材料工程基础要览

第1篇 材料科学与工程概论

第1章 材料科学与工程的提出与内涵

1 材料是人类社会进步的里程碑

2 材料科学的形成与内涵

3 先进材料是社会现代化的先导

3.1 电子技术的发展

3.2 光纤通信的诞生

3.3 航空航天技术的进步

4 传统材料(基础材料)在国民经济中的地位与可持续发展

5 材料科学技术发展的重点

5.1 材料制备工艺与技术的开发

5.2 材料的应用研究与开发

5.3 开发先进材料，发展高技术产业

5.4 材料设计

5.5 科学仪器与检测装置

第2章 材料科学基础

1 材料的结构

1.1 原子的键合

1.2 晶态、非晶态及其他

1.3 晶体缺陷

1.4 聚合物的典型结构

2 材料的相变

2.1 相变热力学简介

2.2 凝固与熔化

2.3 固体中的扩散

2.4 固态相变

3 材料的力学性质

3.1 弹性

3.2 屈服与范性

3.3 断裂

3.4 高聚物的黏性流变

4 材料的其他物理性质

4.1 基本概念

4.2 材料的导电性

4.3 材料的磁性

4.4 介电性与铁电性

第3章 基础材料与新材料的现状与发展

1 概述

2 钢铁材料

2.1 分类概况

2.2 产业现状

2.3 发展趋势

3 有色金属材料

3.1 分类概况

3.2 产业现状

3.3 发展趋势

4 化工材料

4.1 分类概况

4.2 产业现状

4.3 发展趋势

5 建筑材料

5.2 产业现状

5.3 发展趋势

6 电子信息材料

6.1 分类概况

6.2 产业现状

6.3 发展趋势

7 航空航天材料

7.1 历程与成就

7.2 航空材料

7.3 航天材料

7.4 航空航天关键功能材料

8 先进陶瓷材料

8.1 结构陶瓷

8.2 功能陶瓷

8.3 生物陶瓷

8.4 先进陶瓷产业及发展趋势

9 先进复合材料

9.1 结构复合材料

9.2 功能复合材料

9.3 先进复合材料发展趋势

10 新能源材料

10.1 新型二次电池材料

10.2 燃料电池材料

10.3 太阳电池材料

10.4 核能材料

11 超导材料

11.1 实用NbTi合金超导材料

11.2 实用Nbsn超导材料

11.3 高温氧化物超导材料

11.4 MgB2超导材料

11.5 超导材料的应用

12 纳米材料

12.1 纳米材料的基本构成和特性

12.2 纳米材料研究发展的主要方向和内容

12.3 纳米材料的应用和发展

13 生物医用材料.

13.1 生物医用材料的基本特性

13.2 生物医用材料的分类

13.3 生物医用材料的评价试验和应用发展

14 生态环境材料

14.1 生态环境材料的基本概念

14.2 生态环境材料研究发展的主要方向和内容

14.3 生态环境材料的研发趋势及应用

第4章 材料与机械制造

1 材料在机械制造中的重要性和地位

2 机械设计过程中选材的几点考虑

3 在机械设计选材过程中容易出现的几个误区

4 案例分析

参考文献

第2篇 材料成形基础理论

第1章 材料成形的冶金学原理

1 材料成形中的流体流动

1.1 基本概念

1.2 基本方程

1.3 流动阻力

1.4 特殊流体流动

2 材料成形中的热量传输原理

2.1 基本概念

2.2 导热

2.3 对流换热

2.4 辐射换热

3 材料成形中的质量传输原理

3.1 基本概念和传质微分方程

3.2 分子传质

3.3 对流传质

4 气体-液体-固体之间的界面热力学

4.1 界面能

4.2 界面的吸附现象

4.3 液体对固体的润湿性

4.4 材料工程与润湿

5 燃烧反应的热力学及动力学

5.1 燃料的着火

5.2 气体燃料的燃烧

5.3 液体燃料的燃烧

5.4 固体燃料的燃烧

5.5 燃烧计算

6 熔液、熔渣与熔剂的性质

6.1 溶液的活度

6.2 熔渣的性质

6.3 熔剂的性质

7 氧化还原反应原理

7.1 氧化反应的氧位图

7.2 氧化还原热力学条件

7.3 几种典型的氧化还原反应

第2章 材料成形分析的力学基础

1 连续介质力学的基本概念

2 张量分析基础

2.1 张量的基本概念

2.2 张量的定义与约定求和法

2.3 张量代数

2.4 张量的梯度、散度和奥高公式

2.5 各向同性张量

2.6 二阶张量

3 运动与变形

3.1 变形几何学

3.2 运动学

4 应力

4.1 体力和面力

4.2 柯西应力张量

4.3 其他应力张量

4.4 应力速率

5 基本方程和原理

5.1 基本方程

5.2 边值问题与初值问题

5.3 虚功原理与虚功率原理

第3章 液态金属的凝固原理

1 液态金属的结构及特性

1.1 液态金属的结构

1.2 液态金属的主要特性

2 金属材料的凝固生核与长大

2.1 材料凝固过程中的均质形核和非均质形核

2.2 固-液界面结构

2.3 凝固晶粒的长大方式

3 液态金属凝固过程中的传热

3.1 液态金属凝固过程中的传热特点

3.2 非金属型铸造时(如砂型)的凝固传热

3.3 以界面热阻为主(如金属型铸造)的凝固传热

4 液态金属凝固过程中的溶质分配

4.1 单相合金的平衡凝固

4.2 溶质在固相中不扩散，在液相中充分扩散的凝固

4.3 溶质在固相不扩散，在液柑中有限扩散而无对流的凝固

4.4 固相中无扩散，液相中有限扩散但有对流的凝固

5 金属凝固过程中的“成分过冷”现象及胞晶形态

5.1 “成分过冷”现象及界面生长稳定性判据

5.2 “成分过冷”对组织形成的影响

5.3 细胞晶间的溶质分配

5.4 枝晶臂间距

6 共晶凝固及包晶凝固

6.1 共晶组织分类

6.2 非平衡状态的共晶凝固

6.3 金属.金属共晶凝固

6.4 金属-非金属共晶凝固

6.5 包晶凝固

7 定向凝固和快速凝固

7.1 定向凝固

7.2 快速凝固

第4章 液态材料流动问题的分析方法

1 流体的连续介质假设

2 影响流动特性的基本因素

2.1 材料的物理属性

2.2 流动空间的几何特征

2.3 流体运动的动力学条件

3 研究流动问题的基本途径

3.1 总体衡算法

3.2 微元体衡算法

3.3 实验观测法

4 边界层理论

4.1 边界层概念

4.2 边界层计算

5 相似理论与量纲分析

5.1 流体力学的相似条件

5.2 黏性流体流动的力学相似准数

5.3 决定性相似准数

5.4 量纲分析方法

第5章 固体材料的本构关系

1 概述

1.1 固体材料本构关系的一般原理

1.2 塑性成形分析中材料的变形和本构关系的选取

2 弹性本构方程

2.1 线弹性本构方程

2.2 超弹性本构方程

3 弹塑性本构方程

3.1 概述

3.2 屈服准则

3.3 流动法则

3.4 强化规律

3.5 常用的塑性本构关系

3.6 弹塑性问题

3.7 热弹塑性问题

4 黏塑性本构方程

4.1 一维黏塑性模型

4.2 一般应力状态下的黏塑性本构方程.

4.3 常用的黏塑性模型

4.4 蠕变问题

5 塑性细观力学本构关系

5.1 塑性细观力学的基本概念

5.2 晶体塑性本构方程

5.3 细观损伤理论

5.4 应变梯度塑性理论

第6章 金属塑性成形中的摩擦

1 金属塑性成形中的摩擦概论

1.1 摩擦对金属塑性加工的影响

1.2 金属塑性加工时摩擦的特点

1.3 目前计算摩擦应力的二个常用公式

2 塑性成形中摩擦的分类及机理

2.1 塑性成形中摩擦的分类

2.2 摩擦机理

3 影响摩擦因数的主要因素

3.1 金属的种类和化学成分

3.2 模具的表面状态

3.3 接触面上的单位压力

3.4 变形温度

3.5 变形速度

4 塑性成形中的润滑

4.1 塑性成形中对润滑剂的要求

4.2 塑性成形中常用的润滑剂

4.3 润滑剂中的添加剂

4.4 塑性成形时的润滑方法

5 不同塑性成形条件下的摩擦因数

第7章 金属塑性成形分析的近似解析法

1 主应力法及其应用

1.1 主应力法的基本思想

1.2 主应力法的应用举例

2 塑性成形问题的滑移线解法

2.1 平面应变的特性

2.2 滑移线的定义

2.3 滑移线场的基本方程

2.4 滑移线场的特征

2.5 常见滑移线的类型

2.6 应用实例

3 求解塑性成形问题的上限法

3.1 虚功率原理的新形式

3.2 间断概念、动可容速度场

3.3 应力间断

3.4 速度间断

3.5 上限法基本方程

3.6 应用实例

参考文献

第3篇 材料成形数值模拟

第1章 有限差分法

1 粪公陌拥乃逼近误差

1.1 差分原理

1.2 逼近误差

2 差分方程、截断误差和相容性

3 收敛性与稳定性

3.1 收敛性

3.2 稳定性

4 Im等价定理

第2章 弹性问题有限元基本方法

1 弹性问题有限元方法的一般过程

1.1 离散化过程

1.2 单元平衡方程组装过程

1.3 约束处理过程

1.4 方程组求解过程

1.5 应变、应力回代过程

2 常用单元模型

2.1 单元模型分类

2.2 单元模型构造

2.3 等参单元

3 线弹性问题几何方程

3.1 三维问题

3.2 二维问题

4 线弹性问题本构方程

4.1 三维问题

4.2 二维问题

5 单元平衡方程列式

5.1 三角形单元

5.2 四边形单元

5.3 空间单元

6 数值积分

6.1 Ham111er积分

6.2 Gauss积分

6.3 数值积分的阶次选择

第3章 板料成形数值模拟方法

1 板壳单元

1.1 薄膜单元

1.2 薄壳单元

1.3 中厚壳单元

1.4 等效弯曲单元

2 本构方程

2.1 入流动理论

2.2 人随动强化理论

2.3 各向异性理论

3 各向异性屈服函数

3.1 Hi11正交各向异性函数

3.2 Bar1at-Lian屈服函数

3.3 Bar1at六参量正交各向异性屈服函数

4 工艺条件约束处理

4.1 罚函数法

4.2 防御节点法

4.3 摩擦力的计算

4.4 板料冲压成形界面滑动约束处理

5 接触搜索判断

5.1 工具形状的定义

5.2 接触判断

6 板料成形有限元方法

6.1 非线性方程组迭代解法

6.2 板料成形全量拉格朗日(TL)有限元方法

6.3 板料成形修正拉格朗日((L)有限元方法

6.4 板料成形虚功率增量型有限元方法

6.5 板料成形数值模拟算例

7 板料成形显式有限元方法

7.1 动力分析的虚功(率)方程

7.2 动力显式积分算法有限元方程

7.3 显式时间积分的中心差分算法

7.4 临界时间步长的确定

8 板料成形有限元逆算法

8.1 有限元逆算法基本理论

8.2 初始场猜测

8.3 逆算法算例

第4章 体积成形数值模拟方法

1 刚塑性有限元法

1.1 概述

1.2 刚塑性变分原理

1.3 刚塑性有限元列式

1.4 刚黏塑性有限元法

1.5 体积成形过程关键技术

1.6 计算实例

2 弹塑性有限元法

2.1 小变形弹塑性有限元法

2.2 有限应变弹塑性有限元分析

2.3 有限元反向模拟

3 无网格法

3.1 概述

3.2 无网格法基本原理

3.3 有限元与无网格耦合

3.4 计算实例

第5章 铸造成形数值模拟方法

1 铸造凝固过程温度场数值模拟

1.1 概述

1.2 数学模型

1.3 基于有限差分方法的离散

1.4 初始条件与边界条件

1.5 潜热处理

1.6 温度场数值模拟流程图

2 铸造充型过程数值模拟

2.1 概述

2.2 数学模型

2.3 数学模型的离散

2.4 SOLA-VOF方法

2.5 初始条件与边界条件

2.6 数值稳定性条件

2.7 流动与传热耦合计算

2.8 流动场数值模拟流程图

第6章 塑料注射成形数值模拟方法

1 注射成形CAE概述

1.1 注射成形CAE的概念

1.2 注射成形CAE的发展概况

1.3 注射成形CAE的发展趋势

2 充模过程模拟

2.1 充模过程的数学描述

2.2 压力场的计算

2.3 熔体流动前沿位置的确定

2.4 温度场数值求解

2.5 数值计算过程

3 保压过程模拟

3.1 保压模拟的重要性

3.2 保压过程的数学模型

3.3 塑料熔体的特性模型

3.4 保压模拟数值计算过程

4 冷却过程模拟

4.1 一维冷却分析

4.2 二维冷却分析

4.3 三维冷却分析

5 应力分析

5.1 基本假设

5.2 保压过程中的内应力模型

5.3 冷却过程中的内应力模型

6 翘曲变形计算

6.1 翘曲变形计算的基本原理

6.2 线性翘曲变形有限元分析的数学模型

6.3 几何非线性翘曲变形有限元分析的数学模型

7 注射成形模拟技术新进展

7.1 传统CAE软件的局限性

7.2 理论与实现

7.3 软件介绍

第7章 常用材料成形软件简介

1 冲压成形模拟软件

1.1 FASTAMP软件

1.2 DYNAFORM软件

1.3 AU70FORM软件

2 体积成形模拟软件

2.1 概述

2.2 DEFORM软件

2.3 Marc／AutoForge软件

3 铸造成形模拟软件

3.1 使用范围

3.2 分析内容

3.3 缺陷预测

3.4 软件特点

3.5 软件功能

3.6 华铸CAE应用实例

4 塑料注射成形模拟软件

4.1 常用软件简介

4.2 注射成形CAE分析结果的指导意义

4.3 应用实例

参考文献

第4篇 材料成形优化设计方法

第1章 概论

1 材料成形优化设计方法在现代制造业中的地位和作用

2 材料成形优化设计方法概述

2.1 金属体积塑性成形优化设计方法

2.2 金属板料冲压成形优化设计方法

2.3 注塑成形优化设计方法

2.4 铸造成形优化设计方法

2.5 焊接成形优化设计方法

3.21 世纪材料成形优化设计方法发展展望

第2章 工程优化设计方法

1 工程优化设计的数学模型

2 工程优化问题的迭代算法

3 无约束优化方法

3.1 一维搜索方法

3.2 梯度法

3.3 牛顿法

3.4 变尺度法

第5篇 材料失效分析

第6篇 材料强度设计

《材料工程基础要览》是材料科学及材料加工技术的共性基础要览，涉及各类材料及其产品设计选材、制造加工成形以及失效分析等方面的基础，涵盖材料科学与工程概论、材料成形的基础理论、数值模拟和优化设计方法、材料的强度设计以及材料的失效分析等方面。全书以材料工程基础方面比较成熟的理论、方法和数据为主，同时参考了国内外材料工程基础方面的新进展，反映了当代材料工程基础的先进水平。
　　《材料工程基础要览》主要供具有大专以上文化水平的材料科学和制造业工程技术人员阅读使用，也可供理工科院校的有关师生参考。