本書闡述了材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)理論及其在材料加工工程中的應(yīng)用，介紹了材料的成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。主要包括原子結(jié)構(gòu)與原子間結(jié)合鍵、晶體結(jié)構(gòu)、固體中的擴(kuò)散、材料的固化、相圖、固態(tài)相變與金屬熱處理、金屬的力學(xué)性能及其他性能、高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能、陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能等內(nèi)容。
本書可作為高等院校材料科學(xué)與工程、材料加工工程和機(jī)械工程類專業(yè)學(xué)生的教材，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)、參考。
本書為北京高等教育精品教材。
本書是根據(jù)教育部1998年調(diào)整的最新專業(yè)目錄，為適應(yīng)按系設(shè)置寬口徑專業(yè)的改革需要，本著加強(qiáng)基礎(chǔ)、淡化專業(yè)和寬口徑的宗旨，作為材料加工工程專業(yè)的通用教材，并作為“材料加工原理”、“材料加工工藝”和“工程材料”課程的配套教材而編寫的。
本書是在清華大學(xué)出版社《材料工程基礎(chǔ)》第1版（2003年）的基礎(chǔ)上重編的。保留了《材料工程基礎(chǔ)》第1版中的一些重要內(nèi)容，并參照國內(nèi)外最新教材，按新的材料加工工程專業(yè)方向的要求，進(jìn)行了較大的修改和補(bǔ)充。本書不僅系統(tǒng)介紹了材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)理論，而且各章節(jié)均緊密結(jié)合材料加工學(xué)科的現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)向，補(bǔ)充了較多的新事例，介紹了前沿性科研成果，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)材料加工工程的專業(yè)知識打下必要的基礎(chǔ)。如在“晶體結(jié)構(gòu)”一章中，不但介紹了晶體結(jié)構(gòu)的經(jīng)典內(nèi)容，而且介紹了準(zhǔn)晶和液晶等新內(nèi)容，以及分析晶體結(jié)構(gòu)的X射線法；在“固體擴(kuò)散”一章中，不僅介紹了擴(kuò)散的一般特點(diǎn)，還介紹了離子晶體、共價(jià)晶體和非晶體擴(kuò)散的特點(diǎn)，以及擴(kuò)散與材料加工的關(guān)系等新內(nèi)容；在“凝固”一章中，首先介紹了材料固化的一般理論，接著介紹了金屬凝固和高聚物的固化等，還增加了凝固理論的實(shí)際應(yīng)用部分，介紹了微重力條件下金屬的凝固、定向凝固和急冷凝固技術(shù)等具有國際先進(jìn)水平的新科研成果和前沿課題；既考慮到目前以金屬材料為主要加工對象的現(xiàn)狀，又注意到高分子材料和陶瓷在材料加工工程中日益廣泛應(yīng)用的發(fā)展前景。
本書不僅介紹材料組織結(jié)構(gòu)的知識，而且增加了材料性能尤其是力學(xué)性能的知識，重點(diǎn)突出材料的成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，使學(xué)生更好地掌握本課程學(xué)習(xí)的主線。
配合本教材，另外編寫了《材料工程基礎(chǔ)輔導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)》一書。內(nèi)容包括《材料工程基礎(chǔ)》各章內(nèi)容提要、習(xí)題、課堂討論指導(dǎo)書和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，作為《材料工程基礎(chǔ)》的配套教材。
本書得到北京市教育委員會高等教育精品教材建設(shè)項(xiàng)目和清華大學(xué)“985”教材項(xiàng)目的資助，特表示衷心的感謝。
本書的編寫參考了國內(nèi)外的有關(guān)教材、科技著作等文獻(xiàn)，在此特向有關(guān)作者致以深切的謝意。
由于編者水平有限，本書不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。
王昆林 2009年3月
目 錄1 緒論1
1.1 材料發(fā)展概要1
1. 1. 1 石器時(shí)代1
1. 1. 2 青銅器時(shí)代2
1. 1. 3 鐵器時(shí)代3
1. 1. 4 鋼鐵工業(yè)和有色金屬的發(fā)展3
1. 1. 5 非金屬材料的發(fā)展4
1. 1. 6 復(fù)合材料及新材料技術(shù)的發(fā)展 4
1.2 材料應(yīng)用現(xiàn)狀5
1. 3 新材料的發(fā)展趨勢7
1.4 材料科學(xué)與工程簡介11
1. 4. 1 材料科學(xué)與工程學(xué)科的形成11
1. 4. 2 材料科學(xué)與工程的內(nèi)容12
1. 4. 3 材料科學(xué)與工程的特點(diǎn)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 復(fù)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(shù)21
1.6.3 材料加工過程的計(jì)算機(jī)建模與仿真22
1. 6. 4 材料加工對結(jié)構(gòu)和性能的影響23
2 原子結(jié)構(gòu)與原子間結(jié)合鍵25
2.1 原子結(jié)構(gòu)25
2.2 原子序數(shù)和原子質(zhì)量25
2. 2. 1 原子序數(shù)25
2. 2. 2 核素與同位素26
2. 2. 3 原子質(zhì)量與相對原子質(zhì)量26
2.3 原子的電子層結(jié)構(gòu)27
2. 3. 1 核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)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(jié)構(gòu)31
2. 3. 4 原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期律、周期表35
2. 3. 5 原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)38
2. 4 原子的結(jié)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(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距48
2. 4. 5 結(jié)合鍵與性能49
材料工程基礎(chǔ)（第2版）目 錄3 晶體結(jié)構(gòu)51
3. 1 晶體特征51
3. 2 空間點(diǎn)陣與晶胞52
3. 2. 1 空間點(diǎn)陣和晶格52
3. 2. 2 晶胞52
3. 3 晶系與布拉菲點(diǎn)陣53
3. 4 晶向與晶向指數(shù)55
3. 4. 1 立方晶系的晶向指數(shù)55
3. 4. 2 六方晶系的晶向指數(shù)56
3. 5 晶面與晶面指數(shù)56
3. 5. 1 立方晶系的晶面指數(shù)56
3. 5. 2 六方晶系的晶面指數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)轉(zhuǎn)變69
3. 10 單晶與多晶71
3.11 離子晶體結(jié)構(gòu)與共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)72
3.11.1 離子晶體結(jié)構(gòu)72
3.11.2 共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)73
3. 12 微晶、準(zhǔn)晶與液晶74
3. 12. 1 微晶74
3. 12. 2 準(zhǔn)晶74
3. 12. 3 液晶75
3. 13 合金相結(jié)構(gòu)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(diǎn)缺陷90
3. 14. 2 線缺陷92
3. 14. 3 面缺陷100
3. 15 非晶態(tài)合金104
3. 16 用X射線衍射法分析晶體結(jié)構(gòu)105
4 固體中的擴(kuò)散 107
4.1 概述107
4.1.1 擴(kuò)散機(jī)制107
4.1.2 擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力109
4.1.3 固態(tài)擴(kuò)散的分類109
4.2 擴(kuò)散定律110
4.2.1 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散與擴(kuò)散第一定律110
4.2.2 非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散與擴(kuò)散第二定律111
4.3 影響擴(kuò)散的因素113
4.3.1 溫度的影響113
4.3.2 晶體結(jié)構(gòu)的影響114
4.3.3 基體金屬的性質(zhì)114
4.3.4 固溶體類型對擴(kuò)散的影響115
4.3.5 固溶體濃度對擴(kuò)散的影響115
4.3.6 晶體缺陷的影響116
4.4 反應(yīng)擴(kuò)散116
4.4.1 反應(yīng)擴(kuò)散的過程及特點(diǎn)116
4.4.2 反應(yīng)擴(kuò)散的實(shí)例116
4.5 離子晶體和共價(jià)晶體中的擴(kuò)散118
4.5.1 離子晶體中的擴(kuò)散118
4.5.2 共價(jià)晶體中的擴(kuò)散119
4.6 納米晶體材料的擴(kuò)散119
4. 7 非晶體中的擴(kuò)散120
4.8 擴(kuò)散與材料加工120
4.8.1 擴(kuò)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(kuò)散 123
4.8.4 擴(kuò)散焊123
4.8.5 擴(kuò)散與燒結(jié)和粉末冶金124
5 材料的固化125
5.1 材料固化的概念與特征125
5.1.1 材料固化的概念125
5.1.2 材料固化的特征125
5.2 金屬的結(jié)晶126
5.2.1 金屬結(jié)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(diǎn)142
5.3.2 二次結(jié)晶與熱處理144
5.4 材料固化理論的應(yīng)用145
5.4.1 細(xì)化晶粒145
5.4.2 液態(tài)急冷技術(shù)147
5.4.3 單晶的制取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 相律和杠桿定律155
6.2.1 相律155
6.2.2 杠桿定律155
6.3 二元?jiǎng)蚓鄨D157
6.3.1 相圖分析157
6.3.2 平衡結(jié)晶過程分析157
6.3.3 非平衡結(jié)晶過程分析158
6.3.4 成分過冷與晶體長大形態(tài)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(jié)晶過程分析165
6.4.3 初晶和共晶的組織形態(tài)168
6.4.4 非平衡結(jié)晶的特點(diǎn)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(jié)晶過程分析173
6.5.3 非平衡結(jié)晶的特點(diǎn)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 具有三相平衡恒溫轉(zhuǎn)變的其他二元相圖177
6.6.3 具有同素異晶轉(zhuǎn)變的相圖178
6.7 相圖基本類型小結(jié)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(guī)律--相區(qū)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(guān)系183
6.9.1 相圖與合金使用性能的關(guān)系183
6.9.2 相圖與合金工藝性能的關(guān)系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(jié)晶過程189
6.10.3 碳對鐵碳合金平衡組織與性能的影響195
6.10.4 Fe-Fe3C相圖在材料加工中的應(yīng)用199
7 固態(tài)相變與金屬熱處理201
7.1 固態(tài)相變概述201
7.1.1 固態(tài)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(shí)的轉(zhuǎn)變204
7.2.2 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變209
7.2.3 珠光體轉(zhuǎn)變216
7.2.4 馬氏體轉(zhuǎn)變221
7.2.5 貝氏體轉(zhuǎn)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(xué)熱處理240
7.3.4 鋼的熱處理新技術(shù)247
8 金屬的力學(xué)性能及其他性能251
8.1 金屬的應(yīng)力與應(yīng)變251
8.1.1 拉伸的應(yīng)力與應(yīng)變251
8.1.2 壓縮的應(yīng)力與應(yīng)變254
8.1.3 彎曲的應(yīng)力與應(yīng)變255
8.1.4 剪切的應(yīng)力與應(yīng)變257
8.1.5 扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力與應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)269
8.5.2 多相合金的塑性變形特點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(fù)與再結(jié)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(fù)278
8.7.3 再結(jié)晶279
8.7.4 再結(jié)晶后的晶粒長大283
8.7.5 再結(jié)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(zhuǎn)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(qiáng)度296
8.10.1 金屬的蠕變296
8.10.2 持久強(qiáng)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(xué)性能300
8.13.1 金屬的物理性能300
8.13.2 金屬的化學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)310
9.2.1 大分子內(nèi)和大分子之間的相互作用310
9.2.2 大分子鏈結(jié)構(gòu)311
9.2.3 大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)317
9.3 高聚物的性能319
9.3.1 高聚物的力學(xué)性能319
9.3.2 高聚物的物理性能和化學(xué)性能特點(diǎn)330
10 陶瓷的結(jié)構(gòu)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(chǎn)334
10.2 陶瓷的組織與結(jié)構(gòu)336
10.2.1 陶瓷的組織336
10.2.2 陶瓷的結(jié)構(gòu)336
10.3 陶瓷材料的性能342
10.3.1 陶瓷的機(jī)械性能342
10.3.2 陶瓷的物理和化學(xué)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 陶瓷表面涂層349
10.4.3 陶瓷的加工354
參考文獻(xiàn)357
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