《材料科学基础》教学大纲

《材料科学基础》教学大纲课程信息开课单位材料科学与工程学院课程编号课程名称材料科学基础英文名称FundamentalsofMaterialsScience课程性质必修课学分4总课时48先修课程大学物理、物理化学开课学期二年级第一学期适应专业材料学课程内容（一）本课程的性质、目的本课程是材料科学与工程各专业的一门重要的学科基础理论课程，是该专业学生研究材料及其成型原理的重要理论基础。本课程重要为专业课的学习提供有关材料科学的基础知识，为后继专业课程的学习、同步为未来从事材料的研究与开发打下坚实的理论基础。该课程的教学目的是使学生充足掌握材料科学的基础理论，深入理解材料的构成、构造、性能和加工的规律及互相联络，能从材料构成-构造-性能-加工工艺互相联络的角度理解、解释材料制备、使用过程中的多种化学、物理现象和性能。（二）基本教学内容第1章材料科学与工程材料与材料科学的重要地位，材料分类，材料性能与内部构造的关系，材料的制备与加工工艺对性能的影响，《材料科学基础》课程的性质、任务和内容以及在材料科学与工程技术中的作用。简介课程的学习措施，教学、考核的形式，重要参照书目。第2章材料的原子构造目的规定：理解原子构造及建合类型，掌握物质的构成、原子的构造、电子构造和元素周期表，熟悉一次键（金属键、离子键、共价键）、二次健（范德华力和氢键）的定义、特点。掌握材料中的结合键的类型对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。重要内容：1.原子构造主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数、原子量、原子价和电负性等基本概念，能量最低原理、包利不相容原理等基本原理，原子核外电子排布规律。原子构造、原子排列对材料性能的影响。2.材料中的结合键的类型、本质，各结合键对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。3.原子的堆垛和配位数的基本概念及对材料性能的影响。4.显微组织基本概念和对材料性能的影响。重点难点：结合键的类型、本质，各结合键对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。第3章材料的晶态构造目的规定：理解晶体的特点、空间点阵、晶胞、晶系和布拉菲点阵，晶向和晶面的表达措施，晶带和晶带定律、晶面间距，晶体的对称性，极射投影。掌握三种经典的金属晶体构造，致密度和配位数，点阵常数和原子半径，晶体的原子堆垛方式和间隙，多晶型性。重要内容：1.晶体与非晶体、晶体构造、空间点阵、晶格、晶胞、晶格常数、布拉菲点阵、晶面间距等基本概念。2.晶体晶向指数与晶面指数的标定措施；晶带定理；极射投影；晶体的对称性。3.晶体构造及类型，常见晶体构造(bcc、fcc、hcp)及其几何特性、配位数、堆积因子（致密度）、间隙、密排面与密排方向。4.经典离子晶体构造类型：金刚石构造，石墨构造，NaCl型构造、CsCl型构造，ZnS型构造，萤石型构造，金红石型构造，CdI2型构造，钙钛矿型构造，尖晶石型构造，描述晶体构造的三种措施，同质多晶与类质同晶的概念；硅酸盐晶体构造特点及其分类：硅酸盐晶体构造的分类原则；岛状构造，组群状构造，链状构造，层状构造和架状构造的硅酸盐晶体。5.高分子材料的构成和构造的基本特性，高分子材料结晶形态、高分子链在晶体中的构象、高分子材料晶态构造模型、液晶态的构造特性与分类。重点难点：重点14种布拉维点阵；三种经典的金属晶体构造，难点离子晶体构造、高分子材料晶态构造模型、极射投影。第4章点缺陷和扩散目的规定：熟悉点缺陷的概念、形成、平衡浓度，点缺陷的运动。理解菲克第一定律，菲克第二定律，经典条件下扩散方程的解，熟悉扩散的原子理论，理解扩散的机制及其影响原因。重要内容：1.点缺陷的类型，肖脱基空位、弗兰克尔空位、间隙原子和置换原子，间隙固溶体和置换固溶体等基本概念，离子晶体中的点缺陷特点，点缺陷的平衡浓度、影响原因及其对材料性能的影响。2.扩散概念和柯肯达尔效应，扩散第一定律、扩散第二定律。3.扩散驱动力及扩散机制，反应扩散。4.离子晶体中的扩散、聚合物中的扩散机制。5.扩散系数、扩散激活能，影响扩散的原因及原理：晶体构成的影响，化学键的影响，构造缺陷的影响。温度与杂质的影响等等。重点难点：重点扩散的机制及其影响原因，难点菲克第二定律。第5章线、面和体缺陷目的规定：掌握晶体缺陷的基本类型、特性及其运动特性；其中掌握位错的定义、基本类型和特性，柏氏矢量的定义、特性和表达措施，位错的运动（滑移、攀移，运动位错的交割），位错的生成和增殖，实际晶体构造中的位错，堆垛层错，不全位错，位错反应。理解晶体缺陷与合金材料的强化原理。理解外表面和表面能，晶界和亚晶界（小角度晶界、大角度晶界构造，晶界能，晶界特性，孪晶界），相界的定义、种类和特点。重要内容：1.位错类型，刃型位错、螺型位错、位错线和滑移线的基本概念，柏格斯回路和柏氏矢量的基本概念及物理意义。2金属晶体中的滑移面和滑移方向及其与外加切应力之间的关系。3.离子晶体、共价晶体和聚合物晶体中的位错。4.晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界面等基本概念。5.晶粒度和晶粒尺寸的基本概念及测量。6.体缺陷基本概念。7.材料的强化措施及机制。重点难点：重点晶体缺陷的基本类型、特性及其运动特性，晶体缺陷与合金材料的强化原理。第6章相平衡与相图目的规定：掌握相平衡条件和相律，单元系相图。掌握匀晶相图、共晶相图、包晶相图及其合金凝固，其他类型的二元相图，复杂二元相图的分析措施，根据相图推测合金的性能，二元相图实例分析（铁碳合金的组织及其性能）。熟悉三元相图成分表达措施（成分三角形），三元相图的空间模型，三元相图的截面和投影图。理解固态互不溶解的三元共晶相图。重要内容：1.相平衡与相平衡图的基本概念、相律的基本概念，相平衡的相率解释。2.二元合金相图的建立，二元相图中的匀晶、共晶、包晶、偏晶等相图的构造分析；共析、包析反应；二元相图的平衡结晶过程分析、冷却曲线；二元合金中匀晶、共晶、共析、二次相析出的平衡相和平衡组织特点；杠杆定律及其应用。3.基本相图的分析和应用，相图与性能的关系。4.熟悉铁碳合金的平衡结晶过程及室温下所得到的组织，并可以应用杠杆定律进行相构成物相对含量计算；熟悉铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体和渗碳体等基本概念。5.简朴三元合金的相平衡分析、冷却曲线分析、截面图分析。重点难点：相平衡图的基本概念、相律，杠杆应律，二元相图的基本类型，经典合金的结晶过程的分析，杠杆定律的应用及相图与性能的关系。第7章非晶态材料与半晶态材料目的规定：掌握非晶态材料与半晶态材料概念；理解聚合物的分类和重要性能，理解玻璃的构造和性能。重要内容：1.高分子的链构造、高分子的汇集态构造。2.玻璃化转变现象和玻璃化温度，玻璃化转变理论，影响玻璃化温度的原因。3.高分子结晶能力，结晶速度，影响结晶速度的原因。4.玻璃态高聚物的构造与性能；高弹态高聚物的力学性质，高弹性的特点，橡胶弹性对温度的依赖关系；高聚物的粘弹性力学松弛现象，粘弹性与时间、温度的关系。热固性和热塑性聚合物的概念及材料特性。5.离子玻璃、共价玻璃、金属玻璃的构造及性能特点，影响玻璃形成能力的原因。重点难点：高分子材料的构造特点，高聚物力学三态。第8章组织转变动力学目的规定：掌握相变的本质和动力。重要内容：1.相变的分类2.相变的本质和驱动力3.均匀形核与非均匀形核（三）习题及规定为使学生掌握好基本理论，需做一定数量习题。以作业、课堂讨论和课堂讲解相结合，充足发挥和调动学生的积极性，使学生完毕书中习题。各章习题见后表。（四）实践环节规定通过对微观组织的金相制备及观测理解材料的性能与组织的关系，通过“导师导航”活动，学生参观试验室、听取导师对所研究领域和科研工作的简介，提高学生对材料科学的认识和学习爱好。（五）能力培养规定1、分析和处理问题能力针对详细问题，培养学生能针对详细问题分析材料的性能、工艺与组织构造和成分的关系。2、自学能力的培养由于课时有限，规定学生课后能进行自学，对讲授过的重点进行归纳整顿，对理解部分的内容进行自学加深；围绕教学内容，阅读参照书籍和资料，自我扩充知识的能力。3、自主研发能力的培养培养学生学会独立思索，深入钻研问题的习惯。在材料科学的基本概念、基本理论等知识的同步，结合教师的科研项目，简介材料科学最新发展和动态，引导和培养学生进行新材料、新工艺研究开发的爱好和初步能力。三、课时分派章节课程内容讲课实践习题1材料科学与工程222材料的原子构造43.6.14.22.40.46.543材料的晶态构造66.12.20.21.30.36.42.44.57.65.72习题课24点缺陷和扩散6待定5线、面和体缺陷8待定习题课26相平衡与相图82待定7非晶态材料与半晶态材料4待定习题课28组织转变动力学2待定复习（机动）2考核方式总评成绩=平时成绩（含试验）+考试成绩平时成绩占10～15%考试成绩占85～90%教材及参照书教材：（美）JamesP.Schaffer.工程材料科学与设计（原书第2版），机械工业出版社，。参照书：1.潘金生、仝健民、田民波编，材料科学基础，清华大学出版社，19