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材料工程基本复习资料
一、绪论
1、概念：
科学：对于现象观测、描述、确认、实验研究及理论解释。
技术：泛指依照生产实践经验和自然科学原理而发展成各种工艺操作办法与技能。
工艺：使各种原材料、半成品加工成为产品办法和过程。
工程：将科学原理应用到实际目的，如设计、组装、运转经济而有效构造、设备或系统。
材料工程：是工程一种领域，其目在于经济地，而又为社会所能接受地控制材料构造、性能和形状。
2、材料科学与工程任务？
材料科学与工程是关于材料成分、构造、工艺和它们性能与用途之间关于知识和应用科学。
3、老式材料加工涉及哪几种方面？
①老式金属锻造②塑性加工③粉末材料压制、烧结或胶凝固结为制品④材料焊接与粘接
材料切除，材料成型，材料改性，材料连接
二、材料熔炼
1、钢铁冶金
1）、高炉炼铁生产过程：①还原：矿石中铁被还原；②造渣：高温下石灰石分解形成氧化钙与酸性脉石形成炉渣；③传热和渣底反映：被还原矿石降落使温度升高加速反映将所有氧化铁还原成氧化亚铁，风口区残存氧化亚铁还原成铁，与炉渣一起进入炉缸。
2）、炼钢过程中理化过程：
①脱碳：碳被氧气直接氧化：
在温度高于1100℃条件下 2C＋O2→2CO
间接氧化:
在温度低于1100℃条件下 2Fe＋O2→2FeO
C＋FeO→Fe＋CO
②硅、锰氧化：a.直接氧化反映：
Si＋O2 → Si02
2Mn＋O2 → 2MnO
b.间接氧化，但重要是间接反映：
Si＋2FeO → Si02＋2Fe
Mn＋FeO → MnO＋Fe
③脱磷：磷是以磷化铁(Fe2P)形态存在，炼钢运用炉渣中FeO及CaO与其化合生成磷酸钙渣去除 Fe2P＋5FeO＋4CaO→(CaO)4·P2O5＋9Fe
④脱硫：硫是以FeS形式存在，运用渣中足够CaO，把其中FeS去除。
反映式为 FeS + CaO-->FeO + CaS
⑤脱氧（再还原）：普通采用脱氧剂有：锰铁、硅铁和铝等。
Me +FeO-->MeO +Fe
3）、高炉炼铁原料：铁矿石、燃料和熔剂
焦炭：它是把炼焦煤粉或是几种煤粉混合物装在炼焦炉内，隔绝空气加热到1000~1100度，干馏后留下多孔块状产物。作用是提供热量和还原剂。
4）、直接还原炼铁办法：用煤或天然气等还原剂直接将铁矿石在固态还原成海绵铁
熔融还原炼铁办法：用铁矿石和普通烟煤作原料，在汽化炉流化床中，将直接、还原得到海绵铁进一步加热熔化，在熔融汽化炉炉底形成铁水与炉渣熔池。
2、铜冶金
造锍熔炼：目在于一方面使炉料中铜尽量所有进入冰铜，某些铁以FeS形式也进入冰铜（CuS+FeS此熔体亦称为锍），使大某些铁氧化成FeO与脉石矿物造渣；另一方面使冰铜与炉渣分离。为了达到这两个目，造锍熔炼必要遵循两个原则。一是必要使炉料中有足够硫来形成冰铜，另一方面是炉渣中含二氧化硅接近饱和，以便使冰铜炉渣不至混熔。
3、单晶材料制备
熔体中生长单晶应满足那些热力学、动力学条件？
热力学：要使熔体中晶体生长，必要使体系温度低于平衡温度。体系温度低于平衡温度状态称为过冷，因此，过冷是熔体中晶体生长必要条件。△T绝对值称为过冷度，表达体系过冷限度大小。过冷度是熔体法晶体生长驱动力，普通状况下，过冷度越大，晶体生长越快，过冷度为零时，晶体生长速度为零。
动力学：晶体生长速度f与晶体温度梯度以及熔体温度梯度关于。远离生长界面熔体温度最高，越趋近于生长界面，熔体温度趋于减少，这样便形成了由晶体到熔体方向(即Z向)温度梯度。温度梯度存在是热量输运必要条件。要提高晶体生长速度，就要增大晶体温度梯度和减小熔体温度梯度，要减少晶体生长速度则采用相反办法。
三、金属液态成型与半固态成型
1、液态成型
1）、从工艺方面列举如何获得等轴晶：
①恰当减少浇注温度：
②合理运用铸型对液态合金强烈激冷作用：
③孕育解决:
④动态晶粒细化：在合金凝固初期，直接对合金液施以振动、搅拌或旋转，都可以在液相中产生大量游离晶体，细化等轴晶。
2）、合金充型能力与流动性概念极其关系：
充型能力：液态金属布满型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件能力。
流动性：指合金自身流动能力。
关系：普通流动性好合金，其充型能力也强，合金流动性是影响合金充型能力内在因素。流动性是合金自身性能之一，与合金成分、温度、杂质含量及其物理性能关于。影响合金充型能力因素有合金流动性、浇注条件以及铸型性质及构造。
3）、为什么金属型锻造未能广泛取代砂型锻造？
和砂型锻造相比，金属型锻造有许多长处：
(1)组织致密，力学性能较高。
(2)铸件尺寸精度高、表面粗糙度低，铝合金铸件尺寸公差级别可达CT7—CT9，表面粗糙度可达Ra3.2—12.5μm。
(3)浇冒口尺寸较小，金属耗量减少，普通可节约金属15％～30％。
(4)多次浇注、工序简化、生产率高，易于实现机械化、自动化。
而砂型锻造：
（1）可以生产形状复杂零件，特别复杂内腔毛坯；
（2）工艺灵活性大，适应性广，工业惯用金属材料均可锻造。几克～几百吨，壁厚0.3mm～1m；
（3）锻导致本较低：原材料来源广泛，价格低廉；
（4）铸件形状尺寸与零件非常接近,减少切削量，属少无切削加工。
但金属型制导致本高，周期长，工艺规定严，易浮现白口。不适合单件、小批生产零件，不适当锻造形状复杂薄壁未能广泛取代砂型锻造。铸件，否则易产生浇局限性等缺陷。锻造高熔点合金，金属型寿命较低。因而金属型锻造未能广泛取代砂型锻造
4）、简述顺序凝固原则和同步凝固原则，并阐明各自合用场合（合金及铸件构造条件）。
顺序凝固原则：在铸件上从远离冒口或浇口到冒口或浇口之间建立一种递增温度梯度，从而实现由远离冒口某些向冒口方向顺序地凝固。
顺序凝固原则合用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩孔合金铸件。
同步凝固原则：即采用相应工艺办法使铸件各某些温度均匀，在同一时间内凝固。
同步凝固合用于各种合金薄壁铸件。
5）、理解各种锻造办法特点及应用
2、半固态成型
流变成型：指运用半固态金属制备器批量制备或持续制备糊状浆料，直接进行加工成型（锻造、挤压、轧制、锻模等）办法。
触变成型：指将用浆料持续制备器生产半固态浆料铸成一定形状铸锭成型办法。
3、迅速凝固成型
实现迅速凝固成型基本条件及三项技术：
基本条件：①金属溶液必要被分散成液流或液滴，并且至少在一种方向上尺寸极小，以便散热；②必要有能带走热量冷却介质。
三项技术：大冷却速度凝固、大生长速度迅速凝固、大过冷度迅速凝固
四、金属塑性加工
1、塑性加工特点并与锻造进行比较：
长处：（1）构造致密、组织改进、性能提高、强、硬、韧↑；
（2）少无切削加工，材料运用率高；
（3）可以获得合理流线分布；
（4）生产效率高。
缺陷：（1）普通工艺表面质量差；
（2）不能成型形状复杂件；
（3）设备庞大、价格昂贵；
（4）劳动条件差。
2、工艺基本：①基本工艺：轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压成型
②金属塑性变形性能变化：加工硬化，回答与再结晶
③金属塑性变形类型：冷变形、热变形和温变形
④影响塑性变形因素：材料性质、加工条件、应力状态
3、求任一点主应力和主方向：解法如下
例:设某点应力状态为：，试求其主应力和主方向.(应力单位:10MPa)
解:将各应力分量代入式:

得：
代入：

分解因式：

为求主方向,可将应力分量代入式：

4、屈服条件及两个屈服准则：
屈服准则（塑性条件、塑性方程）：在复杂应力状态下，只有当各应力分量满足一定关系时，质点才干进入塑性状态。这种关系称为屈服准则。屈服准则是判断材料从弹性状态进入塑性状态判据。
两个屈服准则：
Tresca屈服准则：当材料（质点）中最大剪应力达到某一临界值时，则材料发生屈服；该临界值取决于材料在变形条件下性质，而与应力状态无关。
设σ1＞σ2＞σ3，则τmax 1=（σ1-σ3）/2 = C， C可通过实验求得。其值与应力状态无关。
当拉伸试样屈服时，σ2=σ3=0、σ1=σs,代入上式得C=1/2σs。于是，屈雷斯加屈服准则数学表达式为σ1-σ3=σs
若不懂得主应力大小顺序,屈雷斯加屈服准则:
三个式子只要满足一种,该点即进入塑性状态.
Misses屈服准则：当材料质点单位体积弹性形状变化能达到某一临界值；该临界值只取决于材料在变形条件下性质，而与应力状态无关。
密塞斯屈服准则表达式为：

或
5、应力状态（静水压力）对金属塑形影响：主应力图中，压应力个数越多，数值越大，即静水压力越大，则金属塑性越好；拉应力个数越多，数值越大，即静水压力越小，则金属塑性越低。
五、材料连接
1、焊接
1）、焊接概念（实质）：使两个分离物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料条件下借助于原子间或分子间联系与质点扩散作用形成一种整体过程。
2）、焊缝外延生长：熔池中液态金属开始凝固时，熔池边界未熔母材晶粒可作为非自发形核现成基底，在很小过冷度下，依附于母材晶粒逆热流方向生长，形成方向性很强柱状晶，这种凝固特性就叫焊缝外延生长。
3）、焊接热影响区：指受焊接热循环影响，焊缝附近母材金属组织或性能发生变化区域。
4）、焊缝凝固特点：①外延生长（联生结晶）②形成弯曲柱状晶
5）、焊接变形基本形式：重要有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形等。
6）、惯用焊接办法比较：自行查看课件与课本
7）、电阻焊：焊件组合后通过电极施加压力,运用电流流过接头接触面及邻近区域产生电阻热将其加热到熔化或塑性状态,使之在压力条件下形成接头焊接办法。
2、粘接：粘接是借助于物理—化学过程形成两种固态物体永久性连接一种技术。粘接作用仅发生在表面及薄层，其实质是一种界面现象。

六、金属材料常规热解决
1、概念及其分类：金属材料常规热解决是一种在固态下加热、保温和冷却，通过变化金属材料内部组织构造，使其获得所需性能工艺。普通热解决可提成退火、正火、淬火和回火四种工艺类型。表面热解决分为表面淬火及化学热解决。即金属热解决分为整体解决、表面热解决和化学热解决。
2、基本原理
1）、加热可分为等温加热和持续加热。
2）、加热工艺基本工艺参数：加热温度、加热速度、保温时间。
3）、冷却可分为等温冷却和持续冷却。
4）、TTT图：等温冷却转变曲线。（C曲线）

C曲线左方是过冷奥氏体区，高温区发生是珠光体转变，低温区发生是贝氏体转变。

3、常规热解决工艺
1）、退火：将金属或合金加热到恰当温度、保持一定期间，然后缓慢冷却已获得接近平衡状态组织构造热解决工艺。
目：使金属材料产生软化，使其易于冷成型和切削加工。还用于变化金属材料其他性能和变化金属材料组织。
退火工艺：
①完全退火：钢加热到A以上完全奥氏体化后退火。为了细化晶粒、均匀组织、消除内应力、减少硬度、改进钢切削加工性。
②球化退火：是将钢加热至Ac1+（20～40℃）之间，通过保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织热解决工艺。使二次渗碳体及珠光体中渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以减少硬度，改进切削加工性能；并为后来淬火作组织准备。
③扩散退火（又称均匀化退火）：是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象热解决工艺。为了消除铸锭或铸件在凝固过程中产生成分偏析，使成分和组织均匀化。
④中间退火：是把冷变形后金属加热到再结晶温度以上保温恰当时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化热解决工艺，也叫再结晶退火。为了消除加工硬化，减少强度和硬度，使钢机械性能恢复到冷变形前状态。
⑤去应力退火：为消除锻造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中导致残留内应力而进行低温退火。为了减少和消除工件在锻造、锻造、焊接、切削、热解决等加工过程中产生残存内应力，稳定工件尺寸，防止工件变形。

2）、正火：将钢加热到A以上30~50℃，保温恰当时间后，在精致或轻微搅动空气中冷却，得到具有珠光体均匀组织热解决工艺。
目：1. ①改进钢切削加工性能；②消除工件热加工缺陷；③消除过共析钢网状渗碳体，便于球化退火；④代替调质解决作为最后热解决，提高加工效率。

3）、淬火：淬火是将钢件加热到 Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定期间，然后以恰当速度冷却获得马氏体和（或）贝氏体组织热解决工艺。
目：等温淬火：目是获得下贝氏体；普通淬火：目是获得马氏体。
与不同温度回火配合：低温：使工具、轴承、渗碳零件等某些高强度耐磨件获得高硬度和钢耐磨性；中温：明显提高钢弹性极限；高温：使构造钢获得良好强度和韧性配合。
淬透性：钢在淬火时获得马氏体能力。其决定因素是临界冷速。临界冷速愈小。钢淬透性就愈大。
办法：①单液淬火法②双液淬火法③分级淬火法④等温淬火法⑤局部淬火法

4）、回火：钢件淬硬后，再加热至Ac1如下某一温度，保温一定期间，然后冷却到室温热解决工艺。
目：稳定组织，减少内应力，减少脆性，获得所需性能。
回火工艺：回火温度、回火时间、冷却速度。
种类及应用：
①低温回火：回火后获得以回火马氏体为主总之，回火马氏体既保持了淬火马氏体高强度、高硬度和良好耐磨性，又使本地提高了韧性。重要合用于中、高碳钢制造各种工模具、机械零件。
②中温回火：回火后获得回火屈氏体组织，它性能特点是具备一定韧性并兼有高弹性和屈服强度。重要用于各种弹簧热解决。
③高温回火：回火后获得回火索氏体组织，这时钢强度、塑形、韧性打到比较恰当配合，具备良好综合机械性能。用于中碳调质钢制造各种机械构造零部件。
钢不在250~350℃范畴内回火。由于这一范畴钢会发生低温回火脆性。
4、热解决重要作用：①变化工件内部组织；②变化工件性能，便于切削加工，或者满足工件使用性能规定；③变化工件表层成分、组织、性能；④热解决可以消除锻造、锻造、焊接等加工工艺过程中所导致各种缺陷。
七、材料表面改性
1、表面淬火：重要是通过迅速加热与及时淬火冷却相结合办法来实现，即运用迅速加热使钢件表面不久地达到淬火温度。
目：为了获得高硬度表面层和有利残存应力分布，提高工件硬度和耐磨性。
办法：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火和电子束加热表面淬火。

感应加热表面淬火：采用一定办法使工件表面产生一定频率感应电流，将零件表面迅速加热，然后迅速淬火冷却一种热解决操作办法。
频率选用：高频：100-500kHz，中小型零件
中频：500-10000Hz，直径较大轴类和大中档模数齿轮
工频：50Hz，较大直径零件透热，大直径零件表面淬火
特点：长处：a、高质高效；
缺陷：b、投入较大；
c、专用感应加热圈，中间形状和零件形状相似；
d、灵活性差；
e、零件尺寸较大、数量较小不适合。
应用：较大批量，零件数量较多，形状规则简朴中小尺寸件）。
集肤效应：工件界面上感应电流分布不均匀，心部电流密度几乎等于零，而表面电流密度极大。
2、化学表面改性（化学热解决）：将金属和合金工件置于一定温度活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它表层，以变化其化学成分、组织和性能热解决工艺。
种类：渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗（氰化）、渗硼、渗金属（如渗铝、渗铬）等。

1）、渗碳：把工件置于渗碳介质中加热、保温，使活性碳原子产生并渗入工件表层化学热解决办法。
合用材料、组织性能：渗碳用钢普通为低碳钢。
表面渗碳 整体淬火+回火
表层为高碳回火马氏体，硬而耐磨；
内部为低碳回火马氏体，较好强韧性。
特点（与表面淬火相比）：长处：更硬更耐磨；
缺陷：效率低、费用高，并且易变形。
应用：普通应用于受力较大、表面摩擦较大低碳钢件。如齿轮、轴类、链条、套筒等。
渗碳工艺：气体渗碳、固体渗碳、真空渗碳。

2）、渗氮：向工件表面渗入活性氮原子，在工件表层获得一定深度富氮硬化层化学热解决工艺。
合用材料、组织性能：氮化用钢普通是具有Al、Cr、Mo等元素合金钢。
氮化用钢 调制解决 表面渗氮
表层：氮化物质，HRC70以上，硬度更高，耐磨性更好，
耐热，耐腐蚀，抗疲劳性都好。
内部：中碳合金回火索氏体，具备更高强度，
更好韧性。
特点（和渗C相比）：长处：表层性能更优良，变形小；
缺陷：效率低，费用高，渗层浅，钢种受限。
应用：在高温腐蚀性介质中工作，受力大，表面摩擦大重要精密件，如航空齿轮。
渗氮工艺：气体渗氮、离子渗氮

3）、碳氮共渗（氰化）：同步向工件表面渗入活性碳原子和活性氮原子一种化学热解决工艺。
工艺办法：依照氰化温度不同，气体氰化又分为高温氰化(900~950℃)、中温氰化(800~870℃)和低温氰化(500~600℃)三种。

4）、渗硼
性能：高表面硬度和耐磨性，好抗蚀性能。
办法：固体渗硼、气体渗硼、电解盐浴渗硼

3、钢热解决工艺选用
1）、选用原则：办法简朴、费用低、少污染。
2）、考虑因素：工件材料、目和作用。
3）、预先热解决：预先热解决是在零件制造加工过程中，为改进其加工工艺性或有目改进其组织状况而进行热解决。预先热解决涉及退火、正火、调质等。
八、材料表面防护
1、材料腐蚀和防护
1）、腐蚀：是材料与环境之间因化学或电化学反映而导致破坏性侵蚀现象。
2）、腐蚀理论简介：电极电位与材料服饰倾向、极化现象与腐蚀速度、钝化现象。（自己看着办吧……）
3）、钢铁材料腐蚀防护：Ⅰ、自然环境下：①水溶液环境②大气环境
Ⅱ、应力等作用下：①应力腐蚀开裂②腐蚀疲劳③氢腐蚀④高速运动介质导致腐蚀
4）、防护技术：①选材及改性②加缓蚀剂③加表面覆盖层④电化学防护
Ⅰ、覆盖层技术：
作用：①阻隔作用②阴极保护作用③钝化、缓蚀作用
分类：①金属覆盖层②非金属覆盖层③化学转化膜④暂时保护层
Ⅱ、电化学保护技术：阳极保护与阴极保护。
阳极保护：适合强腐蚀环境防腐蚀。
阴极保护：应用广泛，应用条件为：①较大导电性环境：②被保护金属容易阴极极化，且极化后腐蚀速度下降③被保护构件形状和构造不大复杂，无“遮蔽现象”。
2、材料摩擦、磨损防护
1）、减少摩擦—润滑：流体润滑、边界润滑。
润滑材料：液体润滑剂、固体润滑剂、润滑脂
2）、减少磨损：①电镀②表面喷涂和堆焊耐磨材料③化学热解决（磷化解决、软氮化、低温渗硫、渗碳与渗硼、化学气相沉积、离子注入）

九、薄膜制备技术
薄膜：采用一定办法，使处在某种状态一种或几种物质（原材料）基团以物理或者化学方式附着于某种物质（衬底材料）表面，在衬底材料表面形成一层新物质。
厚度是薄膜一种重要参数。
物理成膜：在薄膜沉积过程中不涉及到化学反映，薄膜生长基本是一物理过程。此类办法以物理气相沉积（PVD）为代表。
物理成膜办法：真空蒸发镀膜、溅射镀膜、脉冲激光沉积（PLD）、离子成膜、分子束外延（MBE）。
化学成膜：有化学反映使用和参加，通过物质间化学反映实现薄膜生长。代表技术有化学气相沉积（CVD）、液相反映沉积（如液相外延）、电化学沉积。
化学气相沉积（CVD）：指运用流经衬底表面气态物料化学反映，生成固态物质，在衬底表面形成薄膜办法。
液相反映沉积：通过液相中进行反映而沉积薄膜办法。
十、复合材料基本
金属基复合材料
Ⅰ、金属基复合材料制备工艺研究内容以及选取原则：
1）基体与增强剂选取，基体与增强剂结合：
增强剂与基体之间应具备良好物理相容性和化学相容性。此外，如果在复合材料中使用高强度纤维，就必要寻找具备高断裂功基体材料。在这方面，固态法制备办法更好某些，因锻造合金普通具备较低断裂韧性。
2）界面形成及机制，界面产物控制及界面设计；
3）增强剂在基体中均匀分布：
在选取制备办法时，应选取那些使得增强剂更均匀、均质排布（分布）办法。在这方面，液态法与固态法相比较差。
4）制备工艺办法及参数选取和优化；
5）制备成本控制和减少，工业化应用前景。
Ⅱ、金属基复合材料制备工艺分类：
1）固态法：真空热压扩散结合、超塑性成型 / 扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。
2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压锻造、半固态锻造。
3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。
4）原位生长法。

后两篇（即只给了重点和概念两篇……）内容仅供复习参照，详细内容还需查阅课本及课件。