2019-2020年整理材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)大綱

1、?材料科學(xué)根底?教學(xué)大綱、課程信息開課單位材料科學(xué)與工程學(xué)院課程編號課程名稱材料科學(xué)根底英文名稱Fun dame ntals of MaterialsScie nee課程性質(zhì)必修課學(xué)分4總學(xué)時48先修課程大學(xué)物理、物理化學(xué)開課學(xué)期二年級第一學(xué)期適應(yīng)專業(yè)材料學(xué)二、課程內(nèi)容一本課程的性質(zhì)、目的本課程是材料科學(xué)與工程各專業(yè)的一門重要的學(xué)科根底理論課程,是該專業(yè)學(xué)生研 究材料及其成型原理的重要理論根底.本課程主要為專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供有關(guān)材料科學(xué)的 根底知識,為后繼專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、同時為將來從事材料的研究與開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的理論 根底.該課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生充分掌握材料科學(xué)的根底理論,深入理解材料的組成、結(jié)

2、構(gòu)、性能和加工的規(guī)律及相互聯(lián)系,能從材料組成-結(jié)構(gòu)-性能-加工工藝相互聯(lián)系的角 度理解、解釋材料制備、使用過程中的各種化學(xué)、物理現(xiàn)象和性能.二根本教學(xué)內(nèi)容第1章材料科學(xué)與工程材料與材料科學(xué)的重要地位,材料分類,材料性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系,材料的制備 與加工工藝對性能的影響,?材料科學(xué)根底?課程的性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容以及在材料科學(xué)與 工程技術(shù)中的作用.介紹課程的學(xué)習(xí)方法,教學(xué)、考核的形式,主要參考書目.第2章材料的原子結(jié)構(gòu)目的要求：了解原子結(jié)構(gòu)及建合類型,掌握物質(zhì)的組成、原子的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和元素周期表, 熟悉一次鍵金屬鍵、離子鍵、共價鍵、二次健范德華力和氫鍵的定義、特點(diǎn).掌 握材料中的結(jié)合鍵的類型對

3、材料性能的影響,鍵 -能曲線及其應(yīng)用.主要內(nèi)容：1. 原子結(jié)構(gòu)主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)和自旋量子數(shù)、原子量、原子價和電負(fù) 性等根本概念,能量最低原理、包利不相容原理等根本原理,原子核外電子排布規(guī)律. 原子結(jié)構(gòu)、原子排列對材料性能的影響.2. 材料中的結(jié)合鍵的類型、本質(zhì),各結(jié)合鍵對材料性能的影響,鍵-能曲線及其應(yīng)用.3. 原子的堆垛和配位數(shù)的根本概念及對材料性能的影響.4. 顯微組織根本概念和對材料性能的影響.重點(diǎn)難點(diǎn)：結(jié)合鍵的類型、本質(zhì),各結(jié)合鍵對材料性能的影響,鍵-能曲線及其應(yīng)用.第3章材料的晶態(tài)結(jié)構(gòu)目的要求：了解晶體的特點(diǎn)、空間點(diǎn)陣、晶胞、晶系和布拉菲點(diǎn)陣,晶向和晶面的表示方法,晶帶和

4、晶帶定律、晶面間距,晶體的對稱性,極射投影.掌握三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu),致密度和配位數(shù),點(diǎn)陣常數(shù)和原子半徑,晶體的原 子堆垛方式和間隙,多晶型性.主要內(nèi)容 ：1. 晶體與非晶體、晶體結(jié)構(gòu)、空間點(diǎn)陣、晶格、晶胞、晶格常數(shù)、布拉菲點(diǎn)陣、晶 面間距等根本概念.2. 晶體晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的標(biāo)定方法 ；晶帶定理；極射投影；晶體的對稱性.3. 晶體結(jié)構(gòu)及類型,常見晶體結(jié)構(gòu) bcc 、fcc 、hcp 及其幾何特征、配位數(shù)、堆積因 子致密度、間隙、密排面與密排方向.4. 典型離子晶體結(jié)構(gòu)類型：金剛石結(jié)構(gòu),石墨結(jié)構(gòu), NaCl 型結(jié)構(gòu)、 CsCl 型結(jié)構(gòu), ZnS型結(jié)構(gòu),螢石型結(jié)構(gòu),金紅石型結(jié)構(gòu),Cdl2型

5、結(jié)構(gòu),鈣鈦礦型結(jié)構(gòu),尖晶石型結(jié)構(gòu), 描述晶體結(jié)構(gòu)的三種方法,同質(zhì)多晶與類質(zhì)同晶的概念；硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其分類：硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)的分類原那么；島狀結(jié)構(gòu),組群狀結(jié) 構(gòu),鏈狀結(jié)構(gòu),層狀結(jié)構(gòu)和架狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽晶體.5. 高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)的根本特征,高分子材料結(jié)晶形態(tài)、高分子鏈在晶體中 的構(gòu)象、高分子材料晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型、液晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征與分類.重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn) 14 種布拉維點(diǎn)陣；三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu) ,難點(diǎn)離子晶體結(jié)構(gòu)、高分子材料 晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型、 極射投影.第 4 章 點(diǎn)缺陷和擴(kuò)散目的要求：熟悉點(diǎn)缺陷的概念、形成、平衡濃度,點(diǎn)缺陷的運(yùn)動.了解菲克第一定律,菲克第二定律,典型條件下擴(kuò)散方程的解,熟

6、悉擴(kuò)散的原子理 論,了解擴(kuò)散的機(jī)制及其影響因素.主要內(nèi)容 ：1. 點(diǎn)缺陷的類型,肖脫基空位、弗蘭克爾空位、間隙原子和置換原子,間隙固溶體 和置換固溶體等根本概念,離子晶體中的點(diǎn)缺陷特點(diǎn),點(diǎn)缺陷的平衡濃度、影響因素及 其對材料性能的影響.2. 擴(kuò)散概念和柯肯達(dá)爾效應(yīng),擴(kuò)散第一定律、擴(kuò)散第二定律.3. 擴(kuò)散驅(qū)動力及擴(kuò)散機(jī)制,反響擴(kuò)散.4. 離子晶體中的擴(kuò)散、聚合物中的擴(kuò)散機(jī)制.5. 擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散激活能,影響擴(kuò)散的因素及原理：晶體組成的影響,化學(xué)鍵的影 響,結(jié)構(gòu)缺陷的影響.溫度與雜質(zhì)的影響等等.重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)擴(kuò)散的機(jī)制及其影響因素,難點(diǎn)菲克第二定律.第 5 章 線、面和體缺陷目的要求： 掌握晶體缺

7、陷的根本類型、特征及其運(yùn)動特征；其中掌握位錯的定義、根本類型和 特征,柏氏矢量的定義、特性和表示方法, 位錯的運(yùn)動滑移、攀移,運(yùn)動位錯的交割 位錯的生成和增殖,實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯,堆垛層錯,不全位錯,位錯反響.了解晶 體缺陷與合金材料的強(qiáng)化原理.了解外外表和外表能,晶界和亞晶界小角度晶界、大角度晶界結(jié)構(gòu),晶界能,晶 界特性,孿晶界,相界的定義、種類和特點(diǎn).主要內(nèi)容 ：1. 位錯類型,刃型位錯、螺型位錯、位錯線和滑移線的根本概念,柏格斯回路和柏 氏矢量的根本概念及物理意義.2金屬晶體中的滑移面和滑移方向及其與外加切應(yīng)力之間的關(guān)系.3. 離子晶體、共價晶體和聚合物晶體中的位錯.4. 晶界、亞晶界

8、、孿晶界、堆垛層錯和相界面等根本概念.5. 晶粒度和晶粒尺寸的根本概念及測量.6. 體缺陷根本概念.7. 材料的強(qiáng)化方法及機(jī)制.重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)晶體缺陷的根本類型、特征及其運(yùn)動特征,晶體缺陷與合金材料的強(qiáng)化原理.第 6 章 相平衡與相圖目的要求 ： 掌握相平衡條件和相律,單元系相圖.掌握勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖及其合 金凝固,其他類型的二元相圖,復(fù)雜二元相圖的分析方法,根據(jù)相圖推測合金的性能, 二元相圖實(shí)例分析鐵碳合金的組織及其性能 .熟悉三元相圖成分表示方法成分三角 形,三元相圖的空間模型,三元相圖的截面和投影圖.了解固態(tài)互不溶解的三元共晶相 圖.主要內(nèi)容：1. 相平衡與相平衡圖的根本概念

9、、相律的根本概念,相平衡的相率解釋.2. 二元合金相圖的建立, 二元相圖中的勻晶、 共晶、包晶、偏晶等相圖的結(jié)構(gòu)分析； 共析、包析反響；二元相圖的平衡結(jié)晶過程分析、冷卻曲線；二元合金中勻晶、共晶、 共析、二次相析出的平衡相和平衡組織特點(diǎn)；杠桿定律及其應(yīng)用.3. 根本相圖的分析和應(yīng)用,相圖與性能的關(guān)系.4. 熟悉鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及室溫下所得到的組織,并能夠應(yīng)用杠桿定律進(jìn)行 相組成物相對含量計(jì)算；熟悉鐵素體、奧氏體、珠光體、萊氏體和滲碳體等根本概念.5. 簡單三元合金的相平衡分析、冷卻曲線分析、截面圖分析. 重點(diǎn)難點(diǎn) ： 相平衡圖的根本概念、相律,杠桿應(yīng)律,二元相圖的根本類型,典型合金的結(jié)晶

10、過 程的分析,杠桿定律的應(yīng)用及相圖與性能的關(guān)系.第 7 章 非晶態(tài)材料與半晶態(tài)材料目的要求： 掌握非晶態(tài)材料與半晶態(tài)材料概念；了解聚合物的分類和主要性能,了 解玻璃的結(jié)構(gòu)和性能.主要內(nèi)容：1. 高分子的鏈結(jié)構(gòu)、高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu).2. 玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象和玻璃化溫度,玻璃化轉(zhuǎn)變理論,影響玻璃化溫度的因素.3. 高分子結(jié)晶水平,結(jié)晶速度,影響結(jié)晶速度的因素.4. 玻璃態(tài)高聚物的結(jié)構(gòu)與性能；高彈態(tài)高聚物的力學(xué)性質(zhì),高彈性的特點(diǎn),橡膠彈 性對溫度的依賴關(guān)系；高聚物的粘彈性力學(xué)松弛現(xiàn)象,粘彈性與時間、溫度的關(guān)系.熱 固性和熱塑性聚合物的概念及材料特性.5. 離子玻璃、共價玻璃、金屬玻璃的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn),影

11、響玻璃形成水平的因素. 重點(diǎn)難點(diǎn) ：高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),高聚物力學(xué)三態(tài).第 8 章 組織轉(zhuǎn)變動力學(xué)目的要求： 掌握相變的本質(zhì)和動力.主要內(nèi)容：1. 相變的分類2. 相變的本質(zhì)和驅(qū)動力3. 均勻形核與非均勻形核三習(xí)題及要求 為使學(xué)生掌握好根本理論,需做一定數(shù)量習(xí)題.以作業(yè)、課堂討論和課堂講解相結(jié) 合,充分發(fā)揮和調(diào)動學(xué)生的積極性,使學(xué)生完成書中習(xí)題.各章習(xí)題見后表.四實(shí)踐環(huán)節(jié)要求通過對微觀組織的金相制備及觀察了解材料的性能與組織的關(guān)系,通過“導(dǎo)師導(dǎo)航活動,學(xué)生參觀實(shí)驗(yàn)室、聽取導(dǎo)師對所研究領(lǐng)域和科研工作的介紹,提升學(xué)生對材料科學(xué)的熟悉和學(xué)習(xí)興趣五水平培養(yǎng)要求1、分析和解決問題水平 針對具體問題,培

12、養(yǎng)學(xué)生能針對具體問題分析材料的性能、 工藝與組織結(jié)構(gòu)和成分的關(guān)系.2自學(xué)水平的培養(yǎng) 由于課時有限,要求學(xué)生課后能進(jìn)行自學(xué),對講授過的重點(diǎn)進(jìn) 行歸納整理,對了解局部的內(nèi)容進(jìn)行自學(xué)加深；圍繞教學(xué)內(nèi)容,閱讀參考書籍和資料,自 我擴(kuò)充知識的水平.3、自主研發(fā)水平的培養(yǎng) 培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會獨(dú)立思考,深入鉆研問題的習(xí)慣.在材料科 學(xué)的根本概念、根本理論等知識的同時,結(jié)合教師的科研工程,介紹材料科學(xué)最新開展 和動態(tài),引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行新材料、新工藝研究開發(fā)的興趣和初步水平.三、學(xué)時分配早節(jié)課程內(nèi)容講課實(shí)踐習(xí)題1材料科學(xué)與丄程22材料的原子結(jié)構(gòu)43.6.14.22.40.46.543材料的晶態(tài)結(jié)構(gòu)66.12.20.21.30.36.42.44.57.65.72習(xí)題課224點(diǎn)缺陷和擴(kuò)散6待定5線、面和體缺陷8待定習(xí)題課26相平衡與相圖8待定7非晶態(tài)材料與半晶態(tài)材料4待定習(xí)題課228組織轉(zhuǎn)變動力學(xué)2待定復(fù)習(xí)機(jī)動2二、考核方式總評成績二平時成績含實(shí)驗(yàn)+測試成績平時成績 占1015%測試成績 占8590%四、教材及參考書教材：美James P.Schaffer.工程材料科學(xué)與設(shè)計(jì)原書第 2版,