材料科学基础课程教学大纲

材料科学基础课程教学大纲（FundamentalsofMaterialScience）一、课程概况课程代码学 分：3.5学 时：56（其中：讲授学时50，实验学时6）先修课程：高等数学、大学物理、工程力学、金工实习适用专业：材料成型及控制工程、机械设计制造及其自动化、机械电子工程建议教材：朱张校.工程材料(第5版).北京:清华大学出版社,2017.62课程归口：航空与机械工程学院/飞行学院课程的性质与任务专业的专业基础必修课程。复杂工程问题打下良好基础。二、课程目标目标1：掌握材料科学的基本理论和基本知识，能认识到解决机械工程中材料应用方面的相关问题有多种方案可选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案。目标2：掌握常用工程材料的组织成分和性能之间的一般规律，根据机械零件的服役条件和失效形式，通过文献研究及实验方案设计的基本原理、方法，调研和分析材料成型工艺、模具设计与制造领域复杂工程问题的解决方案，合理选用相应的工程材料，培养科学严谨的习惯和工匠精神。本课程支撑专业培养方案中毕业要求2-3、毕业要求4-1，对应关系见下表。毕业要求观测点（说明：H-强支撑）课程目标目标1目标2毕业要求2-3（H）√毕业要求4-1（H）√三、课程内容及要求结合本课程专业教育，有机融入以下思政元素：培养学生具有科学严谨的习惯、良好的职业道德和工匠精神。（50）（一）材料结构与性能的基本知识（6学时）教学内容绪论金属材料结构：原子结构、原子结合键、原子的排列方式。金属材料的性能：①理化性能；②力学性能：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等；③工艺性能：铸造、锻造、焊接、切削性能及热处理（后续详讲。其他工程材料，高分子、陶瓷、复合材料的结构与性能特点。基本要求金属材料的原子构成、结合键本质。金属材料的性能及其衡量指标。高分子、陶瓷、复合材料的结构与性能特点。思政元素：通过我国各类材料发展现状的介绍，激励新一代青年学生学习材料专业知识的热情和动力，激发学生的国家使命感和爱国主义情怀。（二）材料的晶体结构与晶体缺陷（4学时）教学内容晶体学基本概念：晶体与非晶体，典型的三种晶体结构，晶向及晶面指数标定，晶体的各向异性。晶体的三种缺陷：①点缺陷的类型、产生，过饱和点缺陷的产生，点缺陷与材料的行为；②位错的定义、分类、特点与滑移运动，柏氏矢量的定义与特点，位错的应变际晶体的位错的柏氏矢量，单位位错与不全位错；附，界面能与显微组织的变化；④晶体的三种缺陷对材料组织和性能的影响。合金的晶体结构：离子晶体与共价晶体的结构与性能特点。基本要求典型的三种晶体结构及特征常数。晶向及晶面指数的标定。晶体的三种缺陷对材料组织和性能的影响。晶体与非晶体、离子晶体与共价晶体的结构与性能特点。思政元素：通过材料微观结构与宏观性能联系的介绍，结合社会热点事件涉及的核心材料，培养学生的社会责任感。（三）材料的结晶与凝固（4学时）教学内容金属结晶过程中：结晶的热力学条件及结构条件。晶核的形成与长大，固液界面的微观结构与晶体生长形态的关系、晶体长大机制。多晶型（同素异构）转变。固溶体的平衡及不平衡结晶过程，成分过冷概念及对晶体成长形状的影响。共晶合金的凝固、凝固组织及其偏析缺陷。制造工艺与凝固组织（铸锭与铸件、连续铸造与熔化焊的凝固组织。基本要求金属结晶的热力学条件及结构条件。多晶型（同素异构）转变。铸锭的凝固组织及性能特点。科技进步的自信。（四）材料的相结构与相图（10学时）教学内容合金中的相与组织：相的分类及影响因素（固溶体的类型、固溶体的结构、固溶体的性能；金属化合物类型及性能特点、及其在合金中的作用；组织的概念及其与材料性能的关系。二元合金相图的建立及表示方法，相律及杠杆定律。匀晶、共晶、共析、包（含碳量对铁碳合金平衡组织、力学性能及工艺性能的影响。相图的热力学：吉布斯函数与成分的关系；化学位与相平衡的条件；吉布斯函数与相图间的关系；调幅分解。三元合金相图简介：相图表示方法及三元素平衡相的定量法则；三元匀晶相图；三元共晶相图；三元相图总结。基本要求合金中相的分类及其影响因素、性能特点、及其在合金中的作用；组织的概PAGEPAGE224念及其与材料性能的关系。二元合金相图的建立及表示方法，相律及杠杆定律。匀晶相图分析，共晶相图分析，包晶相图分析，平衡及不平衡结晶过程和组织分析。Fe-Fe3C相图分析；铁碳合金平衡结晶过程及组织分析，相组成、组织组成物的计算；含碳量对铁碳合金平衡组织、力学性能及工艺性能的影响。思政元素：在教学过程中，针对重要知识点，讲解相平衡属于动态平衡等内容，培养学生辩证统一的科学思维。（五）材料的塑性变形与断裂（4学时）教学内容金属的变形特征：应力－应变曲线、弹性变形；滑移、孪生、滑移机制、滑移面与滑移方向、孪晶变形。金属的塑性变形：单晶体、多晶体、合金的塑性变形机制、变形特点及其对金属组织和性能的影响。合金的断裂：断裂分类、影响断裂的基本因素、断裂韧性及其应用。强化机制：纯金属的形变强化（位错交割、位错反应、位错的增殖机理、固溶强化、第二相强化。合金的变形与强化（合金的屈服机制，应变时效，第二相对变形的作用。冷变形金属的再结晶：力学性能、组织、形变织构、形变金属与合金在退火组织和性能的影响、工程应用。塑性变形和再结晶的应用：热加工与冷加工的区分；及其组织与性能特点及应用。基本要求金属的变形特征；滑移、孪生、滑移机制、滑移面与滑移方向、孪晶变形。塑性变形对金属组织和性能的影响。塑合金的断裂分类、影响断裂的基本因素、断裂韧性及其应用。强化机制。冷变形金属的组织与性能；回复、再结晶、晶粒长大；金属热加工的组织与性能。思政元素：在教学过程中，针对重要知识点，向学生介绍材料、安全以及相关基本原理在实际工程问题中的应用，培养学生严谨的职业素养、工匠精神。（五）扩散与固态相变（4学时）教学内容扩散、扩散机理、上坡扩散、反应扩散、扩散系数。扩散第一定律、扩散第二定律的表达式。影响扩散的因素，扩散应用举例。相界面的分类、特点，固相的均匀形核与非均匀形核。固态相变的晶体生长的类型与生长特点。扩散型相变的特点，马氏体转变的特征，过饱和固熔体的脱溶沉淀分析，合金调幅分解。基本要求扩散机理、扩散系数。扩散第一定律、第二定律的表达式。影响扩散的因素。相界面特点，固相形核。固态相变的晶体生长的类型与生长特点。扩散型相变的特点，马氏体转变特征，过饱和固熔体的脱溶沉淀分析，合金调幅分解。思政元素：在教学过程中，针对重要知识点，讲解扩散基本原理和特点，培养学生辩证统一的科学思维。（七） 钢的热处理（8学时）教学内容钢在加热、等温冷却和连续冷却时的组织转变。钢的普通热处理：退火、正火、淬火、回火的工艺特点及应用。钢的表面热处理的工艺特点及应用。钢的化学热处理及其他热处理新技术的工艺特点及应用。钢的合金化。基本要求钢在加热、冷却时组织转变。钢的普通热处理和表面热处理的工艺特点及应用。Fe-Fe3C务社会的意识。（八） 金属材料（6学时）教学内容碳钢的成分、分类、牌号、性能、用途及热处理特点。合金钢钢的成分、分类、牌号、性能、用途及热处理特点。铸钢与铸铁的成分、分类、牌号、性能、用途及热处理特点。有色金属及其合金的成分、分类、牌号、性能、用途及热处理特点。基本要求常用碳素钢的牌号、性能、热处理特点及用途。合金元素在钢中的作用，常用合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢牌号、成分特点、性能特点、热处理特点及用途。常用铝合金、铜合金、轴承合金的牌号、成分、性能、热处理特点及用途。常用铸钢、铸铁的牌号、成分特点、性能特点、热处理特点及用途。70（九） 材料选用（4学时）教学内容机械零件失效的形式、失效分析、零件选材原则。齿轮、轴、弹簧、刃具等典型工件的选材及工艺路线设计。汽车、机床、仪器仪表、热能设备、化工设备、航空航天用材。基本要求机械零件失效的形式、失效分析、零件选材原则。齿轮、轴、弹簧、刃具等典型工件的选材及工艺路线设计。国情怀厚植学生内心。教学内容与课程目标的对应关系及学时分配见下表。序号教学内容支撑的课程目标支撑的毕业要求观测点讲授学时实验学时1材料结构与性能的基本知识目标12-362材料的晶体结构与晶体缺陷目标12-343材料的结晶与凝固目标1、22-3、4-144材料的相结构与相图目标1、22-3、4-11045材料的塑性变形与断裂目标24-146扩散与固态相变目标1、22-3、4-147钢的热处理目标24-1828金属材料目标1、22-3、4-169材料选用目标24-14合计506四、课内实验（实践）6能测试。序号实验项目名称实验内容及要求学时对毕业要求的支撑类型备注1金相显微试样制备及显微镜使用每人制备一块碳钢显微试样，并观察和分析其显微组织。学会制作金相试样，使用最基本的材料分析仪器。22-3、4-1综合性必做2铁碳合金平衡组织的显微分析与观察铁碳合金平衡组织的显微分析与观察。进一步熟练显微镜的操作，加深理解Fe-C22-3、4-1综合性必做3不同热处理状态金属材料的硬度试验4522-3、4-1综合性必做五、课程实施（一（工作条件—性能要求—常见的失效形式—合理选材—成分特点—制定正确的热处理工艺、判断所获得的组织。（二）采用多媒体教学手段，配合典型零件的讲解及适当的思考题，保证讲课进度的同时，注意学生的掌握程度和课堂的气氛。（三的意识。（四）主要教学环节的质量要求如下表。主要教学环节质量要求1备课根据各部分教学内容，构思授课思路，选择教学方法和技巧。2讲授（能够采用现代信息技术辅助教学。有机融入思政元素，达成课程目标。3作业布置与批改学生须完成规定数量的作业，作业必须达到以下基本要求：按时按量完成作业，不缺交，不抄袭。书写规范、清晰。解题方法和步骤正确。教师批改和讲评作业要求如下：认真、细致地批改和讲评作业，按百分制评定成绩并写明日期。作业的平均成绩为本课程总评成绩中平时成绩的重要组成部分。4课外答疑为了解学生的学习情况，帮助学生更好地理解和消化所学知识、改进学习方法和思维方式，培养其独立思考问题的能力，任课教师需每周安排一定时间进行课外答疑与辅导。5成绩考核本课程的考核方式包括平时成绩、实验考核和期末考试。考试采取教考分离，监考由学院统一安排。有下列情况之一者，总评成绩为不及格：1/31/3六、考核方式（一）本课程的考核方式包括形成性考核和期末试卷考核。（二（非实验（告等）成绩的平均分（百分制计分。（三（实验（分（百分制计分。（四）学生课程总评成绩按下式计分：课程总评成绩=所有形成性考核（非实验）成绩的平均分×（20~30）%+形成性考核（实验）成绩×10%+期末考试成绩×（60~70）%。课程目标与课程考核环节、权重的对应关系见下表。序号课程目标i考核环节总题分课程目标达成权重1课程目标1形成性考核（非实验）400.2实验考核500.3期末考核400.52课程目标2形成性考核（非实验）600.2实验考核500.2期末考核600.6每个课程目标达成度计算方法如下：nn支撑该课程目标考核环节j平均得分达成权重jnn支撑该课程目标考核环节j总题分达成权重jj1七、有关说明（一）持续改进毕业要求观测点达成。（二）参考书目及学习资料付华,张光磊.材料科学基础.北京:北京大学出版社胡骞祥.材料科学基础.上海:上海交通大学出版社杨秀英.金属学及热处理.北京:机械工业出版社PAGEPAGE229附件：评分标准一、形成性考核（非实验）评分标准课程目标基本要求评分标准优（90～100）良（80～89）中等（70～79）及格（60～69）不及格（<60）掌握材料科按时完成任按时完成任按时完成任按时完成任未按时完成学的基本理务，态度端务，态度端务，态度端务，态度端任务，态度论和基本知正，很好地掌正，较好地掌正，基本掌正，基本掌握不够端正，识，能认识握课程基本握课程基本握课程基本课程基本理未能掌握课课程到解决机械理论和基础理论和基础理论和基础论和基础知程基本理论目标1工程中材料知识，作答思知识，作答思知识，作答识，作答思路和基础知应用方面的路清晰，准确路清晰，准确思路清晰，基本清晰，无识，作答思相关问题有无误，分析深无误，分析有准确无误，原则性错误，路不清晰清多种方案可入、清晰合一定深度，清分析清晰合分析基本清晰，有原则选择。理。晰合理。理。晰合理。性错误掌握常用工按时完成任按时完成任务，态度端握课程基本理论和基础晰合理。按时完成任务，态度端正，基本掌握课程基本理论和基础知识，作答思路清晰，准确无误，分析清晰合理。按时完成任务，态度端正，基本掌握课程基本理论和基础知识，作答思路基本清晰，无原则性错误，分析基本清晰合理未按时完成任务，态度不够端正，未能掌握课程基本理论识，作答思路不清晰清晰，有原则性错误程材料的组务，态度端织成分和性正，很好地掌能之间的一握课程基本课程目标2据机械零件的服役条件理论和基础和失效形无误，分析深式，合理选入、清晰合用相应的工理。程材料。二、实验评分标准基本要求评分标准优（90～100）良（80～89）中等（70～79）及格（60～69）不及格（<60）遵守实验室守地掌握实验技术、方法和原理。遵守实验室遵守实验室守则和纪守则和纪遵守实验室守掌握材料科学律，认真预律，认真预则和纪律，认未遵守实验室的基本理论和习，有良好习，有良好真预习，有一基本知识，会通的团队精的团队精过文献研究及神，操作认神，操作认神，操作基本实验