spContent=《工程材料》作为机械类专业中一门重要的基础课程，课程资源丰实，包括自有课件、习题集、试卷试题题库、辅导汇总、实验指导书、理论与实验教学视频等等。课程资源同步在华北水利水电大学华水学堂平台https://mooc1-2.chaoxing.com/course/89577648.html和手机APP-学习通平台向社会开放。 《工程材料》作为机械类专业中一门重要的基础课程，课程资源丰实，包括自有课件、习题集、试卷试题题库、辅导汇总、实验指导书、理论与实验教学视频等等。课程资源同步在华北水利水电大学华水学堂平台https://mooc1-2.chaoxing.com/course/89577648.html和手机APP-学习通平台向社会开放。 —— 课程团队 课程概述 通过《工程材料》课程学习，在掌握基本理论及基础知识的前提下，理解金属材料分类、材料热处理、成形方法等内在规律和物理本质，正确选择材料及使用的原则、方法，并运用知识分析和解决实际问题具备根据机械零件使用条件和性能要求。同时，要求学生应用《工程材料》知识，能正确认识和评价设计、开发机械工程领域复杂工程问题的解决方案对于社会、健康、安全、法律以及文化的影响。 授课目标 通过本课程的理论教学和实验，使学生了解和掌握机械工程材料基本理论及其应用的基础知识，培养合理选择和应用常见工程材料的工程应用能力，为学习专业课程奠定材料基础。具体课程目标要求如下： 课程目标1：要求学生掌握常见工程材料的结构，金属材料的相变基本理论，掌握铁碳合金的结构及相图，掌握材料组织结构和性能的关系。 课程目标2：要求学生掌握钢铁材料在加热和冷却过程中组织和性能的变化，熟悉各种金属改性方法，能够制定简单的热处理工艺。 课程目标3：要求学生掌握常见工程材料种类、牌号、性能特点及应用；并能熟悉工程材料选用原则，具备在今后的设计和应用中具备合理选择和应用常见工程材料的工程应用能力。 课程大纲 第一单元 材料的力学行为 1.1 材料的力学性能（了解材料的基本力学性能，熟悉材料的力学性能及其性能指标的物理意义、符号） 1.2 材料的结构 1.3 材料的力学性能、韧性和脆性 1.4 分析材料的力学性能、材料断裂的原因 第二单元 二元合金相图及相变基础知识 2.1相图的概念 2.2 溶解度与二元合金相图的基本类型 2.3 铁-碳平衡相图 2.4 钢在加热时的转变 2.5 钢在非平衡冷却时的转变 金属的塑性成形与再结晶 二元合金相图 单元测验：力学性能、塑性变形与再结晶 二元合金相图及相变基础知识 单元测试 二元合金相图及相变基础知识 单元作业 第三单元 材料的改性 3.1 钢的预备热处理 3.2 钢的最终热处理 材料的改性 单元测验 第四单元 有色金属及其合金 4.1 铝及铝合金 4.2 铜及铜合金 4.3 轴承合金 4.4 其他有色金属及其合金 有色金属及其合金单元测试 有色金属及其合金 单元作业 第五单元 材料的选用 5.1 材料选用的原则与方法 5.2 典型零件的选材 预备知识 学习本课程之前必须先学习完大学物理、理论力学、材料力学、工程化学等课程. 参考资料 《机械工程材料》，戈晓岚、洪琢主编，北京大学出版社，2011。（教学团队核心成员—谭群燕教授为副主编） (1)《机械工程材料》，沈莲主编，机械工业出版社，2012。 (2)《机械工程材料》，齐民、于永泗主编，大连理工大学出版社，2012。 (3)《机械工程材料》，王章忠，机械工业出版社，2011。 常见问题 Q : 同素异构转变和液态金属结晶有哪些异同点？同素异构转变和改善金属材料的性能有什么关系？ A : 孙澳龙华北水利水电大学12-07 22:38 （1）金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处： 有一定的转变温度， 转变时都有过冷现象；放出和吸收潜热；转变过程也是一个形核和晶核长大的过程。但同素异构转变属于固态相变，所以具有其本身的特点，例如：同素异构转变时，由于晶界处具有 较高的能量，新晶格的晶核总是在原来晶粒的晶界处形核；另外固态时原子的迁移扩散较困难，所以转变时需要较大的过冷度；晶格的变化伴随着金属体积的变化，转变时会产生较大的内应力。 （2）什么是金属的同素异构转变?金属在固态下,随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变.它与金属的结晶过程有何异同?同：1、有一定的转变温度,转变时有过冷现象；2、放出和吸收潜热；3、转变过程也不同；4、结晶过剩不同。 B : 王博华北水利水电大学10-31 22:59 1.相同点：发生了结晶，产生了相变，晶格结构发生了改变。 不同点：液态金属结晶由液态转变成固态，金属同素异构转变由固态转变成固态。 2.一些金属，在固态下随温度或压力的改变,还会发生晶体结构变化，即由一种晶格转变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变。金属的同素异构转变现象是热处理改变金属性能的主要原因。 C : 牛清举华北水利水电大学10-29 14:36 相同点：有一定的转变温度，发生了结晶，产生了相变，晶格结构发生了改变。 不同点：液态金属结晶由液态转变成固态，金属同素异构转变由固态转变成固态。
发布时间：2020-12-24 中国大学MOOC
图1：刹车片成分中是否有铜的替代品？ 无论人类今天做什么，它都是在非常大的范围内完成的。后果也很大！在汽车领域，我清楚地意识到二氧化碳排放和全球变暖问题。每公里几克二氧化碳会导致整个星球（我们的！）变得比现在好客得多......特别是当整个人类每年开车大约一光年时！ 图2：研究中的刹车片组成 但在这种规模下，还会出现其他挑战，例如刹车片磨损颗粒的排放。每次使用制动踏板时，刹车片上都会发生少量磨损。我想在这里介绍的N. Kalel等人的论文[1]提高了我对此的认识，并通过比较不同的刹车片组成对解决方案进行了全面的评估（见图1）。目前，铜是刹车片的关键部件之一，即使它代表不同部件体积的较低百分比（见图2）。然而，最终进入河流和湖泊的铜粉尘显然对它们来说是不健康的。世界上一些政府已经控制在刹车片中使用铜，刹车片制造商提出了解决方案。的确，再生制动器可以减少刹车片的使用，而其他改进则来自制动盘。但这还不够，作者探索了解决方案。 图3:制动卡钳内的制动盘和刹车片– Photo by fotografierende on Unsplash 那么，有哪些替代方案呢？在深入研究N. Kalel等人的结论[1]之前，我们需要了解铜替代品的预期权重！从基础知识开始（见图3），将刹车片连接到液压活塞上，液压活塞将其重压在制动盘上。该圆盘与车轮一起旋转。当衬垫与制动盘摩擦时，它会减慢车轮的旋转速度，并最终停止车轮... 并希望车轮所属的车辆停止！ 由于刹车片是任何车辆的关键安全组件，因此尽管它们所承受的环境条件非常不同，但它们需要以非常一致的方式运行。从车辆减速中消散的动能直接转化为热量，并通过刹车片和制动盘排出。根据车辆的不同，耗散的能量可能是“荒谬的”，这意味着刹车片需要在环境温度和潜在的几百摄氏度下产生类似的摩擦。 此外，刹车片应至少持续数万公里，因此具有适度的磨损率。这些刹车片还应尽量减少刹车时产生的噪音。替代材料也应该足够便宜和丰富。最后，铜刹车片的继承者应该更环保，即使它们被用在每个人的汽车上。 N. Kalel 等人 [1]已经探索过的替换材料是不锈钢。由于它有各种等级，并且它们的机械和热性能可能不同，因此已经探索了不同的候选材料，例如304，316，410和434。摩擦系数值及其一致性和磨损率所概括的性能可以分解为不同的材料属性，如硬度、密度、剪切强度、导热性或表面能。它们对制动质量都有一定意义和影响。在仔细测量了不锈钢和铜的性能后，他们还在不同的制动周期内测试了制动质量本身。这些测试允许测量不同条件下的摩擦系数和磨损损失的质量。即使金属颗粒仅占焊盘质量的3%，它们也具有关键作用。 由此看来，钢颗粒似乎可以完全取代刹车片成分中的铜颗粒。由于比较焊盘的标准很多，因此已经实施了MOORA方法。排名之首的是316钢。在这项研究中，后者甚至击败了铜基焊盘。然而，来自同一作者的另一项研究与噪音和振动性能有关......316钢在其他标准系列中排名最后。合适的候选材料可能不是316不锈钢，而是这里探索的另一种替代产品，例如410或304等级。 要了解有关N. Kalel等人研究和方法，请随时看看他们非常有趣的论文[1]。 [1] N. Kalel, B. Bhatt, A. Darpe, J. Bijwe, Copper-free brake-pads: A break-through by selection of the right kind of stainless steel particles, Wear (2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203537
Credit photo: www.freeimages.co.uk 在日常生活中，我们的家庭用途、医疗用途、食品和餐饮部门、农业和工业应用以及两者之间的一切都依赖于锋利的刀片。 在我们的社会中，没有哪个角落不是受益于现成的锋利刀片。 与我们家庭和工作场所对锋利刀片的需求密不可分的是，我们与锋利刀刃的磨钝(磨损)进行着一场古老而无情的斗争。 有些刀片，比如小刀，我们会努力保持顶端的形状，它们需要经常注意保持它们的边缘适当的锋利。 其他的刀片被视为消耗品，当它们失去锋利时就会定期更换。 不锈钢的切削刃就像剃须刀片上的刃口一样，开始时刃口非常锋利，刃口上可能会添加一层比钢本身更硬的涂层，就像金刚石、非晶金刚石或类金刚石碳。 这些涂层的作用是增加叶片的强度和提高其耐腐蚀性。应用于剃须刀切削刃的硬涂层允许更薄的边缘，并允许施加较低的切削力。 刀具和手术刀等刃口需要定期打磨以保持锋利，但剃须刀等消耗品的刃口一旦变钝就会被迅速处理掉。在精确设计的刀片上发生的这种普遍的锋利损失令人惊讶地发生在切割比刀片本身柔软得多（约50倍）的材料之后。 他的这一现象已被仔细研究，以确定剃须刀片是如何仅通过剪人的头发而受损的。已经发现，剃须头发会使刀片变形，其方式比最初想象的要复杂得多。剃须不会随着时间的流逝而简单地磨损边缘。麻省理工学院的研究表明，即使是一根头发，在某些条件下也会导致剃须刀片的边缘碎裂。进一步的检查表明，一旦形成初始裂缝，刀片就容易形成进一步的碎片和裂缝，这些碎片和裂缝会迅速积聚并很快使剃须刀的边缘变钝。 已经确定刀片的微观结构在刀片边缘的碎裂中起着至关重要的作用。从逻辑上讲，如果钢的微观结构不均匀，刀片更容易碎裂和开裂。除了钢微观结构的缺陷外，引发裂纹的另一个因素是叶片与发丝的接近角度。 探索金属的微观结构为控制其最终变形的因素提供了线索。对剃须过程的研究包括通过扫描电子显微镜在每次剃须后对剃须刀边缘进行成像。这个过程使工程师能够跟踪刀片的边缘如何随着时间的推移而磨损和变钝。 扫描电子显微镜成像已经证实，不是磨损使刀片变钝，而是沿着剃须刀边缘形成碎片和裂缝。碎裂仅限于刀片上的某些位置，并且主要发生在被剪头发弯曲时。然而，从成像中可以明显看出，以垂直于刀片的角度切割头发不会导致碎裂。 单毛扫描电子显微镜(SEM)剃毛实验. Credit: Gianluca Roscioli, Tasan Group at MIT 进一步的研究表明，至少有三个因素在起作用，所有这些因素共同导致刀片边缘碎裂。当刀片以一定角度撞击头发时，当刀片由异质钢组成时，当头发的边缘在其结构的薄弱点遇到异质钢刀片时，故障最有可能发生。这种情况被称为应力强化，当硬质材料的结构已经具有微裂纹时，可能会发生这种情况。非均质钢中的初始微裂纹使裂纹能够长成碎片，即使应力是由软材料施加的。 随着对影响锋利边缘钝化的因素的复杂性有了更深入的了解，就可以设想出问题的解决方案。 如果厨师直接切食物，而不是斜切，菜刀的锋利程度可能会保存得更久。 此外，刀片制造商可以研究使用更均匀的材料生产更耐碎屑刀片，将保持其锋利的时间更长。 因此，我们的目标是制造更多的耐碎屑刀片，从而使它们使用寿命更长。 实现这一目标的关键之一是将用于刀片的钢材加工成更均匀的形式。 Further information: G. Roscioli el al., “How hair deforms steel,” Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aba9490 关键词： 锋利的刀片、 钝的、 钝边、 异质钢、 磨损、均质材料、应力强化、叶片变形、锋利、刀、剃刀刀片
近日，清华大学摩擦学国家重点实验室李群仰、冯西桥课题组与马天宝课题组、北京科技大学高磊课题组，联合中科院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室的王浩敏课题组，实现了对六方氮化硼（h-BN）绝缘衬底上小扭转角双层石墨烯垂直电导率的直接实验测量，首次报道了小扭转角双层石墨烯中垂直电导的反常角度依赖性。该发现首次揭示了范德华材料中原子级重构对垂直电导率的贡献，为理解小扭转角范德华材料独特的物理行为提供了指导。 通过对石墨烯层间堆垛角度进行扭转是调控其物理（特别是电学）性能的有效手段。现有实验研究表明：随着石墨烯层间扭转角度的增大，石墨烯层间趋向于非公度堆垛而呈现出较弱的层间耦合；因此，一般来讲，石墨烯层间的电导将随着扭转角度的增大而单调降低。然而，最近的研究发现，当两层石墨烯以小扭转角度（小于1°）堆叠在一起时，在石墨烯层间范德华相互作用和石墨烯面内弹性变形能的竞争下，石墨烯会发生局部的原子级重构，形成局部的公度堆垛。这类小扭转角度堆垛的石墨烯往往展现出诸多奇特的物理行为，如强关联电子态、非常规超导和自发铁磁性等。目前，人们当前关注的焦点主要集中在小扭转角双层石墨烯面内方向的电学行为，而其层间电导率如何随扭曲角的改变而变化，尤其原子尺度重构对层间电导的影响，仍然是研究的热点和亟待回答的问题。 图1. (A) 基于导电原子力显微镜（c-AFM）的扭转双层石墨烯电学测试示意图；(B) 归一化电流值（电导）随双层石墨烯扭转角度的变化 该研究工作借助李群仰课题组前期发展的二维材料界面电学表征平台（Nano Lett. 18, 2018），实现了对立方氮化硼绝缘衬底上小扭转角双层石墨烯垂直电导率的直接实验测量；实验中首次发现了小扭转角下垂直电导率非单调的角度依赖性，即随着层间扭转角的减小，垂直电导率逐渐增大，当扭转角度达到~5°左右时，随着扭转角的进一步减小电导率显著降低（图1，图2）。该趋势与传统块体石墨材料中观察到的层间电导随扭转角度的单调变化截然不同，并且无法被传统的声子介导层间电导机制进行解释。借助马天宝课题组先前发展的原子级界面接触质量模型（Nano Lett. 19, 2019）、密度泛函理论计算和扫描隧道显微镜（STM）的高分辨表征，进一步揭示了小扭转角下的反常电导行为源于双层石墨烯的局部原子重构导致的平均载流子浓度的降低（图3）。该发现首次揭示了范德华材料中原子级重构对垂直电导率的贡献，为理解小扭转角范德华材料独特的物理行为提供了指导，也为设计和优化二维材料的电学性能提供了新的思路。 图2. (A)不同扭转角度双层石墨烯表面获取的归一化电流曲线；(B)扭转角为2.9°样品表面的电流图像；(C) 扭转角为0.6°样品表面的电流图像；(D)-(F)对应的原子堆垛示意图 图3. (A)理论模型结构示意图；(B)理论计算得到的不同扭转角度下的实空间二维电导图像；(C)理论计算的电导随扭转角度变化曲线；(D) 第一性原理计算得到的表面载流子浓度和层间隧穿电导随扭转角度的变化曲线；(F) 考虑原子级重构和纯刚性结构的AA堆垛区域的占比随扭转角度的变化曲线 该研究工作于11月20日在线发表于《科学进展》（Science Advances）期刊，论文题为“小扭转角双层石墨烯中的反常电导”（Abnormal conductivity in low-angle twisted bilayer graphene）。 清华大学摩擦学国家重点实验室李群仰教授、北京科技大学高磊副教授和中国科学院上海微系统所王浩敏研究员为本文的通讯作者，参与该工作的还有清华大学摩擦学国家重点实验室冯西桥教授和马天宝副教授，以及国家纳米中心刘璐琪研究员。清华大学航院博士生张帅、机械系博士生宋爱生和上海微系统所陈令修博士为论文共同第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目以及清华大学摩擦学国家重点实验室自由探索项目等项目的资助。 论文链接： https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabc5555 相关论文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b02921 https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b00695
