《材料科学基础》课程教学大纲

《材料科学基础》课程教学大纲课程代码080402L课程名称中文名：材料科学基础英文名：FundamentalsofMaterialsScience课程类别专业课修读类别必修学分4.0学时64(理论)开课学期第4学期开课单位材料科学与工程学院，材料科学系适用专业材料类(金属材料工程、材料连接、无机非金属材料科学、无机非金属材料工程、高分子材料、功能材料等)先修课程高等数学，大学物理，无机化学，有机化学，物理化学，材料概论，等后续有关专业课程和教学环节材料性能学，材料现代分析方法，等主讲教师／职称付华/教授、张希清/副教授、吴红亚/副教授、蒋晓军/讲师考核方式及各环节所占比例作业+期末考试（20%）+（80%）教材及主要参考书（1）《材料科学基础》，付华，张光磊主编，北京大学出版社，2018。（2）《材料科学基础》，徐恒钧主编，北京工业大学出版社，2002。（3）《无机材料科学基础》，\o"搜索'宋晓岚黄学辉'编写的更多图书"宋晓岚等编，十五国家级规划教材，\o"搜索'化学工业出版社'出版的更多图书"化学工业出版社，2006。（4）《材料科学基础》，陶杰、姚正军等编，\o"搜索'化学工业出版社'出版的更多图书"化学工业出版社，2006。

一、课程性质和目标本课程是材料类专业的专业基础学位必修课，以金属材料、无机非金属材料以及高分子材料的共性基础理论为核心，研究材料的结构、缺陷、相图、凝固与扩散等共性理论及规律，包括原子结构与结合键、晶体学基础、晶体结构、晶体缺陷、非晶与准晶结构、相图、固体中的扩散、凝固与结晶理论，是后继材料类专业课程和进行材料科学研究和工程技术开发的理论基础。知识目标：能够比较与评价金属、无机非金属、高分子材料的晶体、准晶与非晶体的结构特点，辨别晶体结构特点及其表达方法，描述稳定结构，认识材料的不同结构特点与工艺和性能之间的关系。能够分析比较晶体结构缺陷的类型和特点，解释晶体缺陷模型，认识晶体缺陷与材料工艺和性能的关系。培养基本的相图分析能力。能够分析、绘制并重构典型二元相图及Fe-Fe3C平衡相图，解释基本三元相图的类型，分析相变和组织转变过程，预测并计算相与组织组成物，解释典型铁碳合金的相、组织及性能特点。理解相变理论，解释固体扩散的基本定律，辨别微观扩散机理，解释不同工艺条件下凝固过程中组织结构的变化规律。能力目标：具备自主学习材料结构、相图与相变的基础知识和方法，能判断和预测材料的成分及工艺对结构及性能影响，为自主学习和终身学习奠定基础理论知识。二、本课程所支撑的毕业要求（1）本课程所能支撑的毕业要求和课程目标的对应关系序号毕业要求指标点毕业要求指标点具体内容课程目标2毕业要求1-2能够针对材料结构与合成问题，运用数学、自然科学、工程基础和专业知识，建立结构与反应条件模型，并能选择恰当的边界条件求解。1、2、43毕业要求1-3能够针对材料的服役条件，运用自然科学、工程基础和专业知识，进行材料的物理、力学和化学性能分析及性能改进。3、44毕业要求1-4能综合分析材料组成、结构、性能及应用之间关系，通过检测和问题分析，提出材料性能改进方案。1、2、3、45毕业要求2-1能够应用专业基础知识，分析材料合成与制备过程中的结构变化问题，识别与判断影响产品质量的关键因素。1、2、3、46毕业要求12-2具备自主学习材料结构、相图与相变的基础理论知识和方法，能针对个人或职业发展需求，具备终身学习的知识基础，具备自主学习的方法和能力。5

（2）本课程内容与课程目标、毕业要求指标点的对应关系教学内容课程目标毕业要求指标点理论教学

第一章绪论课程目标1、5毕业要求1-2，1-4，12-2第二章晶体学基础课程目标1、5毕业要求1-2，12-2第三章晶体结构课程目标1、5毕业要求1-2，12-2第四章晶体缺陷课程目标2、5毕业要求1-2，12-2第五章非晶体与准晶结构课程目标1、5毕业要求1-2，12-2第六章相图课程目标3、5毕业要求1-2，1-4，12-2第七章固体扩散课程目标4、5毕业要求1-2，12-2第八章凝固与结晶课程目标4、5毕业要求1-2，1-4，12-2

三、教学内容及安排（一）理论教学基本内容（64学时）1.绪论（2学时）（1）

基本要求1）材料的发展历程对人类文明的影响，熟悉材料科学与工程学科的建立和发展进程。2）本课程的意义及在材料研究中的地位。材料研究五要素间的关系，材料研究的核心问题。3）本课程的教学特点与学习方法，树立认真钻研的学习态度。4）本课程的发展历史及相关教材及参考书的特点。（2）教学内容材料科学与工程学科的建立与发展。本课程的教学大纲。课程性质、目标、教学内容与培养目标和毕业要求的关系、教学与学习方法、教学进程、考核形式与基本要求，预期达成学习效果，。本课程使用教材、参考书与提供的其他相关课程资源。（3）重点重点：本课程大纲、教学内容及在后续课程和材料研究中的地位；材料研究的核心问题，材料的成分、结构、制备与性能的关系。复习自学：1原子结构与结合键2晶体学基础（8学时）(1)基本要求

1）晶体与非晶体、晶格与晶胞等基本概念，解释晶系与布拉菲点阵的演变。2）晶向指数与晶面指数表示方法，理解晶体投影的表示方法。3）晶体的宏观对称性，对称要素和对称操作。(2)教学内容2.1空间点阵(Spacelattice)2.1.1空间点阵与晶胞2.1.2晶系与布拉菲点阵2.2晶向指数与晶面指数2.2.1立方晶系的晶向指数与晶面指数2.2.2六方晶系的晶向指数与晶面指数2.2.3晶向和晶面间的关系2.2.4课堂练习与讨论2.3晶体投影2.3.1球面投影2.3.2极射赤平投影2.3.3标准投影2.4晶体的对称性2.4.1宏观对称元素2.4.2微观对称元素2.4.3点群与空间群

2.5习题课(3)重点和难点重点：晶系与布拉菲点阵、晶向指数与晶面指数。难点：布拉菲点阵、特征晶向指数与晶面指数的晶体学意义和熟练应用。3晶体结构（10学时）(1)

基本要求1）晶体化学基本原理。2）金属材料结构（bcc、fcc、hcp）类型及性能特点。固溶体和化合物的晶体结构。3）常见无机化合物的晶体结构，解释硅酸盐晶体的结构特点和类型。4）高分子材料的组成和结构特征，解释高分子链结构和高分子的聚集态结构特点，初步理解高分子材料的性能与结构的关系。(2)

教学内容3.1晶体化学基本原理3.1.1原子半径与离子半径3.1.2球体紧密堆积与间隙3.1.3配位数与配位多面体3.2金属的晶体结构3.2.1单质金属的晶体结构3.2.2金属合金的晶体结构3.2.3课堂练习与讨论3.3无机非金属材料结构

3.3.1离子晶体的结构规则3.3.2典型的离子晶体结构3.3.3硅酸盐晶体结构3.4高分子的晶态结构3.4.1高分子链的近程结构3.4.2高分子链的远程结构3.4.3高分子的聚集态结构3.4.4高聚物的晶态结构3.5习题课(3)

重点和难点重点：金属材料结构（bcc、fcc、hcp）类型及性能特点。常见无机化合物的

晶体结构，硅酸盐晶体的结构特点和类型。难点：金属材料结构（bcc、fcc、hcp）类型及特点，置换固溶体、间隙固溶体、金属间化合物、正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化合物的晶体结构；常见无机化合物的晶体结构。硅酸盐晶体的结构：岛状结构、组裙状结构、链状结构、层状结构、架状结构。4晶体缺陷（12学时）(1)

基本要求1）空位、刃型位错和螺型位错、柏氏矢量、滑移与攀移等基本概念。2）点缺陷的类型及形成，点缺陷对性能的影响。3）简单立方晶系中刃型位错和螺型位错原子模型及其对应的柏氏矢量。4）位错的应力场与弹性能，位错与位错间的交互作用，位错与点缺陷间的交互作用，位错增殖、塞积和交割等。5）位错反应的几何条件和能量条件。表面结构及表面吸附与偏析；晶界结构与能量：大小角度晶界，晶界结构模型，晶界的特性；固体中的共格、半共格和非共格相界面；界面能对显微组织形貌的影响。（2）教学内容4.1点缺陷4.1.1点缺陷的类型4.1.2点缺陷的浓度4.1.3

点缺陷对材料性能的影响4.2线缺陷4.2.1位错的类型4.2.2柏氏矢量4.2.3位错的运动4.2.4位错的应力场4.2.5位错与晶体缺陷间的相互作用4.2.6位错的增殖与塞积4.2.7实际晶体中的位错4.3面缺陷4.3.1晶体表面4.3.2晶界结构与能量4.3.3单相多晶体中的晶粒形貌4.3.4晶界偏析与晶界迁移

4.3.5相界4.4习题课(3)

重点和难点重点：位错的基本概念，位错的运动，实际晶体中的位错，晶界结构与能量，大小角度晶界，晶界结构模型，晶界的特性。难点：位错的运动。5

非晶体与准晶结构（2学时）基本要求非晶和准晶的结构特点和形成条件，特殊性能和应用。(2)

教学内容5.1非晶态结构5.1.1玻璃结构5.1.2金属玻璃5.1.3高聚物的非晶态结构5.2准晶态结构5.2.1准晶体的对称性5.2.2准晶体的制备5.2.3准晶的性能及应用(3)本章的重点和难点重点：金属、无机、高分子材料的非晶态结构特点和形成工艺条件，准晶的结构特点和形成条件。难点：金属、无机、高分子材料的非晶态结构特点和形成工艺条件，准晶的结构特点和形成条件。6

相图（16学时）(1)基本要求1）合金、组元、相、组织、组织组成物、相律、杠杆定律等基本概念。2）二元相图的特点及分析方法，分析相变过程及相与组织组成物含量的计算。3）Fe－Fe3C平衡相图，分析相和组织转变过程，计算平衡转变时相组成和组织组成物的相对含量，绘制室温组织示意图。4）三元系的成分表示方法，了解三相平衡区和四相平衡区空间结构特点和截面图中的形状及区的相邻关系。(2)

教学内容6.1相图的基本知识6.1.1相与组织6.1.2相图与相律6.1.3相图研究的意义6.2单元相图6.2.1纯铁相图6.2.2SiO2相图6.2.3聚合物相图6.3二元相图6.3.1匀晶相图与杠杆定律6.3.2二元共晶相图与共析相图6.3.3课堂练习与讨论6.3.4包晶相图与包析相图6.3.5其他类型二元相图6.3.6二元相图的几何规律及分析方法

6.3.7铁碳相图6.3.8课堂练习与讨论6.3.9无机材料专业相图6.4三元相图6.4.1等边三角形的成分表示法6.4.2三元相图中的基本法则6.4.3三元匀晶相图6.4.4固态互不溶解的三元共晶相图6.4.5课堂练习与讨论6.4.6三元相图的几何规律及分析方法6.4.7典型的三元相图6.5相图热力学6.5.1单元相图热力学6.5.2二元相图热力学6.5.3相图与吉布斯自由能曲线6.6习题课(3)

重点和难点重点：二元系相图（杠杆定律，基本类型及相图分析，复杂二元相图分析方法），铁碳相图（铁碳合金平衡结晶分析，铁碳合金的组织与性能的变化），三元系相图（成分表示法，平衡转变的定量法则，三元匀晶相图分析，固体互不溶的三元共晶相图分析）。难点：二元系相图分析及杠杆定律应用，典型铁碳合金平衡结晶分析，固态

互不溶的三元共晶相图结晶过程及投影图分析。7固体扩散（4学时）(1)基本要求（1）扩散与扩散系数、上坡扩散、柯肯达尔效应等基本概念。（2）菲克第二定律的误差函数解的形式及其在工程中的应用计算。（3）影响扩散系数的因素。（4）上坡扩散与反应扩散。(2)教学内容7.1扩散的宏观规律—扩散定律7.1.1菲克第一定律7.1.2菲克第二定律7.2扩散机制7.3扩散系数7.3.1扩散系数和原子跳动7.3.2扩散系数与扩散激活能7.3.3柯肯达尔效应7.4扩散驱动力7.5反应扩散7.6影响扩散的因素(3)重点和难点重点：扩散的宏观规律（菲克第一和第二定律、扩散方程在生产实践中的应用），扩散的微观机理，扩散系数与扩散激活能，扩散驱动力。难点：菲克第二定律的解及应用，扩散的微观机理，扩散驱动力。8

凝固与结晶（8学时）(1)基本要求1）晶体结晶的基本概念及结晶过程。过冷现象，晶体长大机制，固溶体结晶，共晶转变机制及共晶组织形貌，非平衡结晶。2）铸锭三晶区，解释几种常用的凝固技术。3）硅酸盐熔体的性质，液－固转变过程。4）高分子材料的凝固过程和聚合物熔体的结构。(2)

教学内容8.1

凝固与结晶的基础理论

8.1.1液态结构8.1.2结晶的热力学条件和过冷度8.1.3结晶过程8.1.4均匀形核8.1.5非均匀形核8.1.6晶体长大8.2固溶体合金的结晶8.2.1固溶体合金的结晶特点8.2.2固溶体合金的平衡结晶8.2.3固溶体合金的非平衡结晶8.2.4固溶体非平衡结晶时溶质的再分配

8.2.5成分过冷8.3共晶合金的结晶8.3.1共晶转变机制8.3.2共晶组织形貌8.3.3亚共晶和过共晶合金初生相形态8.3.4共晶系合金的非平衡结晶8.4无机非金属材料的液-固相变

8.4.1硅酸盐熔体的结构特点8.4.2硅酸盐熔体的性质8.4.3硅酸盐熔体的凝固8.5高分子材料的凝固8.5.1聚合物熔体的结构与特性8.5.2聚合物的结晶8.6习题课(3)重点和难点重点：纯金属的结晶热力学条件，均匀形核和非均匀形核的特点，固溶体合

金的平衡结晶和非平衡结晶的特点，共晶合金的结晶特点。难点：均匀形核和非均匀形核的临界半径和形核功，固溶体非平衡结晶时溶质的再分配，区域提纯和成分过冷。总复习，答疑（2学时）四、达成课程目标的途径和措施1.教学方法本课程涉及到的教学方法有“讲授法”、“视频法”、“软件动态演示法”、“结构模型演示法”、“板书详解法”、“课堂边讲边练法”、“导入案例法”“学生讲解法”等，具体根据教学内容和目标不同采取不同的教学方法，总原则是化深奥为简明，按浅—深—浅的思路引领学生对课程理论的理解。（1）“导入案例法”：导入案例，加强对基础概念和理论的应用讲解。科学理论思想与生活中的案例。教师引导学生从日常生活现象中理解科学知识。材料学家生平，学生价值观和积极人生态度的引导教育。（2）“视频法”：增加大量视频和动画，帮助学生理解空间结构。（3）“结构模型演示法”：直观生动演示材料的结构特点。（4）“软件动态演示法”：MaterialStudio材料结构设计与模拟软件结构三维动态演示。（5）“板书详解法”：板书详细推导，较难的理论推导和过程分析，如：匀晶相图、二元共晶相图、铁碳相图分析；材料的凝固理论等。（6）“课堂边讲边练法”：课堂边讲边练，学生课堂练习。加强学生自主练习能力。如：晶向指数和晶面指数练习、匀晶相图、二元共晶相图、铁碳相图分析练习等。（7）“学生讲解法”：学生自己讲解作业，加深理解和表达能力。在具体实施过程中，教学内容应紧跟材料科学与工程学科的发展前沿，及时补充材料的新理论、新方法、新技术、新材料等内容，并根据每届学生的特点，对不同内容根据需要调整课堂组织和讨论内容，完善网络学习辅导，提高整体学习效果，促进毕业要求指标点的达成。2.教学手段本课程使用基于互联网+的通识工程教育类《材料科学基础》教材，利用采用现代化的教学手段，针对不同的课程内容特点采用“多媒体”结合“板书”的教学手段进行授课，“多媒体”可将抽象的内容生动化，“板书”可用于详细展开和推进表达，二者充分发挥优势，扬长避短。教材引入了“二维码素材”、“导入案例”、“知识构架”、“背景知识”、“阅读材料”及基本概念的“英文注释”等模块，增加教材的时代性和新颖性，激发学生的阅读兴趣。采用“问题导入”方式，引导思考，直抓核心问题。关于课程内容的二维码视频和图片有300多个。多样化的例题、基础练习题和拓展练习题相结合，强化理论知识的活学活用。3.课外阅读要求推荐学生利用互联网资源、校园网资源（校园网数据库）、图书馆资源（期刊、专业文献）等多种手段获取信息，进行课外阅读。通过课外阅读，既能加深对教学内容的理解，又能拓展专业视野，紧跟材料行业发展的最新前沿。五、课程综合记分方法课程考核由作业和期末考试两部分组成，内容须覆盖全部课程目标和毕业要求指标点。各考核环节及所占比重见下表：考核环节比重（%）作业20期末考试80总计100

（注：无故旷勤1/3者，不允许参加期末考试。）各个环节的评分标准如下：1.

作业每次作业按百分制评分，总评后折算成20分。作业（课堂作业/课后作业/作业讲解）的评分标准观测点85～100分75～84分60～74分<60分完成进度严格按照作业要求并及时完成基本按照作业要求并及时完成不能按照作业要求，未及时完成不能按照作业要求未及时完成概念解释概念清晰概念基本清晰概念不清晰概念错误计算能力完全正确基本正确部分错误完全错误分析或结论有效性分析正确，结论有效分析基本合理，结论基本有效分析不合理

未给出分析课堂表达思路清晰，表达准确，概念清楚，仪态大方。思路较清晰，表达基本准确，概念基本清楚，仪态较大方。表达不清晰，概念有错误，分析不恰当。讲解错误，举止不得体。2.期末考试期末考试成绩是通过闭卷考试的卷面成绩给出，考核内容覆盖课程所讲的晶体结构、晶体缺陷、晶体表面结构、相界面以及二元相图和三元相图等主要部分中的基本原理、基本定义以及综合分析等知识点。知识点的考核以填空（占10-15%）、简答（占30-45%）以及相图阅读、改错与分析（30-45%）的形式，整体上以基本概念和理论为核心，加强基础知识的应用与分析。按期末考试的标准答案和评分标准百分制评分，总评后折算成80分。为了确保考核试卷的信度和效度，必须针对教学目标、把握能力层次，进行试卷蓝图设计。试卷蓝图设计课程目标把握能力层次（对应试题）目标分值百分比（%）了解理解应用11-520-3010-2030-4530-4521-510-15/15-2015-203/20-3020-3040-4540-4541-51-5/1-101-1052-1050-6530-40100100

六、评估方法每学期课程结束后进行课程评估。本课程采用基于课程目标（即预期学习成果）的评估方法，包括：1）根据课程目标设计并实施相应的学习任务和学习活动；2）收集学习活动中各种学习成果的评估资料；3）分析和评估实际的学习成果，做出正确的判断。4）写出反思和持续改进报告（包括评估过程、评估结果、教学反思和持续改进）。课程目标1的评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点1、评价晶体的特点比较与评价晶体、准晶与非晶体的结构特点与形成条件，晶格与晶胞等基本概念。作业（课堂练习/作业讲解）期末考试第二章作业基础练习一、填空题二、分析计算题第五章作业一、填空题(1~6)解释晶系与布拉菲点阵。2、使用MILLER米勒指数表示晶体中的晶向与晶面解释立方晶系的晶向指数与晶面指数的表示及标定方法，利用米勒指数表示特征的晶面和晶向。解释晶向、晶面间及晶带的关系。3、评价晶体结构特点和类型解释晶体化学基本原理。作业（课堂练习/作业讲解）期末考试第三章作业基础练习一、填空题二、分析计算题

评价典型材料结构（bcc、fcc、hcp）类型及性能特点。比较常见无机化合物及硅酸盐的晶体结构、结构特点和类型。课程目标2的评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点1、比较点缺陷的基本类型及概念解释并辨别晶体缺陷的类型及其特征。作业（课堂练习/作业讲解）期末考试第四章作业基础练习一、填空题二、分析题

解释点缺陷的类型及形成，点缺陷对性能的影响2、解释位错的基本类型及相互作用解释比较位错的基本类型。比较简单立方晶系中刃型位错和螺型位错原子模型及其对应的柏氏矢量。认识位错增殖、塞积和交割。解释和计算位错反应的几何条件和能量条件。2、解释面缺陷的基本类型及形貌特点认识表面结构及表面吸附与偏析。辨别晶界结构与能量：大小角度晶界，晶界结构模型，晶界的特性。分辨固体中的共格、半共格和非共格相界面及其形貌特点。课程目标3的评估设计学习成果学习任务、过程和观测预期学习成果细化的预期学习成果及实施准则预设的学习任务观测点1、解释相图的基本概念及规律解释合金、组元、相、组织、组织组成物、相律、杠杆定律等基本概念。作业（课堂练习/作业讲解），期末考试第六章作业基础练习一、填空题（1~4，），二、改错题，三、分析计算题（1，2，3，6，7）2、分析、绘制和重构基本二元相图及Fe-Fe3C相图解释并辨别不同二元相图的特点及分析方法，分析相变和组织转变过程，计算相与组织组成物含量。解释Fe－Fe3C平衡相图，分析相和组织转变过程，计算平衡转变时相组成和组织组成物的相对含量，绘制室温组织示意图。作业（课堂练习/作业讲解）期末考试第六章作业基础练习一、填空题（5~7），三、分析计算题（4，5）3、分析基本三元相图解释三元相图的基本类型及成分表示方法。作业