《材料科学基础》教学大纲.doc

材料科学基础教学大纲一、 课程信息开课单位材料科学与工程学院课程编号课程名称材料科学基础英文名称Fundamentals of Materials Science课程性质必修课学分4总学时48先修课程大学物理、物理化学开课学期二年级第一学期适应专业材料学二、 课程内容（一）本课程的性质、目的本课程是材料科学与工程各专业的一门重要的学科基础理论课程，是该专业学生研究材料及其成型原理的重要理论基础。本课程主要为专业课的学习提供有关材料科学的基础知识，为后继专业课程的学习、同时为将来从事材料的研究与开发打下坚实的理论基础。该课程的教学目标是使学生充分掌握材料科学的基础理论，深入理解材料的组成、结构、性能和加工的规律及相互联系，能从材料组成-结构-性能-加工工艺相互联系的角度理解、解释材料制备、使用过程中的各种化学、物理现象和性能。（二）基本教学内容第1章 材料科学与工程材料与材料科学的重要地位，材料分类，材料性能与内部结构的关系，材料的制备与加工工艺对性能的影响，材料科学基础课程的性质、任务和内容以及在材料科学与工程技术中的作用。介绍课程的学习方法，教学、考核的形式，主要参考书目。第2章材料的原子结构目的要求：了解原子结构及建合类型，掌握物质的组成、原子的结构、电子结构和元素周期表，熟悉一次键（金属键、离子键、共价键）、二次健（范德华力和氢键）的定义、特点。掌握材料中的结合键的类型对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。主要内容：1.原子结构主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数、原子量、原子价和电负性等基本概念，能量最低原理、包利不相容原理等基本原理，原子核外电子排布规律。原子结构、原子排列对材料性能的影响。2.材料中的结合键的类型、本质，各结合键对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。3.原子的堆垛和配位数的基本概念及对材料性能的影响。4.显微组织基本概念和对材料性能的影响。重点难点：结合键的类型、本质，各结合键对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。第3章材料的晶态结构目的要求：了解晶体的特点、空间点阵、晶胞、晶系和布拉菲点阵，晶向和晶面的表示方法，晶带和晶带定律、晶面间距，晶体的对称性，极射投影。掌握三种典型的金属晶体结构，致密度和配位数，点阵常数和原子半径，晶体的原子堆垛方式和间隙，多晶型性。主要内容：1.晶体与非晶体、晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞、晶格常数、布拉菲点阵、晶面间距等基本概念。2.晶体晶向指数与晶面指数的标定方法；晶带定理；极射投影；晶体的对称性。3.晶体结构及类型，常见晶体结构(bcc、fcc、hcp)及其几何特征、配位数、堆积因子（致密度）、间隙、密排面与密排方向。4. 典型离子晶体结构类型：金刚石结构，石墨结构，NaCl型结构、CsCl型结构，ZnS型结构，萤石型结构，金红石型结构，CdI2型结构，钙钛矿型结构，尖晶石型结构，描述晶体结构的三种方法，同质多晶与类质同晶的概念；硅酸盐晶体结构特点及其分类：硅酸盐晶体结构的分类原则；岛状结构，组群状结构，链状结构，层状结构和架状结构的硅酸盐晶体。5.高分子材料的组成和结构的基本特征，高分子材料结晶形态、高分子链在晶体中的构象、高分子材料晶态结构模型、液晶态的结构特征与分类。重点难点：重点14种布拉维点阵；三种典型的金属晶体结构，难点离子晶体结构、高分子材料晶态结构模型、极射投影。第4章 点缺陷和扩散目的要求：熟悉点缺陷的概念、形成、平衡浓度，点缺陷的运动。了解菲克第一定律，菲克第二定律，典型条件下扩散方程的解，熟悉扩散的原子理论，了解扩散的机制及其影响因素。主要内容：1.点缺陷的类型，肖脱基空位、弗兰克尔空位、间隙原子和置换原子，间隙固溶体和置换固溶体等基本概念，离子晶体中的点缺陷特点，点缺陷的平衡浓度、影响因素及其对材料性能的影响。2.扩散概念和柯肯达尔效应，扩散第一定律、扩散第二定律。3.扩散驱动力及扩散机制，反应扩散。4.离子晶体中的扩散、聚合物中的扩散机制。5.扩散系数、扩散激活能，影响扩散的因素及原理：晶体组成的影响，化学键的影响，结构缺陷的影响。温度与杂质的影响等等。重点难点：重点扩散的机制及其影响因素，难点菲克第二定律。第5章线、面和体缺陷目的要求：掌握晶体缺陷的基本类型、特征及其运动特征；其中掌握位错的定义、基本类型和特征，柏氏矢量的定义、特性和表示方法，位错的运动（滑移、攀移，运动位错的交割），位错的生成和增殖，实际晶体结构中的位错，堆垛层错，不全位错，位错反应。了解晶体缺陷与合金材料的强化原理。了解外表面和表面能，晶界和亚晶界（小角度晶界、大角度晶界结构，晶界能，晶界特性，孪晶界），相界的定义、种类和特点。主要内容：1.位错类型，刃型位错、螺型位错、位错线和滑移线的基本概念，柏格斯回路和柏氏矢量的基本概念及物理意义。2金属晶体中的滑移面和滑移方向及其与外加切应力之间的关系。3.离子晶体、共价晶体和聚合物晶体中的位错。4.晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界面等基本概念。5.晶粒度和晶粒尺寸的基本概念及测量。6.体缺陷基本概念。7.材料的强化方法及机制。重点难点：重点晶体缺陷的基本类型、特征及其运动特征，晶体缺陷与合金材料的强化原理。第6章相平衡与相图目的要求：掌握相平衡条件和相律，单元系相图。掌握匀晶相图、共晶相图、包晶相图及其合金凝固，其他类型的二元相图，复杂二元相图的分析方法，根据相图推测合金的性能，二元相图实例分析（铁碳合金的组织及其性能）。熟悉三元相图成分表示方法（成分三角形），三元相图的空间模型，三元相图的截面和投影图。了解固态互不溶解的三元共晶相图。主要内容：1. 相平衡与相平衡图的基本概念、相律的基本概念，相平衡的相率解释。2. 二元合金相图的建立，二元相图中的匀晶、共晶、包晶、偏晶等相图的结构分析；共析、包析反应；二元相图的平衡结晶过程分析、冷却曲线；二元合金中匀晶、共晶、共析、二次相析出的平衡相和平衡组织特点；杠杆定律及其应用。3.基本相图的分析和应用，相图与性能的关系。4.熟悉铁碳合金的平衡结晶过程及室温下所得到的组织，并能够应用杠杆定律进行相组成物相对含量计算；熟悉铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体和渗碳体等基本概念。5.简单三元合金的相平衡分析、冷却曲线分析、截面图分析。重点难点：相平衡图的基本概念、相律，杠杆应律，二元相图的基本类型，典型合金的结晶过程的分析，杠杆定律的应用及相图与性能的关系。第7章非晶态材料与半晶态材料目的要求： 掌握非晶态材料与半晶态材料概念；了解聚合物的分类和主要性能，了解玻璃的结构和性能。主要内容：1.高分子的链结构、高分子的聚集态结构。2.玻璃化转变现象和玻璃化温度，玻璃化转变理论，影响玻璃化温度的因素。3.高分子结晶能力，结晶速度，影响结晶速度的因素。4.玻璃态高聚物的结构与性能；高弹态高聚物的力学性质，高弹性的特点，橡胶弹性对温度的依赖关系；高聚物的粘弹性力学松弛现象，粘弹性与时间、温度的关系。热固性和热塑性聚合物的概念及材料特性。5.离子玻璃、共价玻璃、金属玻璃的结构及性能特点，影响玻璃形成能力的因素。重点难点：高分子材料的结构特点，高聚物力学三态。第8章 组织转变动力学目的要求：掌握相变的本质和动力。主要内容： 1.相变的分类2.相变的本质和驱动力3.均匀形核与非均匀形核（三）习题及要求为使学生掌握好基本理论，需做一定数量习题。以作业、课堂讨论和课堂讲解相结合，充分发挥和调动学生的积极性，使学生完成书中习题。 各章习题见后表。（四）实践环节要求通过对微观组织的金相制备及观察了解材料的性能与组织的关系，通过“导师导航”活动，学生参观实验室、听取导师对所研究领域和科研工作的介绍，提高学生对材料科学的认识和学习兴趣。（五）能力培养要求1、分析和解决问题能力 针对具体问题，培养学生能针对具体问题分析材料的性能、工艺与组织结构和成分的关系。2、自学能力的培养 由于课时有限，要求学生课后能进行自学，对讲授过的重点进行归纳整理，对了解部分的内容进行自学加深；围绕教学内容，阅读参考书籍和资料，自我扩充知识的能力。3、自主研发能力的培养 培养学生学会独立思考，深入钻研问题的习惯。在材料科学的基本概念、基本理论等知识的同时，结合教师的科研项目，介绍材料科学最新发展和动态，引导和培养学生进行新材料、新工艺研究开发的兴趣和初步能力。三、学时分配章节课程内容讲 课实践习题1材料科学与工程222材料的原子结构43.6.14.22.40.46.543材料的晶态结构66.12.20.21.30.36.42.44.57.65.72习题课24点缺陷和扩散6待定5线、面和体缺陷8待定习题课26相平衡与相图82待定7非晶态材料与半晶态材料4待定习题课28组织转变动力学2待定复习（机动）2三、 考核方式总评成绩=平时成绩（含实验）+考试成绩平时成绩 占1015%考试成绩 占8590%四、 教材及参考书教 材：（美）James P.Schaffer.工程材料科学与设计（原书第2版），机械工业出版社，2002。参考书：1.潘金生、仝健民、田民波编，材料科学基础，清华大学出版社，19982.胡赓祥，蔡珣主编 材料科学基础， 上海交通大学出版社 2002年3.唐仁正，物理冶金基础，冶金工业出版社，1985五、授课手段：课堂多媒体演示讲解；课堂讲解习题和讨论。六、教师队伍及职称姓名性 别职 称严红革男教 授陈刚男教 授陈吉华女副教授 课程负责人：严红革撰 稿 人：陈 刚审 核 人：陈吉华