1、材料科學基礎教學大綱四年制本科 材料科學與工程專業用80 學時 4 學分一、課程性質和任務材料科學基礎是材料科學方法與工程專業一級學科公共主干課，是介于一般基礎課與專業課之間的專業基礎課。本課程將系統全面介紹材料科學的基礎理論知識，諸如固體材料的結合鍵，材料的結構與性能，材料中的擴散，材料的相變，材料的塑性變形與強化，以及材料科學研究方法等，將金屬材料、無機非金屬材料、聚合物材料緊密地結合在一起，使學生更好地把握材料的屬性，熟悉材料的共性，為后繼課程的學習、進一步深造和從事科技工作奠定基礎。二、課程學習的目標和基本要求：1對能力培養的要求通過學習，要求學生掌握材料組織結構成分工藝性能相互關系的

2、基本規律和基本理論， 深入理解 材料組織結構成分工藝性能相互關系 ，培養學生 應用所學的知識，分析、解決材料研究、開發和使用中實際問題的能力。初步掌握材料科學研究的思路和方法，為后續課程的學習和進一步深造奠定理論基礎。2 課程的重點和難點本課程重點是料組織結構成分工藝性能相互關系的基本規律和基本理論，如材料結構與缺陷，材料凝固與相圖，塑性變形與強韌化等，并能應用所學的理論分析和解決實際問題。難點是材料結構，位錯理論，合金凝固，二元相圖，三元相圖，材料強韌化，晶體塑性變形等，3 先修課程及基本要求無機化學、物理化學、材料力學三、課程內容及學時分配教學基本內容第一章材料的結構（ 22 學時）1.1

3、 晶體學基礎1.2 常見的晶體結構1.3 固溶體的晶體結構1.4 金屬間化合物的晶體結構1.5 硅酸鹽結構1.6 非晶態固體結構1.7固體的電子能帶結構理論1.8 團簇與納米材料結構1.9 準晶結構本章重點： 結晶學基礎知識 (晶體的概念與性質、晶體宏觀對稱要素、晶體定向、 單位平行六面體的劃分、配位數與配位多面體的概念、鮑林規則 )。 常見材料的結構理論與模型（常見無機化合物的晶體結構、硅酸鹽晶體結構分類及特征、固溶體晶體結構類型及影響因素 、缺陷化學反應表示法 、金屬間化合物的結構類型及影響因素，玻璃的結構）。 給定條件下晶胞參數和堆積系數的計算、硅酸鹽玻璃 4個基本結構參數計算。 固體的

4、電子能帶結構理論及應用本章難點：晶體的微觀對稱要素、晶體定向與晶面指數、晶向指數的確定晶體極射赤平投影、缺陷化學反應方程、硅酸鹽晶體結構固體的電子能帶結構。第二章 晶體缺陷（ 8學時）2.1 點缺陷2.2 位錯的結構2.3 位錯的運動2.4 位錯的應力場2.5 位錯與晶體缺陷的相互作用2.6 位錯的增殖、塞積與交割2.7 實際晶體中的位錯本章重點： 位錯基本概念和類型，位錯的應力場，位錯間的交互作用，位錯的起源與增殖、位錯的塞積、位錯的交割、位錯反應。 實際晶體中的位錯；有序結構中的位錯；離子晶體的位錯；面心立方晶體的位錯反應。本章難點：位錯的概念；位錯反應；實際晶體中的位錯。第三章 固體中的

5、擴散（5學時）3 .1 擴散的宏觀規律3.2 擴散的微觀機制3.3 擴散系數3.4 擴散的熱力學分析3.5 反應擴散3.6 離子晶體中的擴散本章重點： 擴散定律（擴散第一、二定律）及其應用，影響擴散的因素。本章難點：擴散的熱力學分析，離子晶體的擴散。第四章 純質材料的凝固（ 4學時）4 . 1 結晶的基本規律4 . 2 晶核的形成與長大4 . 3 結晶動力學4 . 4 結晶生長形態4.4 結晶后的晶粒大小及其內部結構缺陷本章重點：形核與長大，形核的熱力學分析本章難點：形核的熱力學分析第五章 相平衡與相圖（ 6學時）5 . 1 相與相平衡5 . 2 勻晶相圖及其凝固過程5 . 3 共晶相圖及其凝

6、固過程5 . 4 包晶相圖及其凝固過程5 . 5 其他類型二元相圖5 . 6 二元相圖的分析與應用5 . 6 fe-c 合金相圖5 . 7 相圖的熱力學解釋本章重點：三種基本類型相圖，平衡凝固過程和非平衡凝固過程，杠桿定律的應用， fe-c 合金相圖。本章難點：杠桿定律，相圖的熱力學第六章三元相圖（ 6學時）6 . 1 三元相圖的幾何規則6 . 2 三元勻晶相圖6 . 3 固態互不溶解的三元共晶相圖6 . 4 固態有限溶解的三元共晶相圖6 . 5 三元相圖中的四相平衡6 . 6 三元相圖的實例分析本章重點：三元合金成分表示法，直線法則，重心定律，三元共晶相圖，三元相圖的實際應用。本章難點：固態

7、有限溶解的三元共晶相圖，三元相圖的實際應用。第七章 合金的凝固（ 5學時）7 . 1 合金凝固時溶質的重新分布7 . 2 凝固過程中的成分過冷7 . 3 凝固技術7 . 4 合金鑄錠組織與缺陷本章重點：溶質重新分布，成分過冷本章難點：溶質重新分布，成分過冷第八章 固體材料的界面（ 4學時）8 . 1 晶體表面8 . 2 界面結構8 . 3 晶界能量8 . 4 晶界平衡偏析8 . 5 晶界遷移8 . 6 相界面8 . 7 界面能與顯微組織形貌本章重點：晶界結構與性質，相界結構與性質，界面能量本章難點：晶界結構第九章 固態反應與固態相變（ 6學時）9 . 1 固相反應及其動力學特征9 . 2 固相

8、反應動力學方程9 . 3 影響固相反應的因素9 . 4 固態相變特點9 . 5 固態相變的分類9 . 6 固態相變的形核與長大9 . 5 固態相變動力學本章重點：固相反應動力學方程，固態相變的特點與分類，固態相變的形核與長大。本章難點：固相反應動力學方程，固態相變的形核與長大。第十章 材料變形與再結晶（ 10學時）10 . 1 材料的彈性變形10 . 2 單晶體的塑性變形10 . 3多晶體的塑性變形10 . 4塑性變形對材料組織和性能的影響10 . 5晶體的斷裂10 . 6冷變形金屬的回復與再結晶10 . 7晶體的高溫變形本章重點：單晶體的塑性變形，多晶體的塑性變形，塑性變形對材料組織和性質的

9、影響，冷變形金屬的回復、再結晶及晶粒長大。本章難點：塑性變形的微觀機制，晶界對變形和強度地影響，回復的微觀機制。第十一章材料強韌化的基本原理（4學時）11 . 1材料強化的基本原理11 . 2材料韌化的基本原理11 . 3材料強韌化的常用方法本章重點：強化的基本原理，韌化的基本原理本章難點：材料韌化的基本原理2課程相關的實踐教學內容與實驗該課程相關的實踐教學內容見實驗課程材料科學基礎實驗3課外作業主要圍繞以下內容完成課外作業：（1）各類材料結構及其影響因素。（2）晶體缺陷的種類和性質及其對材料性能的影響。（3）擴散的宏觀規律和微觀機理及其影響因素。（4）形核與長大的熱力學條件，微觀機理。（5）

10、相圖的基本類型，相變特征，相變過程，相圖分析。（6）合金凝固溶質重新分布和成分過冷。（7）界面的結構和類型，界面與材料性能的關系。（8）固態反應的特征和動力學，固態相變的形核和長大。（9）材料變形的微觀機理，塑性變形對材料組織和性能的影響，回復和再結晶的微觀機理及其對材料性能的影響。（10）強化和韌化的基本原理及其應用。2課程相關的實踐教學內容與實驗該課程相關的實驗教學內容見實驗課程“材料科學實驗”四、使用大綱說明1教學方法1）將課程內容分為三個模塊進行教學：（a）材料結構與缺陷，（b）凝固與相圖，（c）形變、再結晶與強韌化。2）以系統講授為主，結合實際材料問題，注重引導和啟發。3)要求學生閱

11、讀適量的課外材料。注重課堂討論和自學。2考試方式與成績結構每個模塊結束進行閉卷考試，著重考察對知識和掌握。期末進行綜合性開卷考試，著重考察綜合應用所學知識的能力。平時成績占70，期末占30。五、課程教材及主要參考書教材：徐衡鈞等，材料科學基礎，北京工業大學出版社參考書：1）cahn r.w. ,physical metallurgy. north-holland pub.co. 19832）w. d. callister, jr, fundamentals of materials science and engineering.化學工業出版社，2004年3）潘金生等，材料科學基礎，清華大學出

12、版社，1998年4）趙品，材料科學基礎教程習題及解答，哈爾濱工業大學出版社，2002年5）石德珂、沈蓮，材料科學基礎，西安交通大學出版社，1996年6）schaffer，et al. the science and design of engineering materials,高等教育出版社2003年7）陸佩文，無機材料科學基礎，武漢工業大學出版社。材料科學基礎課程類別：專業基礎課課程性質：必修課面向專業：材料科學與工程學院金屬材料工程、材料成型與控制工程、材料物理、材料化學等專業。一、課程的性質、任務與基本要求1.本課程的性質與任務材料科學基礎是材料科學與工程專業一門同生產實際有密切聯系的

13、重要專業基礎課。本課程的教學目的是使學生系統掌握材料的化學成分、組織結構與性能之間的關系及其變化規律的基礎理論以及顯微組織的分析方法，為后繼專業課的學習奠定基礎。2.課程的基本內容和要求（1）通過學習應著重掌握材料成分、組織、結構及加工過程與性能間的相互關系。（2）掌握材料的結合方式、晶體學基礎、材料的晶體結構。（3）掌握點缺陷、線缺陷、面缺陷的模型和特點。（4）掌握純金屬的結晶過程、結晶的熱力學條件、形核規律、長大規律，了解結晶理論的實際應用。（5）掌握相圖的基本知識，二元相圖的基本類型，二元相圖的分析與使用方法，熟練應用鐵碳相圖。（6）掌握三元相圖的成分表示法、三元系平衡轉變的定量法則、三

14、元勻晶相圖、三元共晶相圖、三元相圖的四相平衡轉變、具有化合物的三元相圖的分析方法。（7）掌握單晶體的塑變、多晶體的塑變的規律，掌握塑性變形對金屬組織與性能的影響，金屬及合金強化的位錯解釋。（8）掌握金屬及合金在退火過程中的變化，掌握回復、再結晶、晶粒長大及金屬熱變形的規律。（9）掌握典型鋼中相變的一般規律、相變產物的生成條件、形態和結構本質，能初步選用典型熱處理工藝。3.教學環節與學時分配課堂教學：90-102學時（包括課堂討論等教改環節）實驗：12-18學時總計：102-120學時二、教學內容與教學計劃緒論2學時課程的性質與任務，主要內容及研究方法，本課程的特點與學習方法，材料科學發展簡史。

15、第一章材料的晶體結構6學時1.教學內容與學時（1）原子的結合方式2學時（2）晶體學基礎2學時（3）典型晶體結構及其幾何特征2學時2.重點與難點（1）重點：空間點陣及有關概念，晶向、晶面指數的標定，典型金屬的晶體結構。（2）難點：六方晶系布拉菲指數標定，原子的堆垛方式。3.習題：13題第二章晶體缺陷12學時1.教學內容與學時（1）點缺陷2學時（2）線缺陷8學時（3）面缺陷2學時2.重點與難點（1）重點：位錯等有關基本概念，點缺陷的平衡性質，位錯的運動與晶體滑移的關系，位錯的性質，柏氏矢量的性質與應用，位錯反應。（2）難點：位錯模型，位錯的應力場，不全位錯的原子模型。3.習題：6-8,10-12題

16、。第三章材料的相結構8學時1.教學內容與學時（1）固溶體1學時（2）中間相1學時（3）陶瓷晶體相1學時（4）分子相5學時2.重點與難點（1）重點：各種相的概念及其分類方法。（2）難點：中間相的結構及其區別。3.習題：1題；復習思考題：1，2，4題。第四章凝固4學時1.教學內容與學時（1）結晶的基本規律0.5學時（2）結晶的基本條件1學時（3）形核1學時（4）長大0.5學時（5）高分子材料的結晶0.5學時（6）凝固理論及其應用0.5學時2.重點與難點（1）重點：有關過冷的概念、金屬凝固和形核的條件。（2）難點：與臨界晶核有關參數的推導。3.習題：3，5，7題。第五章二元相圖15學時1.教學內容與

17、學時（1）相圖的基本知識2學時（2）二元勻晶相圖2學時（3）二元共晶相圖2學時（4）二元包晶相圖1學時（5）相圖的分析與使用1學時（6）鐵碳相圖4學時（7）相圖的熱力學基礎2學時（8）鑄錠組織及其控制1學時2.重點與難點（1）重點：相律與杠桿定律，勻晶轉變與偏析，共晶轉變及其不平衡組織，相圖中的幾何規律，鐵碳相圖中典型合金的凝固過程及其相與組織的相對量計算，利用相圖判斷材料的性能。（2）難點：二次杠桿的應用；相圖的熱力學原理。3.習題：2，3，11題。第六章三元相圖6學時1.教學內容與學時（1）相圖基本知識1學時（2）三元勻晶相圖3學時（3）三元共晶相圖1學時（4）三元相圖總結1學時2.重點與

18、難點（1）重點：直線法則與重心定律；全方位投影圖及其應用；材料的凝固過程分析；三元系反應類型的判斷；相區接觸法則。（2）難點：利用全方位投影圖分析特定成分材料的凝固過程。3.習題：1519題。第七章材料中的擴散3學時1.教學內容與學時（1）概述1學時（2）擴散定律1學時（3）擴散的微觀機理與現象0.5學時（4）影響擴散的因素0.5學時2.重點與難點（1）重點：擴散的概念、本質與分類；擴散的驅動力；擴散定律及其應用；（2）難點：反應擴散及其溶質濃度分布。3.習題：4，5，8題。第八章材料的塑性變形8學時1.教學內容與學時（1）金屬變形概述1學時（2）單晶體的塑性變形2學時（3）多晶體的塑性變形1

19、學時（4）合金的塑性變形1學時（5）塑性變形對材料組織與性能的影響1學時（6）高分子材料的塑性變形2學時2.重點與難點（1）重點：塑性變形的位錯機制；典型的滑移系；滑移的分類及滑移的痕跡；臨界分切應力；多晶體變形的特點；合金變形的特點；塑性變形對材料組織和性能的影響。（2）難點：等效滑移系的確定。3.習題：13，5題。第九章回復與再結晶6學時1.教學內容與學時（1）冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化2學時（2）回復1學時（3）再結晶1學時（4）晶粒長大1學時（5）金屬的熱變形1學時2.重點與難點（1）重點：冷變形金屬在加熱時的組織與性能變化；回復、再結晶等概念；回復與再結晶的驅動力和機制；正常長大與異常長大；臨界變形量的意義與應用；熱加工過程中組織與性能變化。（2）難點：回復、再結晶與晶粒長大過程驅動力的識別。3.習題：2，3，9，10題。第