材料加工原理（材料科学与工程系列精品教材） pdf epub mobi txt 电子书下载 2025

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李言祥，李文珍，朱跃峰著

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材料科学
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出版社：清华大学出版社

ISBN：9787302471547

版次：1

商品编码：12133061

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-06-01

用纸：胶版纸

页数：401

字数：627000

具体描述

内容简介

本书是为材料科学与工程学科本科生编写的教材，也适用于机械工程学科材料成形与控制专业。内容包括：基于液—固转变的材料加工；基于气—固转变的材料加工；基于固态转变的材料加工。这是同类教材中首次采用按材料加工制备过程中的主要相变类型进行的内容分类。教材将在更广阔的领域为学生打下加工过程中材料成分、组织及性能的形成和变化规律的知识基础。

作者简介

李言祥是本书2005年第一版的主编。材料加工原理第一版获2007北京市高等教育精品教材奖。清华大学材料加工课程2006年获评国家精品课，李言祥现在是该课程负责人。

前言/序言

　　前言

　　材料是可以用来制造产品的物质，是人类社会发展的物质基础。把材料制造成产品的过程和方法就是材料加工。因为物质产品总有一定的形状和尺寸，所以材料加工也称为成形制造。材料加工的方法千变万化，不同的材料需要用不同的适宜加工方法，同样的材料制造不同的产品也需要用不同的适宜加工方法。成形制造属机械工程学科。在制造学科领域，材料在制造成产品过程中的尺寸、外形、表面状态和最终性能是其主要的关注和控制内容。材料加工关注制造过程中材料内部成分、组织和性能的变化，其学科属性是材料学科，属于材料工程。本书以金属材料为主要加工对象，根据加工过程中材料经历的主要相变，分为基于液—固转变的材料加工；基于气—固转变的材料加工和基于固态转变的材料加工三篇。这种按材料加工过程中经历的主要相变类型进行内容分类的结构，将使学习者更好地了解制造过程中材料成分、组织及性能的形成和变化规律及其材料学原理。

　　本书的编写目的是为了适应学科调整的要求。《材料加工原理》前一版本出版于2005年。当时是为了适应清华大学学科调整，即将原来的铸造、锻压、焊接等专业合并成机械工程专业，所以《材料加工原理》包含了《铸件形成原理》《塑性加工原理》和《焊接冶金原理》的内容。

　　随着清华大学材料学院的成立，原机械工程系的材料加工工程学科转入材料学院。材料学院与机械工程系在学科定位，整体培养方案等方面有很大差别。所以，材料加工原理教材需要重新编写，内容需做较大调整，以适应材料学院的培养要求。

　　本书是为材料科学与工程学科本科生编写的教材，也可作为机械工程学科材料成形与控制专业的教学参考书。教材将在更广阔的领域为学生打下加工过程中材料成分、组织及性能的形成和变化规律的知识基础。这是同类教材中首次采用按材料加工制备过程中的主要相变类型进行的内容分类。

　　本书由李言祥主编（第1篇主编及第1、2、3章撰稿），李文珍（第4章初稿，第3篇主编），朱跃峰（第5章初稿，第2篇主编）副主编，赵明（第6、7、8章初稿编写），巩前明（第9、12章初稿编写），张华伟（第10、11章初稿编写）参加编写。

　　编者

　　2017年3月

《金属材料的塑性变形与加工》一、引言金属材料的塑性变形与加工是实现金属材料从原材料到最终产品转变的关键环节，也是材料科学与工程领域的核心内容之一。这一过程不仅赋予金属材料特定的宏观形状和尺寸，更对其微观组织结构、力学性能以及使用性能产生深远影响。理解金属塑性变形的机理，掌握各种加工方法的原理与工艺，对于优化产品设计、提高生产效率、降低制造成本、以及开发新型金属材料具有至关重要的意义。本书旨在深入探讨金属材料在各种外力作用下的塑性变形行为，阐述金属塑性加工的物理本质，并系统介绍金属材料主要的塑性加工工艺方法。本书力求在理论深度和工程应用之间取得平衡，为读者提供坚实的理论基础和实用的技术指导。二、金属塑性变形的基本原理金属材料的塑性变形是指在外力作用下，材料发生形状改变，并且在外力去除后，变形能够保持不变的现象。与弹性变形不同，塑性变形涉及原子间化学键的断裂和重组，是一个不可逆的过程。金属塑性变形的主要微观机制是位错的滑移和孪晶的形成。 1. 位错理论与滑移：位错的概念：位错是晶体中存在的线性晶体缺陷，是引起金属塑性变形最基本的单位。根据位错的几何形状，可分为刃位错和螺位错，以及两者的混合型——混合位错。滑移系统：在晶体结构中，位错更容易在特定的晶面（滑移面）和特定的方向（滑移方向）上运动，这两个面和方向的组合称为滑移系统。密排六方结构（如镁、钛）和面心立方结构（如铝、铜、镍）拥有较多的滑移系统，因此塑性好；体心立方结构（如铁、钼）的滑移系统相对较少，但高温下也能实现良好的塑性。位错的运动：外力作用于晶体时，会产生剪切应力。当剪切应力超过某一临界值（临界分切应力）时，位错就会开始在滑移面上运动。位错的运动使得晶体沿滑移面发生宏观的平移，从而实现塑性变形。位错的相互作用与强化：位错在运动过程中会相互阻碍，例如，位错线之间会发生缠结、碰撞、湮灭或产生新的位错。这些相互作用会增加位错运动的难度，提高材料的屈服强度，这一现象称为加工硬化或应变硬化。 2. 孪晶形成：孪晶的概念：孪晶是晶体中一种特殊的畴结构，其中两个区域具有对称的晶格取向，以一个晶面（孪晶面）和一个晶向（孪晶轴）为界。孪晶滑移：在某些材料（尤其是在低温下或高应变速率下）或某些晶体结构（如密排六方结构）中，塑性变形可以通过孪晶的形成和扩展来实现。孪晶的形成 involves 原子在孪晶面上的协作运动，导致晶格发生相对旋转。孪晶与位错滑移的区别：孪晶滑移通常伴随着较大的应变，且原子运动方向与位错滑移不同。在某些材料中，孪晶的形成是塑性变形的重要机制，尤其是在缺乏有效滑移系统的晶体中。 3. 应力-应变关系与加工硬化：应力-应变曲线：描述材料在外力作用下形变能力的曲线。弹性阶段应力与应变成正比，去除应力后形变消失。塑性阶段应力与应变成非线性关系，去除应力后形变保留。屈服强度：材料开始发生显著塑性变形的应力值。加工硬化（应变硬化）：随着塑性变形的增加，材料的屈服强度和抗拉强度不断升高，而塑性则逐渐降低。这是由于位错密度增加、位错相互作用增强以及位错缠结等原因造成的。加工硬化是金属塑性加工中一个非常重要的现象，它允许材料在变形过程中承受更高的应力，但也会导致材料变脆。 4. 影响塑性变形的因素：晶体结构：不同晶体结构（FCC, BCC, HCP）的滑移系统数量和取向不同，直接影响材料的塑性。温度：温度升高通常会降低材料的屈服强度，增加扩散速率，有利于位错运动和回复，从而提高材料的塑性。高温加工（如热加工）是利用这一效应。应变速率：高应变速率通常会增加材料的流动应力，甚至可能导致材料发生脆性断裂，尤其是在某些材料中。晶粒尺寸：细化晶粒通常会提高材料的屈服强度（Hall-Petch效应），但对塑性的影响较为复杂，在一定范围内有助于提高延展性。杂质与第二相：固溶杂质和第二相粒子会阻碍位错运动，提高材料强度，但可能降低塑性。三、主要金属塑性加工方法金属塑性加工方法是利用外力使金属材料发生塑性变形，从而获得所需形状、尺寸和性能的一系列工艺。这些方法可以根据变形温度的不同分为热加工和冷加工。（一）热加工热加工是指在金属的再结晶温度以上进行的加工。在此温度下，金属的强度较低，塑性好，变形抗力小，易于获得较大的变形量，且不会产生加工硬化，甚至可以通过回复和再结晶消除变形产生的内应力，获得细化和均匀的晶粒组织。 1. 锻造：原理：将金属加热至塑性变形温度，利用锤、模具或液压作用，在局部或整体上施加冲击力或压力，使金属发生塑性变形，获得所需的形状和力学性能。分类：自由锻造：依靠模具（砧、锤头）的形状和操作者的技艺，在开放模具中完成变形。工艺灵活，适用于单件小批量生产。模锻（胎模锻）：利用预先设计的模具（上模和下模）将金属毛坯成型。精度高，表面质量好，生产效率高，适用于大批量生产。模具压制：使用压机和闭合模具对金属进行成型。工艺特点：锻造过程遵循金属的纤维流线，能显著提高零件的强度、韧性和疲劳寿命。可以获得形状复杂的零件。应用：航空发动机叶片、曲轴、连杆、齿轮、工具等。 2. 轧制：原理：将金属毛坯（板坯、钢锭等）通过一对或多对旋转的轧辊之间，依靠轧辊产生的压力，使金属发生塑性变形，从而获得减小厚度、增大长度或形成特定截面的产品。分类：板材轧制：生产钢板、钢带等。包括热轧和冷轧。型材轧制：生产钢轨、工字钢、槽钢、角钢等。管材轧制：生产无缝钢管和焊接钢管。特殊轧制：如硬质合金轧制、有色金属轧制等。工艺特点：轧制是产量最大、应用最广的金属成形工艺之一。可以实现大批量、高效率生产，并能精确控制产品尺寸和性能。应用：建筑钢材、汽车板、家电面板、桥梁结构件等。 3. 挤压：原理：将金属加热到塑性变形温度，放置在挤压筒内，通过挤压杆施加强大的压力，迫使金属通过具有特定形状的模具孔，获得所需的截面形状。分类：正向挤压：挤压方向与挤压杆方向相同。反向挤压：挤压方向与挤压杆方向相反。斜向挤压：挤压杆与模具孔呈一定角度。工艺特点：挤压能够生产形状复杂、尺寸精度高、表面质量好的金属型材，尤其适用于生产截面形状不规则的管材、棒材、型材等。应用：铝合金门窗型材、飞机结构件、铜合金导线等。 4. 轧锻（轧制锻造）：原理：结合了轧制和锻造的优点，通过旋转的工具（如轧辊、滚轮）对金属施加循环的变形作用，实现金属的塑性成形。应用：生产各种杆件、管材、异型材等。（二）冷加工冷加工是指在金属的再结晶温度以下进行的加工。冷加工时金属强度高，变形抗力大，需要较大的变形力。但冷加工可以显著提高材料的强度和硬度（加工硬化），改善表面质量，并能实现精确的尺寸控制。 1. 冷镦与冷挤压：原理：在室温下，利用冲头或模具对金属棒材或线材施加巨大的压力，使其发生局部或整体的塑性变形，形成所需形状。工艺特点：适用于生产具有复杂形状、高精度的小零件，如螺栓、螺母、铆钉、轴类零件等。材料利用率高，生产效率高。应用：紧固件、汽车零部件、电子元件等。 2. 冷轧：原理：在室温下对金属板材进行轧制，以获得更薄的板材、更高的强度和更好的表面质量。工艺特点：冷轧板材具有优异的尺寸精度、平整度和表面光洁度，强度和硬度得到提高，但塑性有所下降。应用：汽车车身、家用电器外壳、罐体等。 3. 拉深：原理：将金属棒材、线材或管材通过拉丝模具，使其直径或截面减小，长度增加。分类：线材拉深：生产金属丝。管材拉深：生产细管或对管材进行尺寸和精度调整。拉管：生产无缝管。工艺特点：拉深是生产高强度、高精度金属丝、管材的重要方法。可以获得优良的表面质量和尺寸精度。应用：钢丝绳、弹簧钢丝、电线、医疗器械管等。 4. 旋压：原理：将金属薄板固定在旋转的模具（工装）上，用旋轮施加压力，使板材逐渐贴合模具表面，形成空心旋转体零件。工艺特点：旋压能够高效地生产各种形状复杂的空心旋转体零件，如灯罩、管道、航空发动机短舱等。生产效率高，模具成本相对较低。应用：航空航天、汽车、灯具、厨具等。四、加工工艺中的关键因素与质量控制金属塑性加工是一个复杂的过程，涉及材料、设备、工艺和操作等多个环节。为了获得合格的产品，需要密切关注以下关键因素： 1. 材料性能：金属材料的化学成分、微观组织、力学性能（如屈服强度、抗拉强度、塑性、韧性、加工硬化指数等）直接决定了其加工性能。例如，塑性好的材料更易于变形，不易开裂。 2. 变形温度：热加工的温度控制至关重要，过高或过低都会影响材料的组织和性能。冷加工则需要考虑加工硬化带来的材料性能变化。 3. 应力状态与应变速率：不同的加工方法会产生不同的应力状态（如单轴、双轴、三轴应力）和应变速率，这些都会影响金属的变形行为。 4. 模具设计与制造：模具的形状、精度、材料和表面质量直接影响加工精度、产品质量和模具寿命。 5. 润滑与冷却：在冷加工中，良好的润滑可以减小摩擦，降低变形力，提高表面质量，防止工件粘连。在热加工中，冷却速度会影响材料的组织和性能。 6. 加工参数优化：如变形量、道次、进给量、轧制速度、挤压速度等，需要根据材料特性和产品要求进行优化。 7. 质量检测：包括尺寸检测、表面缺陷检测（如裂纹、折叠、麻点）、内部缺陷检测（如气孔、夹杂、缩孔）以及力学性能测试等，以确保产品符合要求。五、结论金属材料的塑性变形与加工是材料科学与工程中不可或缺的重要组成部分。通过理解金属塑性变形的基本原理，掌握各种加工方法的工艺特点和应用范围，并注重加工过程中的关键因素控制与质量管理，我们能够有效地将金属材料塑造成具有各种功能和性能的零件和产品。本书的深入探讨，旨在为材料工程师、制造工程师以及相关领域的研究者提供一个全面而系统的知识框架，助力于更高效、更优质、更具创新性的金属材料加工技术的研发与应用。

用户评价

评分☆☆☆☆☆

拿到这本《材料加工原理》，我原本以为会是一本枯燥的技术手册，没想到翻开第一页就被深深吸引了。作者的文字功底非常扎实，不是那种冷冰冰的公式堆砌，而是像在娓娓道来一个关于材料如何被塑形、如何拥有神奇功能的奇妙故事。我尤其喜欢书中关于“材料变形的微观机制”的章节，它没有止步于宏观的现象描述，而是深入到原子、晶格层面，解释了为什么材料会以特定的方式弯曲、拉伸或者断裂。例如，对于位错理论的阐述，作者用了很多形象的比喻，比如将晶格缺陷比作地毯上的一条皱褶，能够让整块地毯更容易被移动。这种方式极大地降低了理解门槛，让我这个非材料专业背景的读者也能窥见材料加工背后的精妙。而且，书中还穿插了不少历史上重要的材料加工工艺的演变，从古代的锻造、冶炼，到现代的高温合金加工、精密铸造，这些历史的脉络梳理得非常清晰，让我看到了人类智慧在改造自然材料上的不懈追求。有时候，在阅读过程中，我甚至能想象到古代铁匠挥汗如雨地锤打金属的场景，仿佛穿越了时空，与那些伟大的工匠进行着思想的对话。这本书不仅仅是关于“怎么做”，更是关于“为什么这样做”，它打开了我对材料世界全新的认知维度。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对前沿技术充满好奇的学习者，《材料加工原理》这本书给我带来了许多意想不到的启发。我一直对那些能够创造出超乎想象的形状和功能的材料加工技术非常着迷，而这本书恰恰满足了我这份求知欲。书中关于“增材制造”（3D打印）的章节，简直是打开了新世界的大门。作者没有仅仅介绍3D打印的几种主流技术，比如FDM、SLA、SLS等，而是深入探讨了它们在材料选择、成型精度、后处理工艺等方面所面临的挑战和发展趋势。特别是关于金属3D打印的讲解，让我深刻理解了为什么这种技术能够制造出过去传统工艺难以实现的复杂内部结构，比如仿生材料的孔隙率控制，以及功能梯度材料的构建。书中的一些案例分析，比如利用3D打印制造航空发动机的关键零部件，或者是定制化的医疗植入物，都让我对材料加工的未来充满了无限的憧憬。除了增材制造，书中对于“精密加工”和“微纳加工”的阐述也同样精彩。我从未想过，材料可以被加工到如此精细的尺度，其精度甚至可以达到纳米级别。这些技术在半导体、光学器件等领域发挥着不可替代的作用，而《材料加工原理》则为我揭示了实现这些微观奇迹背后的宏大原理。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出版，对我来说简直是及时雨。作为一名在实际生产线上摸爬滚打多年的工程师，我一直深感理论知识与实际操作之间存在着一条难以逾越的鸿沟。很多时候，面对加工过程中出现的疑难杂症，我只能依靠经验和“差不多就行”的原则来处理，这不仅效率低下，也存在很大的安全隐患。而《材料加工原理》这本书，恰恰填补了我在这方面的知识空白。《材料加工原理》中对于各种加工方法，如塑性加工、切削加工、焊接以及热处理等，都进行了非常系统和深入的讲解。它详细地分析了每种工艺的原理、适用的材料范围、工艺参数的设定依据，以及可能出现的缺陷和相应的解决办法。我特别想提到书中关于“焊接冶金”的部分，过去我对焊接的理解仅限于“把两块金属粘在一起”，但这本书让我认识到，焊接过程远比我想象的复杂，涉及到熔池的形成、冷却过程中的相变、以及由此产生的应力等等。作者通过大量的图示和案例分析，将这些复杂的概念变得直观易懂。我还在书中找到了关于如何优化焊接工艺参数，以提高焊接接头强度和韧性的具体指导。这些知识对于我改进现有的生产流程，提高产品质量，起到了至关重要的作用。这本书就像我的“随身顾问”，随时解答我在工作中遇到的困惑。

评分☆☆☆☆☆

在阅读《材料加工原理》之前，我对材料加工的理解还停留在比较基础的层面，觉得无非就是加热、冷却、成型等几个简单过程。然而，这本书彻底颠覆了我的认知，让我看到了材料加工背后那极其深邃的科学内涵和技术魅力。我尤其被书中关于“材料的本构关系”以及“应力-应变行为”的阐释所吸引。作者没有用晦涩难懂的数学公式直接轰炸，而是通过清晰的物理图像和类比，解释了材料在不同载荷和温度下的形变机理。例如，在解释材料的屈服和断裂时，作者会详细分析位错的运动、晶界的滑移等微观现象，并将其与宏观的力学性能联系起来。这让我明白了，为什么同一种材料在不同的加工条件下，会表现出截然不同的性能。此外，书中关于“加工硬化”和“回复/再结晶”等热力学和动力学过程的论述，也让我豁然开朗。我明白了为什么反复的冷加工会使材料变硬，以及如何通过热处理来消除这种硬化效应，恢复材料的塑性。这些知识的应用范围非常广泛，从金属材料的冲压成型，到高分子材料的注塑加工，都能找到相应的理论支撑。这本书不仅让我掌握了知识，更重要的是，它培养了我对材料科学的深度理解和对工艺细节的精益求精的追求。

评分☆☆☆☆☆

我一直认为，一本优秀的教科书，不仅仅在于知识的传授，更在于它能否激发读者的思考和探索精神。《材料加工原理》这本书在这方面做得非常出色。它不是那种“填鸭式”的教学，而是通过一系列精心设计的案例和问题，引导读者主动去发现问题、分析问题、解决问题。我特别喜欢书中关于“失效分析”的章节，它通过剖析各种材料部件在实际使用过程中发生的断裂、磨损、腐蚀等失效现象，来反推其加工过程中的潜在问题。每一个失效案例的分析都详尽入微，从宏观的外观检查，到微观的金相分析，再到断口形貌的观察，每一步都环环相扣，逻辑严密。通过学习这些案例，我不仅学到了如何识别和分析材料失效的原因，更重要的是，我学会了如何从加工源头上规避这些风险，如何通过改进工艺参数、选择合适的材料来提高产品的可靠性和耐久性。这种“从结果反推过程”的学习方法，对于培养解决实际工程问题的能力非常有帮助。书中的许多讨论环节，也鼓励读者进行批判性思考，例如，在探讨某种加工方法的优缺点时，作者会提出一些开放性的问题，让我们去权衡不同因素的影响，从而形成自己的判断。