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1、金属材料学材料物理专业 课程教学大纲金属材料学材料物理专业 课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称：金属材料学 所属专业：材料物理专业 课程性质：专业基础课 学 分：3 （二）课程简介：金属材料学是一门综合性和应用性较强的专业必修课。根据材料物理专业先修课程和教学内容，本课程包括金属学和金属材料两大部分，其中金属学的内容作为材料科学基础课程的补充和深入，金属材料部分在材料科学基础、材料力学性能等课程的基础上，系统介绍金属材料合金化的一般规律及金属材料的成分、工艺、组织、性能及应用的关系。课程的学习，使学生系统掌握有关金属材料学方面的知识，培养学生研究开发和合理应用金属材料的初步能力。 目标
2、与任务；通过本课程的学习主要掌握：1.金属材料的成份、组织结构及性能三者间的关系，金属的基本理论和知识。2.合金元素在钢中的作用、原理和规律；3.钢的热处理原理以及其与合金化的配合；4.掌握各类铸铁的成分组织和性能特点；5.常用有色金属及其合金的成分、性能和热处理特点. （三）先修课程：材料科学基础、材料力学性能等。 （四）教材与主要参考书。 教材：金属学与热处理第二版，崔忠圻 主编，哈尔滨工业大学出版社。 参考书： 金属材料学 第二版，吴承建 陈国良 强文江 等编著，冶金工业出版社。 金属材料学 第二版，戴起勋 主编 程晓农 主审，化学工业出版社。 材料科学基础，胡赓祥、蔡荀主编，上海交通大
3、学出版 材料科学基础，潘金生等编，清华大学出版社 二、课程内容与安排 绪论 （一）讲授，2学时 （二）内容及基本要求 1.金属材料的发展概况。 2.了解金属材料在国民经济中的地位与作用。 3.本课程的性质、地位和任务。 第一章 金属的晶体结构 第一节 金属的结合方式 第二节 金属的晶体结构 第三节 实际金属的晶体结构 （一）教学方法与学时分配 讲授，5学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 1组成材料的原子间的键合方式及其与性能间的关系。 2晶体学基础的基本概念和应用。 4. 点缺陷、线缺陷、面缺陷。 5. 刃型位错、螺型位错的结构特征、应力场、相互作用、增殖及其对性能的影响。 【重点掌握】：
4、 位错的概念，柏氏矢量及其性质。位错的运动，两种位错的应力场的特征，位错的能量，位错的受力和线张力，位错的相互作用。实际晶体中的位错，不全位错，堆垛层错，位错反应，扩展位错，位错的增殖。 【掌握】：晶面间距，晶带，六方系的三轴制和四轴制的表示方法晶体、典型金属的晶体结构，晶胞中的原子数、配位数和致密度，晶体中原子的堆垛方式，晶体结构中的间隙。 【了解】：三种典型化学键的特征与材料性能的关系。位错概念的提出过程。汤姆逊四面体。 【难点】：合金的相结构和分类。位错结构、柏氏矢量、应力场和相互作用。 第二章 纯金属的结晶 第一节 纯金属的结晶过程 第二节 结晶的热力学条件 第三节 形核规律 第四节
5、长大规律 第五节 结晶理论的某些实际应用 （一）教学方法与学时分配 讲授，3学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 1. 纯金属的凝固过程。 2. 结晶的热力学条件。 3. 形核及长大的规律。 4. 凝固理论的应用。 【重点掌握】： 结晶的热力学条件，过冷度的概念。 均匀形核和非均匀形核的条件和规律，形核率。 长大的方式和规律，线长大速度。 细化金属铸件的晶粒的方法。 【掌握】： 单晶、微晶、纳米晶、非晶、准晶的概念。 定向凝固与快速凝固。 【了解】： 单晶体的制备，急冷技术。 【难点】： 形核的条件和规律，长大的方式和规律。 第三章 二元合金的结晶 第一节 合金的相和相结构。 第二节 相图的
6、基本知识 第三节 匀晶相图及固溶体的结晶 第四节 共晶相图及其合金的结晶 第五节 包晶相图及其合金的结晶 第六节 其他类型的二元合金相图 第七节 二元相图的分析和使用 第八节 金属铸锭的宏观组织与缺陷 （一）教学方法与学时分配 讲授，4学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 1. 合金的相结构：一次固溶体、二次固溶体、置换固溶体、间隙固溶体、固溶度的影响因素，超结构，中间相，正常价化合物、电子化合物，间隙相和间隙化合物，拓扑密堆相。 2. 相图的基本知识，二元相图的基本类型，二元相图的分析与使用方法。 【重点掌握】： 相律，杠杆定理，二元相图的几何规律。 匀晶相图，固溶体合金的非平衡凝固，溶质
7、再分配和成分过冷，合金生长形态。 共晶相图，伪共晶、非平衡共晶、离异共晶的概念。 包晶相图，具有包晶转变的非平衡凝固。 二元相图的基本分析方法。 合金的相结构，固溶体、金属间化合物的分类、特征。 【掌握】： 其他类型的二元相图。 复杂二元相图的分析方法。 根据相图判断合金的性能。 铸件组织与缺陷，偏析。 【难点】： 非平衡凝固、溶质再分配、成分过冷。 二元相图的分析和使用。 金属间化合物的分类、特征。 第四章 三元相图 第一节 三元相图的成分标示法 第二节 三元系平衡转变的定量法则 第三节 三元匀晶相图 第四节 三元共晶相图 第五节 三元合金相图的四相平衡转变 第六节 具有化合物的三元相图及其
8、分割 第七节 三元合金相图应用举例 （一）教学方法与学时分配 讲授，5学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 1. 三元相图的成分表示方法及定量法则。 2. 三元匀晶相图、三元共晶相图。 3. 四相平衡转变。 4. 三元相图应用举例。 【重点掌握】： 直线定律和重心定律。 三元匀晶相图和三元匀晶合金的凝固过程。 三元共晶相图和三元共晶合金的凝固过程。 三元相图应用举例。 【掌握】： 四相平衡转变。 具有化合物的三元相图及其分割。 【难点】： 三元共晶相图和三元共晶合金的凝固过程，四相平衡转变。 第五章 金属及合金的塑性变形与断裂 第一节 金属的变形特性 第二节 单晶体的塑性变形 第三节 多晶体
9、的塑性变形 第四节 合金的塑性变形 第五节 塑性变形对金属组织与性能的影响 第六节 金属和合金强化的位错解释 第七节 断裂 （一）教学方法与学时分配 讲授，4学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 1. 塑性变形的机理，塑性变形对组织与性能的影响，滑移系，晶体转动。 2. 金属强化的位错解释。 3. 断裂理论。 【重点掌握】： 滑移，滑移系，滑移的临界分切应力，滑移时的晶体转动，多滑移和交滑移。 孪生及其特点，扭折及其特点。 多晶体的塑性变形过程，晶粒尺寸对塑性变形的影响。 单晶体和多晶体的应力应变曲线。 变形过程显微组织和性能的变化，应力和织构。 金属强化的位错解释。 Griffith理论和
10、断裂韧性。 影响材料断裂的基本因素。 【掌握】： 弹性变形机制。 孪生晶体学。 裂纹的萌生机制。 【难点】： 多滑移和交滑移，固定位错。 金属强化的位错解释。 第六章 金属及合金的回复与再结晶 第一节 形变金属及合金在退火过程中的变化 第二节 回复 第三节 再结晶 第四节 晶粒长大 第五节 金属的热加工 （一）教学方法与学时分配 讲授，3学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 1. 形变金属材料退火时的回复、再结晶、晶粒长大过程及其机制。 2. 金属的热变形。 【重点掌握】： 形变金属退火是显微组织的变化过程。 不同温度下的回复机制。 再结晶的形核机制。 影响再结晶的因素，再结晶后晶粒的大小。
11、 晶粒的正常长大和异常长大过程及影响因素。 动态回复和动态再结晶。 【掌握】： 回复动力学。 再结晶动力学。 超塑性。 【难点】： 再结晶形核机制、晶粒长大过程及其机制。 第七章 钢的热处理原理和工艺 第一节 概述 第二节 钢在加热时的转变 第三节 钢在冷却时的转变 第四节 钢在回火时的转变 第五节 钢的退火与正火 第六节 钢的淬火与回火 第七节 其他类型的热处理 （一）教学方法与学时分配 讲授，3学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 1. 固态相变中的形核、长大。 2. 钢的加热转变过程，扩散对奥氏体化转变、均匀化和晶粒长大的影响。 3. 钢的冷却转变及动力学过程，TTT曲线和CCT曲线及
12、应用。 4. 珠光体、索氏体、屈氏体、上贝氏体、下贝氏体、马氏体转变区间。 5. 珠光体、马氏体、贝氏体转变的机理和特征。 6. 退火、正火、淬火、回火工艺、目的和特点。回火过程组织的转变。回火脆性。 【重点掌握】： 1. 固态相变的基本特征。 2. 钢的加热转变过程，扩散多奥氏体化转变和均匀化的影响。 3. TTT曲线和CCT曲线。珠光体、索氏体、屈氏体、上贝氏体、下贝氏体、马氏体转变区间。 4. 碳和合金元素对C曲线的影响。 5. 珠光体、马氏体、贝氏体转变的机理和特征。 6. 退火、正火、淬火、回火工艺、目的和特点。 7. 回火过程组织的转变。回火脆性。 【掌握】：表面热处理和化学热处理
13、。 【难点】： 加热和冷却过程晶粒大小的影响因素，马氏体、贝氏体转变机理。 退火、正火、淬火、回火工艺、目的和特点的区分。 第八章 钢铁材料基础 第一节 钢铁的冶炼 第二节 碳和杂质元素对碳钢的组织和性能的影响 第三节 钢的分类和编号 （一）教学方法与学时分配 讲授，2学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 1钢铁冶炼过程的氧化还原反应。 2碳和杂质元素对碳钢的组织和性能的影响。 3钢的分类和号。 【重点掌握】： 钢的分类和钢的编号。 碳和杂质元素对碳钢的组织和性能的影响。 【掌握】： 钢铁冶炼过程的氧化还原反应。 【了解】：钢铁冶炼工艺。 【难点】：钢的编号方法和规律。 第九章 工程结构钢
14、第一节 工程结构钢的合金化 第二节 铁素体-珠光体钢 第三节 低碳贝氏体钢和马氏体钢 第四节 工程结构钢的冶金工艺特点 （一）教学方法与学时分配 讲授，3学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 1. 工程结构钢的性能要求和特征。 2. 工程结构的合金化原则。 3. 碳素工程结构钢、低合金高强度钢、微合金钢、低碳贝氏体钢、针状马氏体钢、低碳马氏体钢、双相钢的合金化和热处理特点。 【重点掌握】： 不同种类工程结构钢的组织、性能、合金化的区别。微合金元素在钢中的作用。 【掌握】：工程构件用钢的服役条件及性能要求。 【了解】：工程结构钢的冶金工艺特点、控制轧制和控制冷却。工程构件用钢的发 展趋势。 【
15、难点】：不同种类工程结构钢的组织、性能、合金化的区别。 第十章 机械制造结构钢 第一节 结构钢的强度和脆性 第二节 钢的淬透性 第三节 调质钢 第四节 低温回火状态下使用的结构钢 第五节 高合金超高强度结构钢 第六节 轴承钢 第七节 渗碳钢和氮化钢 第八节 其他机械制造结构钢 （一）教学方法与学时分配 讲授，5学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 3. 结构钢的强化和韧化原理和特点、合金化原则。 4. 淬透性对钢的组织和性能的影响。 5. 调质钢、低温回火钢、非调质微合金钢的种类、组织和性能特点、热处理特点。 6. 滚动轴承钢、弹簧钢、渗碳钢、超高强度钢等特殊结构钢的性能和工艺特点。 【重点
16、掌握】： 调质钢的种类和特点、合金化、热处理。 低温回火钢的种类和特点、合金化、热处理。 轴承钢和弹簧钢。 【掌握】：非调质钢、超高强度钢的种类和特点、合金化、热处理。 【了解】：渗碳钢和氮化钢、高猛钢、易切削钢。 【难点】：各种结构钢的性能特点、组织特点、热处理工艺、合金化特点的区分。 第十一章 工具钢 第一节 碳素及低合金工具钢 第二节 高速工具钢 第三节 冷作模具钢 第四节 热作模具钢 （一）教学方法与学时分配 讲授，4学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 1. 碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢的组织性能特点和要求。 2. 高速钢中的合金元素和作用，高速钢的热处理。 3. 冷作模具钢和
17、热作模具钢的组织性能特点和要求、合金化特点。 【重点掌握】： 碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、冷作模具钢、热作模具钢的组织、性能和合金化特点。 【掌握】：掌握各种工具钢和模具钢的热处理特点。 【了解】：量具用钢。 【难点】：各种工具钢的分类、组织和性能特点的区分。 第十二章 不锈耐蚀钢 第一节 钢的耐蚀性 第二节 不锈耐蚀钢的组织 第三节 不锈耐蚀钢的腐蚀特性 第四节 不锈耐蚀钢的强化与脆性 第五节 不锈耐蚀钢种 （一）教学方法与学时分配 讲授，2学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 4. 钢的钝化现象，提高钢抗蚀性的途径、不锈钢组织、性能的要求，不锈钢 的合金化。 5. 铁素体不锈钢，马氏
18、体不锈钢，奥氏体不锈钢的成分、组织、性能及热处 理特点。 6. 复相不锈钢，沉淀、硬化型不锈钢及微量元素的作用。 【重点掌握】： 钢的钝化原理，提高钢抗蚀性的途径、不锈钢组织、性能的要求，不锈钢的合金化。铁素体不锈钢，马氏体不锈钢，奥氏体不锈钢的成分、组织、性能及热处理特点。 【掌握】：复相不锈钢，沉淀、硬化型不锈钢及微量元素的作用。 【难点】：各种不锈钢的成分、性能及热处理特点的区分。 第十三章 耐热钢和耐热合金 第一节 耐热钢和合金的工作条件及性能 第二节 铁素体型耐热钢 第三节 工业炉用耐热钢 第四节 奥氏体型耐热钢 第五节 镍基耐热合金 第六节 新型耐热合金 （一）教学方法与学时分配
19、讲授，2学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 3. 热稳定性与钢的成分、组织关系。 4. 珠光体型耐热钢、马氏体型耐热钢、奥氏体型耐热钢的合金化特点。 5. 工业炉用耐热钢的性能要求和组织、性能特点。 6. 镍基高温合金的组织和性能特点。 【重点掌握】： 热稳定性与钢的成分、组织关系。 铁素体型耐热钢和奥氏体型耐热钢。 【掌握】：工业炉用耐热钢，高温镍基合金。 【了解】：新型耐热合金 【难点】：各类耐热钢的成分、组织、性能、热处理的特点和区分。 第十四章 铸铁 第一节 铸铁中石墨的形态控制 第二节 常用铸铁 第三节 合金铸铁 （一）教学方法与学时分配 讲授，3学时 （二）内容及基本要求 主要
20、内容： 1. 石墨组织的形成过程，石墨形态的影响因素和控制。 2. 灰口铸铁、球面铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁的组织、性能特点。 3. 耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能铸铁的组织和性能。 【重点掌握】： 石墨组织的形成过程，石墨形态的影响因素和控制。 灰口铸铁、球面铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁的组织、性能特点。 【掌握】：耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能铸铁的组织和性能。 【难点】：石墨组织的形成过程，石墨形态的影响因素和控制。 第十五章 有色金属及合金 第一节 铝及铝合金 第二节 钛及钛合金 第三节 铜及铜合金 第四节 轴承合金 （一）教学方法与学时分配 讲授，4学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 1. 铝
21、合金的分类、强化方式和机理。变形铝合金的成分、组织、工艺特点。铸造铝合金的成分、组织、工艺特点。 钛的特性，冶金基础。 2. 钛合金相图和主要合金元素。钛合金的分类，强韧化原理，热处理和加工工艺。钛合金的发展和应用。 3. 铜的特性，杂质对纯铜的影响。铜的合金化、组织和强化。铜合金分类，黄铜、青铜、白铜的成分、特性、用途。 4.轴承合金的组织和性能要求及特点，常用轴承合金的种类。 【重点掌握】： 1. 铝合金的强化方式和机理，变形铝合金的成分、组织、工艺特点。 2. 钛的特性，冶金基础。 钛合金相图和主要合金元素。钛合金的分类，强 韧化原理。 3. 铜的合金化、组织和强化方式，铜合金分类，黄铜
22、、青铜。 4. 轴承合金的组织性能要求。 【掌握】：铸造铝合金的成分、组织、工艺特点。白铜。钛合金的加工工艺、发展 和应用。 【难点】：铝合金的合金化原理。 第十二章 铜合金 第一节 铜合金中的合金元素 第二节 工业纯铜 第三节 黄铜 第四节 青铜 第五节 白铜 （一）教学方法与学时分配 讲授，2学时 （二）内容及基本要求 主要内容： 1. 铜的特性，杂质对纯铜的影响。 2. 铜的合金化、组织和强化。 3. 铜合金分类，黄铜、青铜、白铜的成分、特性、用途。 【重点掌握】：铜的合金化、组织和强化方式，铜合金分类，黄铜、青铜。 【掌握】：白铜。 【难点】：铝合金、钛合金、铜合金的合金化、强韧化原理。 制定人：张旭东 审定人： 批准人： 日 期：2021.06.28 10 / 10