本書從滿足教學(xué)要求和工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，以工程材料的基礎(chǔ)知識(shí)為主線，以工程材料的選用為重點(diǎn)，加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合的訓(xùn)練，針對(duì)“中國(guó)制造2025”發(fā)展實(shí)際和需要，注重了新材料的講解，側(cè)重應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。全書主要內(nèi)容包括：工程材料基礎(chǔ)、金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)、二元合金相圖、鋼的熱處理、工業(yè)用鋼、鑄鐵和鑄鋼、有色金屬及其合金、非金屬材料、新型材料、工程材料的合理選用。本書注重理論和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，內(nèi)容由淺入深、通俗易懂，各章配有適量的習(xí)題，既便于教學(xué)又利于自學(xué)，可以作為大專院校教科書，也可作為工程技術(shù)人員、科技工作者學(xué)習(xí)使用工程材料及熱處理的自學(xué)用書。
本書從滿足教學(xué)要求和工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，以工程材料的基礎(chǔ)知識(shí)為主線，以工程材料的選用為重點(diǎn)，加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合的訓(xùn)練，針對(duì)“中國(guó)制造2025”發(fā)展實(shí)際和需要，注重新材料的講解，側(cè)重應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。全書主要內(nèi)容包括：工程材料基礎(chǔ)、金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)、二元合金相圖、鋼的熱處理、工業(yè)用鋼、鑄鐵和鑄鋼、有色金屬及粉末冶金材料、非金屬材料、新型材料、工程材料的合理選用。
本書是根據(jù)高等教育基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求，圍繞培養(yǎng)高等應(yīng)用型人才的目標(biāo)而編寫的，主要是為機(jī)械類專業(yè)學(xué)生編寫的，同時(shí)也可以用于材料類專業(yè)“工程材料”課程的教學(xué)。
高等教育正處于全面提升質(zhì)量與加強(qiáng)內(nèi)涵建設(shè)的重要階段。本著突出高等教育的特色這一原則，在編寫過(guò)程中，本書汲取了各高等院校近年來(lái)機(jī)械工程材料課程改革的成功經(jīng)驗(yàn)，并汲取了其他同類教材的優(yōu)點(diǎn)。本書的內(nèi)容強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)性，重視概念的準(zhǔn)確性。作為技術(shù)基礎(chǔ)課，工程材料的基本理論、基本概念、基本知識(shí)和取材都必須是基礎(chǔ)的，并且是成熟的。本書充分體現(xiàn)了這一特點(diǎn)。
本書重點(diǎn)介紹各類工程材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、熱處理工藝、性能特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，以實(shí)例說(shuō)明零部件在不同工作條件下的失效方式和如何對(duì)零部件進(jìn)行合理選材，并介紹機(jī)械設(shè)計(jì)者和制造者必須具備的材料知識(shí)和有關(guān)的基本理論。本書共10章:第1章介紹了工程材料基礎(chǔ)；第2章介紹了金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)及工程材料的其他性能，要了解金屬材料的特性，必須要從本質(zhì)上了解金屬的組織結(jié)構(gòu)和金屬的結(jié)晶過(guò)程，掌握其規(guī)律，才能更好地控制其性能，正確選用材料，并指導(dǎo)人們開發(fā)新型材料；第3章主要介紹了二元合金相圖；第4章主要介紹了鋼的熱處理，其中包括鋼熱處理時(shí)的組織轉(zhuǎn)變，鋼的退火、正火、淬火、回火，鋼的表面熱處理，還介紹了其他熱處理的工藝簡(jiǎn)介及熱處理的技術(shù)要求標(biāo)注、工序位置安排與工藝分析；第5章介紹了工業(yè)用鋼；第6章介紹了鑄鐵和鑄鋼；第7章介紹了有色金屬及其合金；第8章介紹了非金屬材料；為了突出、強(qiáng)化機(jī)械零件的選材及熱處理，單獨(dú)設(shè)置了第9章工程材料的合理選用內(nèi)容，實(shí)用性很強(qiáng)；第10章介紹了工程材料的合理選用及一些應(yīng)用舉例。為了便于學(xué)生歸納和總結(jié)所學(xué)知識(shí)，各章均安排了一定量的思考與練習(xí)題。本書引用ziu新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并力求做到加強(qiáng)基礎(chǔ)、突出重點(diǎn)、注重應(yīng)用和適應(yīng)面廣。為了培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，書中給出了必要的關(guān)于理論、工藝和材料的數(shù)據(jù)、資料和實(shí)例，而且主要是中國(guó)自己的。
本書由大連工業(yè)大學(xué)藝術(shù)與信息工程學(xué)院王虹元、大連工業(yè)大學(xué)王海文擔(dān)任主編,由青島理工大學(xué)琴島學(xué)院李燕、桂林航天工業(yè)學(xué)院羅文軍、皖西學(xué)院周宇、哈爾濱石油學(xué)院韓蓉和鄧佳玉擔(dān)任副主編。全書共10章，其中王虹元編寫了緒論、第1、2、3章及第4章中第4.1、4.2小節(jié)，王海文編寫了第4章中第4.3至第4.8小節(jié)及第10章，李燕編寫了第5章，羅文軍編寫了第6章，周宇編寫了第7章,韓蓉編寫了第8章,鄧佳玉編寫了第9章。李政瑩、于佳興、葉沛鑫、王藝菲協(xié)助進(jìn)行了資料的整理工作。
本書在編寫過(guò)程中參閱了大量相關(guān)文獻(xiàn)與資料，從中獲益匪淺，在此，謹(jǐn)向所有參考文獻(xiàn)的作者表示衷心的感謝。
為了方便教學(xué)，本書還配有電子課件等教學(xué)資源包，任課教師和學(xué)生可以登錄“我們愛讀書”網(wǎng)（www.ibook4us.com）免費(fèi)注冊(cè)并瀏覽，或者發(fā)郵件至hustpeiit@163.com免費(fèi)索取。
本書雖然經(jīng)反復(fù)推敲和校對(duì)，但由于編者水平有限，書中難免存在錯(cuò)誤或不足之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正，以便我們及時(shí)改進(jìn)。
編者
2017年3月
緒論(1)
第1章工程材料基礎(chǔ)(3)
1.1材料科學(xué)概要(3)
1.2工程材料的分類(5)
1.3靜載荷下材料的力學(xué)性能(5)
1.3.1強(qiáng)度與塑性(6)
1.3.2硬度(8)
1.4動(dòng)載荷下材料的力學(xué)性能(12)
1.4.1沖擊韌度(12)
1.4.2疲勞(14)
1.5工程材料的物理、化學(xué)及工藝性能(15)
1.5.1物理性能(15)
1.5.2化學(xué)性能(16)
1.5.3工藝性能(16)
第2章金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)(17)
2.1金屬的特性(17)
2.1.1金屬鍵(17)
2.1.2金屬的特性(17)
2.2金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)(18)
2.2.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)(18)
2.2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)(20)
2.2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)(23)
2.3金屬與合金的結(jié)晶(25)
2.3.1純金屬的結(jié)晶(25)
2.3.2合金的結(jié)晶(29)
2.4金屬的塑性變形與再結(jié)晶(29)
2.4.1彈性變形與塑性變形(29)
2.4.2金屬的塑性變形(30)
2.4.3塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響(32)
2.4.4冷變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化(35)
2.4.5金屬的熱加工(37)
2.5工程材料的其他性能(38)
第3章二元合金相圖(43)
3.1二元合金相圖的建立(43)
3.2 二元合金相圖的分析與使用(43)
3.2.1相圖的分析步驟(43)
3.2.2合金的性能與相圖之間的關(guān)系(44)
3.3鐵碳合金的基本組織與性能(46)
3.4鐵碳合金相圖(47)
第4章鋼的熱處理(56)
4.1鋼熱處理時(shí)的組織轉(zhuǎn)變(56)
4.1.1鋼加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變(56)
4.1.2鋼冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變(58)
4.2退火(65)
4.3正火(67)
4.4淬火(67)
4.4.1淬火加熱介質(zhì)(67)
4.4.2鋼的淬火加熱(68)
4.4.3鋼的淬火介質(zhì)(69)
4.4.4鋼的淬火冷卻方法(71)
4.4.5鋼的淬透性(72)
4.5回火(74)
4.5.1鋼回火時(shí)的組織和性能變化(75)
4.5.2回火的分類和應(yīng)用(76)
4.5.3回火脆性(76)
4.6表面熱處理(77)
4.6.1表面淬火(78)
4.6.2化學(xué)熱處理(79)
4.7其他熱處理工藝簡(jiǎn)介(82)
4.7.1真空熱處理(83)
4.7.2可控氣氛熱處理(83)
4.7.3形變熱處理(83)
4.7.4超細(xì)化熱處理(83)
4.7.5高能束熱處理(84)
4.8熱處理技術(shù)要求標(biāo)注、工序位置安排與工藝分析(85)
4.8.1熱處理技術(shù)要求標(biāo)注(85)
4.8.2熱處理工序位置安排(85)
4.8.3熱處理工藝舉例與分析(86)
第5章工業(yè)用鋼(89)
5.1鋼中常見雜質(zhì)元素的影響(89)
5.2碳素鋼的分類、牌號(hào)和用途(91)
5.2.1碳素鋼的分類(91)
5.2.2碳素鋼的牌號(hào)及用途(91)
5.3合金鋼(96)
5.3.1合金元素在鋼中的作用(96)
5.3.2合金鋼的分類與牌號(hào)(101)
5.3.3低合金結(jié)構(gòu)鋼(103)
5.3.4機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼(108)
5.3.5合金工具鋼與高速鋼(119)
5.3.6特殊性能鋼(128)
第6章鑄鐵與鑄鋼(141)
6.1鑄鐵的石墨化(141)
6.1.1鐵碳合金雙重相圖(141)
6.1.2鑄鐵的石墨化(141)
6.1.3 影響鑄鐵石墨化的因素(142)
6.2灰口鑄鐵(143)
6.3球墨鑄鐵(146)
6.4其他鑄鐵(150)
6.4.1可鍛鑄鐵(150)
6.4.2蠕墨鑄鐵(151)
6.4.3合金鑄鐵(152)
6.5鑄鋼(153)
6.5.1鑄鋼的分類(153)
6.5.2鑄鋼的牌號(hào)(153)
6.5.3碳素鑄鋼(鑄造碳素鋼)(155)
6.5.4合金鑄鋼(155)
第7章有色金屬及粉末冶金材料(157)
7.1鋁及鋁合金(157)
7.1.1鋁及鋁合金的性能特點(diǎn)(158)
7.1.2工業(yè)純鋁(158)
7.1.3鋁合金(158)
7.2銅及銅合金(162)
7.2.1工業(yè)純銅(162)
7.2.2銅合金(163)
7.3鈦及鈦合金(166)
7.3.1純鈦(166)
7.3.2鈦合金(167)
7.4鎂及鎂合金(168)
7.4.1純鎂(169)
7.4.2鎂合金(169)
7.5軸承合金(170)
7.5.1滑動(dòng)軸承的性能與組織特征(170)
7.5.2常用軸承合金、牌號(hào)及應(yīng)用(172)
第8章非金屬材料(174)
8.1高分子材料(174)
8.1.1工程塑料(174)
8.1.2橡膠(178)
8.2陶瓷材料(180)
8.2.1陶瓷的組織結(jié)構(gòu)(181)
8.2.2陶瓷的性能(181)
8.2.3陶瓷的分類(182)
8.3 復(fù)合材料(183)
8.3.1復(fù)合材料的命名(184)
8.3.2復(fù)合材料的分類(184)
8.3.3復(fù)合材料的性能特點(diǎn)(184)
8.3.4常用的復(fù)合材料(185)
第9章新型材料(191)
9.1形狀記憶合金(191)
9.1.1形狀記憶效應(yīng)原理(191)
9.1.2形狀記憶合金及應(yīng)用(192)
9.2非晶態(tài)金屬(195)
9.2.1非晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(196)
9.2.2非晶態(tài)金屬的性能特點(diǎn)及應(yīng)用(197)
9.3超導(dǎo)材料(199)
9.3.1超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)(199)
9.3.2超導(dǎo)材料的分類及性能(201)
9.3.3超導(dǎo)材料的應(yīng)用(202)
9.4儲(chǔ)氫合金(203)
9.4.1儲(chǔ)氫技術(shù)原理(203)
9.4.2儲(chǔ)氫合金的條件(204)
9.4.3儲(chǔ)氫合金的分類及研究現(xiàn)狀(204)
9.4.4儲(chǔ)氫合金的應(yīng)用(205)
9.5納米材料(206)
9.5.1納米材料的性質(zhì)(207)
9.5.2納米材料的分類(208)
9.5.3納米材料的性能及應(yīng)用(210)
第10章工程材料的合理選用(212)
10.1機(jī)械零件選材的一般原則(212)
10.1.1 材料選擇原則(212)
10.1.2 材料選擇步驟(213)
10.2機(jī)械零件的失效(213)
10.2.1失效的概念(213)
10.2.2零件失效類型及原因(214)
10.3常用零件選材的原則方法(216)
10.3.1以防止過(guò)量變形為主的選材(216)
10.3.2以抗磨損性能為主的選材(216)
10.3.3以抗疲勞性能為主的選材(217)
10.3.4以綜合力學(xué)性能為主的選材(217)
10.3.5選材時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(217)
10.4軸類零件的選材及熱處理(218)
10.4.1軸類零件的工作條件與失效形式(218)
10.4.2軸類零件的主要性能要求(219)
10.4.3軸類零件的選材與工藝路線實(shí)例(219)
10.5齒輪零件的選材及熱處理(223)
10.5.1齒輪的工作條件與失效形式(223)
10.5.2齒輪的主要性能要求(223)
10.5.3齒輪的選材與熱處理(223)
10.5.4齒輪的選材與工藝路線實(shí)例(224)
10.6彈簧類零件的選材及熱處理(227)
10.7其他常見零件的選材及熱處理(228)
10.8工具類零件(229)
10.9模具零件的選材及熱處理(230)
10.9.1冷作模具(230)
10.9.2 熱作模具(237)
10.9.3塑料模具(239)
10.10工程材料的應(yīng)用舉例(240)
10.10.1汽車零件用材(240)
10.10.2機(jī)床零件用材(240)
10.10.3儀器儀表用材(242)
參考文獻(xiàn)244
第3章二元合金相圖
第3
章二元合金相圖
3.1二元合金相圖的建立
上一章已經(jīng)介紹了相的概念和分類,而相圖就是用來(lái)表示在緩慢冷卻的近平衡狀態(tài)下,組成合金的各種相(或組織)與溫度、成分之間關(guān)系的圖形,又稱為狀態(tài)圖或平衡圖。按照組元的數(shù)量,相圖可以劃分為二元相圖和多元相圖兩類。
以CuNi合金為例,二元相圖的建立步驟如下：
(1) 分別配制5組CuNi合金,如圖31(a)所示;
(2) 用熱分析法測(cè)定出各成分合金的冷卻曲線,如圖31(a)所示;
(3) 在冷卻曲線上找出不同成分合金的結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度,在溫度成分坐標(biāo)中對(duì)應(yīng)各合金成分取點(diǎn),并連接各合金的轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)和轉(zhuǎn)變終了點(diǎn),即得CuNi合金相圖,如圖31(b)所示。
由圖31可見,100%Cu和100%Ni的純金屬發(fā)生恒溫結(jié)晶,冷卻曲線上出現(xiàn)水平線;而其他合金的冷卻曲線只有明顯的拐點(diǎn),沒有出現(xiàn)水平線,這是因?yàn)檫@些合金的固相都是固溶體,它的結(jié)晶是在一定溫度范圍內(nèi)完成的。
CuNi合金相圖就是ziu簡(jiǎn)單、ziu基本的二元相圖——二元?jiǎng)蚓鄨D。
圖31用熱分析法測(cè)定CuNi合金相圖
3.2 二元合金相圖的分析與使用
實(shí)際的二元合金相圖,有的比較復(fù)雜,往往不是單由一種反應(yīng),而是由若干種反應(yīng)互相組合而成的,令人感到難以分析。事實(shí)上,這些復(fù)雜的二元相圖的基本組成單元大部分是勻晶、共晶、包晶、共析等基本圖形。因此,只要熟練掌握上述基本圖形的特點(diǎn),同時(shí)掌握由基本反應(yīng)構(gòu)成復(fù)雜相圖的規(guī)律,就能正確地讀懂二元相圖。
3.2.1相圖的分析步驟
相圖的分析步驟如下。
(1) 首先看相圖中是否有穩(wěn)定化合物存在,如果有,則以穩(wěn)定化合物為獨(dú)立組元,把相圖分為幾部分分別進(jìn)行分析。
(2) 在分析各相區(qū)時(shí)要熟悉單相區(qū)中的相,然后根據(jù)相接觸法則辨別其他相區(qū)。相接觸法則是指在二元合金相圖中,相鄰相區(qū)的相數(shù)相差1(點(diǎn)接觸的情況除外),即兩個(gè)單相區(qū)之間必定有一個(gè)由這兩個(gè)單相組成的兩相區(qū),兩個(gè)兩相區(qū)必定以單相區(qū)或三相區(qū)共存水平線分開。相接觸法則可用來(lái)檢驗(yàn)二元相圖中相區(qū)標(biāo)注是否正確。
(3) 找出三相共存水平線及與其相接觸(點(diǎn)接觸)的三個(gè)單相區(qū),由三個(gè)單相區(qū)與水平線相互配置位置,可以確定三相平衡轉(zhuǎn)變的性質(zhì)。
(4) 利用相圖分析典型合金的結(jié)晶過(guò)程及組織。首先自相圖的橫坐標(biāo)(成分軸)上選定所要分析的合金成分,再由此點(diǎn)引直線垂直于橫坐標(biāo),該直線稱為合金線,然后沿合金線由高溫到低溫分析其結(jié)晶過(guò)程。
① 當(dāng)合金在單相區(qū)內(nèi)時(shí),合金由一個(gè)相組成,相的成分與合金成分相同,該相的質(zhì)量就是合金的質(zhì)量。
② 當(dāng)合金處于兩相區(qū)時(shí),合金由兩個(gè)相構(gòu)成,各相的成分均沿其相界線變化,各相的相對(duì)含量可由杠桿定律求出。
③ 當(dāng)合金處于三相平衡線時(shí),說(shuō)明正在進(jìn)行某種反應(yīng)(共晶、共析、包晶或包析反應(yīng)),此時(shí)三個(gè)相的成分是固定的,但其數(shù)量在不斷地變化。由于合金處于三相區(qū),因此不能應(yīng)用杠桿定律來(lái)計(jì)算各相的相對(duì)數(shù)量。只有當(dāng)反應(yīng)完成,合金進(jìn)入新的單相區(qū)或兩相區(qū)時(shí),才能計(jì)算其數(shù)量。
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