材料科学基础教学大纲.doc

1、材料科学基础教学大纲适用四年制本科材料科学与工程专业(参考时数： 80 学时 )一、课程代码8103010二、课程的性质、任务“材料科学基础”是材料科学与工程专业本科生一门重要的专业基础课，它从材料的内部结构探讨其性质与行为， 揭示材料结构与性能的内在联系及规律， 为认识和改进材料的性能提供必备的基础知识。 人们可以从其基本理论出发， 指导材料的生产及科研， 解决材料使用中的问题。三、课程基本要求通过本课程的学习，要求学生了解并掌握以下内容：1. 晶体学基础 , 特别是三种典型的金属晶体结构；2. 晶体缺陷对材料性能的影响；3. 固体中各种相的结构及特点；4. 金属结晶的基本规律及基本条件；5

2、. 材料的相图与性能的关系，重点掌握铁碳相图；6. 材料中原子扩散及固态相变的基本理论；7. 塑性变形对材料组织及性能的影响；8. 回复及再结晶对冷变形金属组织及性能的影响。四、课程内容1 工程材料中的原子排列1） . 原子键合金属键，共价键，离子键，分子键，氢键2） . 原子的规则排列晶体学基础：晶体，晶体结构与空间点阵，布拉菲点阵，晶向指数与晶面指数；晶体结构及其几何特征：三种典型的金属晶体结构，晶胞中的原子数，点阵常数，晶体原子排列的紧密程度， 晶体结构中的间隙， 晶体中原子的堆垛方式晶体结构的多晶型性； 陶瓷的晶体结构：离子晶体的结构，共价键晶体的结构。2 原子的不规则排列-晶体缺陷1

3、） . 点缺陷点缺陷的形成、结构和能量，点缺陷的平衡浓度，点缺陷对晶体性质的影响；2） . 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，位错的增殖、塞积与交割，3） . 实际晶体中的位错常见金属晶体中的位错，全位错和不全位错，位错反应；离子晶体中的位错，共价晶体中的位错。4） . 面缺陷晶界，小角晶界，大角晶界，晶界能；亚晶界，孪晶界和相界。3 固体中的相结构1） . 固溶体置换固溶体，间隙固溶体，有序固溶体，固溶体的性能。2） . 金属间化合物正常价化合物，电子化合物，间隙化合物，金属化合物的特性。3） . 陶瓷晶体相硅酸

4、盐结构的特点；硅酸盐结构分类，岛状硅酸盐，链状硅酸盐，层状硅酸盐，骨架状硅酸盐。4） . 玻璃相5） . 分子相大分子及其合成，巨大分子及相对分子量，高分子的合成，加聚反应、缩聚反应；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，线型高分子、支化型高分子、体型高分子，大分子的聚集态结构。4 凝固与结晶1） . 金属结晶的基本规律金属结晶的微观现象； 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。2） . 金属结晶的基本条件金属结晶的热力学条件，金属结晶的结构条件。3） . 晶核的形成均匀形核：晶坯形成时能量的变化，临界晶核，形核功，形核率；

5、非均匀形核：非均匀形核的形核功，非均匀形核的形核率。4） . 晶体的长大晶体长大的条件；液 / 固界面的微观结构；晶体长大的机制：垂直长大方式，横向长大方式；晶体长大的形态：液 / 固界面前沿液相中的温度梯度，平面长大形态，树枝状长大形态。5） . 陶瓷、聚合物的凝固6） . 结晶理论的应用铸态晶粒度的控制；单晶体的制备；定向凝固技术；非晶态金属。5 二元相图1） .相、相平衡及相图制作相；相平衡和相律；相图的表示和测定。2） .二元匀晶相图相图分析；固溶体的平衡凝固：固溶体平衡凝固过程及组织，杠杆定律；固溶体的非平衡凝固与微观偏析；固溶体的不平衡结晶与宏观偏析：液相内溶质完全混合，液相内溶质

6、原子部分混合，液相内的溶质仅通过扩散混合，区域熔炼；成分过冷与固溶体的组织：成分过冷的形成，成分过冷的控制。3） .二元共晶相图相图分析；共晶系合金的平衡凝固和组织：端部固溶体合金，共晶合金，合金， Sn-Pb 过共晶合金；共晶组织及其形成机理：粗糙- 粗糙界面共晶，粗糙晶，平滑 - 平滑界面共晶；共晶系合金的非平衡凝固和组织：伪共晶组织，离异共晶。4） .二元包晶相图Sn-Pb 亚共晶 - 平滑界面共相图分析；包晶合金的平衡凝固和组织；包晶合金的非平衡凝固和组织。5） . 其它二元相图形成化合物的二元相图；具有三相平衡恒温转变的其它二元相图；具有无序 - 有序转变的相图；具有同素异晶转变的相

7、图。6） . 铁碳合金相图相图分析：相图中的相，相图中重要的点和线；铁碳合金结晶过程分析；铁碳合金的组织与力学性能；相图与合金的性能。7） . 相图的热力学解释溶体的自由能- 成分曲线；异相平衡的条件；由二元系各相的自由能曲线绘制相图。8） . 铸（锭）件的组织与偏析铸锭（件）的组织；铸锭（件）组织的控制；铸锭（件）中的偏析：正偏析，反偏析，比重偏析。6 三元相图1） . 三元相图的几何特性三元相图的成分表示方法：等边浓度三角形，等腰浓度三角形，直角浓度三角形；直线法则与杠杆定律；重心法则；相区相邻规则。2） . 三元匀晶相图相图及其投影图；固溶体的结晶过程；等温截面图；垂直截面图。3） .

8、三元共晶相图组元在液态完全互溶、固态完全不溶、具有共晶转变的三元相图：相图分析，等温截面图，垂直截面，投影图；固态有限溶解具有共晶转变的三元相图：相图分析，等温截面图，投影图。4） . 三元相图中的相平衡特征单相状态；两相平衡；三相平衡；四相平衡。5） . 实用三元相图举例Fe-Cr-C系相图：液相面投影图，Fe-Cr-CAl-Cu-Mg 系相图； CaO-SiO2-Al 2O3 系相图。系的垂直截面，Fe-Cr-C系的等温截面；7 固体中的扩散1） . 扩散定律及其应用扩散定律：菲克第一定律，菲克第二定律；科肯道尔（Kirkendall）效应；扩散定律的应用举例。2） . 扩散的微观机理扩散

9、机制；原子热运动与晶体中的扩散；晶态化合物中的扩散；非晶态固体中的扩散，界面扩散。3） . 扩散的热力学理论扩散驱动力，扩散和原子的迁移率与扩散系数；上坡扩散。4） . 反应扩散5） . 影响扩散的因素温度；晶体的类型与结构；晶体缺陷，化学成分。8 塑性变形1） . 金属的应力 - 应变曲线工程应力 - 应变曲线；真实应力- 应变曲线。2） . 单晶体的塑性变形滑移：滑移现象，滑移系；临界分切应力，滑移时晶体的转动，多滑移和交滑移，滑移的位错机制；孪生：孪生变形现象，孪生变形特点。3） . 多晶体的塑性变形晶粒取向的影响；晶界的影响。4） . 合金的塑性变形固溶体的塑性变形：固溶强化，屈服和应

10、变时效；多相合金的塑性变形：聚合型两相合金的塑性变形，弥散型两相合金的塑性变形。5） . 冷变形金属的组织与性能显微组织的变化； 变形织构； 残留应力和点阵畸变； 塑性变形对性能的影响： 应变硬化，其它物理、化学性能的变化。6） . 聚合物的变形热塑性聚合物的变形：热塑性聚合物的应力 - 应变曲线，屈服与冷拉，剪切带与银纹；热固性塑料的变形。7） . 陶瓷材料的塑性变形陶瓷晶体的塑性变形；非晶体陶瓷的变形。9. 回复与再结晶1） . 冷变形金属在加热时的变化显微组织的变化；性能的变化：力学性能的变化，物理性能的变化，内应力的变化。2）. 回复回复过程中微观结构的变化机制：低温回复，中温回复，高

11、温回复；回复动力学；去应力退火。3） . 再结晶再结晶的形核及长大：晶界凸出形核，亚晶形核机制，再结晶晶核的长大；再结晶动力学；再结晶温度； 影响再结晶的因素： 退火温度， 变形程度， 原始晶粒尺寸， 微量溶质原子；再结晶晶粒大小的控制：预先变形程度，原始晶粒尺寸，微量溶质原子和杂质，退火温度。4） . 再结晶后的晶粒长大晶粒的正常长大：晶粒的长大方式，晶粒长大的驱动力，晶粒的稳定形状，影响晶粒正常长大的因素；晶粒的反常长大；再结晶退火及其组织控制：再结晶退火，再结晶组织。5） . 金属的热变形动态回复与动态再结晶；热变形引起组织、性能的变化：改善铸造状态的组织缺陷，热变形形成流线，出现各向异性，形成带状组织，热变形后的组织控制；超塑性。五、学时分配序号教学内容讲授学时实验学时1.工程材料中的原子排列42.原子的不规则排列- 晶体缺陷143.固体中的相结构84.凝固与结晶85.二元相图146.三元相图67.固体中的扩散68.塑性变形129.回复与再结晶8六、课程实验内容及基本要求本课程需开设的实验，在材料科学基础实验（ 8102911）课程中教学。七、推荐教材、参考书1. 材料科学基础 (第 2 版 )，刘智恩主编，