《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、《材料科学基础》课程说明
（一）课程代码：
08131015
（二）课程英文名称：
FundamentalsofMaterialsScience
（三）开课对象：
材料物理专业
（四）课程性质：
《材料科学基础》是材料科学与工程系各专业本科生的一门重要的专业基础课，以介绍工程材料的基础理论为目的，既具有较强的理论性，又与生产实际有紧密的联系。
研究材料的成份、组织结构、性能及三者间的关系。
（五）教学目的：
掌握有关工程材料的基本理论和知识，训练用所学理论分析实际问题的方法和思路。
初步掌握材料的科学实验方法和有关的实验技术；掌握定量、半定量地解决工程材料问题的方法。
（六）教学内容：
本课程主要包括工程材料中的原子排列、固体中的相结构、凝固、相图、固体中的扩散、塑性变形、回复与再结晶、固态相变、复合效应与界面，以上内容都是材料科学的基础理论，它对于发展新材料、培养学生创新能力具有深远的意义。
（七）学时数、学分数及学时数具体分配
学时数：
72学时
分数：
4学分
学时数具体分配：
教学内容
讲授
实验/实践
合计
《材料科学基础》绪论
1
1
第一章工程材料中的原子排列
13
13
第二章固体中的相结构
4
4
第三章凝固
8
8
第四章相图
18
18
第五章材料中的扩散
6
6
第六章塑性变形
6
6
第七章回复与再结晶
8
8
第八章固态相变
4
4
第九章复合效应与界面
4
4
合计
72
72
（八）教学方式：
以讲授为主的教学方式。
（九）考核方式和成绩记载说明：
考核方式为考试。
严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格。
综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩占40%，期末成绩占60%。
二、讲授大纲与各章的基本要求
第一章工程材料中的原子排列
教学要点：
通过本章的学习使学生掌握固体中原子的排列方式和分布规律，包括固体中的原子是如何相互作用并结合起来的，晶体的特征及其描述方法，晶体结构的特点，各种晶体间的差异，以及晶体结构中缺陷的类型及性质。
这些都是本章重点介绍的内容。
这些知识不仅是学习材料学科课程的基础，也是学习其他专业课程比不可少的基础。
1.掌握晶面、晶向的表示方法
2．熟悉三种典型的晶体结构
3．晶体缺陷的基本类型、基本特征、基本性质
4．位错的应力场和应变能；位错的运动与交互作用
教学时数：
13学时
教学内容：
第一节原子键合
一、固体中的原子的结合键（金属键、共价键、离子键、分子键、氢键）
二、工程材料的分类
第二节原子的规则排列
一、晶体学基础（晶体、结构、空间点阵、布拉菲点阵晶面指数、晶向指数、晶面间距）
二、晶体结构及其几何特征（金属中常见晶体结构、陶瓷的晶体结构）
第三节原子的不规则排列
一、点缺陷（平衡浓度、形成、结构和能量）
二、线缺陷（位错的基本类型、柏氏矢量、位错密度、作用在位错上的力及位错的运动、位错的应力场与应变能位错之间的交互作用、位错的增值、塞积与交割、实际晶体中的位错）
三、面缺陷（晶界、亚晶界、挛晶界和相界）
考核要求：
1、原子键合
1.1固体中的原子的结合键（识记）
1.2工程材料的分类（领会）
2、原子的规则排列
2.1晶体学基础（领会）
2.2晶体结构及其几何特征（识记）
3、原子的不规则排列
3.1点缺陷（应用）
3.2线缺陷（应用）
3.3面缺陷（领会）
第二章固体中的相结构
教学要点：
通过本章的学习使学生掌握固熔体、化合物、陶瓷晶体相、玻璃相及分子相等五类。
本章讨论各类相的组成、结构类型、形成规律及性能特点。
1．熟悉合金相的主要类型，形成条件和性能特点
2．理解Hume—Rothery规则；
3．玻璃相的形成条件
4．了解分子相的结构特点及分子晶体
教学时数：
4学时
教学内容：
第一节固熔体
一、什么是固熔体
二、置换固熔体（原子尺寸因素、晶体结构因素、负电性因素、电子浓度因素）
三、间隙固熔体
四、有序固熔体
五、固熔体的性能
第二节金属间化合物
一、正常价化合物
二、电子化合物（电子相）
三、间隙化合物（简单间隙化合物、复杂间隙化合物）
四、金属化合物的特点
第三节陶瓷晶体相
一、氧化物结构（AB型、AB2、A2B2型、ABO3型）
二、硅酸盐结构的特点及分类（特点、分类）
第四节玻璃相
第五节分子相
一、大分子及其构成（巨大分子及相对分子质量、高分子的合成）
二、高聚物的结构（结构单元的化学组成、结构单元的键接方式和构型、大分子链的几何形状、大分子链的构象、大分子的聚集态结构）
考核要求：
1、固熔体
1.1什么是固熔体（识记）
1.2置换固熔体（领会）
1.3有序固熔体（识记）
2、金属间化合物
2.1正常价化合物（领会）
2.2金属间化合物特点（识记）
3、陶瓷晶体相
3.1AB型、AB2、A2B2型、ABO3型（识记）
3.2硅酸盐特点（识记）
3.3硅酸盐分类（识记）
4、玻璃相
4.1形成条件（领会）
5、分子相
5.1分子相（识记）
5.2高聚物的结构
5.2.1结构单元的化学组成（识记）
5.2.2结构单元的键接方式和构型（领会）
5.2.3大分子链的几何形状（领会）
5.2.4大分子链的构象（领会）
5.2.5大分子的聚集态结构（领会）
第三章凝固
教学要点：
通过本章的学习使学生掌握纯金属在凝固过程中的基本规律及如何利用它来控制金属的组织。
1．掌握凝固理论及过冷度的概念
2．晶体长大机制及界面形态
3．用凝固理论解释或说明实际生产问题
教学时数：
8学时
教学内容：
第一节金属结晶的基本现象
一、金属结晶的微观现象
二、金属结晶的宏观现象（冷却曲线与金属结晶温度、过冷现象与过冷度）
第二节金属结晶的基本条件
一、金属结晶的热力学条件
二、金属结晶的结构条件
第三节晶核的形成
一、均匀形核（晶胚形成时能量的变化、临界晶核、形核功、形核率）
二、非均匀形核（形核功、形核率）
第四节晶体的长大
一、晶体长大的条件
二、液－固界面的微观结构
三、晶体长大的机制（垂直长大方式、横向长大方式）
四、晶体长大的形态
五、陶瓷、聚合物的凝固
六、凝固理论的应用（铸态晶粒的控制、单晶体的制备、定向凝固技术、非晶态金属、微晶合金）
考核要求：
1、金属结晶的基本现象
1.1金属结晶的微观现象（识记）
1.2金属结晶的宏观现象（领会）
2、金属结晶的宏观现象
2.1热力学条件（识记）
2.2结构条件（识记）
3、晶核的形成
3.1均匀形核（识记）
3.2形核功、形核率（识记）
4、晶体的长大
4.1条件（识记）
4.2固界面的微观结构（领会）
4.3液－垂直长大方式、横向长大方式（领会）
4.4陶瓷、聚合物的凝固（领会）
4.5凝固理论的应用（领会）
第四章相图
教学要点：
通过本章的学习使学生掌握相图，它是表示材料系统中相的状态与温度及成分之间关系的一种图形。
由相图可以知道材料的凝固或熔化温度及系统中可能发生的固态相变或其他转变，材料的性能与相图有一定关系，通过相图可以预测材料的某些性能。
1．能认识一般的二元相图，并会分析合金的结晶过程及得到的组织．
2．掌握分析相图的方法
3．能依据相图判断合金的工艺性能与机械性能
4．理解成分过冷的形成、影响因素
5．会分析铁碳合金平衡结晶过程及室温下所得到的组织
6．说明含碳量的改变怎样影响铁碳合金的组织和性能
7．熟悉三元合金成分表示方法，懂得直线定律与重心法则的应用
8．掌握三元合金结晶过程中相与组织的转变规律
9．会看简单的等温截面图和变温截面图
教学时数：
18学时
教学内容：
第一节相、相平衡及相图制作
一、相
二、相平衡与相律
三、相图的表示与测定
第二节二元匀晶相图
一、相图分析
二、固熔体的平衡凝固（过程、组织、杠杆定律）
三、固熔体的非平衡凝固与微观偏析
四、固熔体的非平衡结晶与宏观偏析（液相内熔质完全混合、原子部分混合、通过扩散混合、区域熔炼）
五、成分过冷与固熔体的组织（形成、控制）
第三节二元共晶相图
一、相图分析
二、共晶系合金的平衡凝固和组织（端部固熔体合金、共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金）
三、共晶组织及其形成机理（粗糙－粗糙界面共晶、粗糙－平滑界面共晶、平滑－平滑界面共晶）
四、共晶系合金的非平衡凝固和组织（伪共晶组织、离异共晶）
第四节二元包晶相图
一、相图分析
二、包晶合金的平衡凝固和组织
三、包晶合金的非平衡凝固和组织
第五节其它二元要相图
一、形成化合物的二元相图
二、具有三相平衡恒温转变的其他二元相图
三、有序－无序转变的相图
四、同素异晶转变的相图
第六节二元相图的分析方法
一、复杂二元相图的分析方法
二、二元相图分析实例（相图中的相、点、线、铁炭合金结晶过程分析、组织与力学性能）
三、相图与合金的性能
第七节相图的热力学解释
一、熔体的自有能－成分曲线
二、异相平衡的条件
三、由二元系各相的自由能曲线绘制相图
第八节铸锭的组织与偏析
一、铸锭的组织
二、铸锭组织的控制
三、铸锭中的偏析（正偏析、反偏析、密度偏析）
第九节三元相图
一、三元相图的几何特征（成分表示方法、直线法则与杠杆定理、重心法则、相区相邻规则）
二、三元匀晶相图（相图及其投影图、等温截面图、垂直截面图）
三、三元共晶相图
四、相平衡特征（单相状态、两相平衡、三相平衡、四相平衡）
五、实用三元相图举例
考核要求：
1、相、相平衡及相图制作
1.1相（识记）
1.2相平衡与相律（领会）
1.3相图的表示与测定（应用
2、二元匀晶相图
2.1二元匀晶相图（识记）
2.2平衡凝固和非平衡凝固，偏析（领会）
3、二元共晶相图
3.1相图分析（识记）
3.2共晶系合金的平衡凝固和组织（端部固熔体合金、共晶合金、亚共晶合金、晶合金）（领会）
3.3共晶组织及其形成机理（粗糙－粗糙界面共晶、粗糙－平滑界面共晶、平滑－平滑界面共晶）（领会）
3.4共晶系合金的非平衡凝固和组织（伪共晶组织、离异共晶）（领会）
4、二元包晶相图
4.1相图分析（应用）
4.2包晶合金的平衡凝固和组织（领会）
4.3包晶合金的非平衡凝固和组织（领会）
5、其它二元要相图
1.形成化合物的二元相图（识记）
6、二元相图的分析方法
6.1复杂二元相图的分析方法（识记）
6.2二元相图分析实例（相图中的相、点、线、铁炭合金结晶过程分析、组织与力学性能）（识记）
6.3相图与合金的性能（识记）
7、相图的热力学解释
7.1熔体的自有能－成分曲线（识记）
7.2异相平衡的条件（领会）
7.3由二元系各相的自由能曲线绘制相图（应用）
8铸锭的组织与偏析
8.1铸锭的组织（领会）
8.2铸锭组织的控制（领会）
8.3铸锭中的偏析（正偏析、反偏析、密度偏析）（领会）
9、三元相图
9.1三元相图的几何特征（成分表示方法、直线法则与杠杆定理、重心法则、相区相邻规则）（识记）
9.2三元匀晶相图（相图及其投影图、等温截面图、垂直截面图）（领会）
9.3三元共晶相图（识记）
9.4相平衡特征（单相状态、两相平衡、三相平衡、四相平衡（识记））
9.5实用三元相图举例（领会）
第五章材料中的扩散
教学要点：
通过本章的学习使学生掌握扩散速率及其宏观规律、扩散微观机理。
1．扩散第一、第二定律的表达式，适用的条件，各符号的意义和单位
2．说明扩散系数的意义和影响扩散的因素
3．认识几种重要的扩散现象
4．了解扩散的实际应用，如渗碳过程等
教学时数：
6学时
教学内容：
第一节扩散定律及其应用
一、扩散定律（菲克第一定律、第二定律）
二、科肯道尔效应
三、扩散定律的应用
第二节扩散的微观机理
一、扩散机制（间隙机制、空位机制、其他扩散机制）
二、原子热运动与晶体中的扩散
三、晶态化合物中的扩散
四、非晶态固体中的扩散
五、界面扩散
第三节扩散的热力学理论
一、扩散驱动力
二、扩散系数
三、上坡扩散
第四节反应扩散
第五节一些影响扩散的因素
一、温度
二、晶体的类型与结构
三、晶体缺陷
四、化学成分
考核要求：
1、扩散定律及应用
1.1扩散定律（菲克第一定律、第二定律）（识记）
1.2科肯道尔效应（应用）
1.3扩散定律的应用（应用）
2、扩散的微观机理
2.1扩散机制（间隙机制、空位机制、其他扩散机制）（识记）
2.2原子热运动与晶体中的扩散（领会）
2.3晶态化合物中的扩散（领会）
2.4非晶态固体中的扩散（领会）
2.5界面扩散（领会）
3、扩散的热力学理论
3.1扩散驱动力（识记）
3.2扩散系数（应用）
3.3上坡扩散（领会）
4、反应扩散（领会）
5、一些影响扩散的因素
5.1温度（识记）
5.2晶体的类型与结构（识记）
5.3晶体缺陷（识记）
5.4化学成分（领会）
第六章塑性变形
教学要点：
通过本章的学习使学生掌握金属材料在外力作用下的变形方式及塑性变形的机制。
1.熟悉滑移、孪生变形的主要特点
2．说明多晶体塑性变形的过程及特点
3．理解加工硬化、细晶强化等产生的原因和它的实际意义
4．塑性变形过程中组织和性能的变化规律
教学时数：
6学时
教学内容：
第一节金属的应力－应变曲线
一、工程应力－应变曲线
二、真应力－真应变曲线
第二节单晶体的塑性形变
一、滑移（滑移现象、滑移系、临界分切应力、滑移时晶体的转动、多滑移和交错移、滑移的位错机制）
二、挛生（变形现象、特点）
第三节多晶体的塑性形变
一、晶粒曲向的影响
二、晶界的影响
第四节合金的塑性变形
一、固熔体的塑性变形
二、多相合金的塑性变形
第五节冷变形金属的组织与性能
一、显微组织的变化
二、变形织构
三、残留应力和点阵畸变
四、塑性变形对性能的影响
第六节聚合物的变形
一、热塑性聚合物的变形
二、热固性塑性的变形
第七节陶瓷材料的塑性变形
一、陶瓷晶体的塑性变形
二、非晶体陶瓷的变形
考核要求：
1、金属的应力－应变曲线
1.1工程应力－应变曲线（识记）
1.2真应力－真应变曲线（识记）
2、单晶体的塑性形变
2.1滑移（识记）
2.2挛生（变形现象、特点）
3、多晶体的塑性形变
3.1晶粒曲向的影响（领会）
3.2晶界的影响（领会）
4、合金的塑性变形（领会）
5、聚合物的变形
4.1热塑性聚合物的变形（识记）
4.2热固性塑性的变形（识记）
4.3陶瓷晶体的塑性变形（识记）
4.4非晶体陶瓷的变形（识记）
第七章回复与再结晶
教学要点：
通过本章的学习使学生明白升高温度使原子获得足够的活动性，冷变形金属会自发向低温稳定态转变，并发生一系列组织和性能改变。
了解回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。
1．变形金属发生回复和再结晶的条件是什么?
有些什么变化?
2．再结晶后晶粒大小如何控制?
3．动态回复过程中位错运动有何特点?
从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶
教学时数：
8学时
教学内容：
第一节冷变形金属在加热时的变化
一、显微组织的变化
二、性能的变化
第二节回复
一、回复过程中微观结构的变形机制（低温回复、中温回复、高温回复）
二、回复动力学
三、去应力退火
第三节再结晶
一、再结晶的形核及长大
二、再结晶动力学
三、再结晶温度
四、影响再结晶的因素
五、再结晶晶粒大小的控制
第四节再结晶后的晶粒长大
一、正常长大
二、反常长大
三、再结晶退火及其组织控制
第五节金属的热变形
一、动态回复与动态再结晶
二、热变形引起组织、性能的变化
三、超塑性
考核要求：
1、冷变形金属在加热时的变化
1.1显微组织的变化（识记）
1.2性能的变化（识记）
2、回复
2.1低温回复、中温回复、高温回复（识记）
2.2回复动力学（领会）
2.3去应力退火（领会）
3、再结晶
3.1再结晶的形核及长大（领会）
3.2再结晶动力学（领会）
3.3影响再结晶的因素（识记）
4、再结晶后的晶粒长大（领会）
5、金属的热变形
5.1动态回复与动态再结晶
5.2热变形引起组织、性能的变化
5.3超塑性
第八章固态相变
教学要点：
通过本章的学习使学生掌握三种基本变化（晶体结构的变化、有序程度的变化、化学成分的变化），掌握扩散型相变和无扩散型相变。
1、了解固态相变有哪些类型?
2．掌握贝氏体转变与珠光体转变、马氏体转变有什么异同点?
3．马氏体相变有哪些特征
教学时数：
4学时
教学内容：
第一节固态相变的特点
一、相界面
二、位向关系
三、惯习面
四、应变能
第二节固态相变的形核
一、均匀形核
二、非均匀形核
第三节固态相变的晶核长大
一、生长机制
二、生长速率
第四节扩散型相变示例
一、脱熔转变
二、脱熔类型
三、脱熔动力学
四、调幅分解
第五节无扩散型相变
一、马氏体相变
二、多晶型转变
考核要求：
1、固态相变的特点
1.1相界面（领会）
1.2位向关系（领会）
1.3惯习面（领会）
1.4应变能（领会）
2、固态相变的形核
2.1均匀形核
2.2非均匀形核
3、固态相变的晶核长大
3.1生长机制（识记）
3.2生长速率（识记）
4、扩散型相变示例
4.1脱熔转变（领会）
4.2脱熔类型（识记）
4.3脱熔动力学（领会）
4.4调幅分解（领会）
5、无扩散型相变
5.1马氏体相变（识记）
5.2多晶型转变（领会）
第九章复合效应与界面
教学要点：
通过本章的学习使学生掌握复合材料概念、分类、特点，复合材料界面结合类型。
1．了解研究界面的意义
2．界面类型及性能
3．界面结合原理
4．对界面的基本要求及控制界面的原理
教学时数：
4学时
教学内容：
第一节材料复合、增强体及复合效应
一、复合材料概念、分类及特点
二、增强体的性能
三、复合效应
第二节复合材料增强原理
一、复合思想
二、复合材料增强原理
第三节复合材料的界面
一、复合材料界面结合类型
二、界面改善及其对性能的影响
考核要求：
1、材料复合、增强体及复合效应
1.1复合材料概念、分类及特点（识记）
1.2增强体的性能（识记）
1.3复合效应（领会）
2、复合材料增强原理
2.1复合思想（识记）
2.2复合材料增强原理（识记）
3、复合材料的界面
3.1复合材料界面结合类型（识记）
3.2界面改善及其对性能的影响（领会）
三、推荐教材和参考书目
1、《材料科学基础》刘智恩主编，西北工业大学出版社，2003.6
2、《材料科学基础教程》，赵品主编.哈尔滨工业大学出版社,2002
3、《材料科学基础》，石德柯主编，机械工业出版社，1999
4、《材料科学基础》，胡赓祥主编，上海交通大学出版社，2002
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