材料科学基础Ι课程教学大纲.docx
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材料科学基础Ι课程教学大纲
材料科学基础Ι课程教学大纲
一、课程说明
(一)课程名称、所属专业、课程性质、学分;
课程名称:
材料科学基础
所属专业:
材料物理,材料化学
课程性质:
专业基础课
学分:
8
(二)课程简介、目标与任务;
课程简介:
本课程是材料学科本科生的一门专业基础课。
它的主要任务是使学生对材料的生产、科研、应用以及它的过去、现在和未来有初步了解,以及对材料科学与工程有一个较全面而又概括的了解同时,使学生掌握较完整全面的材料科学基础知识。
本课程的覆盖面较宽,要介绍工程材料的结构与性能,生产制备,科研和应用的概况,材料的发展历史,目前状况和发展趋势。
各章节除介绍有关材料的基本知识外,尽可能反映该领域的新成果、新发展及其在新技术中的应用。
用必要的例子生动地描述出该领域的基本情况、动态和趋势。
从这个意义上说,它不是一门传统的导论课,而是学生掌握材料科学基础知识的基础课。
它让学生了解这一领域的基础、现状和前景。
课程对材料研究的若干方法也做一些简介。
目标与任务:
通过本课程教学,使学生对材料科学基础知识以及材料的生产过程有一个较全面、较概括的了解;对当前材料科学研究的前沿有初步了解;培养学生对材料科学的兴趣。
初步掌握各类工程材料的基本概念,包括组织结构、性能、生产过程和应用等;初步了解材料科学的研究前沿以及我校材料学科的科研工作简况。
(三)先修课程要求,与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接;
本课程是材料专业的专业基础课,本课程的学习需要学生具备高等数学、大学物理、大学化学作基础,同时又是材料专业的专业课(如金属材料学、陶瓷材料学、高分子材料、功能材料等)的基础。
(四)教材与主要参考书。
1.W.D.Callister,Jr.,MaterialsScienceandEngineering:
AnIntroduction,6thedition,JohnWileyandSons,Inc.,NewYork,2003.
2.W.D.Callister,Jr.,FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering,5thedition,JohnWileyandSons,Inc.(2001).化学工业出版社,2004年。
二、课程内容与安排
教学方法:
课堂讲授,讨论
教学内容、学时及基本要求:
第一章绪论(参考学时数:
4)
历史回顾,材料科学与工程,为什么要学习材料科学与工程?
材料分类,先进材料,现代材料需求
【重点掌握】:
材料、材料科学、材料工程、材料科学与工程的概念与范畴,材料分类
【了解】:
材料科学与工程的发展历史,材料科学与工程在现代技术和社会生活中的重要性
【难点】:
材料科学的概念与范畴与其他学科的区别及关系
第二章原子结构与原子间结合(参考学时数:
4)
引言,原子结构,基本概念,原子中的电子,元素周期表,固体中的原子结合,结合力与结合能,主键,次键或范德瓦耳斯键,分子
【重点掌握】:
原子结构,固体中的原子结合,结合力与结合能,主键,次键或范德瓦耳斯键
【了解】:
原子中的电子,元素周期表
【难点】:
不同类型原子结合与固体基本性质的关系
第三章晶态固体的结构(参考学时数:
12)
引言,晶体结构,基本概念,晶胞,金属晶体结构,密度计算,同质异构现象与同素异构现象,晶系,晶向和晶面,晶向,晶面,原子线密度和原子面密度密排晶体结构,晶态材料与非晶态材料,单晶,多晶材料,各向异性,X射线衍射:
晶体结构的确定,非晶态固体
【重点掌握】:
晶体结构,晶胞,晶系,晶向和晶面,晶向指数,晶面指数,密排晶体结构
【掌握】:
密度计算,同质异构现象与同素异构现象,原子线密度和原子面密度,X射线衍射晶体结构的确定,非晶态固体
【了解】:
晶态材料与非晶态材料,单晶,多晶材料,各向异性
【难点】:
常见晶体结构,晶向指数和晶面指数熟练应用
第四章固体中的缺陷(参考学时数:
4)
引言,点缺陷,空位与自间隙原子,固体中的杂质,线缺陷与面缺陷,线缺陷——位错,面缺陷,体缺陷,原子振动,显微检验,概要,显微术,晶粒尺寸的确定
【重点掌握】:
空位,自间隙原子,刃位错,螺位错
【掌握】:
点缺陷,线缺陷,面缺陷,体缺陷,原子振动,晶粒尺寸的确定
【了解】:
显微检验,概要,显微术
【难点】:
固体缺陷与材料行为的关系
第五章扩散(参考学时数:
2)
引言,扩散机制,稳态扩散,非稳态扩散,影响扩散的因素,其他扩散途径
【重点掌握】:
扩散机制,稳态扩散
【掌握】:
非稳态扩散,影响扩散的因素
【难点】:
空位扩散、间隙扩散
第六章金属力学性能(参考学时数:
8)
引言,应力和应变的概念,弹性变形,应力-应变曲线,滞弹性,材料的弹性,塑性变形,拉伸性能,真应力和真应变,塑性变形过程中的弹性恢复,压缩、剪切和扭转变形,硬度,材料性能的变异性,设计/安全系数
【重点掌握】:
应力和应变的概念,弹性变形,应力-应变曲线,塑性变形,真应力和真应变,塑性变形过程中的弹性恢复,硬度,
【掌握】:
滞弹性,拉伸性能,压缩、剪切和扭转变形,设计/安全系数
【了解】:
材料性能的变异性
【难点】:
真应力和真应变
第七章位错与强化机制(参考学时数:
6)
引言,位错与塑性变形,基本概念,位错的特性,滑移系,单晶体中的滑移,多晶材料的塑性变形,孪生变形,金属强化机制,减小晶粒尺寸强化,固溶强化,应变硬化,沉淀硬化,回复、再结晶和晶粒长大
【重点掌握】:
位错的特性,位错与塑性变形,滑移系,单晶体中的滑移,多晶材料的塑性变形,孪生变形,金属强化机制,减小晶粒尺寸强化,固溶强化,应变硬化,沉淀硬化,回复、再结晶和晶粒长大,
【难点】:
位错与塑性变形,金属强化机制,
第八章失效(参考学时数:
6)
引言,断裂,断裂的基本原理,延性断裂,脆性断裂,断裂力学基本原理,冲击断裂试验,疲劳,交变应力,SN疲劳曲线,裂纹的产生与扩展,裂纹扩展速率,影响疲劳寿命的因素,环境效应,蠕变,广义蠕变行为,应力和温度的影响,数据外推法,高温合金
【重点掌握】:
断裂,断裂的基本原理,延性断裂,脆性断裂,疲劳,裂纹的产生与扩展,裂纹扩展速率,蠕变,广义蠕变行为,应力和温度的影响,
【掌握】:
断裂力学基本原理,冲击断裂试验,交变应力,SN疲劳曲线,影响疲劳寿命的因素,环境效应,
【了解】:
数据外推法,高温合金
【难点】:
脆性断裂,疲劳,裂纹的产生与扩展
第九章相图(参考学时数:
8)
引言,定义和基本概念,溶解度极限,相,微结构,相平衡,平衡相图,二元匀晶系,二元共晶系,具有中间相或化合物的平衡相图,共析反应和包晶反应,同成分相变,陶瓷和三元相图,吉布斯相律,铁-碳系,铁-渗碳体(Fe-Fe3C)相图,铁碳合金微结构的形成,其他合金元素的影响
【重点掌握】:
相,微结构,相平衡,平衡相图,二元匀晶系,二元共晶系,共析反应和包晶反应,同成分相变,吉布斯相律,铁-渗碳体(Fe-Fe3C)相图
【掌握】:
溶解度极限,具有中间相或化合物的平衡相图,陶瓷和三元相图,铁碳合金微结构的形成,其他合金元素的影响
【难点】:
铁-渗碳体(Fe-Fe3C)相图及其铁碳合金微结构
第十章金属中的相变:
微结构的形成与力学性能的变化(参考学时数:
6)
引言,相变,基本概念,固态反应动力学,多相转变,铁碳合金的微结构与性能变化,等温转变图,连续冷却转变图,铁碳合金力学性能,回火马氏体,铁碳合金相变总结
【重点掌握】:
相变,固态反应动力学,铁碳合金的微结构与性能变化,等温转变图,连续冷却转变图,铁碳合金力学性能,铁碳合金相变总结
【掌握】:
多相转变,回火马氏体
【难点】:
铁碳合金的微结构与性能变化,等温转变图,连续冷却转变图,铁碳合金力学性能
第十一章金属合金的应用和加工(参考学时数:
12)
引言,退火处理,中间退火,去除应力,黑色合金的退火,钢的热处理,淬透性,淬火介质、试样尺寸和几何形状的影响,沉淀硬化,热处理,硬化机制,其他考虑,金属加工,成形,铸造,其他技术,黑色合金,钢,铸铁,有色合金,铜及其合金,铝及其合金,镁及其合金,钛及其合金,难熔金属,超合金,贵金属,其他有色合金
【重点掌握】:
退火处理,淬透性,沉淀硬化,
【掌握】:
中间退火,去除应力,黑色合金的退火,钢的热处理,淬火介质、试样尺寸和几何形状的影响,热处理,金属加工,成形,铸造,其他技术,黑色合金,钢,铸铁,有色合金,铜及其合金,铝及其合金,镁及其合金,钛及其合金,难熔金属,超合金,贵金属,其他有色合金
【难点】:
金属的加工与应用
制定人:
李建功
审定人:
批准人:
日期:
2012.10.25
第十二章陶瓷的结构与特性(参考时数:
8)
引言,陶瓷的晶体结构,硅酸盐陶瓷,碳,陶瓷中的缺陷,陶瓷相图,陶瓷脆性断裂,应力应变行为,塑性形变机制,其他力学考虑
【重点掌握】:
陶瓷的晶体结构,陶瓷分类,陶瓷应力应变行为及塑性变形机制,
【掌握】:
陶瓷的结构类型,离子性陶瓷的结构计算原则,硅酸盐陶瓷的结构分类,碳的多种形态,陶瓷中的缺陷类型,缺陷密度计算,陶瓷的典型的应力应变行为特征,陶瓷塑性形变的机制
【难点】:
离子性陶瓷的结构预测与计算,缺陷种类及密度计算
第十三章陶瓷的应用于加工(参考学时数:
8)
引言,陶瓷的分类与应用,玻璃和玻璃陶瓷的特性,玻璃的成型,玻璃的生产与加工,玻璃热处理,陶土耐火材料,硅酸盐耐火材料,基本耐火材料,特殊耐火材料,陶土的特性,陶土制品的成分,生产技术,烘干和烧结,磨料,水泥,先进陶瓷,粉末压缩成型,带式浇注成型
【重点掌握】:
陶瓷的分类,陶瓷的成型方法
【掌握】:
陶瓷的分类,不同种类的陶瓷加工成型的工艺类型,能够耐火的温度和稳定使用的温度,玻璃的成型工艺类型,玻璃的生产工艺,传统陶瓷应用和种类,工具陶瓷应用和种类,功能陶瓷应用和种类,耐火陶瓷应用和种类,结构陶瓷应用和种类,特殊陶瓷的应用和种类
【难点】:
陶瓷的性能与应用,陶瓷的成型工艺和生产工艺
第十四章聚合物的结构(参考学时数:
8)
引言,碳氢分子,聚合物分子,聚合物分子化学,分子量,聚合度,分子形状,分子结构,分子组态,共聚物,聚合物的结晶性,聚合物晶体,聚合物中的缺陷,聚合物材料中的扩散
【重点掌握】:
聚合物的分类,聚合物的结构层次,聚合物的分子量与聚合度
【掌握】:
均聚物,共聚物,结构单元,接枝聚和物,线形聚合物,交联聚合物,网状聚合物,立体同分异构,顺式立构,反式立构,无规立构,相间共聚物,嵌段共聚物,无规共聚物,晶体结构,球晶结构,链折叠模型,数均分子量,质均分子量,聚合度
【难点】:
聚合物的结构层次,聚合物的分子量和聚合度
第十五章聚合物的特性、应用与加工(参考学时数:
12)
引言,聚合物的力学行为,聚合物的形变和强化机理,聚合物中的晶化、熔化和玻璃转变现象,聚合物的类型,聚合物的合成和加工,
【重点掌握】:
聚合物的应力应变行为,聚合物的弹性和塑性变形机理,聚合物的晶化、熔化和玻璃转变现象以及影响熔化和玻璃转变温度的因子
【掌握】:
聚合物的应力应变行为,宏观变形,粘弹性行为,聚合物的断裂,其他力学特性,部分晶化聚合物的形变,音响部分晶化聚合物的力学特性的因子,高弹体的形变,晶化,熔化,玻璃转变,熔化和玻璃转变温度,影响熔化和玻璃转变的因子,塑料,高弹体,纤维,其他应用,先进聚合物材料,聚合,添加剂,塑料成型技术,高弹体的生产,纤维和薄膜的生产
【难点】:
聚合物的弹性和塑性变形机理,聚合物材料的生产与加工
第十六章复合材料(参考学时数:
10)
引言,颗粒增强复合材料,纤维增强复合材料,结构复合材料
【重点掌握】:
退火处理,淬透性,沉淀硬化,
【掌握】:
大颗粒复合材料,分散强化复合材料,纤维长度的影响,纤维浓度和取向的影响,纤维相,基体相,聚合物基体复合材料,金属基体复合材料,碳-碳复合材料,其它复合材料,纤维增强复合材料生产,片状复合材料,三明治结构复合材料
【难点】:
影响复合材料的性能的因素,纤维增强复合材料的轴向和横向拉伸强度、弹性模量的计算
第十七章材料的腐蚀与退化(参考学时数:
4)
【重点掌握】:
引言,金属的腐蚀,陶瓷材料的腐蚀,聚合物材料的退化,腐蚀案例研究
【掌握】:
电化学腐蚀,腐蚀速率,腐蚀速率预测,钝化,环境效应,腐蚀形式,腐蚀环境,腐蚀防护,氧化,聚合物的溶胀和溶解,键合裂解,聚合物的风化,人造全髋关节替换
【难点】:
电化学腐蚀的速率计算以及腐蚀防护,腐蚀形式和腐蚀环境
第十八章电学性能(参考学时数:
6)
引言,导体,半导体,离子性陶瓷和聚合物中的导电性,介电行为,材料的其他电学特性
【重点掌握】:
导体的导电机理及规律,半导体的导电机理及规律,介电行为规律
【掌握】:
欧姆定律,电导率,电子导电和离子导电,固体中的能带结构,导电的能带和原子成健模型解释,电子迁移率,金属的电阻率,商用合金的电学特性,内禀半导体,外禀半导体,电导率和载流子浓度随温度的变化,霍尔效应,半导体器件,离子材料中的导电,聚合物的电学特性,电容,场矢量和极化,极化的类型,介电常数的频率依赖性,介电强度,绝缘材料,铁电材料,压电材料
【难点】:
不同材料的导电机理以及所遵从的规律
第十九章热学特性(参考学时数:
4)
引言,热容,热膨胀,热导率,热应力,案例研究,太空宇宙飞船的热防护
【重点掌握】:
定压热容,定容热容,热膨胀系数,热应力
【掌握】:
热容的物理含义,定压热容,定容热容,热导率,热胀冷缩的机理,热应力的来源。
【难点】:
热胀冷缩的物理机理,热应力的预测
第二十章磁学性能(参考学时数:
6)
引言,基本概念,抗磁性和顺磁性,铁磁性,反铁磁性和亚铁磁性,温度对磁学行为的影响,磁畴和磁致,软磁材料,硬磁材料,磁存储,超导电性
【重点掌握】:
磁性的起源,原子玻尔磁子的计算,材料饱和磁化强度的理论计算
【掌握】:
磁性的基本概念,磁性的起源,抗磁性和顺磁性,铁磁性,反铁磁性和亚铁磁性,温度对磁学行为的影响,磁畴和磁致,软磁材料,硬磁材料,磁存储,超导电性,去磁能,磁能积,第I类超导体,第II类超导体
【难点】:
饱和磁化强度的理论计算
第二十一章光学特性(参考学时数:
6)
引言,电磁辐射,光与固体相互作用,原子和电子相互作用,折射,反射,吸收,透射,颜色,绝缘体中的不透明和半透明,发光,光电导,激光,通讯中的光学纤维
【重点掌握】:
光学性能与能带结构的关系
【掌握】:
电磁辐射的经典解释,电磁辐射的量子解释,电磁辐射与物质的相互作用,折射率,折射的机理,吸收和透射以及颜色和能带的关系,发光的机理,发光颜色的调制,激光器的工作原理,光纤的结构
【难点】:
颜色,透明,吸收的物理机理
第二十二章材料科学与工程中相关的经济、环境和社会议题(参考学时数:
2)
引言,经济方面的考虑,环境和社会方面的考虑
【重点掌握】:
成本控制,环境保护,社会发展
【掌握】:
材料的选择与设计,生产工艺和技术,材料科学与工程中材料的循环再利用
【难点】:
成本控制,质量选择
制定人:
李建功
审定人:
批准人:
日期:
2016.11.18