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《机械工程材料》教学大纲(修订版)

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第一章 材料的结构(6 学时)
本章的主要目的是建立材料结构的基本框架。 材料的性能主要取决于其化学组成和结构。所谓结构是指材料中原子的排列位置和空间分布,包括了三个层 次:原子结构和原子结合键、原子的空间排列既晶体结构、相和组织结构。晶体缺陷赋予了材料组织和性能的多 样性,是分析材料性能的金钥匙。通过本章学*掌握材料的成分-组织-性能之间的内在联系,包括: (1)原子结合键性质决定了材料的基本特性。 (2)原子、分子的聚集状态(晶体和非晶体)构成了相,不同的相具有不同的物理、化学和力学性能。 (3)晶体缺陷赋予了晶体具有不同的性能特点,是分析材料性能的金钥匙。 (4)相的大小、数量和分布构成了组织,组织决定了材料的性能。

第一节 非晶体和晶体结构
一、原子结合键及其特性 金属键 离子键 共价键 分子键和氢键,聚合物大分子形态(线型大分子、支链型大分子、体型大分子) 二、非晶体结构 非晶态金属 非晶态高分子 非晶态无机物(玻璃相) 三、晶体结构基本概念 晶体与非晶体、晶格、晶胞、晶格常数、棱间夹角概念 四、晶面指数和晶向指数 确定晶面和晶向指数的方法,晶面族和晶向族概念 五、三种常见的晶体结构分析 体心立方、面心立方、密排六方 六、三种典型晶格的致密度与配位数 三种晶体的晶胞中原子个数、原子半径与晶格常数关系、配位数、致密度、密排面、密排方向 七、单晶体的各向异性与多晶体的伪各向同性 单晶体、多晶体概念

第二节 晶体缺陷
一、点缺陷 空位、置换原子、间隙原子 二、线缺陷 刃型位错、螺型位错 三、面缺陷 晶界、亚晶界(倾斜晶界、扭转晶界、孪晶界)

第三节 合金的相结构
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一、三个基本概念 合金、组元、相 二、固溶体 置换固溶体、间隙固溶体、固溶体的一般特性 三、化合物 正常价化合物、电子化合物、间隙相、间隙化合物

第四节 合金的组织结构
一、组织概念 组织=相+形态(状)+数量+大小+分布 二、单相组织 只有一种相组成的组织,包括非晶 三、双相组织 由两种相组成的组织 两晶组成的混合物(共晶、共析组织) 弥散型两相组织(粒状珠光体、回火索氏体等)——基体上分布第二相 聚合型两相组织(F+P、F+M、B+M 等)——由两种块状组织组成 非晶相+晶相两相组织:半晶高分子、陶瓷

第二章 材料的力学性能(4 学时)
本章的主要目的是对机械工程材料中一些重要的力学行为进行概括介绍,为选材、制订冷热加工工艺打下基 础。 材料的性能包括工艺性能和使用性能。使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能等。机械工程材料的使 用性能中最重要的是力学性能,而材料的加工性能又与其力学性能有密切关系。材料的力学性能指材料在外力作 用下所表现出来的行为,也称为力学行为。这些行为包括宏观和微观变形规律、强化机制等。根据这些力学行为, 提出了许多性能指标,概括起来包括强度、塑性、韧性、缺口敏感性、疲劳性能、耐磨性等。

第一节 宏观变形规律与性能指标
一、非晶体的流变规律 非晶体的流变规律、三态(玻璃态、高弹态、粘流态) 二、晶体材料变形的三个阶段 弹性变形、塑性变形、断裂 三、强度和塑性指标 σp、σe、、、σs(σ0.2)、σb δ(δ10、δ5)、ψ 四、理论断裂强度 理想晶体理论断裂强度 带裂纹体的断裂强度 五、高温蠕变 蠕变现象、蠕变极限、持久强度

第二节 塑性变形与强化机制
一、单晶体的塑性变形

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滑移系、分切应力、临界切应力 二、多晶体的塑性变形 不同时性、协调性、细晶粒强度高同时塑性好 三、材料的强化机制 固溶强化、细晶强化、位错强化、第二相强化

第三节 硬度
一、硬度试验的特点 二、布氏硬度 三、洛氏硬度 四、维氏硬度

第四节 带缺口或裂纹体的力学行为
一、缺口效应 二、缺口敏感性 三、缺口试样的冲击试验 四、断裂韧度

第五节 疲劳
一、疲劳现象 二、疲劳极限 三、冲击疲劳 四、接触疲劳 五、热疲劳 六、影响疲劳强度的因素

第六节 磨损
一、摩擦磨损现象 二、磨损分类 三、提高耐磨性的途径

第三章 成分-结构-性能关系(6 学时)
本章的目的是搭起“成分-组织-性能”关系的基本框架,学会利用相图分析合金成分、*衡组织和性能的基 本方法。 根据组织在形成过程中是否达到了热力学上的*衡条件,可以将组织分为*衡组织和非*衡组织两大类。分 析成分和*衡组织之间关系的工具是*衡相图。尽管不同合金系的相图差别很大,但最基本的是匀晶转变、共晶 (共析)转变和包晶(包析)转变。 在实际应用的合金系中,二元合金系是最基本而且是最重要的合金系,因为在绝大多数情况下,加入少量的 第三种元素不出现新的合金相或合金相数量较少,这些元素统称为合金元素(不作为主元对待) 。在二元合金中 再加入合金元素即所谓合金化,能够显著改善合金的性能,这一问题在以后章节中进行讨论。在二元合金中,室 温最多出现两种相,而它们的组合却能形成各种各样的组织,因而具有不同的力学性能。

第一节 二元单相合金
一、相律

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二、二元匀晶相图分析 三、*衡结晶过程 四、质量分数计算 五、非*衡结晶过程分析 六、性能与成分关系

第二节 二元两相合金
一、二元共晶合金相图分析 二、共晶合金的*衡结晶与室温组织 三、亚(过)共晶的*衡结晶与室温组织 四、二元包晶相图分析 五、性能与成分关系

第三节 铁碳合金及合金元素作用
一、Fe-Fe3C合金相图分析 二、Fe-Fe3C合金室温*衡组织及性能 分类(按工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁) 三、钢的分类及编号 四、合金元素在钢中的作用

第四章 材料-工艺-结构-性能关系(12 学时)
同一种合金采用不同工艺得到的结构和性能也存在很大差别。本章介绍不同工艺对结构(组织)和性能的影 响规律。这些工艺主要包括从液态到固态的凝固、固态金属冷加工和热加工、机加工、热处理。通过凝固、冷加 工和热加工、机加工方法使材料成型,而热处理可以改变成分分布、消除应力、改变组织结构从而达到使用性能 要求。

第一节 材料的成型工艺
一、铸造成型 包括铸件(锭)组织。 变质处理 二、塑性成型 三、焊接成型 四、粘滞成型 粘滞成型指液体(非晶态)过冷到玻璃转变温度以下而得到非晶态固体的成型方法。 五、半固态成型 半固态成型指在液体和固体同时存在的情况下进行成型的一类成型工艺。 (一)金属半固态铸造 (二)粘结成型 用粘结将固体粘结在一起的成型工艺。典型例子——玻璃钢 (三)模压-烧结成型 粉末冶金、陶瓷等 六、成型后的缺陷和预防措施

第二节 合金的固溶与时效
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一、

合金的固溶与时效处理 时效对合金组织结构及性能的影响

二、

第三节 加热时奥氏体的形成
一、 二、 共析钢的奥氏体形成过程 影响奥氏体形成的因素 奥氏体晶粒度及其影响因素

三、

第四节 奥氏体在冷却时的转变
一、 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线 二、 影响过冷奥氏体等温转变的因素 三、 过冷奥氏体连续冷却转变曲线简介 四、 等温冷却转变曲线的应用 五、 过冷奥氏体转变产物的组织与性能 珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变

第五节 钢的退火和正火
一、 二、 退火 正火 退火和正火的选用

三、

第六节 钢的淬火与回火
一、 钢的淬火 钢的回火

二、

第七节 表面淬火
一、感应加热表面淬火 二、其他表面淬火方法

第八节 化学热处理
一、化学热处理的基本过程 二、钢的渗碳 三、钢的渗氮 四、钢的碳氮共渗与氮碳共渗

第九节 金属的冷加工和热加工
一、 二、 金属的冷加工 回复和再结晶 金属的热加工

三、

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第十节 机加工对组织和性能的影响
一、 机加工后的残余应力 二、 二次淬火现象 三、 机加工后的热处理

第五 章 工业纯铁和低碳钢(2 学时) 第一节 工业纯铁
一、工业纯铁的用途 二、工业纯铁的强化 三、镀锌板

第二节 低碳低合金结构钢
一、低碳低合金结构钢的性能特点 二、常用低碳低合金结构钢及用途

第三节 渗碳钢
一、渗碳钢的合金化 二、常用渗碳钢及用途

第四节 不锈钢和耐热钢
一、奥氏体不锈钢 二、铁素体不锈钢 三、耐热钢

第六章 中碳钢(3 学时) 第一节 中碳钢的热处理及性能特点
一、简明加工工艺路线 二、预先热处理 三、最终热处理

第二节 调质钢
一、调质钢的涵义及一般特性 二、调质钢的合金化 三、常用调质钢 四、调质钢应用举例

第三节 弹簧钢
一、弹簧的的服役条件和对性能要求 二、常用弹簧钢 三、弹簧钢的热处理

第四节 热作模具钢
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一、热作模具的工作条件和对性能要求 二、常用热作模具钢 三、热作模具的热处理

第五节 耐蚀钢和耐热钢
一、耐蚀钢 二、耐热钢

第七章 高碳钢(3 学时) 第一节 高碳钢的热处理及性能特点
一、预先热处理 二、最终热处理 三、组织与性能

第二节 高碳低合金钢
一、碳素工具钢及应用 二、低合金工具钢及应用

第三节 高碳高合金钢
一、高速钢 二、高铬钢(冷作模具钢) 三、高锰钢(耐磨钢)

第八章 铸铁(2 学时) 第一节 概述
一、铸铁的成分、组织和性能特点 二、铸铁中石墨的形成 三、铸铁的分类

第二节 灰铸铁
一、灰铸铁的组织、性能和用途 二、灰铸铁的孕育处理 三、灰铸铁的热处理

第三节 球墨铸铁
一、球墨铸铁的组织、性能和用途 二、球墨铸铁的生产 三、球墨铸铁的热处理

第四节 可锻铸铁
一、可锻铸铁的组织、性能和用途 二、可锻铸铁的生产

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第五节 蠕墨铸铁
一、蠕墨铸铁中的石墨形态 二、蠕墨铸铁的生产 三、蠕墨铸铁的力学性能

第六节 特殊性能铸铁
一、耐磨铸铁 二、耐热铸铁 三、耐蚀铸铁

第九章 非铁(有色)金属及其合金(2 学时) 第一节 铝及其合金
一、概述 二、铝合金的强化 三、铝合金的种类

第二节 铜及其合金
一、概述 二、黄铜 三、青铜

第三节 镁及其合金
一、概述 二、变形镁合金 三、铸造镁合金

第四节 钛及其合金
一、概述 二、钛合金的分类 三、常用钛合金

第五节 轴承合金
一、概述 二、锡基轴承合金 三、铜基轴承合金 四、铝基轴承合金

第六节 特种用途材料
一、非晶态合金 二、纳米材料 三、梯度材料 四、记忆合金

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五、贮氢合金

第十章 有机高分子材料(2 学时) 第一节 工程塑料
一、工程塑料概述 二、热塑性塑料及应用 三、热固性塑料及应用

第二节 工程橡胶
一、橡胶材料概述 二、常用橡胶材料及应用

第十一章 工程陶瓷材料(2 学时) 第一节 陶瓷材料概述
一、陶瓷材料的定义和分类 二、陶瓷制品生产工艺 三、陶瓷的结构 四、陶瓷的性能

第二节 常用工程陶瓷
一、氧化铝陶瓷 二、氮化硅陶瓷 三、碳化硅陶瓷 四、氮花硼陶瓷 五、碳化硼陶瓷

第十二章 复合材料(2 学时) 第一节 复合材料概述
一、复合材料概念 二、复合材料的特性 三、复合材料的分类和命名

第二节 纤维增强聚合物基复合材料
一、玻璃纤维/聚合物复合材料 二、硼纤维/聚合物复合材料

第三节 其他复合材料简介
一、层合复合材料 二、夹层结构复合材料 三、颗粒增强复合材料 四、纳米复合材料

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说明:总学时 56 学时,其中理论教学 46 学时,实验教学 10 学时。

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