材料工程基礎

本書闡述了材料科學與工程的基礎理論及其在材料加工工程中的應用，介紹了材料的成分、加工工藝、組織結構和性能之間的關係。主要包括原子結構與原子間結合鍵、晶體結構、固體中的擴散、材料的固化、相圖、固態相變與金屬熱處理、金屬的力學性能及其他性能、高分子材料的結構與性能、陶瓷的結構與性能等內容。

本書可作為高等院校材料科學與工程、材料加工工程和機械工程類專業學生的教材，也可供有關工程技術人員學習、參考。

本書為北京高等教育精品教材。

1緒論1

1.1材料發展概要1

1.1.1石器時代1

1.1.2青銅器時代2

1.1.3鐵器時代3

1.1.4鋼鐵工業和有色金屬的發展3

1.1.5非金屬材料的發展4

1.1.6複合材料及新材料技術的發展4

1.2材料應用現狀5

1.3新材料的發展趨勢7

1.4材料科學與工程簡介11

1.4.1材料科學與工程學科的形成11

1.4.2材料科學與工程的內容12

1.4.3材料科學與工程的特點16

1.5材料的分類17

1.5.1金屬材料18

1.5.2高分子材料18

1.5.3陶瓷材料19

1.5.4複合材料19

1.6材料加工工程簡介19

1.6.1材料加工工藝20

1.6.2新一代材料加工技術21

1.6.3材料加工過程的計算機建模與模擬22

1.6.4材料加工對結構和性能的影響23

2原子結構與原子間結合鍵25

2.1原子結構25

2.2原子序數和原子質量25

2.2.1原子序數25

2.2.2核素與同位素26

2.2.3原子質量與相對原子質量26

2.3原子的電子層結構27

2.3.1核外電子的運動狀態27

2.3.2多電子原子軌道的能級29

2.3.3原子的電子層結構31

2.3.4原子的電子層結構與元素周期律、周期表35

2.3.5原子結構與元素性質38

2.4原子的結合鍵43

2.4.1一次鍵43

2.4.2二次鍵46

2.4.3混合鍵47

2.4.4結合鍵的本質及原子間距48

2.4.5結合鍵與性能49

3晶體結構51

3.1晶體特徵51

3.2空間點陣與晶胞52

3.2.1空間點陣和晶格52

3.2.2晶胞52

3.3晶系與布拉菲點陣53

3.4晶向與晶向指數55

3.4.1立方晶系的晶向指數55

3.4.2六方晶系的晶向指數56

3.5晶面與晶面指數56

3.5.1立方晶系的晶面指數56

3.5.2六方晶系的晶面指數58

3.6晶帶和晶面間距58

3.6.1晶帶58

3.6.2晶面間距59

3.7典型的金屬晶體結構60

3.7.1體心立方晶胞60

3.7.2面心方立晶胞60

3.7.3密排六方晶胞61

3.7.4三種典型晶體結構的比較61

3.8原子體密度、面密度和線密度67

3.8.1原子體密度67

3.8.2原子面密度67

3.8.3原子線密度69

3.9多晶型性與同素異構轉變69

3.10單晶與多晶71

3.11離子晶體結構與共價晶體結構72

3.11.1離子晶體結構72

3.11.2共價晶體結構73

3.12微晶、准晶與液晶74

3.12.1微晶74

3.12.2准晶74

3.12.3液晶75

3.13合金相結構77

3.13.1固溶體77

3.13.2中間相84

3.14晶體缺陷89

3.14.1點缺陷90

3.14.2線缺陷92

3.14.3面缺陷100

3.15非晶態合金104

3.16用X射線衍射法分析晶體結構105

4固體中的擴散107

4.1概述107

4.1.1擴散機制107

4.1.2擴散的驅動力109

4.1.3固態擴散的分類109

4.2擴散定律110

4.2.1穩態擴散與擴散第一定律110

4.2.2非穩態擴散與擴散第二定律111

4.3影響擴散的因素113

4.3.1溫度的影響113

4.3.2晶體結構的影響114

4.3.3基體金屬的性質114

4.3.4固溶體類型對擴散的影響115

4.3.5固溶體濃度對擴散的影響115

4.3.6晶體缺陷的影響116

4.4反應擴散116

4.4.1反應擴散的過程及特點116

4.4.2反應擴散的實例116

4.5離子晶體和共價晶體中的擴散118

4.5.1離子晶體中的擴散118

4.5.2共價晶體中的擴散119

4.6納米晶體材料的擴散119

4.7非晶體中的擴散120

4.8擴散與材料加工120

4.8.1擴散與晶粒長大120

4.8.2鋼的氣體滲碳表面硬化121

4.8.3硅晶片的摻雜擴散123

4.8.4擴散焊123

4.8.5擴散與燒結和粉末冶金124

5材料的固化125

5.1材料固化的概念與特徵125

5.1.1材料固化的概念125

5.1.2材料固化的特徵125

5.2金屬的結晶126

5.2.1金屬結晶的條件與過程126

5.2.2形核130

5.2.3晶核長大136

5.2.4金屬鑄錠的組織141

5.3高聚物的固化142

5.3.1固化過程及特點142

5.3.2二次結晶與熱處理144

5.4材料固化理論的應用145

5.4.1細化晶粒145

5.4.2液態急冷技術147

5.4.3單晶的製取150

5.4.4定向凝固150

5.4.5微重力(太空失重)條件下的材料固化151

6相圖153

6.1相圖基本概念153

6.1.1相圖153

6.1.2相圖的表示方法153

6.1.3相圖的建立方法154

6.2相律和槓桿定律155

6.2.1相律155

6.2.2槓桿定律155

6.3二元勻晶相圖157

6.3.1相圖分析157

6.3.2平衡結晶過程分析157

6.3.3非平衡結晶過程分析158

6.3.4成分過冷與晶體長大形態160

6.4二元共晶相圖164

6.4.1相圖分析164

6.4.2典型合金平衡結晶過程分析165

6.4.3初晶和共晶的組織形態168

6.4.4非平衡結晶的特點170

6.5二元包晶相圖172

6.5.1相圖分析172

6.5.2典型合金平衡結晶過程分析173

6.5.3非平衡結晶的特點174

6.6其他類型的二元相圖175

6.6.1具有化合物的相圖175

6.6.2具有三相平衡恆溫轉變的其他二元相圖177

6.6.3具有同素異晶轉變的相圖178

6.7相圖基本類型小結180

6.7.1相圖基本形式180

6.7.2相圖基本單元及其組合規律--相區接觸法則180

6.8二元相圖的分析181

6.8.1二元相圖的分析方法181

6.8.2二元相圖分析舉例182

6.9相圖與性能的關係183

6.9.1相圖與合金使用性能的關係183

6.9.2相圖與合金工藝性能的關係184

6.10鐵碳合金相圖185

6.10.1鐵碳相圖185

6.10.2典型鐵碳合金的平衡結晶過程189

6.10.3碳對鐵碳合金平衡組織與性能的影響195

6.10.4Fe-Fe3C相圖在材料加工中的應用199

7固態相變與金屬熱處理201

7.1固態相變概述201

7.1.1固態相變的概念201

7.1.2相變的分類202

7.2鋼的熱處理原理204

7.2.1鋼在加熱時的轉變204

7.2.2鋼在冷卻時的轉變209

7.2.3珠光體轉變216

7.2.4馬氏體轉變221

7.2.5貝氏體轉變225

7.3鋼的熱處理工藝228

7.3.1鋼的普通熱處理229

7.3.2鋼的表面熱處理239

7.3.3鋼的化學熱處理240

7.3.4鋼的熱處理新技術247

8金屬的力學性能及其他性能251

8.1金屬的應力與應變251

8.1.1拉伸的應力與應變251

8.1.2壓縮的應力與應變254

8.1.3彎曲的應力與應變255

8.1.4剪切的應力與應變257

8.1.5扭轉的應力與應變258

8.2彈性性能259

8.3金屬單晶體的塑性變形261

8.3.1滑移261

8.3.2孿生265

8.4金屬多晶體的塑性變形266

8.4.1多晶體塑性變形的特點267

8.4.2晶粒大小對變形的影響268

8.5合金的塑性變形269

8.5.1固溶體的塑性變形特點269

8.5.2多相合金的塑性變形特點271

8.6塑性變形對合金組織和性能的影響272

8.6.1塑性變形對組織結構的影響272

8.6.2塑性變形對性能的影響275

8.7金屬及合金的回復與再結晶276

8.7.1形變金屬或合金加熱過程中的一般變化277

8.7.2回復278

8.7.3再結晶279

8.7.4再結晶后的晶粒長大283

8.7.5再結晶退火后的組織286

8.7.6金屬與合金的熱加工287

8.8金屬的斷裂288

8.8.1斷裂的一般過程289

8.8.2脆性斷裂289

8.8.3韌性斷裂291

8.8.4韌性-脆性的轉移292

8.8.5斷裂韌性293

8.9金屬的疲勞294

8.10金屬的蠕變和持久強度296

8.10.1金屬的蠕變296

8.10.2持久強度297

8.11硬度297

8.11.1布氏硬度298

8.11.2洛氏硬度298

8.12金屬的磨損299

8.13金屬的物理和化學性能300

8.13.1金屬的物理性能300

8.13.2金屬的化學性能302

8.14金屬的工藝性能302

8.14.1鑄造性能303

8.14.2鍛造性能303

8.14.3焊接性能304

8.14.4切削加工性能304

8.14.5熱處理工藝性能304

9高分子材料的結構與性能305

9.1概述305

9.1.1高分子材料的基本概念305

9.1.2高分子材料的合成308

9.1.3高聚物材料的加工成型309

9.2高聚物的結構310

9.2.1大分子內和大分子之間的相互作用310

9.2.2大分子鏈結構311

9.2.3大分子的聚集態結構317

9.3高聚物的性能319

9.3.1高聚物的力學性能319

9.3.2高聚物的物理性能和化學性能特點330

10陶瓷的結構與性能333

10.1陶瓷材料概述333

10.1.1陶瓷的概念333

10.1.2陶瓷的分類333

10.1.3陶瓷的生產334

10.2陶瓷的組織與結構336

10.2.1陶瓷的組織336

10.2.2陶瓷的結構336

10.3陶瓷材料的性能342

10.3.1陶瓷的機械性能342

10.3.2陶瓷的物理和化學性能346

10.4陶瓷材料加工347

10.4.1陶瓷表面金屬化與封接(焊接)347

10.4.2陶瓷表面塗層349

10.4.3陶瓷的加工354

參考文獻357