工程材料

前言

黨的十七大提出，要把“提高自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家”作為國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心和提高綜合國力的關(guān)鍵。這是時(shí)代對我們提出的迫切要求。改革開放以來，我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得了舉世矚目的成就，科學(xué)技術(shù)發(fā)展步入了一個(gè)重要躍升期。然而，與世界先進(jìn)國家相比，我國科技缺乏原創(chuàng)性和可持續(xù)的動力，缺乏跨學(xué)科、跨領(lǐng)域重大繼承創(chuàng)新的能力，缺乏引領(lǐng)世界科技發(fā)展的影響力。同時(shí)，我國科技人員的知識結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)能力、綜合素質(zhì)顯得不足。多年以來形成的學(xué)校教育與社會教育的隔閡、智力教育與能力教育的隔閡、自然科學(xué)與社會科學(xué)的隔閡，造成了幾代人科技創(chuàng)新能力的缺陷。時(shí)代呼喚各種類型的創(chuàng)新人才，知識的創(chuàng)新、傳播和應(yīng)用將成為社會發(fā)展的決定因素。擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)創(chuàng)新人才重任的高等學(xué)校，如何培養(yǎng)創(chuàng)新人才呢？我以為有兩點(diǎn)非常重要：創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實(shí)踐。湖北省金屬工藝學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會近年來完成了省級教學(xué)改革項(xiàng)目“工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)系列課程教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革的研究與實(shí)踐”的項(xiàng)目，獲得湖北省教學(xué)成果二等獎，并在全省十幾所大學(xué)中推廣應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果，由此帶動了一批新的教學(xué)研究課題的開展。這是在創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實(shí)踐方面的有益嘗試。要進(jìn)行創(chuàng)新教育，應(yīng)當(dāng)站在巨人的肩膀上，而這位巨人就是各門科學(xué)的重點(diǎn)基礎(chǔ)課。只有打下了牢固的基礎(chǔ)，才能自如地實(shí)現(xiàn)向新領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變，才能具有可靠的應(yīng)變能力和堅(jiān)實(shí)的后勁。沒有良好的理論基礎(chǔ)和知識結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新與創(chuàng)造就將成為無源之水、無本之木。然而，傳統(tǒng)教育重傳習(xí)、重因襲，缺乏對學(xué)生探究問題的鼓勵，這極大地制約了學(xué)生智力的培養(yǎng)和獨(dú)創(chuàng)性的發(fā)揮。因此，亟須在基本教育理念方面進(jìn)行變革，在我們教學(xué)活動的實(shí)施中加強(qiáng)創(chuàng)新意識，在我們教材的編寫中注入大量創(chuàng)新元素。在有效提升學(xué)生的創(chuàng)新品質(zhì)方面，學(xué)校和教師有著不可替代的影響力和感召力。因此，重新理清“工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)系列課程”教學(xué)改革和教材編寫的發(fā)展思路，探索該教學(xué)課程體系的內(nèi)容與教學(xué)方法，是一項(xiàng)迫在眉睫而又意義深遠(yuǎn)的工作?？茖W(xué)的目的在于認(rèn)識，而技術(shù)與工程的目的則在于實(shí)踐，創(chuàng)造性思維基于實(shí)踐，始于問題。正如楊叔子院士所說：“創(chuàng)新之根在實(shí)踐?！睂ε囵B(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才而言，加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)具有重要的基礎(chǔ)性作用和現(xiàn)實(shí)意義。工科教學(xué)的特征是實(shí)用性強(qiáng)，專業(yè)性強(qiáng)，方法性強(qiáng)，必須讓學(xué)生從書本和課堂中適度解放出來，通過接觸實(shí)踐，接觸實(shí)際問題，來增強(qiáng)學(xué)生對課堂書本知識的理解和掌握，以減少傳習(xí)教學(xué)色彩，使學(xué)生獲取寬廣的工程感性知識。近年來“工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)系列課程”教學(xué)改革實(shí)踐表明，按照教學(xué)體系的總體方案和學(xué)生認(rèn)知水平的發(fā)展，創(chuàng)新實(shí)踐教育的內(nèi)容似可劃分為三個(gè)層次。第一層次，針對低年級學(xué)生的知識背景，著重讓學(xué)生建立起工程系統(tǒng)概念，初步學(xué)會選用材料和選擇制作工藝，了解制作對象的結(jié)構(gòu)工藝性及常用的技術(shù)裝備。第二層次，著手訓(xùn)練學(xué)生的動手能力與創(chuàng)新意識。首先通過基礎(chǔ)科學(xué)原理的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，養(yǎng)成科學(xué)、規(guī)范的研究習(xí)慣與方法；其次通過技術(shù)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練,了解工程技術(shù)創(chuàng)新的方法和過程；最后，也是最重要的一點(diǎn)，通過驗(yàn)證基礎(chǔ)科學(xué)原理和技術(shù)科學(xué)原理的動手過程，切身體驗(yàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)與工程創(chuàng)新的方法與歷程。第三層次，通過專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)論文研究等綜合實(shí)踐環(huán)節(jié),著重培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，讓學(xué)生體會如何在工程上應(yīng)用與發(fā)揮自身知識和能力，進(jìn)行學(xué)以致用的過渡。湖北省金屬工藝學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會在組織實(shí)施“工程材料及機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)系列課程”教學(xué)改革實(shí)踐基礎(chǔ)上，提出了“以工業(yè)系統(tǒng)認(rèn)知為基礎(chǔ)，以工藝實(shí)驗(yàn)分析能力為根本，以工藝設(shè)計(jì)為主線，加強(qiáng)工程實(shí)踐，注重工藝創(chuàng)新”的教學(xué)新思路，打破了原有四門課程(金工實(shí)習(xí)、工程材料、材料成形工藝基礎(chǔ)和機(jī)械制造基礎(chǔ))相對隔離的現(xiàn)狀，改善了課程結(jié)構(gòu)體系，努力實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化，體現(xiàn)基于問題的學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、基于案例的學(xué)習(xí)以及探究式學(xué)習(xí)的創(chuàng)新教育思想，并在此基礎(chǔ)上建立起新型的工業(yè)培訓(xùn)中心教學(xué)基地，大大推動了本系列課程的發(fā)展。呈獻(xiàn)給大家的“普通高等學(xué)校工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)創(chuàng)新人才培養(yǎng)系列教材”，是湖北省金屬工藝學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會獲得省優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎后，與華中科技大學(xué)出版社經(jīng)過進(jìn)一步探索和實(shí)踐取得的新成果，擬由《工程系統(tǒng)認(rèn)識實(shí)踐》（理工科通識）、《工程材料》、《材料成形工藝基礎(chǔ)》、《機(jī)械制造基礎(chǔ)》、《工程材料及其成形工藝》、《材料成形及機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)》、《機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)》、《制造工藝綜合實(shí)驗(yàn)》、《基于項(xiàng)目的工程實(shí)踐》（機(jī)械及近機(jī)械類）、《工程實(shí)踐教程》（非機(jī)械類）、《工程實(shí)踐報(bào)告》等組成。它通過構(gòu)建新的課程體系，改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與教學(xué)手段，以期達(dá)到整體優(yōu)化，促進(jìn)學(xué)生的知識、能力和素質(zhì)的均衡發(fā)展，特別是培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)、創(chuàng)新思維能力和獨(dú)立獲取知識的能力。殷切希望該系列教材能夠得到廣大讀者和全國同仁的關(guān)心、支持和幫助。相信經(jīng)過湖北省金屬工藝學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會的統(tǒng)一規(guī)劃和各高校師生的團(tuán)結(jié)協(xié)作，汲取國內(nèi)同行課程改革的成功經(jīng)驗(yàn)，遵循“解放思想、實(shí)事求是”的原則，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變教育觀念，在教學(xué)改革上更上一層樓。面對科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，面對全球信息化浪潮的挑戰(zhàn)，我們必須貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)的精神品質(zhì)，講求競爭，倡導(dǎo)無私無畏的開拓精神，為全面提高全民族的創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家培養(yǎng)更多的創(chuàng)新人才。謹(jǐn)此為序。教育部高等學(xué)校機(jī)械學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會委員材料成型與控制工程專業(yè)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會副主任湖北省金屬工藝學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會理事長華中科技大學(xué)常務(wù)副校長，教授2010年8月于喻家山

內(nèi)容概要

　　《普通高等學(xué)校工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)創(chuàng)新人才培養(yǎng)系列教材：工程材料》根據(jù)教育部高教司頒布的高等學(xué)校工科本科《工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)教學(xué)基本要求》而編寫，內(nèi)容力求簡明扼要，強(qiáng)化實(shí)際應(yīng)用。本書以金屬材料為重點(diǎn)，著重介紹了金屬材料及熱處理的基礎(chǔ)知識、一些常用的非金屬材料和新型材料及其新工藝、新進(jìn)展，以及機(jī)械零件選材與失效分析方面的知識和方法。本書共分十一章，主要內(nèi)容有：材料的性能；金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形；金屬的結(jié)晶與二元合金相圖；鐵碳合金；金屬熱處理及表面處理技術(shù)；合金鋼；鑄鐵；非鐵金屬及其合金；非金屬材料及其應(yīng)用；現(xiàn)代新型材料及其應(yīng)用；機(jī)械零件的選材與失效分析?！　　镀胀ǜ叩葘W(xué)校工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)創(chuàng)新人才培養(yǎng)系列教材：工程材料》可作為高等院校機(jī)類、近機(jī)類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課教材，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

作者簡介

徐自立，武漢紡織大學(xué)教授，博導(dǎo)。

書籍目錄

緒論第1章 材料的性能 1.1 靜態(tài)力學(xué)性能  1.1.1 強(qiáng)度、剛度和塑性  1.1.2 硬度 1.2 動態(tài)力學(xué)性能 1.3 其他性能 思考與練習(xí)第2章 金屬的結(jié)構(gòu)與塑性變形 2.1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)  2.1.1 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念  2.1.2 常見金屬的晶格類型  2.1.3 單晶體的各向異性與多晶體的各向同性  2.1.4 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu) 2.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)  2.2.1 合金概述  2.2.2 固溶體  2.2.3 金屬間化合物 2.3 金屬的冷變形行為  2.3.1 單晶體金屬的塑性變形  2.3.2 實(shí)際金屬的塑性變形 2.4 冷變形金屬對金屬組織和性能的影響  2.4.1 塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響  2.4.2 塑性變形對金屬性能的影響 2.5 冷變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化  2.5.1 回復(fù)  2.5.2 再結(jié)晶  2.5.3 晶粒長大 2.6 金屬的熱變形加工 思考與練習(xí)第3章 金屬的結(jié)晶與二元合金相圖 3.1 金屬的結(jié)晶及其控制  3.1.1 結(jié)晶概述  3.1.2 金屬的結(jié)晶過程  3.1.3 晶粒的大小及控制  3.1.4 鑄錠的凝固組織  3.1.5 晶體的同素異構(gòu)現(xiàn)象 3.2 二元合金相圖的建立及其意義 3.3 二元合金相圖的基本類型及杠桿定律  3.3.1 勻晶相圖  3.3.2 共晶相圖  3.3.3 包晶相圖  3.3.4 其他相圖  3.3.5 合金的性能與相圖的關(guān)系 思考與練習(xí)第4章 鐵碳合金 4.1 鐵碳合金相圖及其分析和應(yīng)用  4.1.1 鐵碳合金中的基本相  4.1.2 Fe—Fe。C相圖分析  4.1.3 典型合金結(jié)晶過程分析  4.1.4 碳對鐵碳合金組織和性能的影響  4.1.5 Fe—Fe。C相圖的應(yīng)用和局限性 4.2 碳鋼  4.2.1 鋼中的元素  4.2.2 碳鋼的牌號、性能和用途  4.2.3 鑄鋼 思考與練習(xí)第5章 金屬熱處理 5.1 鋼受熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 5.2 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變  5.2.1 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線  5.2.2 過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線 5.3 鋼的退火與正火  5.3.1 退火和正火的目的  5.3.2 退火工藝及其應(yīng)用  5.3.3 正火工藝及其應(yīng)用 5.4 鋼的淬火  5.4.1 淬火的目的  5.4.2 淬火的一般工藝  5.4.3 常用的淬火方法 5.5 鋼的回火  5.5.1 回火目的  5.5.2 淬火鋼回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變和產(chǎn)物  5.5.3 淬火鋼回火時(shí)的性能變化  5.5.4 回火的種類及應(yīng)用  5.5.5 自身回火淬火法 5.6 鋼的淬透性 5.7 鋼的表面淬火  5.7.1 感應(yīng)加熱表面淬火  5.7.2 火焰加熱表面淬火  5.7.3 激光加熱表面淬火 5.8 鋼的化學(xué)熱處理  5.8.1 滲碳  5.8.2 滲氮  5.8.3 碳氮共滲  5.8.4 其他化學(xué)熱處理方法 5.9 熱處理注意事項(xiàng) 思考與練習(xí)第6章 合金鋼 6.1 合金鋼中的元素  6.1.1 合金元素在鋼中的存在形式和對基本相的影響  6.1.2 合金元素對鐵碳舍金相圖的影響  6.1.3 合金元素對鋼熱處理組織轉(zhuǎn)變的影響  6.1.4 合金元素對鋼力學(xué)性能的影響  6.1.5 合金元素對鋼工藝性能的影響 6.2 合金結(jié)構(gòu)鋼及其應(yīng)用  6.2.1 合金滲碳鋼  6.2.2 合金調(diào)質(zhì)鋼  6.2.3 合金彈簧鋼  6.2.4 。滾動軸承鋼  6.2.5 其他常用合金結(jié)構(gòu)鋼 6.3 合金工具鋼及其應(yīng)用  6.3.1 低合金刃具鋼  6.3.2 高速鋼  6.3.3 合金冷作模具鋼  6.3.4 合金熱作模具鋼  6.3.5 合金量具鋼 6.4 特殊性能鋼及其應(yīng)用  6.4.1 不銹鋼  6.4.2 耐熱鋼及耐熱合金  6.4.3 耐磨鋼 思考與練習(xí)第7章 鑄鐵 7.1 鑄鐵的石墨化和分類  7.1.1 鑄鐵的石墨化  7.1.2 鑄鐵的分類 7.2 灰鑄鐵  7.2.1 影響灰鑄鐵組織和性能的因素  7.2.2 灰鑄鐵的熱處理 7.3 球墨鑄鐵  7.3.1 球墨鑄鐵的化學(xué)成分和球化處理  7.3.2 球墨鑄鐵的牌號、組織和性能  7.3.3 球墨鑄鐵的熱處理 7.4 其他鑄鐵  7.4.1 可鍛鑄鐵  7.4.2 蠕墨鑄鐵  7.4.3 特殊性能鑄鐵 思考與練習(xí)第8章 非鐵金屬及合金 8.1 鋁及鋁合金  8.1.1 純鋁及其應(yīng)用  8.1.2 鋁合金及其應(yīng)用 8.2 銅及銅合金  8.2.1 工業(yè)純銅及其應(yīng)用  8.2.2 銅合金及其應(yīng)用 8.3 滑動軸承合金  8.3.1 滑動軸承的工作條件及對性能、組織的要求  8.3.2 各類滑動軸承合金應(yīng)用簡介 8.4 鈦及鈦合金  8.4.1 純鈦及其應(yīng)用  8.4.2 鈦合金及其應(yīng)用 8.5 粉末冶金材料及其應(yīng)用  8.5.1 粉末冶金工藝  8.5.2 粉末冶金技術(shù)的應(yīng)用  8.5.3 粉末冶金材料——硬質(zhì)合金及其應(yīng)用 思考與練習(xí)第9章 非金屬材料及其應(yīng)用 9.1 高分子材料  9.1.1 高分子化合物的組成和分類  9.1.2 高分子材料的命名及分類  9.1.3 工程塑料  9.1.4 合成橡膠與合成纖維  9.1.5 合成膠黏劑和涂料 9.2 工業(yè)陶瓷  9.2.1 陶瓷材料的分類  9.2.2 常用工程陶瓷及其應(yīng)用 思考與練習(xí)第10章 現(xiàn)代新型材料及其應(yīng)用 10.1 復(fù)合材料 10.2 其他新型材料  10.2.1 形狀記憶合金  10.2.2 非晶態(tài)合金  1O.2.3 納米材料  10.2.4 阻尼合金  10.2.5 超導(dǎo)材料  10.2.6 梯度功能材料 思考與練習(xí)第11章 機(jī)械零件的選材與失效分析 11.1 機(jī)械零件的失效分析 11.2 機(jī)械零件選材的基本原則及分析  11.2.1 選材的基本原則  11.2.2 機(jī)械零件強(qiáng)度與材料力學(xué)性能的關(guān)系 11.3 常用機(jī)械零件的選材及加工路線  11.3.1 軸類零件  11.3.2 齒輪類零件  11.3.3 彈簧類零件  11.3.4 箱體支承類零件  11.3.5 儀表殼體類零件  11.3.6 常用機(jī)械的主要零件的選材 思考與練習(xí)附錄A 鋼鐵金屬硬度與強(qiáng)度的換算表附錄B 淬火鋼回火溫度與硬度的關(guān)系附錄C 常用塑料、復(fù)合材料縮寫代號附錄D 機(jī)械工程材料實(shí)驗(yàn)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

結(jié)晶是一個(gè)自發(fā)過程，但必須具備一定條件，即需要一個(gè)驅(qū)動力。自然界的一切自發(fā)轉(zhuǎn)變過程，總是由一種較高能量狀態(tài)趨向于能量較低的狀態(tài)，就象水總是自動地流向低處，降低自己的勢能一樣。結(jié)晶過程的情況也是如此，圖3-2所示的是液態(tài)物質(zhì)和固態(tài)物質(zhì)的能量狀態(tài)與溫度的關(guān)系曲線，圖中自由能E是物質(zhì)中能夠自動向外界釋放出其中多余或者能夠?qū)ν庾鞴Φ倪@一部分能量。從圖中可看出，液態(tài)自由能變化曲線比固態(tài)陡，液固曲線相交點(diǎn)的對應(yīng)溫度為T0，此時(shí)液態(tài)和固態(tài)的能量狀態(tài)相等，處于動態(tài)平衡，可長期共存，T0稱為理論結(jié)晶溫度或熔點(diǎn)。顯然，在T0溫度以上，物質(zhì)穩(wěn)定的狀態(tài)為液態(tài)，而在T0溫度以下，物質(zhì)穩(wěn)定狀態(tài)為固態(tài)。因此，液態(tài)物質(zhì)要結(jié)晶，就必須冷卻到T0溫度以下，即必須冷卻到低于T0以下的某一個(gè)溫度Tn才能結(jié)晶，這種現(xiàn)象稱為過冷。理論結(jié)晶溫度T0與實(shí)際結(jié)晶溫度Tn之差稱為過冷度（degree of undercooling），即△T=T0–Tn 。過冷度愈大，液態(tài)和固態(tài)之間能量狀態(tài)差就愈大，促使液體結(jié)晶的驅(qū)動力就愈大。只有當(dāng)驅(qū)動力達(dá)到一定程度時(shí)液態(tài)金屬才能開始結(jié)晶。可見，結(jié)晶的必要而且充分的條件是液態(tài)金屬具有一定的過冷度。

編輯推薦

《工程材料》是由湖北省金屬工藝學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會組織編寫，華中科技大學(xué)常務(wù)副校長、教育部高等學(xué)校機(jī)械學(xué)科材料成型與控制工程專業(yè)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會副主任林萍華擔(dān)任編委會主任。注重培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的意識和能力，通過實(shí)際制作產(chǎn)品或作品，強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐效果；充分發(fā)揮學(xué)生的潛力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)綜合素質(zhì)。省內(nèi)眾多高等院校參加編寫和使用。

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