《材料科学基础》课程教学大纲.docx
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《材料科学基础》课程教学大纲
《材料科学基础》课程教学大纲
一、课程基本信息
1、课程代码：
0420070
2、课程名称（中/英文）：
材料科学基础/FundamentalsofMaterialsScience
3、学时/学分：
材料科学与工程专业、复合材料专业：
112学时/7学分；
材料成型机控制工程专业：
96学时/6学分
4、先修课程：
大学物理、普通化学、物理化学，
5、面向对象：
本科生
6、开课院（系）：
材料学院
7、教材、教学参考书：
教材：
《材料科学基础》第二版，刘智恩主编，西北工业大学出版社，2003年
参考书：
1）《材料科学基础》，胡庚祥、蔡珣主编，上海交通大学出版社，2000年
2）《材料科学基础》第二版，石德珂主编，西安交通大学出版社，2000年
3）《材料科学基础》，潘金生、仝健民主编，清华大学出版社，1998年
二、课程性质和任务
本课程材料类各专业最主要的专业基础课。
以金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料为对象，从材料的电子、原子尺度入手，介绍了热力学、动力学理论及纳观、微观尺度组织、细观尺度断裂机制及宏观性能。
既具有较强的理论性，又与生产实践紧密相关。
其任务是：
1）介绍材料的成分、微观结构、制备工艺及性能之间的关系；
2）掌握材料科学与工程的基本理论，初步掌握分析、解决工程实际问题的思路和方法；
3）初步掌握科学的实验方法和技术。
三、教学内容和基本要求
第一章工程材料中的原子排列
内容：
1）原子之间的键合
2）晶体学的基本概念及点阵类型
3）晶向指数和晶面指数及其表示方法
4）金属的晶体结构特点
5）陶瓷的晶体结构
6）晶体缺陷的类型及特征
要求：
1）熟练掌握晶面、晶向的表示方法
2）熟练掌握三种典型的晶体结构
3）熟练掌握晶体缺陷的基本类型、基本特征、基本性质
4）熟练掌握位错的应力场和应变能；位错的运动与交互作用
第二章固体中的相结构
内容：
1）固溶体的分类、结构特点及性能
2）金属间化合物相的分类、特点及性能
3）陶瓷晶体相的结构及特点
4）玻璃相及其形成
要求：
1）熟练掌握合金相的主要类型，形成条件、影响因素和性能特点
2）掌握玻璃相的形成条件
第三章凝固与结晶
内容：
1）结晶的基本规律
2）结晶的基本条件
3）晶核的形成
4）晶体的长大
5）结晶理论的应用
要求：
1）熟练掌握凝固基本规律及过冷度的概念
2）熟练掌握形核的基本条件
3）熟练掌握晶体长大条件、界面类型、长大机制及固溶体形态
4）了解凝固理论解释或说明实际生产问题
第四章相图
内容：
1）相、相平衡及相图制作
2）二元匀晶相图
3）二元共晶相图
4）二元包晶相图
5）其它二元要相图
6）二元相图的分析方法
7）相图的热力学解释
8）铸锭（件）的组织与偏析
9）三元相图
要求：
1）熟练掌握二元匀晶、共晶、包晶相图的特点
2）熟练掌握二元匀晶、共晶、包晶相图平衡、非平衡凝固成分变化规律，能够分析结晶过程及得到的组织，能够熟练运用杠杆定律计算相及组织相对含量
3）能依据相图判断合金的工艺性能与机械性能
4）掌握铁碳相图，能够分析平衡结晶过程及室温下所得到的相、组织，并计算其相对含量
5）初步掌握复杂二元相图分析方法
6）熟练掌握三元合金成分表示方法
7）掌握三元匀晶、简单三元共晶、复杂三元共晶合金结晶过程中相与组织的转变规律
8）能够绘制典型的等温截面图和垂直截面图
9）了解具有包晶转变的三元合金相图及四相平衡转变的类型
第五章材料中的扩散
内容：
1）扩散定律及其应用
2）扩散的微观机理
3）扩散的热力学理论
4）反应扩散
5）一些影响扩散的重要因素
要求：
1）掌握扩散第一、第二定律的表达式及适用的条件，各符号的意义和单位
2）熟练掌握扩散的微观机制
3）熟练掌握扩散系数的意义和影响扩散的因素
4）认识几种重要的扩散现象
5）了解扩散的实际应用，如渗碳过程等
第六章塑性变形
内容：
1）金属的应力—应变曲线
2）单晶体的塑性变形
3）多晶体的塑性变形
4）合金的塑性变形
5）冷变形金属的组织与性能
要求：
1）熟练掌握滑移、孪生变形的主要特点
2）熟练掌握滑移的微观机制
3）熟练掌握多晶体塑性变形的过程、特点，以及细晶强化的机理
4）熟练掌握合金塑性变形的特点，以及固溶强化、复相强化、弥撒强化的机理
5）熟练掌握塑性变形对晶体微观组织结构、体系能量、力学性能和物理、化学性能的影响
第七章回复与再结晶
内容：
1）冷变形金属在加热时组织和力学性能的变化
2）回复
3）再结晶
4）再结晶后的晶粒长大
5）金属的热变形
要求：
1．熟练掌握冷塑性变形金属发生回复、再结晶和晶粒长大的条件、微观机理、影响因素
2）掌握回复、再结晶的实际应用及晶粒大小的控制
3）了解动态回复、动态再结晶的微观机制、性能特点等
4）了解金属热变形的定义
第八章固态相变
内容：
1）固态相变类型
2）固态相变理论简介
3）固态相变主要类型举例
要求：
1）了解固态相变的类型
2）了解主要固态相变理论的基本思想
3）了解典型的固态相变特点
第九章复合效应与界面
内容：
1）复合材料、增强体及复合效应
2）复合材料增强原理
3）复合材料的界面
要求：
1）了解复合材料的分类
2）了解复合材料增强原理
3）了解界面类型、结合原理及性能
四、实验内容和基本要求
实验一、金相显微分析
教学目标：
学习和了解金相显微试样的制作过程和方法；通过对金相显微试样的分析，学习金相显微镜的使用方法，为以后的金相分析打下基础。
内容和基本要求：
1）了解金相显微镜的构造与使用。
2）分别用明、暗视场观察20钢及夹杂物的金相组织。
3）制备20钢金相试样，并在显微镜下观察
实验二、常见金属晶体结构和原子堆垛
教学目标：
了解局部与整体、晶体结构与整体结构的关系以及原子堆砌形式与晶体中间隙形态的大小关系。
进一步理解关于晶面、晶向以及指数、致密度等概念。
内容和基本要求：
1）bcc、fcc、hcp结构及相应的四面体、八面体间隙，观察其间隙位置和大小，找出最密排面和最密排方向。
2）沿最密排方向用钢球堆砌出三种晶体结构的堆垛次序。
3）观察晶体中的位错模型。
实验三、二元合金平衡组织分析
教学目标：
加深对二元合金相图认识，熟悉并掌握利用相图分析合金组织的方法，对固溶体组织、次生组织、共晶等组织形态和组织特征有一个初步的认识。
内容和基本要求：
1）观察并描绘六种Pb-Sn合金的显微组织
2）分析讨论以上合金组织的形成过程
实验四、二元合金不平衡组织分析
教学目标：
利用平衡态的二元相图分析不平衡凝固过程，掌握不平衡凝固的基本特点，对实际生产条件下的合金组织作出正确的分析。
内容和基本要求：
1）观察并描绘三种合金平衡与不平衡结晶条件下的组织，并注意两种条件下的组织差异
2）观察并描绘各种共晶组织形态，认识影响共晶体中两相形态因素
3）学习布氏硬度、洛氏硬度计的操作方法
实验五、铁碳合金平衡组织分析
教学目标：
认识各种成分碳钢的组织形态及其变化规律。
通过不同成分碳钢硬度的测量，认识随含碳量的增加，钢硬度的变化，进而认识钢的成分、组织与性能的关系。
内容和基本要求：
4）分析并描绘所观察铁碳合金的显微组织
1）测定五种硬度试块的HB,HR值
2）学习布氏硬度、洛氏硬度计的操作方法
实验六、金属的塑性变形与再结晶
教学目标：
了解冷塑性变形对金属组织的影响，以及回复、再结晶后的晶粒形态、大小和性能的变化规律。
内容和基本要求：
1）观察并描绘不同变形度、同一变形度不同温度加热的铜试样的显微组织。
2）测定不同变形，及同一变形度不同加热的铜试样的布氏硬度。
3）定铝片经过不同变形度变形后的相同加热温度下再结晶晶粒大小
五、各教学环节学时分配
112学时分配
讲课
习题课
讨论课
实验课
其他
合计
绪论
1
1
第一章
12
4
16
第二章
5
2
7
第三章
9
9
第四章
33
2
6
41
第五章
5
5
第六章
9
9
第七章
10
2
2
14
第八章
4
4
第九章
4
2
6
合计
92
8
12
112
96学时分配
讲课
习题课
讨论课
实验课
其他
合计
绪论
1
1
第一章
10
4
14
第二章
5
2
7
第三章
9
9
第四章
24
2
6
32
第五章
5
5
第六章
8
8
第七章
8
2
2
12
第八章
4
4
第九章
4
4
合计
78
6
12
96
六、对学生能力培养的要求
使学生通过本课程的学习，掌握材料科学的基本理论、基本概念和基本技能，学会如何分析、解决工程实际问题，建立基本的工程思维方式，并初步具有材料研究、测试和加工的能力。
七、其它说明
国家精品课《材料科学基础》课程网站：
材料科学与工程专业和复合材料工程专业本科生按112学时讲授。
材料成型及控制工程专业本科生按96学时讲授。
八．考核方法：
闭卷考试
撰写人：
王永欣制定日期：
2010年3月10日
审定人：
陈铮审定日期：
2010年3月15日
学院审查意见：
主管院长：
材料学院（盖章）：
材料科学基础课程实验教学大纲
课程编号：
0420070课程名称：
材料科学基础
课程总学时：
112/96课程总学分：
7/6
实验总学时：
12
适用专业：
材料科学与工程、材料成型及控制工程、复合材料工程
课程类型：
√必修□选修
先修课程：
大学物理、普通化学、物理化学
一、实验教学的目的、任务与要求，
实验一、金相显微分析
教学目标：
学习和了解金相显微试样的制作过程和方法；通过对金相显微试样的分析，学习金相显微镜的使用方法，为以后的金相分析打下基础。
内容和基本要求：
4）了解金相显微镜的构造与使用。
5）分别用明、暗视场观察20钢及夹杂物的金相组织。
6）制备20钢金相试样，并在显微镜下观察
实验二、常见金属晶体结构和原子堆垛
教学目标：
了解局部与整体、晶体结构与整体结构的关系以及原子堆砌形式与晶体中间隙形态的大小关系。
进一步理解关于晶面、晶向以及指数、致密度等概念。
内容和基本要求：
4）多面体球出bcc、fcc、hcp结构日及相应的四面体、八面体间隙，观察其间隙位置和大小，找出最密排面和最密排方向。
5）沿最密排方向用钢球堆砌出三种晶体结构的堆切次序。
6）观察晶体中的位错模型。
实验三、二元合金平衡组织分析
教学目标：
加深对二元合金相图认识，熟悉并掌握利用相图分析合金组织的方法，对固溶体组织、次生组织、共晶等组织形态和组织特征有一个初步的认识。
内容和基本要求：
3）观察并描绘六种Pb-Sn合金的显微组织
4）分析讨论以上合金组织的形成过程
实验四、二元合金不平衡组织分析
教学目标：
利用平衡态的二元相图分析不平衡凝固过程，掌握不平衡凝固的基本特点，对实际生产条件下的合金组织作出正确的分析。
内容和基本要求：
5）观察并描绘三种合金平衡与不平衡结晶条件下的主持，并注意两种条件下的组织差异
6）观察并描绘各种共晶组织形态，认识影响共晶体中两相形态因素
7）学习布氏硬度、络氏硬度计的操作方法
实验五、铁碳合金平衡组织分析
教学目标：
认识各种成分碳钢的组织形态及其变化规律。
通过不同成分碳钢硬度的测量，认识随含碳量的增加，钢硬度的变化，进而认识钢的成分、组织与性能的关系。
内容和基本要求：
1）分析并描绘所观察铁碳合金的显微组织
3）测定五种硬度试块的HB,HR值
4）学习布氏硬度、络氏硬度计的操作方法
实验六、金属的塑性变形与再结晶
教学目标：
了解冷塑性变形对金属组织的影响，以及回复、再结晶后的晶粒形态、大小和性能的变化规律。
内容和基本要求：
4）观察并描绘不同变形度、同一变形度不同温度加热的铜试样的显微组织。
5）测定不同变形，及同一变形度不同加热的铜试样的布氏硬度。
6）定铝片经过不同变形度变形后的相同加热温度下再结晶晶粒大小
二、实验项目内容及学时分配：
序号
实验项目
学时
实验内容
实验类型
备注
1
金相显微分析
2
了解金相显微镜的构造与使用。
分别用明、暗视场观察20钢及夹杂物的金相组织。
制备20钢金相试样，并在显微镜下观察。
基础
2
常见金属晶体结构的原始堆砌特征
2
多面体球出bcc、fcc、hcp结构日及相应的四面体、八面体间隙，观察其间隙位置和大小，找出最密排面和最密排方向。
沿最密排方向用钢球堆砌出三种晶体结构的堆切次序。
观察晶体中的位错模型。
验证
3
二元合金平衡组织分析
2
观察并描绘六种Pb-Sn合金的显微组织。
分析讨论以上合金组织的形成过程。
验证
4
二元合金不平衡组织分析
2
观察并描绘三种合金平衡与不平衡结晶条件下的主持，并注意两种条件下的组织差异。
观察并描绘各种共晶组织形态，认识影响共晶体中两相形态因素。
学习布氏硬度、络氏硬度计的操作方法。
验证
5
铁碳合金平衡组织分析
2
分析并描绘所观察铁碳合金的显微组织。
测定五种硬度试块的HB,HR值。
学习布氏硬度、络氏硬度计的操作方法。
验证
6
金属的塑性变形与再结晶
2
观察并描绘不同变形度、同一变形度不同温度加热的铜试样的显微组织。
测定不同变形，及同一变形度不同加热的铜试样的布氏硬度。
定铝片经过不同变形度变形后的相同加热温度下再结晶晶粒大小。
综合
三、主要教材：
《材料科学基础》第二版，刘智恩主编，西北工业大学出版社，2003年
西北工业大学自编实验指导书
四、考核方式：
随课程考试
五、使用主要仪器设备说明：
1.OLMPUSGM3光学金相显微镜
2.Lecia光学金相显微镜
3.蔡氏金相显微镜
4.金相式样抛光机
5.洛氏硬度计
6.布氏硬度计
7.箱式电阻炉
8.多媒体投影机
制订人：
王永欣课程负责人：
陈铮
实验中心审核人：
学院审核人：
大纲制订时间：
2010年3月25日
材料科学基础期末考试大纲
课程编号：
0420070课程名称：
材料科学基础
课程总学时：
112/96课程总学分：
7/6
考试形式：
闭卷考试
一、考试内容
1.工程材料中的原子排列：
（1）原子键合，工程材料种类；
（2）原子的规则排列：
晶体结构与空间点陈，晶向及晶面的表示，金属的晶体结构，陶瓷的晶体结构。
（3）原子的不规则排列：
点、线、面缺陷，位错的类型、位错的弹性性质、实际晶体中的位错。
2.固体中的相结构：
（1）固溶体、金属间化合物的分类、结构及性能；
（2）玻璃相。
3.凝固：
（1）结晶的基本规律、基本条件；
（2）晶核的形成与长大；
（3）结晶理论的应用。
4.相图：
（1）相图的基本知识；
（2）二元匀晶相图及固溶体的结晶、共晶相图及共晶转变、包晶相图及包晶转变；
（3）二元相图的分析方法其他类型的二元相图及其应用、相图的热力学基础。
（4）三元相图的几何特征；
（5）三元匀晶相图、共晶相图。
5.固体中的扩散：
（1）扩散定律及其应用；
（2）扩散的微观机理，影响扩散的因素；
（3）扩散的热力学理论；
（4）反应扩散。
6.塑性变形：
（1）单晶体的塑性变形；
（2）多晶体的塑性变形；
（3）合金的塑性变形；
（4）冷变形金属的组织与性能，超塑性。
7.回复与与结晶：
（1）冷变形金属在加热时的变化；
（2）回复机制；
（3）再结晶及再结晶后的晶粒长大；
（4）金属的热变形。
8.固态相变
（1）固态相变的概念及分类；
（2）固态相变的主要类型及特点。
9.复合效应与界面
（1）材料复合概念、分类及特点；
（2）增强体、复合效应；
（3）复合材料增强原理；
（4）复合材料的界面。
二、参考书目
1.《材料科学基础》（第二版），刘智恩，西北工业大学出版社，2003
2.《材料科学基础》，胡庚祥，蔡珣，上海交通大学出版社，2000
3.《材料科学基础》，石德珂，西安交通大学出版社，2000
4.《材料科学基础》，潘金生，仝健民，清华大学出版社，1998
制订人：
王永欣课程负责人：
陈铮
实验中心审核人：
学院审核人：
大纲制订时间：
2010年3月25日
2013年硕士研究生入学考试
《材料科学基础》考试大纲
题号：
832修订日期：
2012年3月
一、考试内容
1.工程材料中的原子排列
•原子键合，工程材料种类；
•原子的规则排列：
晶体结构与空间点阵，晶向及晶面的特点及表示，金属的晶体结构，陶瓷的晶体结构。
•原子的不规则排列：
点、线、面缺陷的类型及特征，位错的弹性性质，实际晶体中的位错。
2.固体中的相结构
•固溶体：
分类、性能及影响固溶度的因素；
•金属间化合物：
分类、性能及特征；
•陶瓷晶体相：
分类、结构、性能及特征；
•玻璃相：
性能、特征及形成条件。
3.凝固
•结晶的基本规律；
•结晶的基本条件；
•晶核的形成：
形核能量变化，临界晶核，形核功，形核率；
•晶体的长大：
长大条件，液固界面结构，长大机制，温度梯度，晶体形态；
•凝固理论的应用。
4.二元相图：
•相图的基本知识；
•二元匀晶相图、共晶相图及包晶相图：
二元合金的平衡凝固及非平衡凝固，凝固过程中的成分变化及偏析，成分过冷与固溶体组织，共晶体形成机理及其形态，杠杆定律；
•二元相图的分析方法，其他类型二元相图及其应用；
•Fe-C相图分析及平衡凝固；
•铸锭组织与偏析。
5.材料中的扩散：
•扩散定律及其应用；
•扩散的微观机理，影响扩散的因素；
•扩散的热力学理论；
•反应扩散。
6.塑性变形：
•单晶体的塑性变形；
•多晶体的塑性变形；
•合金的塑性变形；
•冷变形金属的组织与性能。
7.回复与与结晶：
•冷变形金属在加热时的变化；
•回复：
机制，热力学，动力学，应用，影响因素；
•再结晶：
机制，热力学，动力学，应用，影响因素；
•再结晶后晶粒长大：
机制，热力学，动力学，应用及组织控制，影响因素；
•金属的热变形，超塑性。
二、参考书目
1.《材料科学基础》（第二版），刘智恩，西北工业大学出版社，2003
2.《材料科学基础》，胡庚祥，蔡珣，上海交通大学出版社，2000
3.《材料科学基础》，石德珂，西安交通大学出版社，2000
4.《材料科学基础》，潘金生，仝健民，清华大学出版社，1998
三、课程网站
index.htm
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