《材料科学基础》教学纲要

1、材料科学基础教案大纲四年制本科材料科学与工程专业用80学时4学分一、课程性质和任务材料科学基础是材料科学方法与工程专业一级学科公共主干课，是介于一般基础课与专业课之间的专业基础课。 本课程将系统全面介绍材料科学的基础理论知识， 诸如固体材料的结合键， 材料的结构与性能，材料中的扩散，材料的相变，材料的塑性变形与强化，以及材料科学研究方法等，将金属材料、无机非金属材料、聚合物材料紧密地结合在一起，使学生更好地把握材料的属性，熟悉材料的共性，为后继课程的学习、进一步深造和从事科技工作奠定基础。二、课程学习的目标和基本要求：1对能力培养的要求通过学习，要求学生掌握材料组织结构成分工艺性能相互关系的基

2、本规律和基本理论，深入理解材料组织结构成分工艺性能相互关系，培养学生应用所学的知识，分析、解决材料研究、开发和使用中实际问题的能力。初步掌握材料科学研究的思路和方法，为后续课程的学习和进一步深造奠定理论基础。2 课程的重点和难点本课程重点是料组织结构成分工艺性能相互关系的基本规律和基本理论，如材料结构与缺陷，材料凝固与相图，塑性变形与强韧化等，并能应用所学的理论分析和解决实际问题。难点是材料结构，位错理论，合金凝固，二元相图，三元相图，材料强韧化，晶体塑性变形等，3 先修课程及基本要求无机化学、物理化学、材料力学三、课程内容及学时分配? 教案基本内容第一章材料的结构（ 22 学时）1.1晶体学

3、基础1.2常见的晶体结构1.3固溶体的晶体结构1.4金属间化合物的晶体结构1.5硅酸盐结构1.6非晶态固体结构1.7 固体的电子能带结构理论1.8团簇与纳 M材料结构1.9准晶结构本章重点：? 结晶学基础知识 ( 晶体的概念与性质、晶体宏观对称要素、晶体定向、?单位平行六面体的划分、配位数与配位多面体的概念、鲍林规则) 。? 常见材料的结构理论与模型（常见无机化合物的晶体结构、硅酸盐晶体结构分类及特征、固溶体晶体结构类型及影响因素、缺陷化学反应表示法、金属间化合物的结构类型及影响因素，玻璃的结构）。?给定条件下晶胞参数和堆积系数的计算、硅酸盐玻璃4 个基本结构参数计算。? 固体的电子能带结构理

4、论及应用本章难点：晶体的微观对称要素、晶体定向与晶面指数、晶向指数的确定晶体极射赤平投影、缺陷化学反应方程、硅酸盐晶体结构固体的电子能带结构。第二章晶体缺陷（8 学时）2.1点缺陷2.2位错的结构2.3位错的运动2.4位错的应力场2.5位错与晶体缺陷的相互作用2.6位错的增殖、塞积与交割 2.7实际晶体中的位错本章重点：? 位错基本概念和类型，位错的应力场，位错间的交互作用，位错的起源与增殖、位错的塞积、位错的交割、位错反应。? 实际晶体中的位错；有序结构中的位错；离子晶体的位错；面心立方晶体的位错反应。本章难点：位错的概念；位错反应；实际晶体中的位错。第三章 固体中的扩散（ 5 学时）3 .

5、1扩散的宏观规律3.2扩散的微观机制3.3扩散系数3.4扩散的热力学分析3.5反应扩散3.6离子晶体中的扩散本章重点：扩散定律（扩散第一、二定律）及其应用，影响扩散的因素。本章难点：扩散的热力学分析，离子晶体的扩散。第四章纯质材料的凝固（4 学时）4 . 1结晶的基本规律4 . 2晶核的形成与长大4 . 3结晶动力学4 . 4结晶生长形态4.4结晶后的晶粒大小及其内部结构缺陷本章重点：形核与长大，形核的热力学分析本章难点：形核的热力学分析第五章相平衡与相图（6 学时）5 . 1相与相平衡5 . 2匀晶相图及其凝固过程5 . 3共晶相图及其凝固过程5 . 4包晶相图及其凝固过程5 . 5其他类型

6、二元相图5 . 6二元相图的分析与应用5 . 6 fe-c合金相图5 . 7相图的热力学解释本章重点：三种基本类型相图，平衡凝固过程和非平衡凝固过程，杠杆定律的应用，fe-c合金相图。本章难点：杠杆定律，相图的热力学第六章三元相图（6 学时）6 . 1三元相图的几何规则6 . 2三元匀晶相图6 . 3固态互不溶解的三元共晶相图6 . 4固态有限溶解的三元共晶相图6 . 5三元相图中的四相平衡6 . 6三元相图的实例分析本章重点：三元合金成分表示法，直线法则，重心定律，三元共晶相图，三元相图的实际应用。本章难点：固态有限溶解的三元共晶相图，三元相图的实际应用。第七章合金的凝固（5 学时）7 .

7、1合金凝固时溶质的重新分布7 . 2凝固过程中的成分过冷7.3凝固技术7 . 4合金铸锭组织与缺陷本章重点：溶质重新分布，成分过冷本章难点：溶质重新分布，成分过冷第八章固体材料的界面（4 学时）8.1晶体表面8.2界面结构8.3晶界能量8 . 4晶界平衡偏析8.5晶界迁移8.6相界面8 . 7界面能与显微组织形貌本章重点：晶界结构与性质，相界结构与性质，界面能量本章难点：晶界结构第九章固态反应与固态相变（6 学时）9 . 1固相反应及其动力学特征9 . 2固相反应动力学方程9 . 3影响固相反应的因素9 . 4固态相变特点9 . 5固态相变的分类9 . 6固态相变的形核与长大9 . 5固态相变

8、动力学本章重点：固相反应动力学方程，固态相变的特点与分类，固态相变的形核与长大。本章难点：固相反应动力学方程，固态相变的形核与长大。第十章材料变形与再结晶（10 学时）10 . 1材料的弹性变形10 . 2单晶体的塑性变形10 . 3多晶体的塑性变形10 . 4塑性变形对材料组织和性能的影响10 . 5晶体的断裂10 . 6冷变形金属的回复与再结晶10 . 7晶体的高温变形本章重点：单晶体的塑性变形，多晶体的塑性变形，塑性变形对材料组织和性质的影响，冷变形金属的回复、再结晶及晶粒长大。本章难点：塑性变形的微观机制，晶界对变形和强度地影响，回复的微观机制。第十一章材料强韧化的基本原理（4 学时）

9、11 . 1材料强化的基本原理11 . 2材料韧化的基本原理11 . 3材料强韧化的常用方法本章重点：强化的基本原理，韧化的基本原理本章难点：材料韧化的基本原理2课程相关的实践教案内容与实验该课程相关的实践教案内容见实验课程材料科学基础实验3课外作业主要围绕以下内容完成课外作业：（ 1）各类材料结构及其影响因素。（ 2）晶体缺陷的种类和性质及其对材料性能的影响。（ 3）扩散的宏观规律和微观机理及其影响因素。（ 4）形核与长大的热力学条件，微观机理。（ 5）相图的基本类型，相变特征，相变过程，相图分析。（ 6）合金凝固溶质重新分布和成分过冷。（7）界面的结构和类型，界面与材料性能的关系。（ 8）

10、固态反应的特征和动力学，固态相变的形核和长大。（ 9）材料变形的微观机理， 塑性变形对材料组织和性能的影响，回复和再结晶的微观机理及其对材料性能的影响。（ 10）强化和韧化的基本原理及其应用。2课程相关的实践教案内容与实验该课程相关的实验教案内容见实验课程“材料科学实验”四、使用大纲说明1教案方法1） 将课程内容分为三个模块进行教案：（a ）材料结构与缺陷，（b）凝固与相图，（c） 形变、再结晶与强韧化。2）以系统讲授为主，结合实际材料问题，注重引导和启发。3) 要求学生阅读适量的课外材料。注重课堂讨论和自学。2考试方式与成绩结构每个模块结束进行闭卷考试，着重考察对知识和掌握。期末进行综合性开

11、卷考试，着重考察综合应用所学知识的能力。平时成绩占70 ，期末占30。五、课程教材及主要参考书? 教材 ：徐衡钧等，材料科学基础，北京工业大学出版社? 参考书：1） cahn r.w. ,physical metallurgy. north-holland pub.co. 19832 ） w. d. callister, jr, fundamentals of materials science and engineering.化学工业出版社， 2004 年3）潘金生等，材料科学基础，清华大学出版社，1998 年4）赵品，材料科学基础教程习题及解答，哈尔滨工业大学出版社，2002 年5）石德珂

12、、沈莲，材料科学基础，西安交通大学出版社，1996 年6） schaffer， et al. the science and design of engineering materials,高等教育出版社2003 年7）陆佩文，无机材料科学基础，武汉工业大学出版社。材料科学基础课程类别：专业基础课课程性质：必修课面向专业 ： 材料科学与工程学院 金属材料工程、材料成型与控制工程、材料物理、材料化学等专业。一、课程的性质、任务与基本要求1. 本课程的性质与任务材料科学基础 是材料科学与工程专业一门同生产实际有密切联系的重要专业基础课。课程的教案目的是使学生系统掌握材料的化学成分、组织结构与性能之

13、间的关系及其变化规律的基础理论以及显微组织的分析方法，为后继专业课的学习奠定基础。2. 课程的基本内容和要求本（ 1 ）通过学习应着重掌握材料成分、组织、结构及加工过程与性能间的相互关系。（ 2 ）掌握材料的结合方式、晶体学基础、材料的晶体结构。（ 3 ）掌握点缺陷、线缺陷、面缺陷的模型和特点。（ 4 ）掌握纯金属的结晶过程、结晶的热力学条件、形核规律、长大规律，了解结晶理论的实际应用。（ 5 ） 掌握相图的基本知识， 二元相图的基本类型，二元相图的分析与使用方法，熟练应用铁碳相图。（ 6 ）掌握三元相图的成分表示法、三元系平衡转变的定量法则、三元匀晶相图、三元共晶相图、三元相图的四相平衡转变

14、、具有化合物的三元相图的分析方法。（ 7 ）掌握单晶体的塑变、 多晶体的塑变的规律， 掌握塑性变形对金属组织与性能的影响，金属及合金强化的位错解释。（ 8 ）掌握金属及合金在退火过程中的变化，掌握回复、再结晶、晶粒长大及金属热变形的规律。（ 9 ）掌握典型钢中相变的一般规律、相变产物的生成条件、形态和结构本质，能初步选用典型热处理工艺。3. 教案环节与学时分配课堂教案：90-102 学时（包括课堂讨论等教改环节）实 验：12-18 学时总 计：102-120 学时二、教案内容与教案计划绪论2学时课程的性质与任务，主要内容及研究方法，本课程的特点与学习方法，材料科学发展简史。第一章材料的晶体结构

15、6 学时1. 教案内容与学时（ 1 ）原子的结合方式 2 学时（ 2 ）晶体学基础 2 学时（ 3 ）典型晶体结构及其几何特征2 学时2. 重点与难点（ 1 ）重点：空间点阵及有关概念，晶向、晶面指数的标定，典型金属的晶体结构。（ 2 ）难点：六方晶系布拉菲指数标定，原子的堆垛方式。3. 习题： 13题第二章 晶体缺陷 12 学时1. 教案内容与学时（ 1 ）点缺陷 2 学时（ 2 ）线缺陷 8 学时（ 3 ）面缺陷 2 学时2. 重点与难点（ 1 ）重点：位错等有关基本概念，点缺陷的平衡性质，位错的运动与晶体滑移的关系，位错的性质，柏氏矢量的性质与应用，位错反应。（ 2 ）难点：位错模型，位

16、错的应力场，不全位错的原子模型。3. 习题： 6-8,10-12 题。第三章 材料的相结构 8 学时1. 教案内容与学时（ 1 ）固溶体 1 学时（ 2 ）中间相 1 学时（ 3 ）陶瓷晶体相 1 学时（4）分子相5学时2. 重点与难点（ 1 ）重点：各种相的概念及其分类方法。（ 2 ）难点：中间相的结构及其区别。3. 习题：1 题；复习思考题：1 ， 2 ， 4 题。第四章凝固4 学时1. 教案内容与学时（ 1 ）结晶的基本规律 0.5 学时（ 2 ）结晶的基本条件 1 学时（ 3）形核 1学时（ 4 ）长大 0.5 学时（ 5 ）高分子材料的结晶 0.5 学时（ 6 ）凝固理论及其应用 0

17、.5 学时2. 重点与难点（ 1 ）重点：有关过冷的概念、金属凝固和形核的条件。（ 2 ）难点：与临界晶核有关参数的推导。3. 习题： 3，5，7题。第五章 二元相图 15 学时1. 教案内容与学时（ 1 ）相图的基本知识 2 学时（ 2 ）二元匀晶相图 2 学时（ 3 ）二元共晶相图 2 学时（ 4 ）二元包晶相图 1 学时（ 5 ）相图的分析与使用 1 学时（ 6 ）铁碳相图 4 学时（ 7 ）相图的热力学基础 2 学时（ 8 ）铸锭组织及其控制 1 学时2. 重点与难点（ 1 ）重点：相律与杠杆定律，匀晶转变与偏析，共晶转变及其不平衡组织，相图中的几何规律， 铁碳相图中典型合金的凝固过程

18、及其相与组织的相对量计算， 利用相图判断材料的性能。（ 2 ）难点：二次杠杆的应用；相图的热力学原理。3. 习题： 2，3，11题。第六章 三元相图 6 学时1. 教案内容与学时（ 1 ）相图基本知识 1 学时（ 2 ）三元匀晶相图 3 学时（ 3 ）三元共晶相图 1 学时（ 4 ）三元相图归纳总结 1 学时2. 重点与难点（ 1 ）重点：直线法则与重心定律；全方位投影图及其应用；材料的凝固过程分析；三元系反应类型的判断；相区接触法则。（ 2 ）难点：利用全方位投影图分析特定成分材料的凝固过程。3. 习题： 15 19 题。第七章 材料中的扩散 3 学时1. 教案内容与学时（1）概述 1学时（

19、 2 ）扩散定律 1 学时（ 3 ）扩散的微观机理与现象0.5 学时（ 4 ）影响扩散的因素0.5 学时2. 重点与难点（ 1 ）重点：扩散的概念、本质与分类；扩散的驱动力；扩散定律及其应用；（ 2 ）难点：反应扩散及其溶质浓度分布。3. 习题： 4，5，8题。第八章 材料的塑性变形 8 学时1. 教案内容与学时（ 1 ）金属变形概述 1 学时（ 2 ）单晶体的塑性变形 2 学时（ 3 ）多晶体的塑性变形 1 学时（ 4）合金的塑性变形1 学时（ 5）塑性变形对材料组织与性能的影响1 学时（ 6）高分子材料的塑性变形2 学时2. 重点与难点（ 1 ）重点：塑性变形的位错机制；典型的滑移系；滑移

20、的分类及滑移的痕迹；临界分切应力；多晶体变形的特点；合金变形的特点；塑性变形对材料组织和性能的影响。（ 2 ）难点：等效滑移系的确定。3. 习题： 13，5题。第九章 回复与再结晶 6 学时1. 教案内容与学时（ 1 ）冷变形金属在加热时的组织与性能变化2 学时（ 2）回复 1学时（ 3 ）再结晶 1 学时（ 4 ）晶粒长大 1 学时（ 5 ）金属的热变形 1 学时2. 重点与难点（ 1 ）重点：冷变形金属在加热时的组织与性能变化；回复、再结晶等概念；回复与再结晶的驱动力和机制； 正常长大与异常长大； 临界变形量的意义与应用； 热加工过程中组织与性能变化。（ 2 ）难点：回复、再结晶与晶粒长大过程驱动力的识别。3. 习题： 2，3，9，10题。第十章 固态相变 4 学时1. 教案