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《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)大綱 一、 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)基礎(chǔ) 英文名稱 Fundamentals of Materials Science 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)科基礎(chǔ)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基礎(chǔ)。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)的基礎(chǔ)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)的理論基礎(chǔ)。 該課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生充分掌握材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，深入理解材料的組成、結(jié)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）基本教學(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)基礎(chǔ)》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?。ǚ兜氯A力和氫鍵）的定義、特點(diǎn)。掌握材料中的結(jié)合鍵的類型對材料性能的影響，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)的基本概念及對材料性能的影響。 4.顯微組織基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、晶面間距等基本概念。 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)，CdI2型結(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)的分類原則；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)的基本特征，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基本概念，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，反應(yīng)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： 掌握晶體缺陷的基本類型、特征及其運(yùn)動特征；其中掌握位錯的定義、基本類型和特征，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，位錯反應(yīng)。了解晶體缺陷與合金材料的強(qiáng)化原理。 了解外表面和表面能，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、位錯線和滑移線的基本概念，柏格斯回路和柏氏矢量的基本概念及物理意義。 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、孿晶界、堆垛層錯和相界面等基本概念。 5.晶粒度和晶粒尺寸的基本概念及測量。 6.體缺陷基本概念。 7.材料的強(qiáng)化方法及機(jī)制。 重點(diǎn)難點(diǎn)： 重點(diǎn)晶體缺陷的基本類型、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基本概念、相律的基本概念，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、包析反應(yīng)；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.基本相圖的分析和應(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、萊氏體和滲碳體等基本概念。 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)： 相平衡圖的基本概念、相律，杠桿應(yīng)律，二元相圖的基本類型，典型合金的結(jié)晶過程的分析，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)晶能力，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)，影響玻璃形成能力的因素。 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)生掌握好基本理論，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，提高學(xué)生對材料科學(xué)的認(rèn)識和學(xué)習(xí)興趣。 （五）能力培養(yǎng)要求 1、分析和解決問題能力 針對具體問題，培養(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)能力的培養(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，對了解部分的內(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)充知識的能力。 3、自主研發(fā)能力的培養(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)的基本概念、基本理論等知識的同時，結(jié)合教師的科研項(xiàng)目，介紹材料科學(xué)最新發(fā)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)的興趣和初步能力。 三、學(xué)時分配 章節(jié) 課程內(nèi)容 講 課 實(shí)踐 習(xí)題 1 材料科學(xué)與工程 2 2 2 材料的原子結(jié)構(gòu) 4 3.6.14.22.40.46.54 3 材料的晶態(tài)結(jié)構(gòu) 6 6.12.20.21.30.36.42.44.57.65.72 習(xí)題課 2 4 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 2 6 相平衡與相圖 8 2 待定 7 非晶態(tài)材料與半晶態(tài)材料 4 待定 習(xí)題課 2 8 組織轉(zhuǎn)變動力學(xué) 2 待定 復(fù)習(xí)（機(jī)動） 2 三、 考核方式 總評成績=平時成績（含實(shí)驗(yàn)）+考試成績 平時成績 占10～15% 考試成績 占85～90% 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），機(jī)械工業(yè)出版社，2002。 參考書： 1.潘金生、仝健民、田民波編，材料科學(xué)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，1998 2.胡賡祥，蔡珣主編 《材料科學(xué)基礎(chǔ)》， 上海交通大學(xué)出版社 2002年 3.唐仁正，物理冶金基礎(chǔ)，冶金工業(yè)出版社，1985 五、授課手段：課堂多媒體演示講解；課堂講解習(xí)題和討論。 六、教師隊(duì)伍及職稱 姓　名 性 別 職 稱 嚴(yán)紅革 男 教 授 陳　剛 男 教 授 陳吉華 女 副教授 課程負(fù)責(zé)人：嚴(yán)紅革 撰 稿 人：陳 剛 審 核 人：陳吉華