上海交大 教学大纲.doc

课程名称：材料科学基础/Fundamentals of Materials Science课堂学时：90实验学时：36适用专业：材料科学与工程类专业、冶金类专业和机电类专业一、课程的性质、地位、任务材料科学基础是材料类和冶金类专业的一门主干课，也是该专业的主要技术基础课。通过讲课、实验、课堂讨论和课外实践等 各个教学环节，将金属学、陶瓷学和高分子物理的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指 导材料的设计和应用，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。二、课程的教学内容和基本要求绪论（1学时）了解材料的发展史、材料科学的研究对象和内容以及学习本课程的目的意义和要求。第一章原子结构和键合（4学时）了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。1 原子结构(一)、原子结构；(二)、原子间的键合；(三)、高分子链。2 原子间的键合(一)、金属键(二)、离子键(三)、共价键(四)、范德华力(五)、氢键3 高分子链(一)、结构单元的化学组成1碳链高分子2杂链分子3元素有机高分子4无机高分子(二)、高分子链结构单元的键合方式1均聚物结构单元顺序 2共聚物的序列结构(三)、高分子链的几何形状(四)、高分子链的构型第二章固体结构(8学时)固态原子按其原子（或分子）聚集的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是 无规则排列的。材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切相 关。1 晶体学基础(一)、晶体的空间点阵1空间点阵概念2晶胞3晶系与布拉菲点阵4晶体结构与空间点阵的关系(二)、晶向指数和晶面指数1阵点坐标2晶向指数3晶面指数4六方晶系指数5晶带6晶面间距2 金属的晶体结构(一)、面心立方晶体结构的晶体学特征(二)、体心立方晶体结构的晶体学特征(三)、密排六方晶体结构的晶体学特征3 金属的相结构(一)、固溶体1置换固溶体2间隙固溶体3有序固溶体4固溶体的性质(二)、中间相1正常价化合物2电子化合物3原子尺寸因素化合物()间隙相和间隙化合物()拓扑密堆相4 离子晶体结构(一)、NaCl型结构(二)、萤石型结构(三)、CsCl型结构(四)、a-Al2O3型结构5 共价晶体结构(一)、金刚石结构(二)、SiO2结构(三)、VA、VIA族亚金属结构6 聚合物晶态结构(一)、晶胞结构(二)、晶态结构模型(三)、聚合物结晶形态7 非晶态结构第三章晶体缺陷(12学时)实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。根据晶体缺陷分布的几何特征可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。了解晶体缺陷有利于分析研 究结构敏感性能的变化规律和相变、扩散、塑性变形、再结晶以及氧化、烧结等现象，对探索材料晶体中的奥秘和推动材料科学的发展起着重要作用。1 点缺陷(一)、空位与间隙原子(二)、电缺陷的运动(三)、点缺陷的平衡浓度2 线缺陷(一)、位错概念的引入(二)、位错的基本结构1刃型位错2螺型位错3混合位错4位错密度5柏矢矢量(三)、位错的运动1位错的滑移2位错的攀移3位错的交滑移(四)、位错的弹性性质1位错的应力场2位错的应变能3位错的线张力4作用在位错上的力5平行位错之间的作用力(五)、实际晶体中的位错1堆垛层错2不全位错3位错反应与扩展位错4汤普森四面体3 面缺陷(一)、晶界二)、孪晶界三)、相界(四)、外表面第四章固体中原子及分子的运动(14 学时)固体中物质的迁移属动力学范畴。固体中按照原子的键合情况可分为金属(金属键)、陶瓷(离子键)和高分子(共价键)三类材料。不同的键合情 况导致固体中原子的运动方式不同。本章主要了解上述三类材料中原子的运动规律及影响因素，并为将来学习材料动力学打下基础。因此，本章的主要内容包括：扩 散方程的推导及求解，扩散的热力学分析及原子机制，影响扩散的因素及反应扩散，离子晶体与金属晶体在扩散方面的异同和高分子材料中分子的运动规律等。1 表象理论(一)、菲克第一定律(二)、菲克第二定律(三)、扩散方程的解1. 误差函数解2. 格林函数解(衰减薄膜源)(四)、置换型固溶体中的扩散(五)、扩散系数与浓度相关时的求解2 扩散的热力学分析3 扩散的原子理论(一)、扩散机制1. 交换机制2. 间隙机制3. 空位机制4. 晶界扩散及表面扩散(二)、原子跳跃和扩散系数1. 原子跳跃频率2. 扩散系数3. 无规行走与扩散距离4. 扩散激活能4 影响扩散的因素（简介）(一)、温度(二)、固溶体类型(三)、晶体结构(四)、晶体缺陷(五)、化学成分(六)、应力的作用5 反应扩散6 离子晶体中的扩散7 高分子的分子运动(一)、分子链运动的起因及其柔顺性(二)、分子的运动方式及其结构影响因素1. 主链结构2. 取代基的特性3. 链的长度(三)、高分子不同力学状态的分子运动解说1.线型非晶态高分子的三种力学状态2. 体型非晶态高分子的力学状态3.结晶高分子的力学状态第五章材料的形变与再结晶(14学时)分析研究材料在外力作用下的塑性变形过程、机理、组织结构与性能的影响规律以及变形材料在加热过程中产生回复再结晶现象，不仅对正确选择控制材料的加工工艺、保证产品质量是十分必要的，而且对合理使用材料、研制和发展新材料也是很重要的。1 材料受力情况下的力学行为2 弹性变形与粘弹性3 单晶体的塑性变形(一)、滑移1滑移带与滑移线2滑移系3滑移的临界分切应力4滑移时晶体的转动5多系滑移6滑移的位错机制(二)、孪生1孪生的切变过程2孪生的位错机制(三)、扭折4 多晶体的塑性变形(一)、多晶体变形的特点(二)、晶粒取向的影响(三)、晶界的影响(四)、屈服现象5 变形后的组织与性能(一)、显微组织的变化(二)、亚结构的变化(三)、性能的变化(四)、加工硬化(五)、变形织构(六)、残余应力6 合金的塑性变形(一)、固溶体的塑性变形(二)、多相合金的塑性变形7 变形晶体加热时的变化(一)、显微组织的变化(二)、性能的变化8 回复(一)、微观结构的变化(二)、回复动力学9 再结晶(一)、形核长大(二)、再结晶动力学(三)、再结晶后的晶粒尺寸(四)、影响再结晶的主要因素10 再结晶后晶粒的长大(一)、晶粒的正常长大(二)、晶粒的异常长大-二次再结晶11 动态回复与动态再结晶(一)、动态回复(二)、动态再结晶12 超塑性第六章单组元相图及纯晶体的凝固(8学时)单元系的凝固是研究相变的基础，应用热力学理论探讨单元系的凝固机理，包括形、生长特征是本章的重点内容。在此基础上了解铸锭的宏观组织以及对比高分子晶体与金属晶体的凝固特征异同点亦为本章需掌握的内容。1 单元系相变的热力学及相平衡(一)、相平衡条件和相律(二)、单元系相图2 纯晶体的凝固(一)、液态结构(二)、晶体凝固的热力学条件(三)、形核1. 均匀形核() 晶核形成时的能量变化和临界晶核() 形核率2. 非均匀形核(四)、晶体长大1. 液-固体界面的构造2. 晶体长大方式和生长速率() 连续长大() 二维形核()籍螺型位错生长(五)、结晶动力学及凝固组织1. 结晶动力学2. 晶体长大方式和生长速率()在正的温度梯度下的情况()在负的温度梯度下的情况3. 凝固后的晶粒大小控制 (简介)()增加过冷度()形核剂的作用() 振动促进形核(六)、高分子的结晶特征1. 相似性()晶粒尺寸与过冷度的关系()结晶分形核与长大两个过程()非均匀形核所需过冷度小()结晶动力学符合Avrami方程2. 差异性()高分子晶体结晶的不完全性()熔融过程的升温现象第七章二元系相图及合金的凝固(16学时)在多组元材料中，二元系是最基本，也是研究最为透彻的体系。掌握二元系材料的相图及凝固原理是将来理解材料成分-制备工艺-组织结构-性能的关键。因此，本章的重点在于学习通过相图分析材料的平衡组织，以及非平衡凝固时材料内部成分和结构的演化规律。1 相图的表示和实验测定方法2 相图的热力学基础(一)、固溶体的自由能-成分曲线(二)、多相平衡的公切线原理(三)、混合物的自由能和杠杆法则(四)、从自由能-成分曲线推测相图(五)、二元相图的几何规律3 二元相图分析(一)、匀晶相图和固溶体凝固1. 匀晶相图2. 固溶体的平衡凝固3. 固溶体的非平衡凝固(二)、共晶相图及其合金凝固1. 共晶相图2. 共晶合金的平衡凝固及其组织()亚共晶合金()共晶合金()过共晶合金3. 共晶合金的非平衡凝固() 伪共晶() 非平衡共晶组织(三)、包晶相图及其合金凝固1. 包晶相图2. 包晶合金的凝固及其平衡组织3. 包晶合金的非平衡凝固(四)、溶混间隙相图与调幅分解(五)、其他类型的二元相图 (简介)(六)、复杂二元相图的分析方法(七)、根据相图推测合金的性能 (简介)(八)、二元相图实例分析（自学）4 二元合金的凝固理论(一)、固溶体的凝固理论1. 正常凝固2. 区域熔炼(自学)3. 表征液体混合程度的有效分配系数ke4. 合金凝固中的成分过冷()成分过冷的概念()产生成分过冷的临界条件()成分过冷对晶体生长形态的影响(二)、共晶凝固理论1. 共晶组织分类(简介)2. 层片状和棒状共晶形成的条件及机制3. 层片生长动力学4. 共晶界面稳定性(三)、合金铸锭的组织与缺陷 (简介)5 高分子合金概述(一)、高发分子合金的相容性(二)、高分子-高分子体系的相图及测定方法(三)、高分子合金的制备方法1. 物理共混2. 化学共混(四)、高分子合金的形态结构1. 单相连续结构2. 两相连续结构(五)、高分子合金性能与组元的一般关系(六)、高分子合金主要类型(简介)第八章三元相图(8学时)三元相图已较二元相图复杂许多，但通过寻找三元相图的基本规律可掌握复杂相图的分析方法。故本章在二元相图的基础上理解三元相图，主要掌握三元相图的基本特点，并会分析简单三元相图的投影图和截面图。1 三元相图基础(一)、三元相图成分表示方法1. 等边成分三角形2. 等边成分三角形中的特殊线3. 成分的其他表示方法(自学)(二)、三元相图的空间模型(三)、三元相图的截面图和投影图1. 水平截面2. 垂直截面3. 三元相图的投影图(四)、三元相图中的杠杆定律及重心定律1. 直线法则2. 杠杆定律3. 重心定律4. 背向法则2 固态互不溶解的三元共晶相图1. 相图的空间模型2. 截面图3. 投影图4.相区接触法则3 固态有限互溶的三元共晶相图1. 相图分析2. 投影图3. 截面图4-9(自学，不作考试范围)第九章材料的亚稳态(3学时，简介)在重点掌握前面各章内容的基础上，本章主要分两个部分，其一为母相处于亚稳状态的材料，包括纳米材料、准晶态和非晶等材料的主要特点，以开阔学生的视野；其二为经固态相变获得的亚稳态材料，总结固态相变的一些特征，为今后学习材料加工原理做预备。1 纳米晶材料(一)、纳米晶材料的结构(二)、纳米晶材料的性能(三)、纳米晶材料的形成2 准晶态(一)、准晶的结构(二)、准晶的形成(三)、准晶的性能3 非晶态材料(一)、非晶态的形成(二)、非晶态的结构(三)、非晶合金的性能(四)、高分子的玻璃化转变4 固态相变形成的亚稳相(一)、固溶体脱溶分解产物1. 脱溶转变2. 脱溶过程的亚稳相3. 脱溶分解对性能的影响(二)、马氏体转变1. 马氏体转变晶体学2. 马氏体转变动力学3. 热弹性马氏体(三)、贝氏体转变1. 钢中贝氏体转变特征2. 贝氏体转变机制三、教学实验根据学校教学及设施的情况，推荐实施综合实验。从材料的冶炼、凝固、变形加工、制备金相样品及根据相图进行组织分析的综合实验。使学生能了解和掌握金相分析的最基本技能和暗室技术，进一步巩固和加深理解书本知识，了解材料内部的微观结构和形成机理及对性能的影响等等。实验学时：36学时实验内容：1、金相显微镜原理、结构和使用2、金相样品的制备3、金相显微摄影和暗室技术4、浇注和凝固条件对铸锭（件）组织的影响5、二元合金显微组织分析6、位错的实验观察7、铸铁金相组织分析8、固体金属中的扩散9、三元合金显微组织分析10、塑性变形和再结晶11、气孔率、吸水率及体积密度测定12、高分子结晶形态的偏光显微镜观察第十章总结固体材料从性能角度大体可分成两类：结构材料和功能材料。结构材料是以其强度和塑性为主要应用指标，而功能材料是以其某一特殊功能特性，如电性能、 热性能、磁性能或光性能等为主要应用指标。功能材料的性能与结构材料不同，取决于原子中的电子结构和电子的运动（旋转、散射、激发和跃迁等）。本章对材料 功能特性的物理基础进行了复习，注重论述了功能材料的电、热、磁和光行为的表述、起因和影响因素。 能 带理论是目前研究固体中电子运动的一个主要理论基础。对于单个原子，电子处在不同的分立能级上。但当大量的原子构成晶体后，各个原子的能级因电子云的重叠 而形成能带。量子力学理论表明，由 N 个原子组成的固体，每个能带含有 N 个分裂的能级，而每个能级可以容纳具有相反自旋方向的两个电子，也就是每个能带最多可容纳 2N 个电子。在这些能带之间存在一些电子不具有的能量区域，称为禁带（或带隙）。 基 于费米狄拉克分布函数可知，在绝对零度时，凡能量（ E ）小于费米能（ E F ）的所有能态，全部为电子所占据（称为满态），并且电子由最低能量开始逐一填满 E F 以下的各个能级，而 E F 则是绝对温度下自由电子的最高能级；当 EE F 的各个能态均不出现电子，为空能态（或空态）。当温度高于绝对零度时，有少量能态与费米能接近的电子可以吸收热能而跃迁到能量较高的能态，此时高于费米能 的原有空能级也有一部分被电子占据。 基于电导率（或与之成反比的电阻率），固体材料可以分为金属、半导体和绝缘体三类。 对 于大部分材料而言，电流来自于自由电子的运动，它们在外电场作用下而被加速运动。这些自由电子的数目取决于材料的电子能带结构。金属、半导体和绝缘体具有 不同的电子能带结构。从一个能带的满态所激发到费米能以上的空态的电子称为自由电子。在金属中，激发自由电子所需的能量较小，因此在金属中可产生大量的自 由电子。而对于半导体和绝缘体，激发自由电子所需的能量较大，因此半导体和绝缘体具有较低的自由电子浓度和较小的电导率。 被外电场作用的自由电子会被晶体点阵中的杂质所散射。电子迁移率的大小表征了这些散射事件频率的大小。在许多材料中，电导率是正比于自由电子的温度和电子迁移率的乘积。 对于金属材料，电阻率随温度、杂质浓度、塑性变形的提高而增加。每一项对总电阻率的贡献是它们的加和。 半 导体可以是某些元素（如 Si 和 Ge ），也可以是共价键化合物。在这些材料中，除了自由电子外，空穴（想象的正电荷粒子）也参加了传导过程。基于电行为，半导体可以分为本征半导体和非本征半 导体。对于本征电行为，电子和空穴浓度是相等的；对于非本征半导体，电行为是由杂质所支配的。非本征半导体可以是 N 型，也可以是 P 型，它们分别取决于是电子还是空穴成为电导主导者。施主杂质导致额外电子的产生，而复主杂质导致额外空穴的产生。半导体材料的电导率尤其敏感于杂质类型、 浓度和温度。甚至某些极少含量杂质的加入都会显著增加电导率。而且，随温度的提高，本征电导率和非本征电导率都呈现指数型的增加。 介电材料就是电性方面的绝缘体，在外电场下易产生极化。这种极化现象说明了介电材料增加电容器电荷容量的能力。极化起因于原子或分子偶极沿外电场方向的调整。 热 吸收、热膨胀和热传导是三种重要的热现象。热容是一种表示材料从外部环境吸收热的能力，它表示每升高 1K 温度所需的能量。热容可以用摩尔热容表示，也可以用比热容表示。被许多固体材料吸收的大部分能量是来自于原子振动能量，而其他能量吸收机制（例如，增加自 由电子的动能）通常是不重要的。 对于许多晶体固体，在 0 K 温度附近，定容热容随温度的三次方变化，当超过德拜温度后，定容热容与温度无关，近似等于 3R （ R 是气体常数）。 固体材料加热时膨胀，冷却时收缩。长度的变化分数是正比于温度的变化，比例系数就称为热膨胀系数。热膨胀反映出平均原子间距的增加，这是势能随原子间距呈非对称变化的结果。原子键能越大，热膨胀系数越小。 热能从材料的高温度区传递到低温度区就被称为热传导。对于稳态热传导，热通量是正比于沿热流方向的温度梯度。比例系数就是热传导率。 对于固体材料，热的传递通过自由电子和点阵振动波（声子）得以实现的。相对纯的金属，其高热传导率是源于大量的自由电子。相反，陶瓷和高分子材料是差的热导体，其原因是自由电子浓度低，而声子传导是主导机制。 物体由温度变化产生的热应力可能导致材料开裂或不希望的塑性变形。热应力的两个主要起源是残余热膨胀（或收缩）和在加热（或冷却）过程中建立起来的温度梯度。 由快速温度变化引起的热应力可能导致材料的开裂，这种现象称为热冲击。由于陶瓷材料很脆，它们尤其对热冲击很敏感。热冲击抗力反比于弹性模量和热膨胀系数。 材料的宏观磁性是外磁场和组分原子磁偶极交互作用的结果。单个电子具有轨道和自旋磁距。在每个原子中，某些电子对的轨道磁距和自旋磁距相互抵消，对于一个原子的净磁距就是每个电子的磁距加和。 抗 磁性来自于外磁场下电子轨道运动的变化，由此激发的磁距量极其小，而且磁距方向与外磁场相反。所有材料都具有抗磁性。顺磁性材料具有永久的原子偶极磁距， 这些磁偶极无交互作用，在外场作用下它们原处于任意位向将沿外方向调整，由于磁化率小，而且只有在外场的情况才存在。因此，抗磁性和顺磁性材料被认为是非 磁性材料。 大的，永久性磁化可以在铁磁性金属（ Fe ， Co ， Ni ）中建立起来。在铁磁性材料中，耦合交互作用使相邻原子的自旋磁距调整为相同方向，甚至可在无外场时发生。 相 邻阳离子自旋磁距反平行的情况在某些离子材料中被发现，在这些材料中的自旋磁距完全抵消称为反铁磁性。如果自旋磁距部分的抵消，永久的磁化就可能存在，这 种磁性称为铁氧化磁性。对于立方磁性陶瓷，净自旋磁距来自于八面体的二价离子（例如 Fe 2+ ），它们的自旋磁距互相调整为一致方向。 随着温度的提高，所增加的热振动倾向于消弱在铁磁性和铁氧体材料中的偶极间的耦合力。因此，饱和磁化强度随温度提高至居里温度（ Tc ）而逐渐消失。在居里温度，饱和磁化强度几乎掉至为零。在 Tc 温度之上，这些材料就呈现顺磁性。 在 居里温度以下，铁磁性或铁氧体材料是由磁畴构成，而在每一个小体积区域内所有磁偶极矩都被调整为同方向，磁化是饱和的。磁性材料总的磁化强度就是所有磁畴 的磁化矢量之和。在外磁场的作用下，有利方向（磁距与外场方向接近）的畴将消耗不利位向的畴而长大。这个过程随外场的增大而连续进行，直至宏观试样变成为 一个单畴。当这个畴的磁距方向与外场方向一致时，就获得饱和磁化强度。随外磁场的增加或减小，畴结构随畴壁运功而改变。磁滞和永久性磁化来自于这畴壁运动 的阻力。 对于软磁材料，在磁化过程中畴壁运动是很容易的。因此，它们具有小的磁滞回线和较低的磁滞能量损失。对于磁性材料，畴壁运动就困难得多，这导致了大的磁滞回线和大的磁滞能损失。 固体材料的光学行为是材料中原子、离子和 / 或电子与可见光电磁辐射交互作用的结果。可能交互作用的现象包括入射光的折射、反射、吸收和透射。 金属呈现不透明，其原因是在它很薄的外表层内产生光辐射吸收和再发射。吸收的发生是通过电子从占据能态激发到费米层级以上的未占据能态