《工程材料分析與計算》主要介紹材料的基本結構、材料的制備與相圖、材料的力學性能、塑性變形與再結晶、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容，涵蓋了從工程材料基礎知識、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，為進一步研究工程材料奠定基礎。
隨著技術裝備的不斷發展，材料以及計算材料的重要性日益體現，但聯系材料基礎知識和力學基礎知識以及計算材料學的書籍相對較少，本書從基本材料知識和計算材料學知識出發，講述工程材料的基本知識和基本概念，結合工程問題進行討論，并進一步論述了計算材料學中的主要計算方法。
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研究進展；第2章材料的基本結構主要講述晶向、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章材料的力學性能主要講述高溫力學性能、疲勞、硬度、斷裂韌度等，并以機車為例講述相關的計算和應用；第5章主要講述塑性變形與再結晶，以鼓風機葉輪為例，講述殘余應力的計算方法和應用；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用；第7章碳素鋼與合金鋼概述相關鋼的分類、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方面的方法，包括MC、CA、晶體塑性、相場法、分子動力學方法、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容與本書部分內容相關，在此對他們在科研方面的努力和對本書的貢獻表示感謝。
由于書中部分圖片來源于網絡、課件等材料，原始來源已經很難考證，由此導致引用方面的遺漏敬請讀者諒解。
限于作者的學識和經驗，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章材料的基本結構6
2.1晶體結構的基本概念7
2.2典型金屬的晶體結構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別17
2.6實際晶體的結構特征19
2.7同素異構轉變23
2.8純金屬的結晶24
2.9組元、相、組織25
2.10基本相結構26
2.11聚合物29
2.12無機材料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章材料的力學性能67
4.1高溫下的力學性能67
4.2沖擊吸收功69
4.3疲勞理論及機車疲勞和隨機振動70
4.4斷裂韌度84
4.5硬度87
4.6提高材料力學性能的方法90
第5章塑性變形與再結晶92
5.1單晶體塑性變形微觀機制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合金結構鋼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
8.1.4零件設計需考慮的問題151
8.1.5材料的經濟性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元胞自動機法202
10.3分子動力學方法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230
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第1章 緒論
材料是指人類用以制造各種有用器件的物質，是人類生產和生活所必需的物質基礎。鑒于材料的重要性，歷史學家根據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志，也是人類進化的里程碑。
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，是發展高科技的先導和基石。新型材料一般是指那些新近研制成功或正在研制的、具有比傳統材料更加優異的特性和功能、能夠滿足高新技術發展需要的一類新材料。它具有多學科交叉、知識密集、技術密集的特點，是一類品種繁多、結構特性好、功能強、附加值高、更新換代快的材料。傳統材料是指已大量生產、價格一般較低、在工業應用上已有長期使用經驗和數據的材料。但是，新型材料解密后，開始商業化及大量生產并積累了經驗之后，就成為傳統材料了。也可能一些傳統材料采用特殊高科技工藝加工后，具有了新的、更優良的性能，則成為新型材料。以水立方為例，如圖1-3所示，其使用的人工高強度氟聚合物 (ETFE) 膜是透明建筑結構中品質優越的替代材料，多年來在許多工程中以其眾多優點被證明為可信賴且經濟實用的屋頂材料。該膜是由 ETFE制成，延伸率可達 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
新技術的需要促進了新型材料的不斷發展，如信息傳輸技術的發展。要架設1000km長的同軸電纜，大約需要銅50000t，鉛200000t；采用新型材料光導纖維，可能僅需幾十公斤石英玻璃即可。若用廉價的有機玻璃代替石英用于光纖，更具重要意義。隨著經濟的飛速發展和科學技術的不斷進步，我們對材料的要求越來越苛刻，結構材料向高比強、高強韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照以及多功能方向發展。在當今時代，新型材料不斷涌現，層出不窮，如圖1-4所示。同時，新世紀發展對材料提出了新要求：①結構與功能相結合。要求材料不僅能作為結構材料使用，而且具有特殊的功能或多種功能，正在開發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、自我調節和反饋能力，即具有敏感和驅動雙重功能。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境產生的污染盡可能少。④可再生性。是指一方面可保護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節省能源。制造材料時耗能盡可能少，同時又可利用新開發的能源。⑥長壽命。要求材料能長期保持其基本特性，穩定可靠，用來制造的設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發展戰略，在保證滿足使用性能的條件下，盡量選用節約資源、降低能耗的材料，開發與選用具有環境相容性的新材料，并對現有材料進行環境協調性改性，盡可能地選用可降解材料，針對積累下來的污染問題，開發門類齊全的生態環境材料，對環境進行修復、凈化或替代等處理，逐漸改善地球的生態環境，使之向可持續發展的方向前進。
圖1-4 新型材料及其應用
產品的再制造是有效利用材料的一種重要方式。再制造是指以機電產品全生命周期理論為指導，以廢舊機電產品實現性能提升為目標，以優質、高效、節能、節材、環保為準則，以先進技術和產業化生產為手段，對廢舊機電產品進行修復和改造的一系列技術措施或工程活動的總稱。再制造的重要特征是再制造產品的質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產業鏈的延伸，為循環經濟提供關鍵技術支撐，已成為當今世界最具前景的技術領域之一。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》將“在重點行業和重點城市建立循環經濟的技術發展模式，為建設資源節約型和環境友好型社會提供科技支持”作為我國科學技術發展的重要目標。2010年 5月，中華人民共和國國家發展和改革委員會 (簡稱國家發改委)、科技部等11部委聯合下發《關于推進再制造產業發展的意見》，指導全國加快再制造產業發展，并將再制造產業作為國家新的經濟增長點予以培育。2010年10月，中共中央十七屆五中全會審議通過了《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十二個五年規劃的建議》，明確要求“開發應用再制造等關鍵技術，推廣循環經濟典型模式”。開展機械裝備再制造基礎科學問題研究，符合國家中長期發展戰略重大需求。再制造工程以機電產品全壽命周期理論為指導，以舊件實現性能跨越式提升為目標，以優質、高效、節能、節材、環保為準則，以先進技術和產業化生產為手段對舊件進行修復和改造。再制造的重要特征是再制造產品的質量和性能要達到或超過新品，成本僅是新品的50％左右，節能60％左右，節材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 材料的基本結構
材料的性能主要決定于其化學組成和結構。所謂“結構”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，即宏觀組織結構、顯微組織結構及微觀結構。宏觀組織結構是指用肉眼或放大鏡可觀察到的材料內部的形貌圖像 (即晶粒、相的集合狀態)。顯微組織結構是指借助光學顯微鏡、電子顯微鏡可觀察到的材料內部的微觀形貌圖像 (即晶粒、相的集合狀態或微區結構)。微觀結構是指比顯微組織結構更細的一層結構，即原子和分子的排列結構。習慣上，把宏觀和顯微組織結構稱為組織，而微觀結構則稱為結構。固體材料的結構若為規則排列則是晶態，若為不規則排列則是非晶態。在絕大多數情況下，晶體結構并不是十分完整的，即在其規則排列中，局部存在著各種缺陷。因此作為工程技術人員，要做到正確選擇和合理使用材料，首先必須具備有關材料結構方面的基本知識。
材料一般是在固體狀態下使用。按固體中原子排列的有序程度，可分為晶態結構和非晶體結構兩種基本類型，如圖2-1所示。晶體是指原子呈規則排列的固體，常態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化。
圖2-1 晶體與非晶體結構示意圖
“長程有序”(遠程有序) 指的是原子在很大范圍內均是按一定規則排列 (即原子在三維空間做有規則的周期性重復排列)，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) 就稱為晶態結構。晶體材料的特點是:
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