《工程材料分析與計算》主要介紹材料的基本結(jié)構(gòu)、材料的制備與相圖、材料的力學(xué)性能、塑性變形與再結(jié)晶、鋼鐵的熱處理、碳素鋼與合金鋼、工程材料的合理選用、有色金屬及其合金、材料中的計算方法等內(nèi)容，涵蓋了從工程材料基礎(chǔ)知識、工
程材料計算的基本理論到工程材料的合理運用等多方面的知識，用以掌握工程材料的基本概念和基本知識，為進(jìn)一步研究工程材料奠定基礎(chǔ)。
隨著技術(shù)裝備的不斷發(fā)展，材料以及計算材料的重要性日益體現(xiàn)，但聯(lián)系材料基礎(chǔ)知識和力學(xué)基礎(chǔ)知識以及計算材料學(xué)的書籍相對較少，本書從基本材料知識和計算材料學(xué)知識出發(fā)，講述工程材料的基本知識和基本概念，結(jié)合工程問題進(jìn)行討論，并進(jìn)一步論述了計算材料學(xué)中的主要計算方法。
本書主要討論工程材料的基本知識和主要計算方法，第1章緒論主要概述工程材料相關(guān)研究進(jìn)展；第2章材料的基本結(jié)構(gòu)主要講述晶向、晶面、投影、倒點陣等的基本概念；第3章材料的制備與相圖主要論述材料的主要制備方法以及相圖及相圖的使用；第4章材料的力學(xué)性能主要講述高溫力學(xué)性能、疲勞、硬度、斷裂韌度等，并以機(jī)車為例講述相關(guān)的計算和應(yīng)用；第5章主要講述塑性變形與再結(jié)晶，以鼓風(fēng)機(jī)葉輪為例，講述殘余應(yīng)力的計算方法和應(yīng)用；第6章鋼鐵的熱處理主要包括退火、正火、回火、淬火的基本概念和應(yīng)用；第7章碳素鋼與合金鋼概述相關(guān)鋼的分類、牌號和使用；第8章工程材料的合理選用主要講述齒輪、葉輪、軸、彈簧等典型零部件的選材原則和熱處理工藝；第9章有色金屬及其合金主要講述Ti、Al、Mg等合金的牌號、材料特點、熱處理工藝等；第10章材料中的計算方法主要講述幾類主流的計算材料學(xué)方面的方法，包括MC、CA、晶體塑性、相場法、分子動力學(xué)方法、材料的磨損計算等。
研究生吳奇、胡超平、葛芃、譚治軍、姚欣欣、趙磊等以及本科生陳捷等的研究方向和研究內(nèi)容與本書部分內(nèi)容相關(guān)，在此對他們在科研方面的努力和對本書的貢獻(xiàn)表示感謝。
由于書中部分圖片來源于網(wǎng)絡(luò)、課件等材料，原始來源已經(jīng)很難考證，由此導(dǎo)致引用方面的遺漏敬請讀者諒解。
限于作者的學(xué)識和經(jīng)驗，書中難免有疏忽和紕漏，敬請讀者批評指正。
目錄
前言
第1章緒論1
第2章材料的基本結(jié)構(gòu)6
2.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念7
2.2典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)9
2.3晶面與晶向13
2.4晶面及晶向的原子密度16
2.5晶體與非晶體材料的區(qū)別17
2.6實際晶體的結(jié)構(gòu)特征19
2.7同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變23
2.8純金屬的結(jié)晶24
2.9組元、相、組織25
2.10基本相結(jié)構(gòu)26
2.11聚合物29
2.12無機(jī)材料31
2.13晶體的投影32
2.14倒點陣34
第3章材料的制備與相圖35
3.1材料凝固和結(jié)晶條件35
3.2金屬材料的制備35
3.3聚合物的合成38
3.4無機(jī)材料制備39
3.5二元合金相圖40
3.6幾種典型的相圖43
3.7鐵碳合金相圖49
3.8含碳量影響56
3.9鋼中的元素57
3.10鑄鐵58
第4章材料的力學(xué)性能67
4.1高溫下的力學(xué)性能67
4.2沖擊吸收功69
4.3疲勞理論及機(jī)車疲勞和隨機(jī)振動70
4.4斷裂韌度84
4.5硬度87
4.6提高材料力學(xué)性能的方法90
第5章塑性變形與再結(jié)晶92
5.1單晶體塑性變形微觀機(jī)制93
5.2孿生94
5.3多晶體的塑性變形95
5.4冷變形加工對金屬組織與性能的影響98
5.5殘余應(yīng)力100
第6章鋼鐵的熱處理108
6.1奧氏體形成過程109
6.2鋼冷卻時的轉(zhuǎn)變110
6.3鋼的退火和正火116
6.4淬火120
6.5回火122
6.6表面淬火125
6.7鋼的滲碳和滲氮126
第7章碳素鋼與合金鋼128
7.1碳素鋼128
7.2合金鋼131
7.3合金結(jié)構(gòu)鋼133
7.4合金工具鋼137
7.5特殊性能鋼142
第8章工程材料的合理選用146
8.1概述146
8.1.1工程材料的選材依據(jù)146
8.1.2工程材料的加工工藝路線147
8.1.3金屬材料的加工工藝150
8.1.4零件設(shè)計需考慮的問題151
8.1.5材料的經(jīng)濟(jì)性151
8.2齒輪選材153
8.3軸類零件選材161
8.4葉片選材168
8.5彈簧選材169
8.6刃具選材170
8.7其他零件選材172
8.8小結(jié)174
第9章有色金屬及其合金175
9.1鋁及鋁合金175
9.1.1鋁合金牌號175
9.1.2鋁合金相圖177
9.1.3鋁合金再結(jié)晶181
9.2鎂及鎂合金184
9.2.1鎂合金牌號185
9.2.2鎂合金相圖185
9.2.3合金元素在鎂合金中的作用188
9.2.4鎂合金的攪拌摩擦焊與塑性成型188
9.3鈦及鈦合金192
9.3.1鈦合金分類及牌號192
9.3.2鈦合金的相變194
9.3.3鈦合金中的雜質(zhì)元素197
第10章材料中的計算方法198
10.1蒙特卡羅法198
10.2元胞自動機(jī)法202
10.3分子動力學(xué)方法213
10.4晶體塑性理論216
10.4.1基本概念216
10.4.2前差分方法218
10.4.3增量法218
10.4.4NR迭代法219
10.5相場法219
10.6材料的磨損計算224
參考文獻(xiàn)230
查看全部↓
第1章 緒論
材料是指人類用以制造各種有用器件的物質(zhì)，是人類生產(chǎn)和生活所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。鑒于材料的重要性，歷史學(xué)家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時代，分為石器時代、青銅時代、鐵器時代和新材料時代，如圖1-1所示，材料是人類文明的標(biāo)志，也是人類進(jìn)化的里程碑。
圖1-1 不同歷史時期人類所使用的材料
按照化學(xué)成分，材料的分類如圖1-2所示。
圖1-2 工程材料分類
材料，特別是新型材料，是發(fā)展高科技的先導(dǎo)和基石。新型材料一般是指那些新近研制成功或正在研制的、具有比傳統(tǒng)材料更加優(yōu)異的特性和功能、能夠滿足高新技術(shù)發(fā)展需要的一類新材料。它具有多學(xué)科交叉、知識密集、技術(shù)密集的特點，是一類品種繁多、結(jié)構(gòu)特性好、功能強(qiáng)、附加值高、更新?lián)Q代快的材料。傳統(tǒng)材料是指已大量生產(chǎn)、價格一般較低、在工業(yè)應(yīng)用上已有長期使用經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的材料。但是，新型材料解密后，開始商業(yè)化及大量生產(chǎn)并積累了經(jīng)驗之后，就成為傳統(tǒng)材料了。也可能一些傳統(tǒng)材料采用特殊高科技工藝加工后，具有了新的、更優(yōu)良的性能，則成為新型材料。以水立方為例，如圖1-3所示，其使用的人工高強(qiáng)度氟聚合物 (ETFE) 膜是透明建筑結(jié)構(gòu)中品質(zhì)優(yōu)越的替代材料，多年來在許多工程中以其眾多優(yōu)點被證明為可信賴且經(jīng)濟(jì)實用的屋頂材料。該膜是由 ETFE制成，延伸率可達(dá) 420％.440％。ETFE 膜材料的透光光譜與玻璃相近 (俗稱軟玻璃)。其特有的抗黏著表面使其具有高抗污、易清洗的特點，通常雨水即可清除主要污垢。
圖1-3 水立方及ETFE膜
新技術(shù)的需要促進(jìn)了新型材料的不斷發(fā)展，如信息傳輸技術(shù)的發(fā)展。要架設(shè)1000km長的同軸電纜，大約需要銅50000t，鉛200000t；采用新型材料光導(dǎo)纖維，可能僅需幾十公斤石英玻璃即可。若用廉價的有機(jī)玻璃代替石英用于光纖，更具重要意義。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們對材料的要求越來越苛刻，結(jié)構(gòu)材料向高比強(qiáng)、高強(qiáng)韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照以及多功能方向發(fā)展。在當(dāng)今時代，新型材料不斷涌現(xiàn)，層出不窮，如圖1-4所示。同時，新世紀(jì)發(fā)展對材料提出了新要求：①結(jié)構(gòu)與功能相結(jié)合。要求材料不僅能作為結(jié)構(gòu)材料使用，而且具有特殊的功能或多種功能，正在開發(fā)研制的梯度功能材料和生物材料即屬于此。②智能化。要求材料本身具有感知、自我調(diào)節(jié)和反饋能力，即具有敏感和驅(qū)動雙重功能。③減少污染。為了人類的健康和生存，要求材料在制作和廢棄過程中對環(huán)境產(chǎn)生的污染盡可能少。④可再生性。是指一方面可保護(hù)和充分利用自然資源，另一方面又不為地球積存太多的廢物，而且能再次利用。⑤節(jié)省能源。制造材料時耗能盡可能少，同時又可利用新開發(fā)的能源。⑥長壽命。要求材料能長期保持其基本特性，穩(wěn)定可靠，用來制造的設(shè)備和元器件能少維修或不維修。材料的使用和研究必須遵循可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，在保證滿足使用性能的條件下，盡量選用節(jié)約資源、降低能耗的材料，開發(fā)與選用具有環(huán)境相容性的新材料，并對現(xiàn)有材料進(jìn)行環(huán)境協(xié)調(diào)性改性，盡可能地選用可降解材料，針對積累下來的污染問題，開發(fā)門類齊全的生態(tài)環(huán)境材料，對環(huán)境進(jìn)行修復(fù)、凈化或替代等處理，逐漸改善地球的生態(tài)環(huán)境，使之向可持續(xù)發(fā)展的方向前進(jìn)。
圖1-4 新型材料及其應(yīng)用
產(chǎn)品的再制造是有效利用材料的一種重要方式。再制造是指以機(jī)電產(chǎn)品全生命周期理論為指導(dǎo)，以廢舊機(jī)電產(chǎn)品實現(xiàn)性能提升為目標(biāo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，對廢舊機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)和改造的一系列技術(shù)措施或工程活動的總稱。再制造的重要特征是再制造產(chǎn)品的質(zhì)量和性能不低于新品，有些能夠超過新品。再制造作為裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，為循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，已成為當(dāng)今世界最具前景的技術(shù)領(lǐng)域之一。《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》將“在重點行業(yè)和重點城市建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)的技術(shù)發(fā)展模式，為建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會提供科技支持”作為我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)。2010年 5月，中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會 (簡稱國家發(fā)改委)、科技部等11部委聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于推進(jìn)再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》，指導(dǎo)全國加快再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并將再制造產(chǎn)業(yè)作為國家新的經(jīng)濟(jì)增長點予以培育。2010年10月，中共中央十七屆五中全會審議通過了《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃的建議》，明確要求“開發(fā)應(yīng)用再制造等關(guān)鍵技術(shù)，推廣循環(huán)經(jīng)濟(jì)典型模式”。開展機(jī)械裝備再制造基礎(chǔ)科學(xué)問題研究，符合國家中長期發(fā)展戰(zhàn)略重大需求。再制造工程以機(jī)電產(chǎn)品全壽命周期理論為指導(dǎo)，以舊件實現(xiàn)性能跨越式提升為目標(biāo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段對舊件進(jìn)行修復(fù)和改造。再制造的重要特征是再制造產(chǎn)品的質(zhì)量和性能要達(dá)到或超過新品，成本僅是新品的50％左右，節(jié)能60％左右，節(jié)材70％以上[4]，其工藝流程如圖1-5所示。
材料的加工工藝對材料的力學(xué)性能影響很大，焊接、拉拔、等徑彎曲等工藝對材料的晶粒形貌和力學(xué)性能均有不同程度的影響，如圖1-6所示，需要在選材和加工時予以考慮。圖1-6所示為鋁合金攪拌摩擦焊作用下焊接區(qū)不同晶粒形貌，圖1-7所示為不同變形率下鈦合金的晶粒形貌。圖1-8 所示為升溫到不同溫度后的鈦合金最終晶粒形貌。
圖 1-5 再制造工藝流程[4]
圖 1-6 鋁合金攪拌摩擦焊作用下焊接區(qū)不同晶粒形貌[5;6]
圖 1-7 不同變形率下鈦合金的晶粒形貌[7]
圖 1-8 升溫到不同溫度后的鈦合金最終晶粒形貌[7]
第2章 材料的基本結(jié)構(gòu)
材料的性能主要決定于其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。所謂“結(jié)構(gòu)”系指材料中原子的排列位置和空間分布。從宏觀到微觀可分成不同的層次，即宏觀組織結(jié)構(gòu)、顯微組織結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)。宏觀組織結(jié)構(gòu)是指用肉眼或放大鏡可觀察到的材料內(nèi)部的形貌圖像 (即晶粒、相的集合狀態(tài))。顯微組織結(jié)構(gòu)是指借助光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡可觀察到的材料內(nèi)部的微觀形貌圖像 (即晶粒、相的集合狀態(tài)或微區(qū)結(jié)構(gòu))。微觀結(jié)構(gòu)是指比顯微組織結(jié)構(gòu)更細(xì)的一層結(jié)構(gòu)，即原子和分子的排列結(jié)構(gòu)。習(xí)慣上，把宏觀和顯微組織結(jié)構(gòu)稱為組織，而微觀結(jié)構(gòu)則稱為結(jié)構(gòu)。固體材料的結(jié)構(gòu)若為規(guī)則排列則是晶態(tài)，若為不規(guī)則排列則是非晶態(tài)。在絕大多數(shù)情況下，晶體結(jié)構(gòu)并不是十分完整的，即在其規(guī)則排列中，局部存在著各種缺陷。因此作為工程技術(shù)人員，要做到正確選擇和合理使用材料，首先必須具備有關(guān)材料結(jié)構(gòu)方面的基本知識。
材料一般是在固體狀態(tài)下使用。按固體中原子排列的有序程度，可分為晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非晶體結(jié)構(gòu)兩種基本類型，如圖2-1所示。晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體，常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在，非晶體是指原子呈無序排列的固體，在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。
圖2-1 晶體與非晶體結(jié)構(gòu)示意圖
“長程有序”(遠(yuǎn)程有序) 指的是原子在很大范圍內(nèi)均是按一定規(guī)則排列 (即原子在三維空間做有規(guī)則的周期性重復(fù)排列)，具有長程有序排列的材料即為晶體材料。這種長程有序排列的特征 (形式) 就稱為晶態(tài)結(jié)構(gòu)。晶體材料的特點是:
查看全部↓
新書資訊