上海交大材料科學(xué)基礎(chǔ)課件教學(xué)大綱

1、課程名稱：材料科學(xué)基礎(chǔ)/Fundamentals of Materials Science課堂學(xué)時：90實驗學(xué)時：36適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程類專業(yè)、冶金類專業(yè)和機電類專業(yè)一、課程的性質(zhì)、地位、任務(wù)    材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料類和冶金類專業(yè)的一門主干課，也是該專業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課。通過講課、實驗、課堂討論和課外實踐等 各個教學(xué)環(huán)節(jié)，將金屬學(xué)、陶瓷學(xué)和高分子物理的基礎(chǔ)理論融合為一體，以研究材料共性規(guī)律，即研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝和性能之間的相互關(guān)系，指 導(dǎo)材料的設(shè)計和應(yīng)用，并為學(xué)習(xí)后繼專業(yè)課程、從事材料科學(xué)研究和工程技術(shù)工作打下堅實的理論基礎(chǔ)。二、

2、課程的教學(xué)內(nèi)容和基本要求緒論（1學(xué)時）    了解材料的發(fā)展史、材料科學(xué)的研究對象和內(nèi)容以及學(xué)習(xí)本課程的目的意義和要求。第一章  原子結(jié)構(gòu)和鍵合（4學(xué)時）    了解物質(zhì)由原子組成，而組成材料的各元素的原子結(jié)構(gòu)和原子間的鍵合是決定材料性能的重要因素。    §1 原子結(jié)構(gòu)            (一)、原子結(jié)構(gòu)； &#

3、160;  (二)、原子間的鍵合；    (三)、高分子鏈。    §2 原子間的鍵合            (一)、金屬鍵        (二)、離子鍵           &#

4、160;(三)、共價鍵                (四)、范德華力      (五)、氫鍵    §3 高分子鏈            (一)、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成   

5、0;              1碳鏈高分子  2雜鏈分子  3元素有機高分子  4無機高分子            (二)、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式          

6、0;       1均聚物結(jié)構(gòu)單元順序   2共聚物的序列結(jié)構(gòu)            (三)、高分子鏈的幾何形狀            (四)、高分子鏈的構(gòu)型第二章  固體結(jié)構(gòu)(8學(xué)時)    固態(tài)原子按其原子

7、（或分子）聚集的狀態(tài)，可劃分為晶體與非晶體兩大類。晶體中的原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列；而非晶體中的原子則是 無規(guī)則排列的。材料的性能與材料各元素的原子結(jié)構(gòu)和鍵合密切相關(guān)，也與固態(tài)材料中原子或分子在空間的分布排列和運動規(guī)律以及原子集合體的形貌特征密切相 關(guān)。    §1 晶體學(xué)基礎(chǔ)            (一)、晶體的空間點陣        

8、          1空間點陣概念  2晶胞  3晶系與布拉菲點陣  4晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣的關(guān)系            (二)、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)              

9、60;   1陣點坐標  2晶向指數(shù)  3晶面指數(shù)  4六方晶系指數(shù)  5晶帶  6晶面間距    §2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)            (一)、面心立方晶體結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征          

10、  (二)、體心立方晶體結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征            (三)、密排六方晶體結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征    §3 金屬的相結(jié)構(gòu)            (一)、固溶體          

11、60;       1置換固溶體  2間隙固溶體  3有序固溶體  4固溶體的性質(zhì)            (二)、中間相                  1正常價化合物

12、  2電子化合物                  3原子尺寸因素化合物                      ()間隙相和間隙化合物  ()拓撲密堆相&#

13、160;   §4 離子晶體結(jié)構(gòu)            (一)、NaCl型結(jié)構(gòu)    (二)、螢石型結(jié)構(gòu)    (三)、CsCl型結(jié)構(gòu)    (四)、a-Al2O3型結(jié)構(gòu)    §5 共價晶體結(jié)構(gòu)      &

14、#160;     (一)、金剛石結(jié)構(gòu)    (二)、SiO2結(jié)構(gòu)      (三)、VA、VIA族亞金屬結(jié)構(gòu)    §6 聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)            (一)、晶胞結(jié)構(gòu)      (二)、晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型 

15、; (三)、聚合物結(jié)晶形態(tài)    §7 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)第三章  晶體缺陷(12學(xué)時)    實際晶體常存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域晶體缺陷。根據(jù)晶體缺陷分布的幾何特征可分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三類。了解晶體缺陷有利于分析研 究結(jié)構(gòu)敏感性能的變化規(guī)律和相變、擴散、塑性變形、再結(jié)晶以及氧化、燒結(jié)等現(xiàn)象，對探索材料晶體中的奧秘和推動材料科學(xué)的發(fā)展起著重要作用。    §1 點缺陷     

16、;       (一)、空位與間隙原子    (二)、電缺陷的運動    (三)、點缺陷的平衡濃度    §2 線缺陷            (一)、位錯概念的引入         

17、0;  (二)、位錯的基本結(jié)構(gòu)                  1刃型位錯  2螺型位錯  3混合位錯  4位錯密度  5柏矢矢量            (三)、位錯的運動  &

18、#160;               1位錯的滑移  2位錯的攀移  3位錯的交滑移            (四)、位錯的彈性性質(zhì)             &

19、#160;    1位錯的應(yīng)力場  2位錯的應(yīng)變能  3位錯的線張力  4作用在位錯上的力                  5平行位錯之間的作用力            (五)、實際晶體中的位錯&#

20、160;                 1堆垛層錯  2不全位錯  3位錯反應(yīng)與擴展位錯  4湯普森四面體    §3 面缺陷            (一)、晶界   

21、 二)、孿晶界    三)、相界    (四)、外表面第四章  固體中原子及分子的運動(14 學(xué)時)    固體中物質(zhì)的遷移屬動力學(xué)范疇。固體中按照原子的鍵合情況可分為金屬(金屬鍵)、陶瓷(離子鍵)和高分子(共價鍵)三類材料。不同的鍵合情 況導(dǎo)致固體中原子的運動方式不同。本章主要了解上述三類材料中原子的運動規(guī)律及影響因素，并為將來學(xué)習(xí)材料動力學(xué)打下基礎(chǔ)。因此，本章的主要內(nèi)容包括：擴 散方程的推導(dǎo)及求解，擴散的熱力學(xué)分析及原子機制，影響擴散的因素及

22、反應(yīng)擴散，離子晶體與金屬晶體在擴散方面的異同和高分子材料中分子的運動規(guī)律等。    §1 表象理論            (一)、菲克第一定律            (二)、菲克第二定律          &#

23、160; (三)、擴散方程的解                  1. 誤差函數(shù)解  2. 格林函數(shù)解(衰減薄膜源)            (四)、置換型固溶體中的擴散    (五)、擴散系數(shù)與濃度相關(guān)時的求解 

24、0;  §2 擴散的熱力學(xué)分析    §3 擴散的原子理論            (一)、擴散機制                  1. 交換機制      

25、2. 間隙機制  3. 空位機制            4. 晶界擴散及表面擴散            (二)、原子跳躍和擴散系數(shù)                 

26、60;1. 原子跳躍頻率  2. 擴散系數(shù)  3. 無規(guī)行走與擴散距離  4. 擴散激活能    §4 影響擴散的因素（簡介）            (一)、溫度        (二)、固溶體類型    (三)、晶體結(jié)構(gòu)  

27、60;         (四)、晶體缺陷    (五)、化學(xué)成分      (六)、應(yīng)力的作用    §5 反應(yīng)擴散    §6 離子晶體中的擴散    §7 高分子的分子運動       

28、     (一)、分子鏈運動的起因及其柔順性            (二)、分子的運動方式及其結(jié)構(gòu)影響因素                  1. 主鏈結(jié)構(gòu)  2. 取代基的特性  3. 鏈的長度 &

29、#160;          (三)、高分子不同力學(xué)狀態(tài)的分子運動解說                  1.線型非晶態(tài)高分子的三種力學(xué)狀態(tài)  2. 體型非晶態(tài)高分子的力學(xué)狀態(tài)          &#

30、160;       3.結(jié)晶高分子的力學(xué)狀態(tài)第五章  材料的形變與再結(jié)晶(14學(xué)時)    分析研究材料在外力作用下的塑性變形過程、機理、組織結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律以及變形材料在加熱過程中產(chǎn)生回復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象，不僅對正確選擇控制材料的加工工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量是十分必要的，而且對合理使用材料、研制和發(fā)展新材料也是很重要的。    §1 材料受力情況下的力學(xué)行為    §2

31、彈性變形與粘彈性    §3 單晶體的塑性變形            (一)、滑移                  1滑移帶與滑移線    2滑移系    3滑移的臨界

32、分切應(yīng)力                  4滑移時晶體的轉(zhuǎn)動  5多系滑移  6滑移的位錯機制            (二)、孿生          

33、0;       1孿生的切變過程    2孿生的位錯機制            (三)、扭折    §4 多晶體的塑性變形            (一)、多晶體變形的特點  &#

34、160; (二)、晶粒取向的影響    (三)、晶界的影響    (四)、屈服現(xiàn)象    §5 變形后的組織與性能            (一)、顯微組織的變化      (二)、亞結(jié)構(gòu)的變化      (三)、性能的變

35、化            (四)、加工硬化            (五)、變形織構(gòu)          (六)、殘余應(yīng)力    §6 合金的塑性變形     &#

36、160;      (一)、固溶體的塑性變形    (二)、多相合金的塑性變形    §7 變形晶體加熱時的變化            (一)、顯微組織的變化      (二)、性能的變化    §8 回復(fù) &

37、#160;          (一)、微觀結(jié)構(gòu)的變化      (二)、回復(fù)動力學(xué)    §9 再結(jié)晶            (一)、形核長大          

38、0; (二)、再結(jié)晶動力學(xué)      (三)、再結(jié)晶后的晶粒尺寸            (四)、影響再結(jié)晶的主要因素    §10 再結(jié)晶后晶粒的長大            (一)、晶粒的正常長大   

39、0;  (二)、晶粒的異常長大-二次再結(jié)晶    §11 動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶            (一)、動態(tài)回復(fù)            (二)、動態(tài)再結(jié)晶    §12 超塑性第六章  單組元相圖及純晶體的凝固(8

40、學(xué)時)    單元系的凝固是研究相變的基礎(chǔ)，應(yīng)用熱力學(xué)理論探討單元系的凝固機理，包括形、生長特征是本章的重點內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上了解鑄錠的宏觀組織以及對比高分子晶體與金屬晶體的凝固特征異同點亦為本章需掌握的內(nèi)容。    §1 單元系相變的熱力學(xué)及相平衡            (一)、相平衡條件和相律    (二)、單元系相圖  &#

41、160; §2 純晶體的凝固            (一)、液態(tài)結(jié)構(gòu)            (二)、晶體凝固的熱力學(xué)條件            (三)、形核     &#

42、160;            1. 均勻形核                      () 晶核形成時的能量變化和臨界晶核  () 形核率        &

43、#160;         2. 非均勻形核            (四)、晶體長大                  1. 液-固體界面的構(gòu)造     

44、60;            2. 晶體長大方式和生長速率                      () 連續(xù)長大  () 二維形核  ()籍螺型位錯生長     &#

45、160;      (五)、結(jié)晶動力學(xué)及凝固組織                  1. 結(jié)晶動力學(xué)                  2. 晶體長大方式和生長速率 &#

46、160;                    ()在正的溫度梯度下的情況  ()在負的溫度梯度下的情況                  3. 凝固后的晶粒大小控制 (簡介)  

47、                    ()增加過冷度  ()形核劑的作用  () 振動促進形核            (六)、高分子的結(jié)晶特征        

48、          1. 相似性                      ()晶粒尺寸與過冷度的關(guān)系  ()結(jié)晶分形核與長大兩個過程          

49、60;           ()非均勻形核所需過冷度小  ()結(jié)晶動力學(xué)符合Avrami方程                  2. 差異性            

50、60;         ()高分子晶體結(jié)晶的不完全性()熔融過程的升溫現(xiàn)象第七章  二元系相圖及合金的凝固(16學(xué)時)    在多組元材料中，二元系是最基本，也是研究最為透徹的體系。掌握二元系材料的相圖及凝固原理是將來理解材料成分-制備工藝-組織結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)鍵。因此，本章的重點在于學(xué)習(xí)通過相圖分析材料的平衡組織，以及非平衡凝固時材料內(nèi)部成分和結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。    §1 相圖的表示和實驗測定方法

51、    §2 相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)            (一)、固溶體的自由能-成分曲線    (二)、多相平衡的公切線原理            (三)、混合物的自由能和杠桿法則   (四)、從自由能-成分曲線推測相圖  

52、;          (五)、二元相圖的幾何規(guī)律    §3 二元相圖分析            (一)、勻晶相圖和固溶體凝固                 

53、 1. 勻晶相圖  2. 固溶體的平衡凝固  3. 固溶體的非平衡凝固            (二)、共晶相圖及其合金凝固                  1. 共晶相圖      

54、60;           2. 共晶合金的平衡凝固及其組織                      ()亞共晶合金  ()共晶合金  ()過共晶合金      

55、60;           3. 共晶合金的非平衡凝固                      () 偽共晶     () 非平衡共晶組織      

56、0;     (三)、包晶相圖及其合金凝固                  1. 包晶相圖  2. 包晶合金的凝固及其平衡組織  3. 包晶合金的非平衡凝固            (四)、溶混間隙相圖與調(diào)幅分

57、解            (五)、其他類型的二元相圖 (簡介)            (六)、復(fù)雜二元相圖的分析方法            (七)、根據(jù)相圖推測合金的性能 (簡介)     

58、       (八)、二元相圖實例分析（自學(xué)）    §4 二元合金的凝固理論            (一)、固溶體的凝固理論                  1. 正常凝固&#

59、160; 2. 區(qū)域熔煉(自學(xué))                  3. 表征液體混合程度的有效分配系數(shù)ke                  4. 合金凝固中的成分過冷     

60、                 ()成分過冷的概念  ()產(chǎn)生成分過冷的臨界條件                      ()成分過冷對晶體生長形態(tài)的影響  

61、0;         (二)、共晶凝固理論                  1. 共晶組織分類(簡介)  2. 層片狀和棒狀共晶形成的條件及機制             

62、0;    3. 層片生長動力學(xué)      4. 共晶界面穩(wěn)定性            (三)、合金鑄錠的組織與缺陷 (簡介)    §5 高分子合金概述            (一)、高發(fā)分子合金的相容性&#

63、160;           (二)、高分子-高分子體系的相圖及測定方法            (三)、高分子合金的制備方法                  1. 物理共混 &#

64、160;    2. 化學(xué)共混            (四)、高分子合金的形態(tài)結(jié)構(gòu)                  1. 單相連續(xù)結(jié)構(gòu)  2. 兩相連續(xù)結(jié)構(gòu)       

65、;     (五)、高分子合金性能與組元的一般關(guān)系  (六)、高分子合金主要類型(簡介)第八章  三元相圖(8學(xué)時)    三元相圖已較二元相圖復(fù)雜許多，但通過尋找三元相圖的基本規(guī)律可掌握復(fù)雜相圖的分析方法。故本章在二元相圖的基礎(chǔ)上理解三元相圖，主要掌握三元相圖的基本特點，并會分析簡單三元相圖的投影圖和截面圖。    §1 三元相圖基礎(chǔ)       

66、;     (一)、三元相圖成分表示方法                  1. 等邊成分三角形  2. 等邊成分三角形中的特殊線  3. 成分的其他表示方法(自學(xué))            (二)、三元相圖的空

67、間模型            (三)、三元相圖的截面圖和投影圖                  1. 水平截面        2. 垂直截面      

68、60;           3. 三元相圖的投影圖            (四)、三元相圖中的杠桿定律及重心定律                  1. 直線法則  &#

69、160;     2. 杠桿定律        3. 重心定律        4. 背向法則    §2 固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖                 &#

70、160;1. 相圖的空間模型  2. 截面圖          3. 投影圖          4.相區(qū)接觸法則    §3 固態(tài)有限互溶的三元共晶相圖               

71、;   1. 相圖分析        2. 投影圖          3. 截面圖    §4-§9(自學(xué)，不作考試范圍)第九章  材料的亞穩(wěn)態(tài)(3學(xué)時，簡介)    在重點掌握前面各章內(nèi)容的基礎(chǔ)上，本章主要分兩個部分，其一為母相處于亞穩(wěn)狀態(tài)的材料，包括納米材料、準晶態(tài)

72、和非晶等材料的主要特點，以開闊學(xué)生的視野；其二為經(jīng)固態(tài)相變獲得的亞穩(wěn)態(tài)材料，總結(jié)固態(tài)相變的一些特征，為今后學(xué)習(xí)材料加工原理做預(yù)備。    §1 納米晶材料            (一)、納米晶材料的結(jié)構(gòu)    (二)、納米晶材料的性能    (三)、納米晶材料的形成    §2 準晶態(tài) &

73、#160;          (一)、準晶的結(jié)構(gòu)          (二)、準晶的形成          (三)、準晶的性能    §3 非晶態(tài)材料            (一)、非晶態(tài)的形成        (二)、非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)        (三)、非晶合金的