材料科学基础教学大纲

材料科学基础教学大纲 、课程信息 开课单位开课单位 课程名称课程名称 课程性质课程性质 总学时总学时 材料科学与工程学院 材料科学基础 必修课 48 二年级第一学期 课程编号 英文名称 学分 先修课程 适应专业 Fundamentals of Materials Science 4 大学物理、物理化学 材料学开课学期开课学期 二、课程内容 （一）（一）本本课程的性质、目的课程的性质、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。本课程主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、同时为将来从事材料的研究与开发打下坚实的理论 基础。 该课程的教学目标是使学生充分掌握材料科学的基础理论，深入理解材料的组成、结 构、性能和加工的规律及相互联系，能从材料组成-结构-性能-加工工艺相互联系的角 度理 解、解释材料制备、使用过程中的各种化学、物理现象和性能。 （二）（二）基基本教学内容本教学内容 第第1 1章材料科学与工程章材料科学与工程 材料与材料科学的重要地位，材料分类，材料性能与内部结构的关系，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。 介绍课程的学习方法，教学、考核的形式，主要参考书目。 第第2 2章材料的原子结构章材料的原子结构 目的要求目的要求 了解原子结构及建合类型，掌握物质的组成、原子的结构、电子结构和元素周期表, 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。 主要内容主要内容 1.原子结构主量子数、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 子结构、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。 第第3 3章材料的晶态结构章材料的晶态结构 目的要求目的要求 了解晶体的特点、空间点阵、晶胞、晶系和布拉菲点阵，晶向和晶面的表示方法， 晶 带和晶带定律、晶面间距，晶体的对称性，极射投影。 掌握三种典型的金属晶体结构，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。 主要内容主要内容 1.晶体与非晶体、晶体结构、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方法；晶带定理；极射投影；晶体的对称性。 3.晶体结构及类型，常见晶体结构（bcc、fee、hep）及其几何特征、配位数、堆积因 子（致密度）、间隙、密排面与密排方向。 4. 典型离子晶体结构类型金刚石结构，石墨结构，NaCl 型结构、CsCl 型结构， ZnS 型结构，萤石型结构，金红石型结构，CdI2 型结构，钙钛矿型结构，尖晶石型结构, 描 述晶体结构的三种方法，同质多晶与类质同晶的概念； 硅酸盐晶体结构特点及其分类硅酸盐晶体结构的分类原则；岛状结构，组群状结 构，链状结构，层状结构和架状结构的硅酸盐晶体。 5.高分子材料的组成和结构的基本特征，高分子材料结晶形态、高分子链在晶体中 的 构象、高分子材料晶态结构模型、液晶态的结构特征与分类。 重点难点重点难点 重点 14 种布拉维点阵；三种典型的金属晶体结构，难点离子晶体结构、高分子材料 晶态结构模型、极射投影。 第第4 4章点缺陷和扩散章点缺陷和扩散 目的要求目的要求 熟悉点缺陷的概念、形成、平衡浓度，点缺陷的运动。 了解菲克第一定律，菲克第二定律，典型条件下扩散方程的解，熟悉扩散的原子理 论，了解扩散的机制及其影响因素。 主要内容主要内容 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、影响因素及 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，影响扩散的因素及原理晶体组成的影响，化学键的影 响，结构缺陷的影响。温度与杂质的影响等等。 重点难点重点难点 重点扩散的机制及其影响因素，难点菲克第二定律。 第第5 5章线、面和体缺陷章线、面和体缺陷 目的要求目的要求 掌握晶体缺陷的基本类型、特征及其运动特征；其中掌握位错的定义、基本类型和特 征，柏氏矢量的定义、特性和表示方法，位错的运动（滑移、攀移，运动位错的交割）, 位 错的生成和增殖，实际晶体结构中的位错，堆垛层错，不全位错，位错反应。了解晶体缺 陷与合金材料的强化原理。 了解外表面和表面能，晶界和亚晶界（小角度晶界、大角度晶界结构，晶界能，晶界 特性，李晶界），相界的定义、种类和特点。 主要内容主要内容 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、季晶界、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.材料的强化方法及机制。 重点难点重点难点 重点晶体缺陷的基本类型、特征及其运动特征，晶体缺陷与合金材料的强化原理。 第第6 6章相平衡与相图章相平衡与相图 目的要求目的要求 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方法，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示方法（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。了解固态互不溶解的三元共晶相 图。 主要内容主要内容 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、偏晶等相图的结构分析; 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，并能够应用杠杆定律进行 相 组成物相对含量计算；熟悉铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体和渗碳体等基本概念。 5.简单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，典型合金的结晶过程 的分析，杠杆定律的应用及相图与性能的关系。 第第7 7章非晶态材料与半晶态材料章非晶态材料与半晶态材料