 深入探讨各种合金元素(如锰、硅、铬、镍、钼、钒、钛、铜等)对钢的性能(如强度、韧性、硬化能力、耐磨性、耐腐蚀性、高温性能等)的强化机理。分类介绍碳工具钢、合金工具钢、结构钢、不锈钢、耐热钢、轴承钢、齿轮钢等,并重点分析它们的典型牌号、性能特点及主要应用领域(如汽车、航空航天、机械制造、能源等)。 铸铁: 介绍灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、白口铸铁、可锻铸铁等不同类型铸铁的显微组织、性能差异及应用。重点分析石墨形态对铸铁力学性能的影响。 特殊钢种: 介绍高强度钢、超高强度钢、精密钢、电工钢等在特定领域具有重要价值的钢种。 有色金属及其合金: 铝合金: 重点介绍硬铝(Al-Cu-Mg-Mn系)、锻铝(Al-Zn-Mg-Cu系)、超硬铝(Al-Zn-Mg-Cu-Cr系)等不同系列铝合金的成分、性能特点、热处理及加工工艺。分析其在航空航天、汽车、建筑、包装等领域的广泛应用。 铜及其合金: 介绍纯铜、黄铜(Cu-Zn)、青铜(Cu-Sn)、白铜(Cu-Ni)等合金的性能与应用。分析其优良的导电性、导热性、耐蚀性及加工性能,在电气、机械、装饰等领域的重要性。 钛及其合金: 重点介绍钛的轻质、高强、优异的耐蚀性(尤其是在氧化性介质和海水中的性能),以及钛合金在航空发动机、飞机结构、化工设备、医疗器械等高端领域的应用。 镁合金: 介绍镁合金的极轻密度、高比强度,以及其在汽车零部件、电子产品、航空航天等领域的减重潜力。 高温合金: 详细介绍镍基、钴基、铁基高温合金的成分特点、强化机制(固溶强化、沉淀强化、位错强化、晶界强化、相变强化等),以及它们在航空发动机涡轮叶片、燃气轮机部件等极端高温环境下的应用。 难熔金属: 介绍钨、钼、钽、铌等难熔金属及其合金的超高熔点、优异的高温强度和耐蚀性,及其在照明、电子、航空航天、核工业等领域的特殊应用。 其他有色金属: 简要介绍锌、铅、锡、镉等金属及其合金的特性与应用。 第三部分:陶瓷材料及其应用 本部分将聚焦于陶瓷材料的独特性能及其工程应用。 传统陶瓷: 氧化物陶瓷: 详细介绍氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化镁(MgO)、氧化硅(SiO₂)等氧化物陶瓷的性能特点,如高硬度、高耐磨性、优异的电绝缘性、良好的耐高温性和耐蚀性。重点分析其在耐火材料、电子器件、磨料、结构陶瓷等领域的应用。 非氧化物陶瓷: 介绍碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)、碳化硼(B₄C)等非氧化物陶瓷的优异性能,如极高的硬度、优异的耐磨性、良好的热冲击稳定性、在高温和腐蚀性环境下的出色表现。重点分析其在切削刀具、耐磨件、结构件、防护材料等领域的应用。 先进陶瓷: 结构陶瓷: 重点介绍具有高强度、高韧性、优异耐磨性和耐高温性的结构陶瓷,如氧化铝陶瓷、氧化锆增韧陶瓷(TZP)、碳化硅陶瓷等,及其在机械密封件、轴承、发动机部件、切割工具等方面的应用。 功能陶瓷: 介绍具有特定电、磁、热、光、声学功能的陶瓷,如压电陶瓷(锆钛酸铅 PZT)、铁电陶瓷、热敏电阻陶瓷、半导体陶瓷、传感器陶瓷等,及其在电子电器、传感器、通信、能源等领域的广泛应用。 生物陶瓷: 介绍用于人体组织修复和替代的生物相容性陶瓷,如羟基磷灰石(HA)、磷酸钙陶瓷等,及其在骨科植入物、牙科修复等领域的应用。 复合陶瓷: 介绍将陶瓷基体与陶瓷、金属或聚合物增强相复合形成的陶瓷基复合材料(CMCs),以提高其断裂韧性和抗冲击性能,拓展其应用领域。 第四部分:高分子材料及其应用 本部分将系统介绍各类高分子材料的结构、性能、加工与应用。 聚合物的结构与性能: 单体、链结构与分子量: 介绍聚合物的基本构成单元——单体,以及聚合反应形成的链状、支链状、网状等不同高分子链结构。阐述分子量及其分布对聚合物力学性能、热性能、加工性能的影响。 热塑性聚合物与热固性聚合物: 区分热塑性聚合物(如聚乙烯 PE, 聚丙烯 PP, 聚氯乙烯 PVC, 聚苯乙烯 PS, 聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET, 尼龙 PA, 聚碳酸酯 PC)和热固性聚合物(如酚醛树脂 PF, 环氧树脂 Epoxy, 聚氨酯 PU)。重点分析它们的分子结构、交联程度、热分解温度、可塑性以及加工成型方式。 高分子材料的力学性能: 介绍聚合物的拉伸、压缩、弯曲、冲击、蠕变、疲劳等力学性能,以及玻璃化转变温度(Tg)、熔点(Tm)等热力学参数对性能的影响。 高分子材料的其他性能: 介绍聚合物的电性能、光学性能、阻隔性能、耐化学腐蚀性、耐候性等。 常用高分子材料的种类与应用: 通用塑料: 详细介绍聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)的性能特点、改性方法及其在包装、薄膜、管道、日用品、建筑等领域的广泛应用。 工程塑料: 重点介绍聚酰胺(PA,即尼龙)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚醚醚酮(PEEK)等高强度、高耐热性、优异机械性能的工程塑料,及其在汽车、电子电器、航空航天、医疗器械等领域的应用。 橡胶与弹性体: 介绍天然橡胶、合成橡胶(丁苯橡胶 SBR, 丁腈橡胶 NBR, 丁基橡胶 IIR, 硅橡胶 SiR, 氟橡胶 FKM)的结构、性能、硫化工艺及在轮胎、密封件、减震器等领域的应用。 纤维: 介绍聚酯纤维(PET)、聚酰胺纤维(PA)、聚丙烯腈纤维(PAN)等合成纤维的性能特点及在纺织、增强复合材料等领域的应用。 高分子复合材料: 纤维增强聚合物复合材料(FRP): 重点介绍玻璃纤维增强塑料(GFRP)、碳纤维增强塑料(CFRP)的构成、增强机理、性能特点及在航空航天、汽车、体育器材、建筑等领域的应用。 填料增强聚合物复合材料: 介绍加入填料(如炭黑、滑石粉、碳酸钙等)对聚合物性能的影响,以及它们在橡胶、塑料制品中的应用。 第五部分:复合材料 本部分将深入探讨复合材料的原理、设计与应用。 复合材料基本概念: 定义复合材料,介绍其由两种或两种以上组分(基体和增强体)通过特定工艺制备而成,具有单一组分材料所不具备的优异性能。 增强材料: 详细介绍纤维增强材料(如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维等)和颗粒增强材料(如碳化硅颗粒、氧化铝颗粒等)的种类、性能及增强机理。 基体材料: 介绍聚合物基体(如环氧树脂、聚酯树脂)、金属基体(如铝合金、镁合金)和陶瓷基体(如氧化铝、碳化硅)的特点及其与增强体的匹配关系。 复合材料的类型与设计: 纤维增强聚合物复合材料(FRP): 再次强调其在各个领域的广泛应用,并介绍不同的纤维铺层设计对材料整体性能的影响。 陶瓷基复合材料(CMCs): 重点介绍其在高温环境下的应用潜力,如航空发动机热端部件。 金属基复合材料(MMCs): 介绍其在提高材料强度、刚度和耐磨性方面的优势,以及在汽车、航空航天领域的应用。 层合复合材料: 介绍不同材料层压形成的材料,如胶合板、金属层压板等。 复合材料的制造工艺: 介绍手糊成型、真空辅助树脂传递成型(VARTM)、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、热压罐成型、熔融沉积成型(FDM)等常见的复合材料制造技术。 复合材料的失效分析: 分析纤维断裂、基体开裂、界面脱粘、孔隙、层间剪切失效等复合材料的典型失效模式。 第六部分:材料的选材原则与应用案例 本部分将指导读者如何根据工程需求选择合适的材料,并提供实际应用案例。 材料选择流程: 详细阐述材料选择的基本步骤,包括明确工程需求(功能、性能要求、工作环境、成本、寿命等)、初步筛选候选材料、详细评估候选材料、最终确定材料并进行验证。 选材依据: 结合材料的力学性能、物理性能、化学性能、加工性能、经济性、环保性、可靠性等多种因素进行综合权衡。 计算机辅助材料选择: 介绍材料数据库、材料选择软件在现代工程材料选择中的作用。 典型应用案例分析: 航空航天领域: 分析飞机结构件(铝合金、钛合金、复合材料)、发动机部件(高温合金、陶瓷基复合材料)的材料选择。 汽车工业: 探讨汽车车身(高强度钢、铝合金、复合材料)、发动机(铸铁、铝合金、高温合金)、底盘(钢、铝合金)等部件的材料选择。 能源领域: 分析发电厂设备(不锈钢、耐热钢、高温合金)、核反应堆材料(特种钢、锆合金)、风力发电机叶片(复合材料)的材料需求。 电子电器: 介绍半导体材料、导电材料、绝缘材料(陶瓷、高分子)、封装材料的选择。 生物医学工程: 探讨医用金属(钛合金、不锈钢)、医用高分子(聚氨酯、硅橡胶)、医用陶瓷(羟基磷灰石)在植入物、器械中的应用。 第七部分:材料的失效分析与防护 本部分将探讨材料在实际应用中可能出现的失效现象及其预防措施。 材料失效的常见形式: 断裂: 脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂、过载断裂。 磨损: 磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损。 腐蚀: 电化学腐蚀(均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀)、高温氧化、化学腐蚀。 蠕变: 高温下的长期变形。 疲劳: 循环载荷下的损伤累积。 失效分析方法: 介绍宏观断口分析、显微断口分析(SEM)、能谱分析(EDS)、金相分析、化学成分分析、应力分析等失效分析常用技术。 材料的防护措施: 表面处理: 涂层(防锈涂层、耐磨涂层、隔热涂层)、电镀、阳极氧化、化学钝化。 热处理: 提高材料的强度、硬度和耐磨性。 改变材料成分: 合金化、复合化。 改进设计: 避免应力集中,优化结构。 控制使用环境: 降低温度、湿度,避免腐蚀性介质。 第八部分:材料的未来发展趋势 本部分将展望工程材料的未来发展方向。 智能化材料: 形状记忆合金、自修复材料、响应性材料(如智能涂层)。 纳米材料与超材料: 在原子、分子尺度上设计和制造材料,赋予其前所未有的性能。 生物基材料与可降解材料: 响应可持续发展的需求,开发环境友好型材料。 增材制造(3D打印)材料: 针对3D打印工艺特点开发的专用材料,实现复杂结构的精确制造。 高性能轻质材料: 持续追求更高比强度、比刚度的材料,满足减重需求。 极端环境材料: 开发在超高温、超低温、强辐射、强腐蚀等极端环境下能稳定工作的材料。 《现代工程材料手册》通过对以上内容的系统梳理和深入讲解,将为读者构建一个完整的工程材料知识体系,帮助读者成为更出色的材料应用者和创新者。本书结构清晰,逻辑严谨,图文并茂,语言专业且易于理解,是工程师和学生不可或缺的案头宝典。

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读后感

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用户评价

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总体而言,这本书在“本土化”和“工程实践指导”方面做出了非常积极的尝试,这一点值得称赞,尽管在某些学术深度上略显保守。它大量引用了国内近年来在关键工程领域取得的材料突破和标准规范,这使得对于正在国内高校学习或从事相关行业的人来说,具有极强的指导意义和参考价值。比如,书中针对我国特有的气候条件(如高湿热或特定酸雨环境)对常见建筑材料和桥梁钢材的影响进行了专门的讨论,这比那些完全基于西方标准编写的教材要贴合实际得多。不过,也正因为这种强烈的本土化倾向,使得在探讨一些国际前沿的基础理论时,显得有些不够前瞻。比如在讲解增材制造(3D打印)材料的特有缺陷时,它更多地侧重于现有的成熟工艺的优化,对于未来可能颠覆性的新型粉末材料或定向能量沉积(DED)技术的理论潜力挖掘稍显不足。它更像是一位经验丰富、务实的工程师给出的操作手册,而不是一个充满革新精神的理论先驱的宣言。对于初入职场,需要快速掌握现有工业规范和解决实际问题的工程师来说,这本书是可靠的伙伴;但对于立志于学术研究,寻求突破性理论框架的读者而言,可能还需要搭配更偏理论深挖的文献。

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这本书最让人称道之处,在于它对材料的“环境互动性”这一主题的强调,这在传统的以力学性能为主导的教材中是比较少见的。作者并没有将材料视为一个孤立的实体,而是将其置于一个动态的、不断变化的外部环境中进行考察。例如,书中用大量篇幅讨论了材料的腐蚀机理,不仅仅停留在电化学反应的层面上,而是深入探讨了应力腐蚀开裂(SCC)这一复合型失效模式,它将机械载荷和化学侵蚀叠加在一起,形成对结构安全最致命的威胁。书中通过对不同介质中常见结构钢失效案例的剖析,清晰地展示了如何通过表面处理技术,比如镀层或转化膜的构建,来有效延缓这些过程。此外,书中对高分子材料的抗老化和光降解性能的讨论也极为细致,它解释了紫外线如何攻击聚合物链,以及如何通过添加抗氧化剂来“截断”自由基反应链,这种从微观化学层面指导宏观材料选择的思路,让我对材料的长期可靠性有了全新的认识。这本教材真正做到了拓宽读者的视野,让我们认识到材料的“寿命”与其所处的环境是密不可分的。

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这本书的排版和图示设计简直是一场灾难,让人在阅读过程中倍感煎熬。我承认书中的理论知识可能是扎实的,但其视觉呈现效果却让人望而却步,完全没有体现出现代教材应有的专业水准。首先,很多关键的结构图和性能曲线,它们的线条模糊不清,颜色对比度极低,经常需要凑近了才能分辨出坐标轴上的刻度是代表应力还是应变。更糟糕的是,一些本应并列展示的对比图,竟然被安排在相隔好几页的不同章节中,读者需要频繁地翻页比对,极大地打断了阅读的连贯性。例如,在对比不同晶格缺陷对材料电学性质影响的图例中,正文的文字描述已经足够拗口,配图如果能清晰简洁地辅助理解,本应是加分项,结果却是让人更加困惑的视觉噪音。我感觉作者可能对“基础”的理解存在偏差,认为只要把所有相关的理论点罗列在一起,就是一本合格的教材。但对于需要通过图像来理解三维空间结构和动态过程的学习者来说,这种粗糙的图文处理方式无疑是巨大的障碍。如果能重新设计一下布局,采用更现代的色彩搭配和更清晰的插图风格,这本书的价值可能会被放大十倍,但目前来看,阅读体验非常不佳。

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这本书的深入程度远远超出了我对“基础”二字的想象,它更像是一本进阶的参考手册,尤其是在涉及到先进材料和前沿技术的部分。我之所以这么说,是因为它花了相当大的篇幅去探讨了功能材料,比如那些用于传感器或记忆合金的材料体系,这些内容通常在入门教材中是不会被详细介绍的。作者在介绍这些新材料时,不仅给出了它们的化学组成和基本性能,还追溯了其研发的历史背景和应用瓶颈,这使得我对材料科学的发展脉络有了更宏观的把握。印象最深的是关于复合材料的那一章,它详尽地分析了纤维增强材料的界面粘结理论,用复杂的数学模型阐释了荷载在基体和增强相之间的有效传递机制。虽然那些公式推导过程极其复杂,但作者在公式后附带的“工程意义解析”部分,却能用非常精炼的语言总结出其核心价值,即如何通过调整界面特性来优化材料的整体性能。这本书的深度体现在它敢于触及工程实践中的“灰色地带”,比如材料在极端温度或高辐射环境下的失效分析,这部分内容对于有志于从事航空航天或核工业领域的读者来说,简直是宝藏。它没有回避复杂性,而是选择用严谨的学术态度去剖析这些挑战,迫使读者必须调动起更深层次的物理和化学知识储备来跟进。

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这本书的封面设计相当朴实,没有什么花哨的装饰,拿到手里沉甸甸的,感觉内容很充实。我原本对“机械工程材料基础”这个听起来有些枯燥的学科抱着敬而远之的态度,毕竟记忆那些复杂的晶体结构和各种合金成分对我来说就像是背诵天书一样困难。然而,这本书的行文风格却出乎意料地平易近人。它不像很多教科书那样上来就扔给你一堆理论公式,而是通过大量的实际案例和工程应用场景来引入概念。比如,书中用详细的图解分析了飞机起落架在承受巨大冲击载荷时,材料的韧性和疲劳极限是如何起决定性作用的,这种代入感让我立刻对抽象的力学性能有了更直观的认识。再比如,在讲解不同热处理工艺时,作者并没有简单罗列步骤,而是配有微观组织演变的对比图,清晰地展示了淬火和回火后材料内部结构的变化,以及这些变化如何影响最终的使用性能。这种“由表及里”的讲解方式,极大地降低了我的学习门槛。我特别喜欢其中关于材料选择的章节,它不是简单地告诉你哪种材料适合什么用途,而是深入探讨了成本、环境适应性、加工难度等综合因素的权衡过程,让我明白了材料工程并非纯粹的科学堆砌,而是一门精妙的工程艺术。读完前几章,我发现我对那些原本晦涩难懂的术语的理解速度明显加快了,这本书成功地在我与工程材料之间架起了一座坚实的桥梁。

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