工程材料基础-第8章陶瓷材料.方案
第8章工程材料强化与韧化的主要途径PPT课件
●细晶强化还受温度影响。
一般来说，高于1/2T溶时,晶界滑动成为材料形变的重要组成部分。 晶粒越细，单位体积内晶界面积越多，越容易滑动 ，这就导致高
温下细晶材料反比粗晶材料为软。
因此，高温合金一般希望获得粗晶组织。
●生产中细化晶粒的一些途径： 例如，对铸态使用的合金—— 可通过合理控制合金的熔炼和铸造工艺来细化晶粒， 如增大过冷度、加入变质剂、进行搅拌或振动凝固等； 对热轧或冷变形后退火使用的合金—— 可通过控制变形度、再结晶退火的温度和时间来细化晶粒； 对热处理强化使用的合金—— 可通过控制加热和冷却工艺参数，利用相变重结晶来细化晶粒。
位错的运动； ✓ 溶质原子常常被吸附在位错线的附近，降低了位错的能量，阻碍其运动。 固溶强化的影响因素 ✓ 溶剂原子与溶质原子的直径、电化学特征等的差异 ✓ 固溶体的类型
✓ 溶质的加入量 △σss = 2△τss = ΣΚiСi
● 几乎所有对综合力学性能要求较高的结构材料都是以固溶体作为最主要的 相组成物.
概念：金属材料在再结晶温度以下塑性变形(冷塑性变形)时强度和硬度升 高，而塑性和韧性降低的现象，称冷变形强化或加工硬化。
冷变形强化的原理 金属在塑性变形过程中，晶粒破碎、晶格扭曲的程 度不断加重，位错密度不断增加,使得弹性应力场不断增大，位错间的交 互作用不断增强。因而，位错运动的障碍越来越多、阻力越来越大，导 致位错的运动越来越困难，这时需要更大的力才能克服障碍而使位错运 动或产生新的位错，从而使材料的强度、硬度增加。
8.2.4 第二相强化(分散强化)
概念 通过基体中分布细小弥散的第二相粒子(质点)而产生强化 的方法，称为第二相强化或分散强化。 第二相粒子强化比固溶强化的效果更显ห้องสมุดไป่ตู้，但对塑性、韧性产
《机械工程材料(第4版)》课程大纲
“工程材料基础”课程教学大纲英文名称：Fundamentals of Engineering Materials课程编号：MATL300102（10位）学时：52 （理论学时：44 实验学时：8 上机学时：课外学时：（课外学时不计入总学时））学分：3适用对象：本科生先修课程：大学物理、材料力学使用教材及参考书：[1] 沈莲，范群成，王红洁.《机械工程材料》.北京：机械工业出版社，2007.[2] 席生岐等。
《工程材料基础实验指导书》.西安：西安交通大学出版社.2014[3] 朱张校等。
《工程材料》.北京：清华大学出版社.2009一、课程性质和目的（100字左右）性质：专业基础课目的：为机械、能动、航天、化工等学院本科生讲解材料的基础理论和工程应用，使学生了解材料的成分-组织-结构-性能的内在关系，培养学生根据零构件设计的性能指标选择合适材料，做到“知材、懂材”并能合理使用材料。
二、课程内容简介（200字左右）工程材料基础是面向机类、近机类及口腔医学专业开设的材料基础理论课程。
课程主要向学生讲授典型零件的失效方式及抗力指标、金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、功能材料的基本知识，使学生掌握材料成分-工艺-组织-性能的内在关系，掌握工程材料实际应用的原则，培养学生“知理论、懂性能、会选材”的基本能力和素质。
课程实验主要包括金相试样制备和显微镜使用、铁碳合金组织的观察与分析、碳钢热处理与性能综合实验。
一、教学基本要求(1) 了解机械零构件的常见失效方式及其对性能指标的要求。
(2) 掌握碳钢、铸铁、合金钢、有色金属的成分、组织、热处理、性能特点及工程应用的基本知识。
(3) 掌握陶瓷材料、高分子材料、复合材料、功能材料的成分、组织、性能特点及常用材料的种类和用途。
(4) 学生具有根据零构件的服役条件、失效方式和性能要求选择材料及编写冷热加工工艺路线的基本能力。
(5) 了解新材料、新工艺的基本概况及发展趋势。
清华大学《工程材料》第5版教材简介
清华大学《工程材料》第5版教材简介《工程材料》第5版教材由清华大学材料学院朱张校教授、姚可夫教授主编，清华大学出版社出版。
《工程材料》第5版教材目录如下：绪论0.1中华民族对材料发展的重大贡献0.2材料的结合键0.3工程材料的分类第1章材料的结构与性能特点1.1金属材料的结构与组织1.2金属材料的性能特点1.3高分子材料的结构与性能特点1.4陶瓷材料的结构与性能特点第2章金属材料组织和性能的控制2.1纯金属的结晶2.2合金的结晶2.3金属的塑性加工2.4钢的热处理2.5钢的合金化2.6表面技术第3章金属材料3.1碳钢3.2合金钢3.3铸钢与铸铁3.4有色金属及其合金第4章高分子材料4.1工程塑料4.2合成纤维4.3合成橡胶第5章陶瓷材料5.1普通陶瓷5.2特种陶瓷第6章复合材料6.1复合材料的复合原则6.2复合材料的性能特点6.3非金属基复合材料6.4金属基复合材料第7章功能材料及新材料7.1电功能材料7.2磁功能材料7.3热功能材料7.4光功能材料7.5隐形材料及智能材料7.6纳米材料第8章零件失效分析与选材原则8.1机械零件的失效8.2机械零件失效分析8.3机械零件选材原则第9章典型工件的选材及工艺路线设计9.1齿轮选材9.2轴类零件选材9.3弹簧选材9.4刃具选材第10章工程材料的应用10.1汽车用材10.2机床用材10.3仪器仪表用材10.4热能设备用材10.5化工设备用材10.6航空航天器用材附录1金属材料室温拉伸试验方法新、旧国家标准性能名称和符号对照表附录2金属热处理工艺的分类及代号(摘自GB/T 12603—2005) 附录3常用钢的临界点附录4钢铁及合金牌号统一数字代号体系(摘自GB/T 17616—1998)附录5国内外常用钢号对照表附录6常用铝及铝合金状态代号与说明(摘编自GB/T 16475—2008)附录7若干物理量单位换算表附录8工程材料常用词汇中英文对照表参考文献本教材有以下特点：（1）体系科学合理，内容丰富新颖，实例丰富。
陶瓷制备的化学方程式
陶瓷制备的化学方程式陶瓷是一种广泛应用于建筑、医疗、电子、冶金等领域的无机非金属材料。
它具有高温稳定性、耐磨、绝缘、抗腐蚀等特点，因此被广泛应用于各个领域。
陶瓷的制备涉及到多种化学反应和物理过程，下面将详细介绍陶瓷制备的化学方程式。
1. 陶瓷原料的选取：陶瓷的制备通常需要选择适当的原料。
常见的陶瓷原料包括粘土、石英、长石、瓷土等。
这些原料中含有各种金属氧化物，如氧化铝、氧化硅、氧化钠等。
2. 粉末制备：陶瓷制备的第一步是将原料研磨成细小的粉末。
这可以通过多种方法实现，例如球磨、溶胶-凝胶法等。
其中，球磨是一种常用的方法，通过将原料和磨料放入球磨罐中进行摩擦研磨，使原料颗粒变得更加细小。
3. 混合：将经过研磨的陶瓷原料进行混合是下一步。
混合的目的是确保原料中各种成分均匀分布。
混合可以通过物理混合或化学反应实现。
例如，将氧化铝和氧化硅的粉末进行物理混合，可以得到氧化铝陶瓷。
4. 成型：成型是将混合好的陶瓷原料制成所需形状的过程。
常见的成型方法包括压制、注塑、挤出等。
以压制为例，将混合好的陶瓷粉末放入模具中，施加一定的压力使其成型。
5. 烧结：烧结是陶瓷制备的核心步骤之一。
经过成型的陶瓷坯体需要进行高温处理，使其颗粒之间发生结合，形成致密的陶瓷材料。
烧结的温度通常较高，可以达到原料的熔点以上。
烧结过程中，陶瓷原料中的金属氧化物发生氧化还原反应，形成金属氧化物之间的化学键。
6. 冷却：经过高温烧结后的陶瓷材料需要进行冷却，使其达到室温。
冷却过程中，陶瓷材料逐渐固化，形成坚硬的陶瓷。
7. 补充工艺：制备出的陶瓷材料还需要进行一些补充工艺，如抛光、涂层等。
这些工艺可以提高陶瓷的光洁度、表面硬度等性能。
陶瓷制备的化学方程式主要涉及原料的选取、粉末制备、混合、成型、烧结等步骤。
在这些过程中，陶瓷原料中的金属氧化物发生氧化还原反应，形成陶瓷材料的化学键。
通过这些化学反应和物理过程，我们可以制备出各种具有优异性能的陶瓷材料。
材料科学基础_第8章_材料的表面与界面
8.2.1 界面的空间自由度 ● 空间自由度是描述晶界两个相邻晶粒的相对取向。 ● 确定两个晶粒的相对取向最多需要5个自由度： --首先考虑坐标中初始位向一致的两个晶粒，沿坐标的某
一旋转轴u 互相旋转一个角度θ的情况，u 轴取向需要 2个变量（u 的3个方向余弦中的2个）。此时u 和θ三个
自由度决定了两晶粒的相对取向。 --对位向不一致的两个晶粒，晶界相对于其中一个晶体的
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➢ 晶界特征 （1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能。 （2）常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑
型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。 （3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷
。原子在晶界处扩散比晶内快得多。 （4）固态相变时易在晶界处形成新核。 （5）晶界上富集杂质原子多，熔点低 （6）晶界腐蚀速度比晶内快。 （7）晶界具有不同与晶内的物理性质。
忽略液体重力和粘度影响，则铺展是由固/气(SG)、固/液 (SL)和液/气(LG)三个界面张力所决定：
F LG cos SG SL SG SL LG cos
式中θ是润湿角；F 称润湿张力。 θ > 90°不润湿； θ < 90°润湿； θ = 0° 完全润湿。
（自由铺展）
润湿的先决条件是 S>G 。SL
4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。
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8.1.4 固液界面与润湿 机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶 瓷/金属的封接等工艺和理论都与润湿过程有关。 润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自 由能降低，称为润湿。
润湿形式： 附着润湿 铺展润湿 浸渍润湿
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铺展润湿 概念：液滴落在清洁平滑固体表面的过程。
工程材料知识点
工程材料知识点1. 工程材料分类1.1 金属材料1.1.1 铁碳合金1.1.2 非铁金属1.1.2.1 铜合金1.1.2.2 铝合金1.2 非金属材料1.2.1 塑料1.2.2 陶瓷1.2.3 复合材料1.3 特种材料1.3.1 纳米材料1.3.2 生物材料2. 材料性能2.1 力学性能2.1.1 强度2.1.2 硬度2.1.3 韧性2.1.4 疲劳性能2.2 物理性能2.2.1 密度2.2.2 热膨胀系数2.2.3 导热性能2.3 化学性能2.3.1 耐腐蚀性2.3.2 化学稳定性3. 材料选择原则3.1 满足工程设计要求 3.1.1 功能需求 3.1.2 经济性3.1.3 可加工性 3.2 考虑环境因素3.2.1 温度3.2.2 湿度3.2.3 化学介质 3.3 考虑可持续性3.3.1 材料回收 3.3.2 环保性4. 材料加工工艺4.1 铸造4.2 锻造4.3 焊接4.4 热处理4.5 机械加工4.5.1 切削加工 4.5.2 非传统加工5. 材料测试与评估5.1 力学性能测试5.1.1 拉伸试验 5.1.2 冲击试验 5.2 物理性能测试5.2.1 热导率测试 5.2.2 密度测定 5.3 化学性能测试5.3.1 耐腐蚀测试5.3.2 化学成分分析6. 材料应用案例6.1 建筑行业6.1.1 结构材料6.1.2 装饰材料6.2 汽车工业6.2.1 车身材料6.2.2 发动机材料6.3 航空航天6.3.1 轻质高强度材料6.3.2 耐高温材料7. 材料发展趋势7.1 智能材料7.2 绿色材料7.3 3D打印材料8. 结语工程材料是现代工业和建筑的基础，了解不同材料的特性、性能和应用对于工程设计和产品开发至关重要。
随着科技的进步，新材料的研发和应用将不断推动各行各业的发展，提高产品性能，降低成本，同时更加注重环保和可持续性。
因此，工程师和设计师需要不断更新材料知识，掌握最新的材料技术和应用趋势。
南航818材料大纲
复试科目:561 材料工程基础
1、工程材料的力学性能：强度、硬度、塑性、冲击韧性；
2、工程材料及其分类、原子键合及不同键合材料的特性；
3、金属的结构与结晶：金属的晶体结构、实际金属中的晶体缺陷；金属的结晶、晶粒度的控制与细晶强化；
7、(重点)铁基合金：碳钢、铸铁；合金元素在钢中的作用：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢；
8、 有色金属及其合金：铝及其合金、钛及钛合金、铜及其合金；
9、 高分子材料：高聚物的结构、物理与力学状态、基本性能与特点；
10、复合材料：复合材料的性能特点、常用复合材料。
考试科目
考研大纲
818 材料科学基础
考试内容：以金属材料为主线（兼顾高分子与陶瓷相关内容），主要考核材料的结构、相图与相变、晶体缺陷、表面与界面、固体中的扩散以及材料的形变与再结晶等内容。
第1章 晶体学基础
晶体点阵和空间点阵，布拉菲点阵，晶向指数和晶面指数，晶带定理，晶体对称性的基本概念。
第2章 固体材料的结构
4、金属的塑性变形和再结晶：塑性变形与加工硬化、温度对变形金属结构与性能的影响、金属的热加工与冷加工；
5、(重点)二元合金相图与铁碳合金平衡相图：合金中的基本相、匀晶相图、共晶相图、共析相图等；铁碳合金中的基本相、Fe-Fe3C平衡相图分析、典型合金的结晶过程；
6、(重点)钢的热处理：钢的热处理原理与工艺、钢的表面热处理(表面淬火, 化学热处理)；
原子键合及其特性，典型金属的晶体结构，合金相的晶体结构；
陶瓷材料的典型结构，硅酸盐的结构；
高分子的近程结构、远程结构及聚集态结构。
工程材料教学大纲
《工程材料》课程教学大纲总 学 时：12考核形式：考试教学目的：《工程材料》是一门综合性、应用性较强的专业基础必修课。
学习本课程的目的在于使学生获得有关工程材料及热处理的基本理论、基础知识；了解常用工程材料的成分、组织和性能之间的关系；具有根据零件的使用性能要求，合理选用材料，正确选定热处理方法，妥善安排工艺路线的初步能力。
主要教学内容及要求：绪论： 讲明本课程的目的、内容、特点与学习方法。
第一章材料结构与性能： 了解晶格概念、常见晶格类型、晶面、晶间指数、晶界特点及应用；掌握金属材料性能、了解刃型位错、固溶体及金属化合物、高分子聚合物构型和构像及如何改变其构型和构像；陶瓷材料的结构、性能。
第二章金属材料组织与性能的控制： 熟悉过冷、过冷度及细化晶粒的基本途径；掌握匀晶相图和二元共晶相图；能利用杠杆定理计算组织组成物和相组成物的质量分数；了解其它相图，掌握Fe — Fe3C 相图，及 Wc 对组织性能的影响；掌握加工硬化、回复、再结晶、冷变形、热变形的概念及应用；掌握钢在加热时的冷却时组织转变，及退火、正火、淬火、回火及表面热处理的目的、工艺及应用。
掌握合金元素在钢中的作用，了解表面技术。
第三章金属材料： 掌握钢的分类、钢中常存杂质对钢性能影响，掌握常用合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢的成分、热处理、性能、组织特点及应用；熟悉灰口铁、可锻铸铁、球墨铸铁成分、组织、性能及用途，特殊性能铸铁一般性介绍；掌握铝及铝合金组织、性能之间关系及应用，了解铜及铜合金、钛及钛合金、轴承合金组织、性能之间关系及应用。
第四章高分子材料： 熟悉高分子材料（工程塑料、橡胶、合成纤维）的性能和用途。
第五章陶瓷材料： 了解陶瓷的分类，常用工程结构陶瓷性能、用途。
第六章复合材料： 了解复合材料分类、增强机制及性能，常用复合材料。
第七章其它工程材料： 了解其它工程材料。
第八章机械零件的失效与强化： 掌握零件的失效形式与分析方法及工程材料的强韧化方法。
大学材料科学基础第八章材料的变形与断裂(1)
六方晶系则需画图判定。
滑移系数量与金属的塑性 滑移系代表了晶体滑移时可能采取的空间取向，晶 体中滑移系数量越多，滑移时可能采取的空间取向就 越多，滑移就越容易进行，金属的塑性便越好。 面 心 立 方 金 属 ： Cu，Al，Au，Ag,，Ni，γ－Fe， 奥氏体钢，体心立方金属α－Fe，铁素体，Mo，Nb的 塑性很好，而密排六方金属Mg，Zr，Be，Zn的塑性 则较差。当然滑移系数量并不是决定金属塑性高低唯 一的因素，合金的成分、强度的高低、加工硬化的能 力等也会影响到金属的塑性。试验表明，奥氏体钢的 塑性要优于铁素体钢。
金属拉伸曲线分析。 1 弹性变形阶段：ζ－ε呈直线关系。
（弹）塑性变形阶段： ζ-ε不遵循虎克定律
2 均匀塑性变形阶段：屈服阶段：ε增加，ζ基本保 持不变， ζ－ε呈非线性关系。 3 颈缩阶段（局部变形阶段）：变形集中在局部区 域。 4 断裂阶段：从颈缩到断裂。
拉伸试验可以得到以下强度指标和塑性指标：
拉伸条件下滑移系上分切应力的计算。
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θ－滑移面法线与拉伸轴的夹角
4 力轴作用在任意方向
二、孪晶（孪生）变形
孪生也是金属塑性变形的一种形式，一般情况下， 金属晶体优先以滑移的方式进行塑性变形，但是当滑 移难以进行时，塑性变形就会以生成孪晶的方式进行， 称为孪生。例如滑移系较少的密排六方晶格金属，当 处于硬取向时，滑移系难以开动，就常以孪生方式进 行变形。滑移系较多的fcc、bcc结构的金属一般不发 生孪生变形，但在极低的温度下变形或是形变速度极 快时，也会以孪生的方式进行塑性变形。 定义：晶体在难以进行滑移时而发生的另一种塑 性变形方式，其特点是变形以晶体整体切变的形式 进行而不是沿滑移系发生相对位移。
848材料科学基础大纲
848材料科学基础大纲目录1.引言2.第一章：材料科学概述-2.1材料的定义-2.2材料科学的研究内容3.第二章：晶体学基础-3.1晶体结构与晶体学-3.2晶体的多晶性与多晶材料4.第三章：晶界与位错-4.1晶界-4.2位错5.第四章：金属材料与合金-5.1金属晶体结构与性质-5.2金属合金的组织与性能6.第五章：陶瓷材料-6.1陶瓷材料的分类与特点-6.2陶瓷的合成与加工7.第六章：高分子材料-7.1高分子聚合物的基本概念与分类-7.2高分子的合成与加工8.第七章：复合材料-8.1复合材料的概念与分类-8.2复合材料的制备与性能9.结论引言材料科学作为一门以研究材料结构、性质和功能为基础的学科，研究的对象包括金属、陶瓷、高分子材料等各类材料。
本大纲将按照材料科学的基础内容，对848材料科学基础进行系统的介绍和概述。
第一章：材料科学概述2.1材料的定义材料是指构成物体的各种物质，包括晶体、非晶态、复合材料等多种形态。
材料的组成、结构和性质之间存在着密切的联系。
2.2材料科学的研究内容材料科学的研究内容主要包括材料结构、材料性能以及材料的制备与加工等方面。
通过对材料的研究和探究，可以深入了解材料的宏观和微观特性，为材料的应用提供基础和参考。
第二章：晶体学基础3.1晶体结构与晶体学晶体是具有长程有序结构的固体材料，晶体的结构决定了材料的性质和特点。
晶体学是研究晶体结构与性质的学科，通过对晶体结构的分析和研究，揭示了材料内部的微观世界。
3.2晶体的多晶性与多晶材料多晶材料是由多个晶粒组成的材料，晶粒之间存在着晶界。
晶界对材料的性能和力学行为有着重要的影响，多晶材料的研究对于材料的优化和改进具有重要意义。
第三章：晶界与位错4.1晶界晶界是晶体内部不同晶粒的交界面，晶界的存在对材料的性能和特性有着重要的影响。
通过研究晶界的结构和性质，可以了解晶界对材料性能的影响机制，并提出相应的改进策略。
4.2位错位错是晶体中的缺陷，是晶体结构的局部畸变。
《机械工程材料(第4版)》第8章
《工程材料基础》课后测试试卷《工程材料基础》课后测试试卷第八章一、单项选择题1、下列材料中，最适合制造汽车火花塞绝缘体的是（）A. Al2O3B. 聚苯乙烯C. 聚丙烯D. 饱和聚酯答案：A解题过程：需要在高温下工作，选择陶瓷材料。
2、下列材料中，蠕变抗力最高的是（）A. 金属B. 有机高分子C. 陶瓷D.热塑性玻璃钢答案：C解题过程：陶瓷高温性能好，蠕变抗力高。
3、下列材料中，韧性最好的是（）A. 金属B. 有机高分子C. 陶瓷D.热塑性玻璃钢答案：A解题过程：略。
4、硬质合金材料一般情况下被归结为（）A. 金属材料B. 陶瓷材料C. 高分子材料D. 复合材料答案：B解题过程：硬质合金是金属陶瓷的一种。
5、一般陶瓷材料的硬度都很高，其原因是（）A. 存在玻璃相B. 烧结温度高C. 结合键强D. 有适量气孔答案：C解题过程：略。
6、下列材料中弹性模量最小的是（）A. 陶瓷B. 金属C. 复合材料D.高分子答案：D解题过程：高分子材料结合力弱，弹性模量小。
7、下列哪一项是决定陶瓷材料性能的主要组织（）A.玻璃相B. 晶相C.气孔答案：B解题过程：晶相是陶瓷材料的主要组成相，对陶瓷性能起决定性作用。
8、氧化铝陶瓷的结合键是（）A. 共价键B. 离子键C. 金属键D. 分子键答案：B解题过程：略。
9、碳化硅陶瓷的主要结合键是（）A. 共价键B. 离子键C. 金属键D. 分子键答案：A解题过程：略。
10、下列材料中，高温强度最好的是（）A. 金属B. 有机高分子C. 陶瓷D. 热塑性玻璃钢答案：C解题过程：略。
11、下列抗氧化性能最好的陶瓷是（）A. 硼化物陶瓷B.氮化物陶瓷C.氧化物陶瓷D.碳化物陶瓷答案：C解题过程：略。
12、陶瓷材料基体中晶粒愈细，陶瓷的强度（）A. 越高B. 越低C.不确定答案：A解题过程：陶瓷中也存在细晶强化的现象。
《材料工程基础》课件——第八章 材料的连接
工件 接触引弧
钢焊条焊接钢材时的焊 接电弧
焊接电弧是在电极和工件间的气体介质中长时间放电的现象。 电弧引燃时，弧柱中充满了高温电离气体，发出大量的光和热
手工电弧焊的焊接过程
焊缝附近 基体金属
焊条
焊芯 药皮
电
电
弧
弧
熔化 焊缝
熔 渣 CO2↑ 保护熔池
手工电弧焊的优缺点
优点：设备简单，易于维护，使用灵活；适于多种 钢材和有色金属等，是应用最广泛的焊接方法。
熔炼焊剂：在熔炼炉中制备，成分均匀，适 于大量生产；
陶瓷焊剂：利用粉末冶金工艺制备，颗粒强 度低。
埋弧自动焊的特点
焊接质量高且稳定； 熔深大，节省焊接材料； 无弧光，无金属飞溅，焊接烟雾少； 自动化操作，生产效率高。 设备昂贵，工艺复杂，适于长的直线焊缝和圆筒形
工件的纵、环焊缝的批量生产。
栓接
由头部和螺杆（带有外螺纹的圆柱体）两部分组成的一类 紧固件，需与螺母配合，用于紧固连接两个带有通孔的零 件。 这种连接形式就称为螺栓连接，即栓接。如把螺母从 螺栓上旋下，又可以
使这两个零件分开， 故螺栓连接是属于可 拆卸连接。
焊接
焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法。焊接 过程的实质是用加热或加压等手段，借助于金属原 子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连 接起来。
硬钎焊
硬钎焊是指使用的钎料熔点高于480℃的钎焊。其主 要加热方式有：火焰加热、电阻加热、感应加热、 炉内加热、盐浴加热等。软钎焊的接头强度不高 （＞800MPa）。
硬钎焊所用的钎剂主要有：硼砂、硼酸和氟化物等。 硬钎料主要用于钎焊受力大，工作温度较高的工件。
钎焊接头的形成过程
钎焊接头的形成包括两个过程： ⑴ 钎料熔化和流入、填充接头间歇形成钎料充满焊缝
工程材料基础知识要点
第一章机械零件的失效分析一、基本要求本章主要介绍了机械零件在常温静载下的过量变形、在静载和冲击载荷下的断裂、在交变载荷下的疲劳断裂、零件的磨损失效和腐蚀失效以及在高温下的蠕变变形和断裂失效。
要求学生掌握全部内容。
二、重点内容1零件的过量变形以及性能指标,如屈服强度、抗拉强度、伸长率、硬度等。
2零件在静载和冲击载荷下的断裂及性能指标，如冲击韧性、断裂韧性等。
3零件在交变载荷下的疲劳断裂、疲劳抗力指标及影响因素。
4零件的磨损和腐蚀失效以及防止措施。
5零件在高温下的蠕变变形和断裂失效。
三、难点断裂韧性及衡量指标，影响断裂的因素。
四、基本知识点第一节零件在常温静载下的过量变形1、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化。
弹性变形：外力去除后可恢复变形。
塑性变形：外力去除后不可恢复。
低碳钢，正火、退火、调质态的中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合金及某些高分子材料都具有图1-1所示的应力-应变行为。
即在拉伸应力的作用下的变形过程分为四个阶段：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形。
2、静载试验材料性能指标刚度：零构件在受力时抵抗弹性变形的能力。
等于材料弹性模量与零构件截面积的乘积。
强度：材料抵抗变形或者断裂的能力，屈服强度、抗拉强度、断裂强度。
弹性指标：弹性比功。
塑性指标：伸长率、断面收缩率。
硬度：布氏硬度（HB ）、洛氏硬度（HRC ）、维氏硬度（HV ） 3过量变形失效过量弹性变形抗力指标：弹性模量E 或者切变模量G 。
过量塑性变形抗力指标：比例极限、弹性极限或者屈服强度。
第二节零件在静载和冲击载荷下的断裂1、基本概念断裂：材料在应力作用下分为两个或两个以上部分的现象。
韧性断裂：断裂前发生明显宏观塑性变形。
脆性断裂：断裂前不发生塑性变形，断裂后其断口齐平，由无数发亮的小平面组成。
2、冲击韧性及衡量指标冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综合表现。
材料工程基础
材料工程基础第一章材料的制备与合成1.制备材料的3种途径：⑴第一个途径：通过原材料熔化精炼提纯，冷凝成固体（多晶、单晶或非晶的结构）的途径。
⑵第二个途径：用多种方法制成备用的高纯粉末（单相或合金、化合物）原料，使其进一步加工固结成材的粉末冶金技术。
⑶第三个途径：从石油、天然气裂解产物中或煤炭等物质中获得化合物单体，将低分子的单体经过聚合反应合成为高分子聚合物，以块状或粉体等形式存在。
2.化工生产流程：攻头、保尾、控中间。
3.高炉炼铁原料：⑴铁矿石；⑵熔剂（作用：降低脉石熔点和去硫）；⑶燃料：常用的燃料主要是焦炭。
4.高炉炉渣：⑴主要由SiO2、Al2O3和CaO组成，并含有少量的MnO、FeO和CaS等。
⑵作用：①通过熔化各种氧化物控制金属的成分；②浮在金属液表面的炉渣能保护金属，防止金属被过分氧化，防止热量损失，起到隔热作用，保证金属不致过热。
5.造渣除P、S：P的含量高会引起钢的冷脆。
2Fe2P + 5FeO + 4CaO = 9Fe + (CaO) 4·P2O5钢中硫含量高，造成钢的热脆性。
FeS+CaO→CaS+FeO6.铝的生产流程电解法制备金属铝必须包括两个环节：一是从含铝的矿石中制取纯净的氧化铝；二是采用熔盐电解氧化铝得到纯铝。
7.炼铝过程中为什么要加入冰晶石（Na3AlF6）？①氧化铝的熔点（2050℃）太高，对电解设备的耐高温性能要求过高。
②当用冰晶石（熔点1010℃）作熔剂时，氧化铝溶解于其中（溶解度约10%），将与氧化= 938℃），这时可在1000℃以下进行电解。
通常的电解温度是铝形成低熔点共晶（T共950-970℃。
8. 单晶制备方法⑴熔体法：从结晶物熔体中生长晶体，制备大单晶和特定形状晶。
①提拉法；②坩埚下降法；③泡生法；④水平区熔法；⑤浮区法。
⑵常温溶液法：常温溶液是指水、重水或液态有机物作为溶剂的溶液。
在这类溶液中，可以生长完整性高、均匀性好的大尺寸晶体，易观察。
工程材料基础(西安交通大学) 中国大学MOOC答案2023版
工程材料基础(西安交通大学) 中国大学MOOC答案2023版6、原子、离子或分子之间的结合力称为结合键，Al2O3，NaCl的结合键是____答案:离子键7、原子、离子或分子之间的结合力称为结合键，正离子在空间规则分布，和自由电子之间产生强力的静电吸引力，使全部离子结合起来，这种结合力叫____答案:金属键8、碳化硅SiC、氮化硅Si3N4等陶瓷材料的结合键类型是_____答案:共价键9、______结合的固体材料的熔点和硬度都比较低答案:分子键（氢键）10、材料科学是研究固体材料的__相互关系的科学答案:成分(Composition);组织(Microstructure);性能(Properties and Performance);制备与加工(Preparation and Processing)11、材料的力学性能包括______答案:强度;塑性;韧性;硬度12、常用工程材料包括______答案:金属材料;陶瓷材料;高分子材料;复合材料13、影响材料性能的因素有______答案:加工工艺;成分;组织14、陶瓷材料一般也称之为无机非金属材料答案:正确15、光导纤维采用金属材料制备答案:错误16、温度对材料的使用性能没有影响答案:错误17、功能材料一般都要求具有高的力学性能答案:错误作业绪论绪论-关于材料科学与工程的简答题1、从宏观到微观的角度来简答，材料科学主要研究哪些要素？(5分)上述要素它们之间有怎样的关系，或相互影响（5分）？评分规则: 主要考核材料科学与工程研究的四要素。
主要考核其它要素对材料固有性能和使用性能的影响。
第一章机械零件失效形式及其抗力指标第一章机械零件失效形式及其抗力指标-单元测试1、零件产生过量塑性变形的原因是_____答案:强度太低2、在表征材料硬度指标的测试中，采用硬质合金球作为压头的测试方法是_____答案:布氏硬度3、采用异类材料匹配可以显著减轻_____磨损答案:粘着磨损4、零件产生过量弹性变形的原因是_____答案:刚度不足5、下列材料中，蠕变抗力最高的是______答案:陶瓷材料6、下列材料中，韧性最好的是_____答案:金属材料7、退火态低碳钢的应力－应变曲线图中代表_____答案:抗拉强度8、蠕变极限是表征材料在高温长时载荷作用下对塑性变形抗力的指标，其单位是___答案: MPa9、下面现象中属于电化学腐蚀的是_____答案:金属在海水中的腐蚀10、_____材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力答案:持久强度11、材料的蠕变过程可用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线如下图，其中第III阶段属于____答案:加速蠕变阶段12、提高零件表面抗氧化磨损能力的措施不包括____答案:采用垫衬13、低碳钢的断裂韧性大约为_____答案: ~14014、实验表明材料的疲劳极限和抗拉强度存在一定经验关系，对于中、低强度钢___答案: 0.515、铁及低碳钢室温的弹性模量E 约为____答案: ~200GPa16、表征金属材料塑性的指标有_____答案:（拉伸）断后伸长率;（拉伸）断面收缩率17、影响构件脆性断裂的因素包括______答案:加载方式;环境温度和加载速度;构件中的应力集中18、零部件发生疲劳断裂的特点有______答案:断裂应力很低;断裂时为脆断;断口有裂纹形成、扩展、最后断裂三个阶段19、影响疲劳抗力的因素包括______ 答案:载荷类型;材料本质;零件表面状态;工作温度20、属于电化学腐蚀的特点是_____答案:存在电位差的材料(组织);（异质）材料（或组织）相互连通;环境有电解质溶液21、应力腐蚀特点的是_____答案:发生断裂时应力低;介质腐蚀性小;特定介质22、蠕变抗力指标包括_____答案:蠕变极限;持久强度23、常见断裂韧性的单位为_____答案:;MN24、影响零部件刚度的因素包括______答案:材料的模量;部件的截面积（形状）25、零件失效的形式包括______答案:过量变形;断裂;磨损;腐蚀26、引起零件失效的原因有______答案:结构设计;材料选择;加工制造;装配调整;使用保养;可能人为操作失误27、开展失效分析意义与目的是______ 答案:保证零构件安全可靠，防止失效; 找出失效原因，界定事故责任;为合理选材提供依据;有助于正确选择加工工艺28、一般断裂过程包括_答案:裂纹扩展;形成裂纹;断裂29、冲击韧性，是指材料在冲击载荷下吸收_的能力答案:塑性变形功;断裂功30、电化学腐蚀的发生必须具备的条件有_____答案:金属的不同部位(或不同金属间)有电极电位差;有电极电位差的各部分必须相互接触;有电位差的金属各部分必须同时在相连通的电解质溶液中31、碳钢的弹性模量很难通过合金化、热处理改变答案:正确32、材料的韧脆转变温度越高，说明它的韧性受温度影响越小答案:错误33、材料断裂前都会发生明显的塑性变形答案:错误34、材料的硬度越高，则其强度也就越高答案:错误35、铝极易氧化，故其抗大气腐蚀能力极低答案:错误36、不同材料发生蠕变的温度是不一样的答案:正确37、材料的比例极限、弹性极限、屈服强度对材料成分、组织敏感，可通过合金化和热处理提高答案:正确38、冲击吸收功值越高代表材料的韧性越好答案:正确39、作为疲劳抗力指标之一–过载持久值的单位是MPa答案:错误40、金属与周围介质发生氧化作用而引起的腐蚀属于化学腐蚀答案:正确41、材料的过量变形包括过量____变形和过量塑性变形答案:弹性42、金属材料强度的单位一般为_____答案: (以下答案任选其一都对)MPa;兆帕;mpa43、不发生塑性变形的最高应力称为_答案:弹性极限44、断面收缩率是表示材料__的指标之一答案:塑性45、下图中低碳钢拉伸断口属于_____断裂答案:韧性46、金属材料在一定温度和长时间受力状态下，即使所受应力小于其屈服强度，但随着时间的增长，也会慢慢地产生塑性变形，这种现象称为_____(2汉字) 答案:蠕变47、金属材料在交变应力作用下，可以经受无数周次的应力循环而仍不断时所能承受的最大应力称为_____答案: (以下答案任选其一都对)疲劳极限;持久极限48、金属材料受周围介质的化学和电化学作用，导致材料表面成分和性质发生变化，并产生疏松、转移和剥落的过程和现象称为____(2汉字)答案:腐蚀49、滚动轴承、齿轮等一类机件的接触表面，在接触压应力反复长期作用后引起的一种表面疲劳剥落损坏现象称为______答案: (以下答案任选其一都对)接触疲劳;麻点磨损;疲劳磨损50、摩擦过程中在摩擦力与环境介质联合作用下，金属表层的腐蚀产物(主要是氧化物) 剥落与金属磨面之间的机械磨损相结合出现的一种磨损形式，称为______答案:腐蚀磨损作业第一章机械零件失效形式及其抗力指标第一章机械零件失效形式及其抗力指标-综合题1、根据第一章内容总结金属材料制备的零部件常见的失效方式。
材料科学基础
14种布拉菲点阵与七个晶系
三. 晶向指数和晶面指数
1. 晶向指数及其确定方法 1) 晶向指数 — 晶体点阵中阵点列的方 向指数。 2) 确定已知晶向的指数 (Miller指数)。
(1) 建坐标．一般为右手坐标，坐标原点 位于待定晶向上某一阵点，坐标轴为晶 胞棱边。
正、负离子间相互吸引，时原子结合在一起，这就是离子键。
氯 化 钠 离 子 键
2. 共价键
相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道，由两个原子中各有一个电子共用，利用 共享电子对来达到稳定的电子结构。共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键
具有明显的方向性，这是其它键所不具备的。由于方向性，不允许改变原子的相 对位置，所以材料不具塑性且比较坚硬，像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。
• 第六章 扩散与固态相变
– 第一节 扩散定律及其应用 – 第二节 扩散机制 – 第三节 影响扩散的因素与扩散驱动力 – 第四节 几个特殊的有关扩散的实际问题 – 第五节 固态相变中的形核 – 第六节 固态相变的晶体生长
• 第七章 陶瓷材料
导论
一·各种材料的概况
工程材料按属性可分为三类：金属材料、陶瓷材料和高分子材料。也可由此三个 相互组合而成的复合材料。按使用性能分类，则可分为主要利用其力学性能的结构材料和 主要利用其物理性能的功能材料。
一、一次键
1.离子键 金属元素特别是IA、IIA族金属在满壳层外面有少数价电子，它们很容易逸出；另方面 VIIA、VIA族的非金属原子的外壳层只缺少1~2个电子便成为稳定的电子结构。当两类电子 结合时，金属原子的外层电子很可能转移至非金属原子外壳层上，使两者都得到稳定的电 子结构，从而降低了体系的能量，此时金属原子和非金属原子分别形成正离子和负离子，
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1) 晶相：陶瓷材料中的主要组成相, 对陶瓷的性能起决 定性作用 离子键：CaO, Al2O3 … 晶相中的结合键 共价键：SiC, BN … 混合键
实际陶瓷晶体与金属晶体一样也存在晶体缺陷，这些 缺陷可加速陶瓷的烧结扩散过程，还影响陶瓷性能。
晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉（ Al2O3 ）晶粒 平均尺寸为 200μm 时，抗弯强度为 74MPa ， 1.8μm 时抗 弯强度可高达570MPa 陶瓷材料中往往同时存在多种晶相，对陶瓷性能起决 定作用的晶相称主晶相，其余为次晶相
粉末的粒径是描述粉末品质的 最重要的参数，粒径越小，表 面积越大，高温烧结时固相扩 散物质迁移的界面越多，也就 越致密化。 微米级；纳米粉末
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成型 将坯料用一定工具或模具制成一定形状、尺寸、密度和 强度的制品坯型（亦称生坯）
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2) 玻璃相： 玻璃相—一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相 与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝 固时形成的
玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相 将分散的晶相粘结在一起 降低烧结温度 抑制晶相的晶粒长大 填充气孔
2. 陶瓷材料的性能特点
1) 力学性能
高硬度,高耐磨 >1500Hv （淬火钢500~800Hv，高聚物<20Hv）
抗拉强度低，抗压强度较高
因表面及内部的气孔 、微裂 纹等缺陷，实际强度仅为理 论 强 度 的 1/100~1/200 。 但 抗 压强度高，为抗拉强度的 10~40倍
陶瓷与金属的拉伸曲线示意图
内燃机火花塞的绝缘体，坩埚，刀具，活塞，轴承，密封 用途 环…
火花塞
活塞
刀具
坩埚
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绝 缘 子
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二、特种陶瓷 Special ceramics 1. 氧化铝陶瓷
主要原料 以Al2O3为主要成分，含少量SiO2的陶瓷 主晶相 Al2O3
根据Al2O3含量不同，分为 75瓷（ wAl2O3 75% ）又称刚玉-莫来石瓷 95瓷、99瓷，又称刚玉瓷 Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，气孔愈少，陶瓷的性能 愈好，但工艺愈复杂，成本愈高
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高弹性模量，高脆性 E=100~400GPa。 在拉伸时几乎没有塑性，在拉力作 用下产生一定的弹性变形后直接断裂
冲击韧性、断裂韧性低 KIC 约为金属的1/60~1/100 材料 45钢 球墨铸铁 KIC /MPa.m1/2 90 20~40 陶瓷增韧方法 晶须或纤维增韧 异相弥散强化增韧 氧化锆相变增韧 显微结构增韧 表面强化增韧 复合增韧
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电性能：绝缘体，半导体，超导体
多数陶瓷具有高电阻率，良好的绝缘体：制作电气工 业中的瓷瓶、套管、绝缘子
有些陶瓷具有特殊的光学性能
红宝石（ α-Al2O3 掺铬离子）、钇铝石榴石、含钕玻璃等可 作固体激光材料；玻璃纤维可作光导纤维材料，此外还有用 于光电计数、跟踪等自控元件的光敏电阻材料
反应烧结氮化硅陶瓷
以硅粉或硅粉与 Si3N4粉的混合料，压制成型后，放入渗氮炉中进行渗氮处 理，直到所有的硅都形成氮化硅，得到尺寸相当精密的氮化硅制品。但此 制品中有20～30％的气孔，故强度不及热压烧结制品，与95瓷相近。 性能优异，易于加工
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2. 氮化硅陶瓷
主要原料 以Si3N4为主要成分 主晶相 Si3N4 热压烧结氮化硅陶瓷 反应烧结氮化硅陶瓷
按生产工艺不同
热压烧结氮化硅陶瓷
以 Si3N4 粉为原料，加入少量添加剂，装入石墨模具中，在 1600～ 1700℃高 温和20～30MPa的高压下烧结成型，得到组织致密，气孔率接近0的氮化硅 陶瓷。因受石墨模具所限制，只能加工形状简单的制品
磁性
磁性陶瓷又名铁氧体或铁淦（gan)氧，主要是Fe2O3和Mn 、 Zn等的氧化物组成的陶瓷材料，为磁性陶瓷材料，可用作磁 芯、磁带、磁头等
结构稳定
化学稳定性高，抗氧化性优良，在1000℃高温下不会氧化， 并对酸、碱、盐有良好的抗蚀性
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按用途
日用陶瓷 工业陶瓷
高强度陶瓷 按性能 高温陶瓷 耐酸陶瓷 … 氧化物陶瓷 按化学成分 碳化物陶瓷 氮化物陶瓷 …
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普通陶瓷——又称传统陶瓷。以天然硅酸盐矿物为主要 原料，如粘土、石英、长石等。主要制品有：日用陶瓷、 建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷 特种陶瓷——以纯度较高的人工合成化合物为主要原料 的人工合成化合物
制粉
压制 坯料
烧结 成品
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三、陶瓷材料的结构与性能特点 Structure and property characteristics of ceramics 1. 陶瓷材料的结构
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一、陶瓷的分类 Classification of ceramics
按原料来源 普通陶瓷（黏土，石英，长石） 特种陶瓷（SiC, BN, Al2O3 …） 工程结构陶瓷 功能陶瓷
3) 气相
气相—指陶瓷孔隙中的气体即气孔。是生产过程中不 可避免的，陶瓷中的孔隙率常为 5~10%，要力求使其 呈球状，均匀分布 有害：↓强度，↓电性能 利用：↓比重，吸震，储油
用作保温的陶瓷和化工用的过滤多孔陶瓷等需要增加气孔 率，有时气孔率可高达60％
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氮化硅陶瓷
3.5~5
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2) 物理化学性能
热性能：高熔点，小热胀系数，低导热， 小热容 一般在 2000℃以上，故陶瓷高温强度和高温蠕变抗 力优于金属 随气孔率增加，陶瓷的热胀系数、热导率降低，故 多孔或泡沫陶瓷可作绝热材料
陶瓷材料是多相多晶材料， 陶瓷结构中同时存在 晶体相 玻璃相 气相 各组成相的结构、数量、形 态、大小及分布决定了陶瓷 的性能。
晶相 ＋ 玻璃相 ＋ 气相
陶瓷显微组织示意图
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Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等
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二、陶瓷制品的生产 Production of ceramic products 坯料制备→成型→烧结
坯料制备 通过机械或物理或化学方法制 备粉料，在制备坯料时，要控 制坯料粉的粒度、形状、纯度 及脱水脱气，以及配料比例和 混料均匀等质量要求。按不同 的成型工艺要求，坯料可以是 粉料、浆料或可塑泥团
性能特点
硬度高，摩擦系数小（0.1～0.2），有自润滑性，是 极优的耐磨材料 蠕变抗力高，热胀系数小，抗热振性能在陶瓷中是 最好的 化学稳定性好，除氢氟酸外，能耐各种酸、王水和 碱液的腐蚀，也能抗熔融金属的侵蚀； 因氮化硅是共价键晶体，既无自由电子也无离子， 具有优异的电绝缘性能
烧结
生坯经初步干燥后，进行涂釉烧结或直接烧结。高温烧 结时，陶瓷内部会发生一系列物理化学变化及相变，如 体积减小，密度增加，强度、硬度提高，晶粒发生相变 等，使陶瓷制品达到所要求的物理性能和力学性能 保护气体中烧结、真空中烧结、加压烧结
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用途
日用陶瓷 工业上主要用作绝缘的电瓷绝缘子和耐酸、碱的 容器、反应塔管道等，还可用于受力不大，工作温 度在200℃以下的结构零件 绝缘子，导纱器，耐蚀容器等