材料科学与工程，工业实习年 BEng (Hons)

The University of Sheffield - 谢菲尔德大学

全院的全球工程挑战周是第一年课程的必修部分。该项目旨在发展学生的学术、可转移和就业技能，以及拓宽他们作为全球公民的视野。在一整周的时间里，学院的所有学生以5-6人的多学科小组形式工作，从一系列主题下安排的项目中选择，包括水、废物管理、能源和数字，场景设定在面临经济挑战的海外地区。

本模块介绍了热力学和动力学的基本概念，以及它们各自在决定气体、液体和固体行为中的作用。经验气体定律被介绍到理想气体的概念和理想气体的状态方程，并发展到更现实的气体状态方程。涵盖基本的热力学概念，如功、热、内能、比热、热焓、熵和自由能。讨论了速率规律、速率常数、反应顺序和温度对反应速率的影响。介绍了重要金属的平衡二元相图。

所有制成品的生产都涉及到材料的使用，并会对环境产生一些影响。例如，从原材料的提取到产品的最终制造，以及可能在产品的使用过程中，各个阶段都会用到能源。通过具体的基于材料的例子，本课程将向学生介绍不同的加工路线和产品的能源需求，以及材料的回收和再加工和生命周期分析中涉及的一些复杂问题。

本模块将首先考虑宏观和纳米世界的比例关系。将讨论纳米材料的例子，包括纳米颗粒、纳米管和纳米复合体材料。将考虑在纳米材料和技术的发展中产生的新型系统和设备中使用纳米材料。将讨论伦理、社会和环境问题，.

本模块旨在加强学生以前的知识，并开发新的基本数学技术，以支持1级和2级的工程科目。它还为相应工程系的2级数学课程提供了基础。

介绍应力、应变和模量的基本概念。然后探讨原子结合和所有主要类别的材料（陶瓷、金属、聚合物、天然材料和复合材料）的机械性能之间的联系。失败的模式也包括应力集中、位错、延展性和蠕变。研究了材料性能和材料微观结构之间的联系，特别强调了金属晶体结构、缺陷和位错、晶界。

本模块从原子的电子结构开始，并以此来介绍周期表的化学知识。然后考虑晶体化学和晶体结构，从简单的金属开始，然后转向离子键和结构，最后考虑玻璃。本模块的后半部分介绍了有机和聚合物化学。使用简单的键合模型讨论功能团化学和分子形状。我们强调大分子的重要性，同时强调聚合物的大尺度形状。我们讨论聚合物的合成及其与聚合物特性的关系，并选择一些案例。这包括对天然和生物聚合物的讨论.

本单元将材料特性视为对材料所做的事情与材料的反应之间的联系，因此讨论了将特性与设备和结构联系起来。特别是：i) 磁性材料。磁学的基础知识；磁场对材料的影响。磁性材料的分类（双磁、副磁、铁磁、反铁磁和铁磁）。导体、绝缘体、电场梯度、电阻率。绝缘体、半导体、金属、混合导体和固体电解质。光学吸收和发射。灯泡、荧光灯和荧光粉。光线、紫外线、红外线的光学纤维。透明和半透明的材料.

本模块从工程角度介绍了人体；将其视为一种结构、一种机制和一种传感器。然后，它介绍了天然和替代生物材料，并使用阿什比图表讨论了与功能有关的特性。最后，该模块讨论了一般材料工程师可以从生物材料中学到的经验（仿生学）。

该课程旨在教学生使用现代计算工具（虽然是软件包，如Excel、powerpoint、word、CES和MATLAB）来解释、分析和展示数据。学生将学习如何使用这些软件包进行数据分析，然后通过不同的数据集来确定如何使用软件来对这些数据进行必要的数学运算，并清楚地显示趋势和可以从数据中得出的结论。

全院范围内的工程--你被雇用周是第二年课程的必修部分，该周被设计用来发展学生的学术、可转移和就业技能。在为期一周的密集项目中，学生们将以六人左右的多学科小组为单位，就一个真实的世界问题开展工作。

本模块向学生介绍了扩散和传热。在扩散部分，涵盖了原子运动、扩散常数、菲克定律和原子在材料体和表面的传输机制。此外，还讨论了扩散在材料的演变、生长和结晶中的作用。课程的传热部分旨在发展对传导、对流和辐射传热的基本物理学的理解及其与材料加工的相关性。为此，该课程集中于 "传热问题的简单分析方法.

本模块关注材料的物理特性，而不是机械特性，以及它们的功能。波动力学的应用，结构各向异性的影响，以及系统对交流电场的反应都被用于分析材料的热、电、电子、磁和光学特性。讨论了基于这些特性的特定材料应用，包括电子材料和pn结、磁性材料和数据存储介质、包括电容器在内的介电材料、压电和热电，以及成像的光学材料。

本模块介绍了固体的结晶学。特别强调的是高级对称元素、点群和空间群。讨论了晶体学的分类及其与物理性质的关系。然后与X射线晶体学的原理、实践和应用相关，特别是粉末衍射技术。还简要介绍了二维材料的晶体学和材料之间的界面。

本模块提供了一个关于金属、玻璃、陶瓷和聚合物材料和部件的主要工业加工和制造路线的广泛概述。将介绍相关的重要工程原理，如粘度、传热和流体流动，并将使用一些案例研究，以强调这些材料的工艺和制造路线选择背后的设备、技术和理念。

本模块是一系列二级模块的一部分，为模块标题中括号内的特定工程师群体设计。每个模块巩固以前的数学知识，并开发与特定工程学科相关的新数学技术.

本模块描述了金属、聚合物和玻璃的塑性变形，指出了引起样品应变的基本机制，以应对外加应力或由热诱导效应引起的应变。变形机制与微观结构和加工有关，对设计的影响被认为是。

本模块将考虑材料的热力学，强调混合物和溶液的自由能以及它们与相图的关系，特别是共晶物。然后，它将考虑一系列材料（包括金属和金属合金、陶瓷和选定的聚合物）的微观结构以及它们的机械、物理和化学性质是如何受成分和相构成以及机械加工和/或热处理的影响的。将介绍SEM、TEM和光学显微镜等表征方法，包括讨论试样的制备和图像的解释。

该模块的前半部分旨在建立对材料选择、材料加工、产品设计和产品性能之间的相互关系的全面理解，以便为工程和工业应用的材料优化选择开发一种整体方法。考察的主题包括通过一个开放式的应用项目选择材料和工艺的方法。该模块还向学生介绍断裂力学。在断裂力学中，比较详细的课题包括线性弹性断裂力学、循环疲劳、应力腐蚀和失效预测。还包括对弹塑性断裂力学的简要介绍。

该课程使学生能够在工程学士的第三年或工程硕士的第四年，在工业界从事与课程相关的工作。这为他们提供了广泛的经验和机会，使他们的学术研究融入背景，并提高他们的技能和就业能力。学生还将从体验行业文化、建立联系中受益，并且实习将支持他们为以后的就业做准备。

该模块旨在向工程专业学生介绍工程师在其工作环境中可能遇到的一些关键的财务和法律问题。该模块将直接借鉴工程项目和/或产品开发背景下的预算编制、融资、评估财务风险和做出财务决策等实际问题。同时，该模块将培养学生对签订工程项目和产品的开发和交付合同的法律方面的理解，以及对环境法规、数据保护和知识产权的认识。通过一系列这两个学科的平行讲座，该模块将提供这两个领域的工作知识以及它们如何影响工程实践。作为评估的一部分，将着重强调小组工作、报告撰写和陈述，并辅以在线练习和个人作品集。

这些项目都采取相同的形式，但都是针对候选人所注册的特定学位的。该项目是从一个列表中选择的，以便学生能够追求与课程选择有关的自己的兴趣。它是在一名或多名学术人员的监督下单独进行的原创性研究调查。学生进行文献调查，包括阅读学术协会期刊和会议记录中的原始论文和评论文章。大多数项目涉及广泛的实验室工作，尽管有些项目可能主要基于对已发表文献的调查或计算研究。每个学生在30周内每周花费大约10个小时，其中只有部分时间是专门安排的，用于这项工作。项目的评估包括在工作人员和其他学生面前口头介绍所进行的工作，以及一份书面论文。

在过去的几年里，工业界对先进材料设计和产品优化的需求一直在增加。建模是公司使用的一个强大的工具，材料和设备建模为新的和改进的工艺和设备提供了一个廉价和有效的途径。本课程将向学生介绍材料建模的基本概念及其不同的应用领域，使用公司和研究小组使用的最先进的软件。

本模块考虑了可由表面工程技术影响和控制的机械和化学特性，它们各自的能力以及它们可用于生产的涂层或处理表面的特性。它还关注金属材料的磨损、摩擦反应和腐蚀、保护和退化。金属腐蚀的电化学性质、标准电极电位和动力学将被审查。将对极化进行定义并研究腐蚀特性。钝化和Pourbaix图等概念将被引入或扩展，导致对点腐蚀等机制的理解。磨损和腐蚀的预防和控制将被讨论，同时还将讨论设计在最小化/减轻腐蚀方面的应用。