本書全面系統(tǒng)地闡述了金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復合材料及其成形工藝的基本原理、基礎知識和工程應用。本書包含工程材料的基礎理論、常用工程材料、工程材料成形技術和工程材料失效分析與材料選用四篇,既注重體現材料科學的基礎理論和知識,也重點闡述了材料加工新技術的發(fā)展與應用,以及工程材料在航空航天、機械車輛、海洋工程裝備等產業(yè)中的應用,加強理論聯系實際,增強對學生基礎理論素養(yǎng)和實際工程技術能力的培養(yǎng),符合新工科的要求。本書可作為高等學校機械類、近機械類及工科相關專業(yè)本科生的教材,也可供相關工程技術人員參考。
2015年5月,制造強國戰(zhàn)略被提出。智能制造、工業(yè)互聯網發(fā)展突飛猛進,著眼于應對產業(yè)的大變革,圍繞先進制造和高端裝備制造,搶占未來競爭制高點,在高檔數控機床和工業(yè)機器人、航空航天和海洋工程裝備、能源技術與新能源汽車等重點領域急需突破。中國從制造大國向制造強國邁進的過程中,機械制造與材料加工學科專業(yè)在人才培養(yǎng)、科學研究和產教融合等方面發(fā)揮著重要的作用。2017年2月,*提出建設“新工科”,旨在滿足制造業(yè)進步和經濟發(fā)展需要,進行工程教育改革,進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力,也為新時期的專業(yè)教育與教學改革指明了方向。
本書依據*制定的《普通高等學校本科機械類教學質量國家標準》《高等學校工程材料及機械制造基礎課程教學基本要求》《高等學校教學指導委員會對教材建設的要求》等文件的要求編寫而成。工程材料與先進成形技術基礎課程是新工科建設非常重要的專業(yè)技術基礎課程,在新理念、新路徑引領下開展教學改革,以適應新時代提出的新要求。本書堅持問題導向,以學生為中心,以面向未來和國際先進水平為目標,通過多學科與工程領域交叉融合,達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和實踐能力的目標;以基本規(guī)律為主線,系統(tǒng)闡述材料成分、組織結構與性能的影響規(guī)律,以及有關工藝技術理論及相互之間的關聯性,結合航空航天、新能源汽車、海洋工程裝備等國家戰(zhàn)略性新型產業(yè),增加新材料、新工藝、新技術等內容,具有新穎性和應用性。
全書共4篇15章,每章后都附有一定量的思考與練習題。第1篇為工程材料的基礎理論,包括工程材料的結構與性能、金屬材料的凝固、金屬材料的熱處理與表面改性;第2篇為常用工程材料,包括金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復合材料、功能材料和納米材料;第3篇為工程材料成形技術,包括鑄造技術、塑性加工技術、焊接技術和特種加工技術;第4篇為工程材料失效分析與材料選用,包括零件的失效與強韌化、工程材料及其成形工藝的選用、工程材料及成形工藝在高端裝備上的應用。本書按照材料的成分、結構、性能、工藝及實際應用進行章節(jié)編排,以材料的基本結構、基本相圖、結晶過程、變形機理、強化機制等基本原理和基礎知識作為切入點,逐章推進,有重點地、清晰地闡釋了熱處理、鑄造、塑性加工、焊接等加工工藝、組織結構與性能之間的關系,以及常用工程材料的結構、性能及應用,同時增加了新材料、新工藝和3D打印等特種加工技術,其目的是使學生通過課程學習,在掌握工程材料基本理論和基礎知識的原則上,了解和掌握常用鑄造、塑性加工、焊接的基本原理和結構工藝性,具備根據零件的使用條件和性能要求合理選擇材料和制定零件加工工藝、熱處理工藝的基本能力,并能夠對零件的失效原因進行初步分析。本書既注重體現材料科學的基本理論,也重點表述了材料加工新技術的發(fā)展與應用以及工程材料在航空航天、機械車輛、海洋工程裝備等產業(yè)中的應用,加強理論聯系實際,增強對學生基本理論素養(yǎng)和實際工程技術能力的培養(yǎng),符合新工科要求。
本書結合作者多年教學實踐經驗,融合山西省精品課程《金屬工藝學》與合肥工業(yè)大學國家精品課程《機械工程材料》教學成果與特色編寫而成。吳玉程教授任主編,并編寫第1章~第3章,楊永珍教授和吳玉程教授共同編寫第4章~第8章,韓建超副教授編寫第9章,王濤教授編寫第10章,劉元銘副教授編寫第11章,劉江林副教授編寫第12章,劉燕萍和熊曉燕教授共同編寫第13章和第14章,張東光副教授編寫第15章。此外,合肥工業(yè)大學杜曉東教授、王巖副教授,太原理工大學田林海教授、林乃明副教授在本書編寫過程中都提供了幫助。
在編寫過程中,作者參考了國內外出版的有關教材和大量文獻資料,在此一并表示衷心的感謝。本書可作為高等工科院校機械類及近機械類本科生的專業(yè)教材,也可供相關工程技術人員參考。教學使用過程中,可結合專業(yè)的具體情況進行調整,有些內容可供學生自學。
由于作者水平有限,書中缺點和錯誤在所難免,懇請廣大讀者批評指正。
目錄
前言
第1篇工程材料的基礎理論
第1章工程材料的結構與性能2
11材料的主要性能2
111材料的力學性能2
112材料的物理性能8
113材料的化學性能9
12材料的鍵合方式11
121離子鍵11
122共價鍵12
123金屬鍵12
124分子間作用力13
125氫鍵14
13金屬材料的晶體結構14
131晶體的概念14
132晶體的主要類型18
133純金屬的晶體結構18
134實際金屬的晶體結構20
135合金的相結構22
14高分子材料的結構與性能24
141高分子化合物的基本概念24
142高分子化合物的結構25
143高分子材料的性能28
15陶瓷材料的組織結構與性能29
151陶瓷的概念29
152陶瓷的組織結構29
153陶瓷的性能32
16復合材料的結構與性能32
161復合材料的基本概念32
162復合材料的組織結構34
163復合材料的性能34
思考與練習36
第2章金屬材料的凝固37
21純金屬的結晶37
211凝固的基本概念37
212純金屬的結晶過程38
213鑄錠的凝固41
22二元合金相圖44
221二元合金相圖的建立44
222勻晶相圖46
223共晶相圖48
224共析相圖52
23鐵碳合金相圖52
231純鐵53
232鐵碳合金的基本相和組織53
233鐵碳合金相圖分析54
234鐵碳合金成分、組織與性能的
關系65
235鐵碳合金相圖的應用69
思考與練習70
第3章金屬材料的熱處理與表面
改性71
31熱處理基本原理71
311鋼在加熱時的轉變71
312鋼在冷卻時的轉變75
313鋼的過冷奧氏體轉變圖82
32熱處理工藝方法85
321退火85
322正火86
323淬火87
324回火90
325表面淬火和化學熱處理93
33熱處理零件結構工藝性及技術條件
標注94
331熱處理零件結構工藝性94
332熱處理技術條件的標注96
34表面改性技術97
341表面改性轉化膜處理98
342表面改性涂(鍍)層沉積99
35熱處理技術的新進展102
351鍛造余熱強化處理102
352超細強化熱處理103
353計算機輔助熱處理104
思考與練習105第2篇常用工程材料
第4章金屬材料107
41工業(yè)用鋼107
411鋼的分類與編號107
412結構鋼110
413工具鋼123
42鑄鐵146
421鑄鐵的分類及性能147
422鑄鐵的石墨化及其影響因素147
423常用鑄鐵149
43非鐵金屬及其合金155
431鋁及其合金155
432鎂及鎂合金161
433銅及其合金165
434鈦及鈦合金169
435軸承合金171
思考與練習173
第5章高分子材料176
51工程塑料176
511塑料的組成及分類176
512塑料制品的成型與加工178
513常用工程塑料180
52橡膠與合成纖維185
521橡膠185
522合成纖維187
53合成膠粘劑和涂料188
531合成膠粘劑188
532涂料190
思考與練習192
第6章陶瓷材料193
61概述193
611陶瓷的分類193
612陶瓷的制造工藝196
62常用工程結構陶瓷材料198
621普通陶瓷198
622特種陶瓷198
思考與練習204
第7章復合材料205
71復合材料增強理論簡介205
711納米粒子增強復合理論205
712纖維增強復合理論206
72復合材料的分類206
721金屬基復合材料206
722陶瓷基復合材料208
723樹脂基復合材料211
724碳/碳復合材料213
思考與練習215
第8章功能材料和納米材料216
81功能材料216
811發(fā)光材料216
812電池材料219
813儲氫材料222
814生物醫(yī)用材料225
815智能材料227
82納米材料229
821納米材料的基本效應229
822納米材料的性能230
823納米材料的應用233
思考與練習235第3篇工程材料成形技術
第9章鑄造技術238
91鑄造工藝基礎238
911液態(tài)合金的充型238
912鑄件的凝固與收縮241
913鑄造缺陷分析243
914鑄件質量分析250
92砂型鑄造251
921造型方法的選擇251
922澆注位置和分型面的選擇253
923工藝參數的選擇255
924綜合分析舉例256
93特種鑄造258
931熔模鑄造258
932金屬型鑄造260
933壓力鑄造262
94鑄件結構的工藝性264
941鑄造工藝對鑄件結構的要求264
942鑄造性能對鑄件結構的要求265
95鑄造技術的新進展268
951定向凝固技術268
952數字化無模鑄造精密成形技術270
953快速成形技術及其應用272
思考與練習276
第10章塑性加工技術278
101塑性加工基礎278
1011金屬塑性變形的實質278
1012塑性變形對金屬組織和性能的
影響280
1013金屬的可鍛性282
102鍛造284
1021自由鍛285
1022模鍛289
103板料沖壓292
1031分離工序293
1032變形工序296
1033沖壓模具300
104塑性加工件結構工藝性301
1041鍛件結構工藝性301
1042沖壓件結構工藝性304
105塑性加工技術的新進展307
1051特種塑性加工307
1052計算機在塑性加工中的應用311
思考與練習3