材料工程基础(起华荣)
材料工程基础的主要内容
平衡组织
铸态组织 非平衡态组织
单晶硅
尺寸 > 300mm 缺陷数 100-1000 个/cm2
近终型技术
先进的成型技术
定向凝固共晶材料
制成涡轮机叶片
非晶带材：制做变压器 细晶：高强材料 微晶：人们正在研究这
一新结构的意义和实用
准晶：正在研究
共晶组织
与其它材料要素的关系
与其它材料要素的关系
定向凝固共晶组织的生长----材料设计 生长界面
由此说明：材料科 学研究无论是在内 容上还是在空间上 都是无止尽的。
与其它材料要素的关系
在材料使用性能（产品）设计的同时， 力求改变传统的研究及设计路线，将材料性 质同时考虑进去，采取并行设计的方法。
与其它材料要素的关系
B-777上用的先进材料
与其它材料要素的关系
传统方式： 结构与功能 确定材料的性质 （选择材料）
材料工程的发展趋势
加
专
工
家
系
系
统 传感器 统
材料工程的发展趋势
我国在合成与加工方面同先进 国家的差距还很大，许多关键技 术落后的根源都归到这里。因此 提高材料合成与加工的技术水平
是我们的最重要的课题。
三束表面改性
材料工程基础的主要内容
三．材料表面工程 表面改性
合 金
金 激光束 --- 组织变化
属 元
素 电子束 ---组织变化
非均细 晶匀晶 化化化
化
离子束 --- 成分、组织变化
材料工程基础的主要内容
三．材料表面工程
离子束改性对表面应力状况的影响 表面改性
强度极限
疲劳极限
A A --- 原始受力状态
汽车喷油嘴的设计--方案二
材料工程基础 课程
材料工程基础课程材料工程基础是一门重要的学科，它介绍了材料的基本概念、分类、结构、性能以及在工程应用中的原理和方法。
本课程同时也涵盖了材料加工、热处理和表面处理等方面的知识。
以下是对材料工程基础课程的相关参考内容的介绍。
1. 材料的基本概念和分类- 材料的定义和基本属性，包括物理性质（密度、热胀、热导等）和力学性质（强度、韧性、模量等）。
- 材料分类的方法，如按组成分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料；按性能分为结构材料、功能材料和纳米材料等。
- 材料的结构层次，从原子、晶体、晶界、晶体缺陷和晶体生长等方面介绍材料的内部组织。
2. 材料的力学性能和工程应用- 强度和韧性的概念及其测试方法，如拉伸、压缩和弯曲等试验。
- 杨氏模量、屈服强度、延伸率和断裂韧性等力学性能参数的计算和应用。
- 材料的工程应用，如结构材料在建筑、航空航天和汽车等领域的使用；功能材料在光电、磁性和催化等方面的应用；纳米材料在电子、医学和能源领域的应用。
3. 材料加工和热处理- 材料加工的分类和基本原理，包括塑性变形（压力加工、拉伸加工）、切削加工和焊接等。
- 材料的热处理过程，如退火、淬火和回火等，以及其对材料性能的影响。
- 材料加工和热处理的实际应用，如金属铸造、挤压成型和表面改性等。
4. 材料的表面处理和腐蚀防护- 材料表面处理的方法和原理，如电镀、喷涂和化学气相沉积等。
- 腐蚀的基本概念和机理，以及防腐蚀的方法，如选材、防腐涂层和阳极保护等。
- 材料表面处理和腐蚀防护的实际应用，如船舶防腐、桥梁保养和化工设备涂层等。
5. 材料的失效和寿命预测- 材料失效的类型和机理，如疲劳、断裂和蠕变等。
- 材料寿命预测的基本方法，如可靠性分析和寿命试验等。
- 材料失效和寿命预测在工程设计和材料选择中的应用。
以上是对材料工程基础课程的相关参考内容的简要介绍。
通过学习这门课程，学生可以了解材料的基本概念和分类，掌握材料的力学性能和工程应用，了解材料加工和热处理过程，并学习材料的表面处理和腐蚀防护，同时掌握材料失效和寿命预测的相关知识。
材料工程基础
材料工程基础材料工程是一门研究材料的性能、结构、制备和应用的学科，是现代工程技术的基础。
材料工程的发展与人类的生产生活密切相关，它不仅是现代工程技术的基础，也是现代科技的重要组成部分。
材料工程的基础知识对于工程技术人员来说是非常重要的，因此我们有必要深入了解材料工程的基础知识。
首先，材料工程的基础知识包括材料的分类和性能。
材料可以分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。
其中，金属材料具有良好的导电性和导热性，广泛应用于工程领域；非金属材料包括塑料、橡胶、陶瓷等，具有轻质、耐腐蚀等特点；复合材料是将两种或两种以上的材料组合在一起，具有综合性能优异的特点。
材料的性能包括机械性能、物理性能、化学性能等，这些性能直接影响着材料的应用范围和使用寿命。
其次，材料工程的基础知识还包括材料的制备和加工技术。
材料的制备包括熔炼、溶解、沉淀、结晶等过程，不同的制备方法会影响材料的结构和性能。
而材料的加工技术则包括锻造、轧制、铸造、焊接等工艺，这些工艺可以使材料获得不同的形状和性能。
最后，材料工程的基础知识还包括材料的表征和测试技术。
材料的表征包括显微结构分析、成分分析、物理性能测试等，这些表征技术可以帮助我们了解材料的内部结构和性能特点。
而材料的测试技术则包括拉伸试验、硬度测试、冲击试验等，这些测试可以直接反映材料的力学性能和耐久性能。
总之，材料工程的基础知识是工程技术人员必须掌握的重要知识，它对于提高材料的性能、开发新型材料、改进材料加工工艺等方面具有重要意义。
只有深入了解材料工程的基础知识，我们才能更好地应用材料，推动工程技术的发展。
希望大家能够重视材料工程的基础知识，不断学习和提高自己的专业能力。
材料工程基础
奥氏体与马氏体的自由焓G均随着 温度的升高而下降，但下降的速率不 同；
两曲线交于一个特征温度T0，此时 ΔG＝0；
ΔG<0时，马氏体是稳定相； ΔG>0时，奥氏体是稳定相；
马氏体形成导致界面能和弹性应变 能↑，所以马氏体转变或逆转变，分 别需要过冷或过热；
四、马氏体转变热力学
Ms点定义：A和M两相自由能之差达到相 变所需的最小驱动力值对应的温度。
影响Ms点的因素：
• C含量 • 合金元素 • 应力和塑性变形 • 奥氏体化条件 • 淬火冷却速度 • 磁场
过冷A在连续冷却 时不发生分解， 全部冷至Ms点以 下发生M转变的最
小冷却速度
Fe-C合金马氏体转变Ms 和Mf与含碳量的关系
材料工程基础
材料工程基础“材料工程基础”是教育部21世纪初高等教育教学改革项目“材料科学与工程专业人才培养方案及教学内容体系改革的研究”中主干专业基础课程,是材料科学与工程专业的专业基础课程,长期以来,备受学校和院领导的重视,这对材料工程基础课程的改革就提出了更高的要求,如何进行课程改革,培养适应社会发展对材料工程需要的新型人才是材料工程教学团队需要认真思索的关键问题。
1 课程体系材料学是一门试验性科学,涵盖金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料四个方向,材料科学与工程专业的学生,毕业后主要从事材料制备与加工的科研与生产工作,材料的多样性,各种材料制备、加工方法千差万别,材料工程问题就显得错综复杂了,这就要求从这多种多样的工程问题中提炼出各种材料制备与加工的共同涉及基础问题,建立材料学学的平台课程—材料工程基础完整的知识体系。
“工程”是科学的某种应用,通过这一应用,使自然界的物质和能源的特性能够通过各种结构、机器、产品、系统和过程,是以最短的时间和精而少的人力做出高效、可靠且对人类有用的东西。
在现代社会中,“工程”一词有广义和狭义之分。
就狭义而言,工程定义为“以某组设想的目标为依据,应用有关的科学知识和技术手段,通过一群人的有组织活动将某个(或某些)现有实体(自然的或人造的)转化为具有预期使用价值的人造产品过程”。
就广义而言,工程则定义为由一群人为达到某种目的,在一个较长时间周期内进行协作活动的过程。
又根据两院院士师昌绪先生的定义:材料是人类制造生活和生产用的物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。
显然,材料工程属狭义工程的范畴,材料工程应为是有组织活动将自然的或人造的物质制造成生活和生产产品的活动或过程。
因此,从这个定义出发,凡是材料制备过程中所涉及技术和方法问题都属材料工程问题包括原材料的输送、原材料精制、合成、产品精制、后加工、包装、运输等生产工序原理以及为完成上述工序的一些配套工序如生产过程中的传热问题、三废处理问题。
材料工程基础
材料工程基础材料工程是工程学科中的一门重要学科，涉及到材料的选择、设计、制备和应用等方面。
材料工程基础是扎实的理论基础，为学生进一步学习和研究材料工程提供了必要的支持与帮助。
材料工程基础包括材料的结构和性能、材料的物理性质和化学性质、杨氏模量与泊松比等基本物理力学性质、材料的加工方法及动力学等。
在材料工程基础课程中，学生将学会使用不同的实验检测和分析方法来研究和测试材料的性能和特性。
材料的结构与性能是材料工程中的基础知识，通过研究材料的结构可以了解材料的晶格结构、晶格缺陷和晶格在外力作用下的变形等。
材料的性能包括力学性能、热物性、电磁性质等，这些性能直接影响材料的应用和性能。
材料的物理性质和化学性质是材料工程中的重要内容，物理性质包括杨氏模量、泊松比、热胀系数等，这些性质与材料的结构和性能密切相关，通过研究这些性质可以了解材料的基本力学行为。
化学性质包括材料的化学组成、化学反应和材料的腐蚀行为等，通过研究材料的化学性质可以选择适合的材料和防止材料的腐蚀。
杨氏模量与泊松比是材料工程中的重要参数，它们可以描述材料在外力作用下的变形行为。
杨氏模量是材料在拉伸或压缩时的应力与应变之比，泊松比是材料在拉伸或压缩时横向应变与纵向应变之比。
通过研究这些参数可以分析材料的力学性能和变形行为。
材料的加工方法和动力学是材料工程中的另一个重要内容，材料的加工方法包括铸造、热处理、焊接等，这些方法可以改变材料的结构和性能。
材料的动力学则研究材料在外力作用下的运动学和动力学行为，通过研究材料的动力学可以预测和控制材料的变形和破坏。
材料工程基础课程的学习对于学生进一步研究和应用材料工程至关重要。
掌握这些基础知识将有助于学生在材料工程领域取得更好的成就。
这些知识将为学生进一步学习和研究提供帮助，也为学生的工程实践提供必要的知识和经验。
综上所述，材料工程基础是材料工程学科中的重要课程，涉及到材料的结构和性能、物理性质和化学性质、杨氏模量与泊松比等基本知识。
材料工程基础
材料工程基础材料工程是一门研究材料的结构、性能、制备和应用的学科，它涉及到物质的内部构造和外部特性，对于现代工程技术的发展起着至关重要的作用。
在材料工程的学习过程中，我们需要了解材料的基本概念、分类、性能和应用等内容，这些知识将为我们日后的学习和工作打下坚实的基础。
首先，我们来谈谈材料的基本概念。
材料是构成各种物体的物质，它可以是金属、陶瓷、高分子材料、复合材料等。
材料的选择对于产品的性能和成本有着重要影响，因此了解不同材料的特性和适用范围是十分必要的。
其次，我们需要了解材料的分类。
根据材料的来源和组成，我们可以将材料分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料等。
而根据材料的性能和用途，我们又可以将材料分为结构材料、功能材料、先进材料等。
不同类别的材料具有不同的特性和应用领域，因此我们需要对其进行深入的了解和研究。
接下来，让我们来关注材料的性能。
材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能、热学性能等多个方面。
这些性能直接影响着材料的使用效果和寿命，因此我们需要通过实验和理论分析来了解材料的各项性能指标，以便更好地选择和应用材料。
最后，我们需要了解材料的应用。
材料广泛应用于工程技术、电子信息、航空航天、生物医药等领域，不同的应用领域对材料的性能和要求也不尽相同。
因此，我们需要结合实际需求，选择合适的材料并进行相应的加工和处理，以满足不同领域的需求。
综上所述，材料工程基础知识对于我们的学习和工作都具有重要意义。
通过深入学习和实践，我们能够更好地掌握材料工程的核心知识，为未来的发展奠定坚实的基础。
希望大家能够认真对待材料工程基础知识的学习，不断提升自己的专业能力，为社会发展做出更大的贡献。
材料工程基础 课程
材料工程基础是材料工程专业的一门核心课程，旨在介绍材料的基本概念、组成和性质，以及材料的结构与性能之间的关系。
该课程通常包括以下内容：
1. 材料的分类和特性：介绍材料的基本分类，包括金属材料、陶瓷材料、聚合物材料和复合材料等；讲解材料的物理和化学特性，如密度、热导率、电导率、热膨胀等。
2. 结晶结构：讲解材料的晶体结构，如立方晶系、六方晶系等；介绍晶体缺陷和晶体生长机制。
3. 材料的力学性能：介绍材料的力学行为，包括拉伸、压缩、弯曲、硬度等方面的测试与评价；讲解材料的力学性能参数，如弹性模量、屈服强度、韧性等。
4. 材料的热学性能：介绍材料的热膨胀、热导率、热容等热学性质，并讨论材料的热处理对其性能的影响。
5. 材料的导电与磁性：讲解材料的导电性与磁性，包括金属的电导率、半导体材料、磁性材料等；介绍磁性材料的磁性行为和应用。
6. 材料的化学性能：讲解材料与环境的相互作用，包括腐蚀、氧化、酸碱等化学性质，以及材料的防腐蚀措施。
7. 材料加工与改性：介绍材料的常见加工方法，如锻造、铸造、挤压、焊接等，以及合金化、表面改性等材料处理方法。
通过学习材料工程基础，学生可以了解不同材料的性质和应用范围，为进一步学习材料工程的更深层次知识打下基础。
此外，他们还可以在工程实践中正确选择和应用合适的材料，以满足特定的设计要求。
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材料工程基础(起华荣部分)第一章液态金属的性质第二章金属的氧化、挥发和除渣精炼第三章吸气和脱气精炼第四章成分控制第五章单相合金的凝固第六章铸锭晶粒组织及其细化第七章铸锭常见缺陷分析1.液态金属的“短程有序、长程无序”结构特点体现在哪4个方面？答：（1）原子团（由十几到几百个原子组成）内，原子间仍然保持较强的结合力和原子排列的规律性，既短程有序；（2）原子团间的距离增大（产生空穴），结合力减小，原子团具有流动性质；（3）存在能量起伏和结构起伏；（4）随温度的提高，原子团尺寸减小、流动速度提高。
2.液态金属粘度概念及公式答：液体中流速不同的两个相邻液层间产生摩擦阻力，阻碍液体的流动，该内摩擦力是液体的基本物理特性之一，称为粘度。
公式：3、什么是液态金属的表面张力？答：液态金属和气体组成的体系中，由于表面层原子处于力不平衡状态，产生了垂直于液体表面、指向液体内部的力，该力总是力图使表面减小。
4、为什么熔点高的金属表面张力大？答：5、金属氧化的热力学判据是什么？答：△G0<0 ，△G0不仅是衡量标准状态下金属氧化趋势的判据，也是衡量标准状态下氧化物稳定性大小的一种尺度。
6、什么是氧势图？有何作用？答：氧化物的△G0-T关系图。
作用：标准状态下，金属的氧化趋势、氧化顺序和可能的氧化烧损程度，一般可用氧化物的标准生成自由焓变量△G0，分解压Po2或氧化物的生成热△H0作判据。
通常△G0、Po2或△H0越小，元素氧化趋势越大，可能的氧化程度越高。
7、金属氧化动力学的限制性环节怎么确定？答：当＞1时，生成的氧化膜一般是致密的，连续的，有保护性的，内扩散速度慢，因而内扩散成为限制性环节。
Al、Be、Si等大多数金属生成的氧化膜具有这种特性；当＜1时，氧化膜是疏松多孔的，无保护性的。
限制性环节将由内扩散变为结晶化学反应。
碱金属及碱土金属（如Li、Mg、Ca）的氧化膜具有这种特性；当》1时，氧化物十分致密，但内应力很大，氧化膜增长到一定厚度后即行破裂，这种现象周期性出现，故该氧化膜是非保护性的。
如Fe的氧化膜8、什么是金属氧化膜的致密度？有何作用？答：定义为氧化物的分子体积MV与形成该氧化物的金属原子体积AV之比。
作用：确定金属氧化动力学的限制性环节。
9、结合挥发速率的Dalton公式说明影响金属挥发的因素。
答：P--体系的外压，b--与金属性质有关的常数，P0Me--金属的蒸气压，P me--实际分压。
10、按夹渣的来源可分为外来夹渣和内生夹渣两种。
11、根据Stokes定律说明影响静置除渣时间的主要因素，进一步说明为什么用静置法难以去除小直径的夹渣？答：u为夹杂物上浮或下沉的速度；为金属液的粘度；r表示球形夹杂半径; P Me和P i分别为金属熔体和夹杂的密度，g是重力加速度。
当合金和温度一定时，由于熔体的粘度及熔体与夹渣的比重差不会有很大变化，所以主要靠增大夹渣尺寸与熔体分离。
如夹渣以不同尺寸的颗粒混杂存在，则较大颗粒上浮得快。
在其上浮过程中，将吸收其他较小夹杂而急速长大，故难以去除小直径的夹渣。
12、气体在铸锭中有三种存在形态：固溶体、化合物和气孔。
13、脱气精炼主要是指从熔体中除去氢气。
14、金属吸收气体由哪四个过程组成？谁是限制性环节？答：1）气体分子碰撞到金属表面；2）在金属表面上气体分子离解为原子；3）气体原子（化学）吸附在金属表面上； 4）气体原子扩散进入金属内部（反应）。
前三个过程是吸附过程，最后一个是扩散溶解过程。
占支配地位的是扩散过程（限制性环节），它决定着金属的吸气速度。
15、实践表明，混合气体精炼时当氯气的浓度为16%时，除气效果最好。
16、简述分压差脱气精炼的原理和方法。
答：将溶解有气体的金属熔体置于氢分压很小的真空中，或将惰性气体导入熔体，便提供了脱氢的驱动力。
由于气泡内部开始完全没有氢气，即氢分压为零，而气泡周围的熔体中，氢的分压>0,在气泡内、外氢分压差的作用下，使溶解的氢原子向熔体-气泡界面扩散，并在该处复合氢分子进入气泡内，然后随气泡一起上浮而自熔体逸出。
分压差脱气过程包括：金属熔体中的气体原子向熔体-气泡界面扩散；在熔体-气泡界面发生2[H]={H2}反应和氢气进入惰性气泡内；氢气随气泡上浮并自熔体逸出。
分压差脱气精炼法可分为气体脱气法、熔剂脱气法，沸腾脱气法和真空脱气法四种。
17、合金的成分主要通过备料、配料及成分调整等过程实现，并通过熔体质量检验方法进行监测和控制。
18、配料计算程序由哪4步组成？要求能够完成配料计算，填写配料计算卡片。
答：首先计算包括熔损在内的各成分需要量；其次计算由废料带入的各成分量；再计算所需中间合金和新金属料量；最后核算。
19、加工材料用合金，其组织多以单相固溶体为主。
20、什么是平衡分布系数？答：衡量溶质再分布状况的主要参数是平衡分布系数k。
它表示同一温度下固相成分C S与其相平衡的液相成分C L之比值，即：k=C S/C L 当合金的液相线和固相线向下倾斜时，C S＜C L，k＜1；反之，C S＞C L，则k＞1。
多数合金元素及杂质在基体金属中k＜1，所以在以后的讨论中，将以k＜1的合金为主。
21、为什么在非平衡凝固条件下，单相合金凝固铸件中会出现共晶体？答：在凝固后期，液相成分远高于C0，甚至可达到共晶体分成C E，使单相合金铸锭中出现共晶组织。
22、成分过冷是怎样影响铸件组织的形态的？答：随着成分过冷由弱到强，单相合金的固/液界面生长方式依次成为平面状、胞状、胞状-树枝状四种形式，得到的晶体相应为平面状晶、胞状晶、胞状枝晶以及柱状枝晶和自由枝晶。
23、铁模铸锭的组织由哪三个区域组成？答：铁模铸锭的组织由三个区域组成：表面细等轴晶区(又称激冷晶区)，柱状晶区和中心等轴晶区。
24、细晶强化的原理是什么？答：细小等轴晶组织各向异性小，加工时变形均匀，且使易偏聚在晶界上的杂质、夹渣及低熔点共晶组织分布更均匀，因此具有细小等轴晶组织的铸锭，其机械性能和加工性能均较好。
25、细化铸锭组织的方法有哪些？答：增大冷却强度，加强金属流动性如改变浇筑方式、锭模周期性振动和搅拌。
26、铸锭中化学成分不均匀的现象称为偏析，偏析分为显微偏析和宏观偏析两类。
27、防止缩孔及缩松的途径是什么？答：在保证铸锭自下而上顺序凝固的条件下，尽可能使缩松转化为铸锭头部的缩孔，然后通过人工补缩来消除。
28、在凝固过程中产生的裂纹称为热裂纹，凝固后冷却过程中产生的裂纹称为冷裂纹。
29、主要的凝固缺陷有哪些？答：偏析、缩孔、裂纹、气孔及非金属夹杂物等常见缺陷。
30、带状偏析是怎样产生的？答：带状偏析出现在定向凝固的铸锭中，其特征是偏析带平行于固/液界面，并沿着凝固方向周期性地出现。
31、产生缩孔和缩松的原因是什么？答：产生缩孔和缩松的最直接原因是金属液凝固时发生的凝固体收缩。
32、你怎么知道某种材料的化学成分？答：金属材料的化学成分包括主要成分和杂质两部分，各牌号合金成分都有相应的标准进行规定和规范。
合金的成分主要通过备料、配料（含中间合金、熔剂等）及成分调整等过程实现，并通过熔体质量检验方法进行监测和控制。
33、什么是计算成分？答:一般是取各元素的中限（即平均成分）作为计算成分。
计算成分的选择还与合金的用途及使用性能、加工方法及工艺性能、合金元素的熔损、杂质的吸收和积累以及节约贵重金属的考虑等有关。
34、熔铸材料所用的料有哪些？答：一般包括新金属料、废料及中间合金等三种。
35、什么是中间合金？答：为了便于加入某些熔点较高且不易溶解或易氧化、挥发的合金元素，以便更准确地控制成分而预先制成的母合金称为中间合金。
36、如何保证材料的化学成分？答：金属材料的化学成分包括主要成分和杂质两部分，各牌号合金成分都有相应的标准进行规定和规范。
合金的成分主要通过备料、配料（含中间合金、熔剂等）及成分调整等过程实现，并通过熔体质量检验方法进行监测和控制。
37、什么是溶质再分布？答：合金在非平衡凝固时，铸件成分偏离原始成分、随凝固过程和条件不同，先后凝固部分的成分不均匀、不一致的现象。
38、什么是成分过冷？答：如果界面前沿液体的实际温度T实低于T L，则这部分液体处于过冷状态的现象。
39、什么是变质处理？答：指向金属液内添加少量物质，促进金属液生核或改变晶体生长过程，使铸态组织细化的一种方法，所添加的物质称为变质剂。
40、细化晶体尺寸有什么好处？答：细小等轴晶组织各向异性小，加工时变形均匀，且使易偏聚在晶界上的杂质、夹渣及低熔点共晶组织分布更均匀，因此具有细小等轴晶组织的铸锭，其机械性能和加工性能均较好。
41、什么是微观偏析？什么是宏观偏析？答：前者是指一个晶粒范围内的偏析，包括枝晶偏析和晶界偏析。
后者是指较大区域内的偏析，故又称为区域（宏观）偏析，包括正偏析、负偏析、带状偏析和重力偏析。
42、铸锭表面和芯部的应力是怎么样的？答;铸锭凝固开始时，铸锭外部冷得快，温度低，收缩量大；内部温度高，冷得慢，收缩量小。
由于收缩量和收缩速率不同，铸锭内外层之间，便会互相阻碍收缩而产生应力。
温度高收缩量小的内层会阻碍温度低收缩量大的外层收缩，使收缩量大的外层受拉应力（+），收缩量小的内层则受压应力（-）。