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“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。
功能陶瓷的性质与应用功能陶瓷的性质与应用功能陶瓷是一种具有特殊性能和功能的陶瓷材料，广泛应用于多个领域。
它的独特性质使得它在高科技产业中具有重要的地位。
首先，功能陶瓷具有优异的物理性能。
它们通常具有较高的硬度、强度和耐磨性，能够承受较高的温度和压力。
这些性能使得功能陶瓷在航空航天、汽车制造和能源领域中得到广泛应用。
例如，它们可以用于制造飞机发动机部件和汽车发动机零件，以提高其性能和耐久性。
其次，功能陶瓷具有良好的电学和磁学性能。
它们具有较低的电阻率、较高的介电常数和磁导率，可以用于制造电子元件和磁性元件。
功能陶瓷在电子器件、通信设备和计算机领域中起着重要作用。
例如，它们可以用于制造电容器、磁头和传感器，以满足现代科技的需求。
此外，功能陶瓷还具有良好的化学稳定性和耐腐蚀性。
它们能够抵抗酸、碱、溶剂等腐蚀介质的侵蚀，能够在恶劣环境下长时间稳定工作。
这使得功能陶瓷在化工、医疗和环境保护等领域得到广泛应用。
例如，它们可以用于制造化学反应器、人工关节和废水处理设备，为人们提供更安全和健康的生活环境。
除了上述应用领域，功能陶瓷还广泛应用于光学、光电和生物医学等领域。
它们具有良好的光学透明性、光学非线性和生物相容性，因此在激光器、光纤通信和生物传感器等方面发挥着重要作用。
这些应用推动了功能陶瓷技术的不断发展和创新。
总结起来，功能陶瓷具有独特的性质，广泛应用于各个领域。
它们推动了现代科技的发展，提高了工业生产效率和产品质量，改善了人们的生活品质。
随着科技的不断进步，功能陶瓷的研究和应用前景将更加广阔，为人类创造更多的可能性。
第一章金属的晶体结构1、何谓金属？金属具有哪些特性？2、何谓晶体、晶格、晶胞、晶面、晶向和晶格常数？3、试计算BCC和FCC晶胞的致密度。
4、绘出立方晶胞中的（1 1 1）、（112）晶面及[1 1 0]、[1 1 2]和[2 1 1]晶向。
5、实际晶体中存在哪几种缺陷？这些缺陷对金属的性能有什么影响？第二章纯金属的结晶1、液态金属结晶时，为什么必须过冷？2、液态金属结晶的条件是什么？3、简述纯金属的结晶过程？4、决定晶粒度的因素是什么？5、生产中，细化晶粒的常用方法有哪些？为什么要细化晶粒？6、何谓平面长大、枝晶长大方式？7、简述金属铸锭三个晶粒区形成的原因。
8、铸造缺陷的类型有哪些？第三章合金相的晶体结构1、在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状成长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？2、何谓平衡相图，相图能给出任一条件下合金的显微组织吗？3、两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的含镍量W Ni=90%，另一个铸件的W Ni=50%，铸后自然冷却。
问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。
4、何谓成分过冷？成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响？5、共晶点和共晶线有什么关系？共晶组织一般是什么形态？如何形成的？6、铋（熔点271.5℃）和锑（熔点630.7℃）在液态和固态时均能彼此无限互溶，W Bi=50%的合金在520℃时开始凝固出成分为W Sb=87%的固相。
W Bi=80%的合金在400℃时开始凝固出成分为W Sb=64%的固相。
根据上述条件，要求：（1）绘出Bi –Sb相图，并标出各线和各相区的名称；（2）从相图上确定含锑量为W Sb=40%的合金开始结晶和结晶终了温度，并求出它在400℃时的平衡相成分及其含量。
7、解释以下名词合金、组元、固溶体、金属化合物、相图、相律、枝晶偏析、共晶转变、比重偏析第四章铁碳合金1、铁碳合金的基本相有哪些？各用什么符号表示？2、绘出Fe-Fe3C相图，并叙述各特性点、线的名称及含义。
沈莲主编《机械工程材料》（第2版）习题与思考题第一章 机械零件的失效分析1. 何谓失效？零件失效方式有哪些？2. 静载性能指标有哪些？并说明它们各自的含义。
3. 过量弹性变形、过量塑性变形而失效的原因是什么？如何预防？4. 何谓韧性断裂和脆性断裂的因素的哪些？5. 何谓冲击韧性？如何根据冲击韧性来判断材料的低温脆性倾向？6. 何谓断裂韧性？如何根据材料的断裂韧度KIC、零件的工作应力σ和零件中裂纹半长度a 来判断零件是否会发生低应力脆断？7. 压力容器钢的1000s MPa s =，1/2170IC K MPa m =；铝合金的400s MPa s =，1/225IC K MPa m =。
试问这两种材料制作压力容器时发生低应力脆断时裂纹的临界尺寸各是多少（设裂纹的几何形状因子Y =8. 说明典型疲劳断口的特征。
如何根据疲劳断口形态大致判断：1）循环应力大小；2）应力特循环周次多少；3）应力集中程度大小。
9. 疲劳抗力指标有哪些？影响疲劳抗力的因素有哪些？10.磨损失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？11.腐蚀失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？12.何谓蠕变极限和持久强度？零件在高温下的失效形式有哪些？如何防止？13.有一根轴向尺寸很大的轴，在500℃温度下工作，承受交变扭转载荷和交变弯曲载荷，轴颈处承受摩擦力和接触应力，试分析此轴的失效形式可能有哪几种？设计时需要考核哪几个力学性能指标？第二章 碳钢1. 何谓过冷度?为什么结晶需要过冷度?它对结晶后晶粒大小有何影响?2. 何谓晶体、单晶体、多晶体、晶体结构、点阵、晶格、晶胞?3. 金属中常见的晶体结构类型有哪几种?α-Fe、γ-Fe、A1、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn 各属何种晶体结构?4. 何谓同素异构转变?纯铁在常压下有哪几种同素异构体?各具有何种晶体结构?5. 实际晶体中的晶体缺陷有哪几种类型?它们对晶体的性能有何影响?6. 固溶体和化合物有何区别?固溶体类型有哪几种? Si、N、Cr、Mn、Ni、B、V、Ti、W 与铁和碳形成何种固溶体或化合物?7. 何谓匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、固溶体的二次析出转变?根据Fe-Fe 3C 相图写出它们的转变反应式，并说明转变产物的名称、形态及对铁碳合金力学性能的影响。
⼯程材料⼒学性能各章节复习知识点⼯程材料⼒学性能各个章节主要复习知识点第⼀章弹性⽐功：⼜称弹性⽐能，应变⽐能，表⽰⾦属材料吸收弹性变形功的能⼒。
滞弹性：对材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长附加弹性应变的现象。
包申格效应：⾦属材料经预先加载产⽣少量塑性变形（残余应变为1%~4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应⼒（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载，规定残余伸长应⼒降低的现象。
塑性：指⾦属材料断裂前发⽣塑性变形的能⼒。
脆性：材料在外⼒作⽤下（如拉伸，冲击等）仅产⽣很⼩的变形及断裂破坏的性质。
韧性：是⾦属材料断裂前洗⼿塑性变形功和断裂功的能⼒，也指材料抵抗裂纹扩展的能⼒。
应⼒、应变；真应⼒，真应变概念。
穿晶断裂和沿晶断裂：多晶体材料断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶断裂穿过晶内；沿晶断裂沿晶界扩展。
拉伸断⼝形貌特征？①韧性断裂：断裂⾯⼀般平⾏于最⼤切应⼒并与主应⼒成45度⾓。
⽤⾁眼或放⼤镜观察时，断⼝呈纤维状，灰暗⾊。
纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，⽽灰暗⾊则是纤维断⼝便⾯对光反射能⼒很弱所致。
其断⼝宏观呈杯锥形，由纤维区、放射区、和剪切唇区三个区域组成。
②脆性断裂：断裂⾯⼀般与正应⼒垂直，断⼝平齐⽽光亮，常呈放射状或结晶状。
板状矩形拉伸试样断⼝呈⼈字形花样。
⼈字形花样的放射⽅向也与裂纹扩展⽅向平⾏，但其尖端指向裂纹源。
韧、脆性断裂区别？韧性断裂产⽣前会有明显的塑性变形，过程⽐较缓慢；脆性断裂则不会有明显的塑性变形产⽣，突然发⽣，难以发现征兆拉伸断⼝三要素？纤维区，放射区和剪切唇。
缺⼝试样静拉伸试验种类？轴向拉伸、偏斜拉伸材料失效有哪⼏种形式？磨损、腐蚀和断裂是材料的三种主要失效⽅式。
材料的形变强化规律是什么？层错能越低，n越⼤，形变强化增强效果越⼤退⽕态⾦属增强效果⽐冷加⼯态是好，且随⾦属强度等级降低⽽增加。
在某些合⾦中，增强效果随合⾦元素含量的增加⽽下降。
材料的晶粒变粗，增强效果提⾼。
第十章功能陶瓷功能陶瓷材料是指在应用时主要利用其非力学性能的材料，这类材料通常具有一种或多种功能，如电学、磁学、光学、热学、化学、生物等；有的还有耦合功能，如压电、压磁、热电、电光、声光、磁光等。
随着材料科学的迅速发展，陶瓷材料的各种新性能、新应用不断被人们所认识，并积极加以开发。
陶瓷材料在现代科学技术中的地位也随之日益提高。
由功能陶瓷材料制作的电容器、压电元件、磁性元件、热敏电阻、压敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻等已在能源开发、空间技术、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等领域得到广泛的应用。
第一节电介质陶瓷电介质陶瓷是指电阻率大于108Ωm的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿。
按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘陶瓷和电容器陶瓷。
随着材料科学的发展，在这类材料中又相继发现了压电、铁电和热释电等性能，因此电介质陶瓷作为功能陶瓷又在传感、电声和电光技术等领域得到广泛应用。
电介质陶瓷在静电场或交变电场中使用，衡量其特性的主要参数是体积电阻率、介电常数和介电损耗。
1.1电绝缘陶瓷电绝缘陶瓷又称装置瓷，有人又称它为电子工业用的结构陶瓷。
主要用作集成电路基片，也用于电子设备中安装、固定、支撑、保护、绝缘、隔离及连接各种无线电零件和器件。
装置瓷应具备以下性质：（1）高的体积电阻率（室温下大于1012Ωm）和高介电强度（>104kVm－1），以减少漏导损耗和承受较高的电压。
（2）介电常数小（常小于9），可以减少不必要的电容分布值，避免在线路中产生恶劣的影响，从而保证整机的质量。
此外，介电常数越小，在使用中所产生的介电损耗也越小，这对保证整机的正常运转也是有利的。
（3）高频电场下的介电损耗要小（tanδ一般在2×10－4～9×10－3范围内）。
介电损耗大，会造成材料发热，使整机温度升高，影响工作。
另外，还可能造成一系列附加的衰减现象。
（4）机械强度要高，因为装置瓷在使用时，一般都要承受较大的机械负荷。
通常抗弯强度为45～300Mpa ，抗压强度为400～2000Mpa 。
（5）良好的化学稳定性，能耐风化、耐水、耐化学腐蚀，不致性能老化。
电绝缘陶瓷材料按化学组成分为氧化物系和非氧化物系两大类。
氧化物系主要有Al 2O 3和MgO等电绝缘陶瓷，非氧化物系主要有氮化物陶瓷，如Si 3N 4、BN 、AlN 等。
大量应用的主要有以下几个多元系统陶瓷：BaO-Al 2O 3-SiO 2系统；Al 2O 3-SiO 2系统；MgO- Al 2O 3-SiO 2系统；CaO- Al 2O 3-SiO 2系统；ZrO 2- Al 2O 3-SiO 2系统。
电绝缘陶瓷材料按瓷坯中主要矿物成分可分为钡长石瓷、高铝瓷、高硅瓷、莫来石瓷、滑石瓷、镁橄榄石瓷、硅灰石瓷及锆英石瓷等。
在无线电设备中，电绝缘瓷主要用于高频绝缘子、插座、瓷轴、瓷条、瓷管、基板、线圈骨架、波段开关片、瓷环等。
陶瓷基片为绝缘陶瓷材料的主要研究方向，市场占有率也比较高。
1.1.1 三氧化二铝陶瓷基片Al 2O 3陶瓷是广泛使用的主要基片材料，占世界销售市场的90％，在性能要求不很高的家用计算机应用方面，这种陶瓷作为绝缘基片材料起到很大作用。
大规模集成电路的集成度高、体积小，要求制成多层的配线基片。
氧化铝多层配线基片常采用流涎法制备出生坯片后，薄片经打孔、印刷导体、印刷氧化铝浆糊，多层放在一起加热压合，经外形修整后进行烧结、电镀，最后连接接头引线。
现在许多加工制造单位也能制备用于传统及微波集成电路的带激光钻通孔或印刷金属导线的Al 2O 3基片材料。
带通道的激光钻孔基片也已应用，这些通道由钨铜复合材料填充密封。
由于采用先将氧化铝烧成的制备工艺，后续工艺中因单层陶瓷片没有收缩而能获得相当高密度的引线数。
Al 2O 3陶瓷基板表面通过上釉可制成上釉陶瓷基板。
上釉Al 2O 3陶瓷基板主要用作薄膜HIC 。
目前随着传真机的发展和普及，要求使用270×15×0.5mm 等大尺寸的上釉陶瓷基板及部分上釉陶瓷基板作感热打印头等用。
1.1.2 SiC 陶瓷基片SiC 陶瓷基片是SiC 中添加微量BeO ，经2000℃左右高温热压制成，其绝缘电阻为1012Ωcm ，导热系数为270W/mK ，热膨胀系数与Si 的接近，为3.7×10－6/℃，但εr 高（40），击穿电压低，介质损耗大，不适于高频、高压使用。
另外，其价格较Al 2O 3陶瓷基片高100～400倍，还不能用流涎法制薄片。
另外，虽然用量少，但还是要用有毒的BeO 。
因此，SiC 陶瓷基片的应用受到一定限制。
为此，国内外正在研究改进性能和降低成本，以扩大应用。
国外已有用SiC 陶瓷基片代替激光二极管基板用的金刚石基板。
1.1.3 AlN 陶瓷基片AlN 陶瓷基片的导热系数可达160/mK ，热膨胀系数为5.7×10－6/℃，接近Si 芯片的值绝缘电阻高，介质损耗可与Al 2O 3陶瓷匹敌，性能比Al 2O 3陶瓷基片好。
但是，AlN 陶瓷进入实用化程度较慢，主要原因是：高纯度AlN 粉末制造困难；不能用已实用的Al 2O 3陶瓷基片用的导体膏料，需开发新的导体膏料。
目前，还利用碳还原法等制造方法生产高纯度的AlN 粉末；利用AlN 陶瓷对有机溶剂和碱稳定性好及耐酸也好等特点，正在开发利用电镀等方法在其基板上制导带；也采用直接敷铜方法制导带的所谓直接敷铜陶瓷基片（DBC 陶瓷基片）。
国外研制AlN 陶瓷基片已取得很大进展产量的增长率很高。
1.1.4 DBC 陶瓷基片DBC(Direct Bond Copper)称为直接敷铜陶瓷基片，简称敷铜陶瓷基片。
这是在陶瓷表面直接敷铜薄膜，经加热处理生成Cu-O 共晶液相作粘结层而形成Cu 导体。
报道使用的有Al 2O 3和AlN 陶瓷基片。
这种陶瓷基片在陶瓷和铜导体之间不存在热阻。
因此，散热性和电气绝缘性好，而铜的焊接性好，焊接强度大，热膨胀系数与陶瓷的相近。
用DBC 陶瓷基片制作的大容量半导体，比过去用Mo 或W 作导体的Al 2O 3陶瓷基片的体积可缩小3/4，既实现了小型化，又可减少焊接点，提高了可靠性。
国外采用此陶瓷基片的器件有：大功率半导体组件；高频大功率半导体组件等。
不过，要生成Cu-O 共晶液相粘结层，需严格控制热处理条件。
因此，要达到实用化还需进一步研究解决热处理的控制条件。
1.1.5 多层陶瓷基片多层陶瓷基片是引用多层陶瓷电容器的制造工艺制成的。
多层陶瓷基板按烧成温度高低分为高温共烧结和低温共烧结两种。
现在使用的陶瓷材料主要是Al 2O 3陶瓷、AlN 陶瓷及玻璃陶瓷。
Al 2O 3陶瓷的εr 大，热膨胀系数大，烧成温度高，需使用熔点高的高阻值的Mo 或W 作为内导体，不能满足信号迟延时间短的高速化的要求，且成本高。
因此，今后主要发展低温烧结的多层陶瓷布线基板，这种基板的烧成温度低，εr 小（目前最低已达到4.5），可用导电性好的Cu 、Ni 作内导体，既提高了性能，又降低了成本。
国外许多公司已实现了用Cu 作内导体的低温共烧结的多层陶瓷基片，但实际达到规模生产还有距离，主要是烧结时存在Cu 被氧化等技术问题。
陶瓷基片除作一般电子元器件基体、厚膜电路基板外，目前和今后主要发展的是计算机等用的电路基板及各种集成电路封装。
多芯片组件（MCM）是将多个LSI裸芯片组装在同一基板内。
由于其组装密度高，故小型和轻量；其次是基板布线短，可用低εr材料，可实现高速化，因此引起人们极大的重视，成为90年代最新的封装技术。
而MCM的发展又为多层陶瓷基板的应用开拓了新的领域。
MCM－C/D普遍采用在高温或低温共烧结多层陶瓷基板上制作有薄膜多层布线的混合型多层布线基板。
一种是采用共烧结多层陶瓷基板与多层聚酰胺树脂组成的混合型MCM基板，在其共烧结多层陶瓷基板中设置时钟信号层、地线层、电源层。
以后，AlN陶瓷基板和共烧结，特别是低温共烧结多层陶瓷基板将逐渐替代Al2O3陶瓷基板，且应用范围将不断扩大。
高速计算机用的多层陶瓷基板，首先要求信号延迟小。
为此，需进一步开发低εr陶瓷基板材料。
目前玻璃陶瓷的εr水平为5～6，这对于陶瓷来讲已经相当低了，但还不能符合希望的要求。
有人提出在陶瓷基板内引入空孔的复合陶瓷基板，将会制得εr更低的陶瓷基板材料，这可能是今后低εr陶瓷基板的又一发展方向。
大功率LSI封装用的AlN陶瓷，将逐渐增多。
对于MCM来说，MCM－C/D将比MCM－C发展快，但若降低了AlN陶瓷成本之后，有人认为AlN陶瓷基板将是MCM－C的最佳的大功率基板。
1.2电容器陶瓷在小型电脑、移动通信等设备日益轻、薄、短、小，高性能，多功能化的过程中，对小体积、大容量电容器的要求日益迫切。
固体电解电容器只能适用于直流场合，在交流的情况下，半导体陶瓷电容器则具有其特殊的重要性。
陶瓷电容器以其体积小、容量大、结构简单、高频特性优良、品种繁多、价格低廉、便于大批量生产而广泛应用于家用电器、通信设备、工业仪器仪表等领域。
电容器陶瓷材料按性质可分为四类。
第一类为非铁电电容器陶瓷，这类陶瓷最大的特点是高频损耗小，在使用的温度范围内介电常数随温度呈线性变化。
非铁电陶瓷做成的电容器在槽路中不仅起谐振电容的作用，而且还以负的介电常数温度系数值补偿回路中电感或电阻的正的温度系数，以维持谐振频率稳定，故也有人称之为热补偿电容器陶瓷。
第二类为铁电电容器陶瓷，它的主要性能是介电常数呈非线性，而且特别高，也可以把它称为强介电常数电容器陶瓷。
第三类为反铁电电容器陶瓷。
第四类为半导体电容器陶瓷。
电容器陶瓷材料在性能方面有下列要求：（1）陶瓷的介电常数应尽可能的高。
介电常数越高，陶瓷电容器的体积可以做得越小。
（2）陶瓷材料在高频、高温、高压及其他恶劣环境下，应能可靠、稳定地工作。
（3）介电损耗角正切要小。
这样可以在高频电路中充分发挥作用，对于高功率陶瓷电容器，能提高无功功率。
（4）比体积电阻要求高于1010Ωm，这样可保证在高温下工作不致失效。
（5）高的介电强度。
陶瓷电容器在高压和高功率条件下，往往由于击穿而不能工作，所以提高其耐压性能，对充分发挥陶瓷的功能有重要作用。
型陶瓷电容器早已大量使用，但半导体陶瓷电容器确是近年来才生产与广泛使虽然BaTiO3用的。
它的生产过程和常规陶瓷电容器有很大的差别。
下面主要介绍一下半导体陶瓷电容器。
半导体陶瓷电容器特大的比体积电容量（MF/cm3）是传统陶瓷电容器所不可比拟的。
这种小型化的新型元件具有颇具吸引力的市场潜力。
特别是在尚未100％或不需100％采用SMT组装技术的电子产品中，如电视机、计算机、音响、电话机、电子玩具、白色家电等产品中的耦合、隔流、滤波、旁路等电路中使用半导体陶瓷电容器，无疑是最佳选择。
