材料科學(xué)基礎(chǔ)Ι課程教學(xué)大綱

1、 材料科學(xué)基礎(chǔ) 課程教學(xué)大綱一、課程說明（一）課程名稱、所屬專業(yè)、課程性質(zhì)、學(xué)分；課程名稱：材料科學(xué)基礎(chǔ)所屬專業(yè)：材料物理，材料化學(xué)課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)分：8（二）課程簡介、目標(biāo)與任務(wù)；課程簡介：本課程是材料學(xué)科本科生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它的主要任務(wù)是使學(xué)生對(duì)材料的生產(chǎn)、科研、應(yīng)用以及它的過去、現(xiàn)在和未來有初步了解，以及對(duì)材料科學(xué)與工程有一個(gè)較全面而又概括的了解同時(shí)，使學(xué)生掌握較完整全面的材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。本課程的覆蓋面較寬，要介紹工程材料的結(jié)構(gòu)與性能，生產(chǎn)制備，科研和應(yīng)用的概況，材料的發(fā)展歷史，目前狀況和發(fā)展趨勢。各章節(jié)除介紹有關(guān)材料的基本知識(shí)外，盡可能反映該領(lǐng)域的新成果、新發(fā)展及其在新技術(shù)

2、中的應(yīng)用。用必要的例子生動(dòng)地描述出該領(lǐng)域的基本情況、動(dòng)態(tài)和趨勢。從這個(gè)意義上說，它不是一門傳統(tǒng)的導(dǎo)論課，而是學(xué)生掌握材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)課。它讓學(xué)生了解這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)、現(xiàn)狀和前景。課程對(duì)材料研究的若干方法也做一些簡介。目標(biāo)與任務(wù)：通過本課程教學(xué)，使學(xué)生對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)以及材料的生產(chǎn)過程有一個(gè)較全面、較概括的了解；對(duì)當(dāng)前材料科學(xué)研究的前沿有初步了解；培養(yǎng)學(xué)生對(duì)材料科學(xué)的興趣。初步掌握各類工程材料的基本概念，包括組織結(jié)構(gòu)、性能、生產(chǎn)過程和應(yīng)用等；初步了解材料科學(xué)的研究前沿以及我校材料學(xué)科的科研工作簡況。（三）先修課程要求，與先修課與后續(xù)相關(guān)課程之間的邏輯關(guān)系和內(nèi)容銜接；本課程是材料專業(yè)的專業(yè)基

3、礎(chǔ)課，本課程的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具備高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)作基礎(chǔ)，同時(shí)又是材料專業(yè)的專業(yè)課（如金屬材料學(xué)、陶瓷材料學(xué)、高分子材料、功能材料等）的基礎(chǔ)。（四）教材與主要參考書。1. W.D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering: An Introduction， 6th edition, John Wiley and Sons, Inc., New York,2003. 2. W.D. Callister, Jr.,Fundamentals of Materials Science and Engineering, 5th edit

4、ion, John Wiley and Sons, Inc. (2001). 化學(xué)工業(yè)出版社，2004年。二、課程內(nèi)容與安排教學(xué)方法：課堂講授，討論教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)及基本要求：第一章 緒論（參考學(xué)時(shí)數(shù)：4） 歷史回顧，材料科學(xué)與工程，為什么要學(xué)習(xí)材料科學(xué)與工程？材料分類，先進(jìn)材料，現(xiàn)代材料需求【重點(diǎn)掌握】：材料、材料科學(xué)、材料工程、材料科學(xué)與工程的概念與范疇，材料分類【了解】：材料科學(xué)與工程的發(fā)展歷史，材料科學(xué)與工程在現(xiàn)代技術(shù)和社會(huì)生活中的重要性【難點(diǎn)】：材料科學(xué)的概念與范疇與其他學(xué)科的區(qū)別及關(guān)系第二章 原子結(jié)構(gòu)與原子間結(jié)合（參考學(xué)時(shí)數(shù)：4）引言，原子結(jié)構(gòu)，基本概念，原子中的電子，元素周期表，固

5、體中的原子結(jié)合，結(jié)合力與結(jié)合能，主鍵，次鍵或范德瓦耳斯鍵，分子【重點(diǎn)掌握】：原子結(jié)構(gòu)，固體中的原子結(jié)合，結(jié)合力與結(jié)合能，主鍵，次鍵或范德瓦耳斯鍵【了解】：原子中的電子，元素周期表【難點(diǎn)】：不同類型原子結(jié)合與固體基本性質(zhì)的關(guān)系第三章 晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)（參考學(xué)時(shí)數(shù)：12）引言，晶體結(jié)構(gòu)，基本概念，晶胞，金屬晶體結(jié)構(gòu)， 密度計(jì)算， 同質(zhì)異構(gòu)現(xiàn)象與同素異構(gòu)現(xiàn)象，晶系，晶向和晶面，晶向，晶面，原子線密度和原子面密度密排晶體結(jié)構(gòu)，晶態(tài)材料與非晶態(tài)材料，單晶，多晶材料，各向異性，X射線衍射：晶體結(jié)構(gòu)的確定，非晶態(tài)固體【重點(diǎn)掌握】：晶體結(jié)構(gòu)，晶胞，晶系，晶向和晶面，晶向指數(shù)，晶面指數(shù)，密排晶體結(jié)構(gòu) 【掌握】：密

6、度計(jì)算，同質(zhì)異構(gòu)現(xiàn)象與同素異構(gòu)現(xiàn)象，原子線密度和原子面密度， X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)的確定，非晶態(tài)固體【了解】：晶態(tài)材料與非晶態(tài)材料，單晶，多晶材料，各向異性【難點(diǎn)】：常見晶體結(jié)構(gòu)，晶向指數(shù)和晶面指數(shù)熟練應(yīng)用第四章 固體中的缺陷（參考學(xué)時(shí)數(shù)：4）引言，點(diǎn)缺陷，空位與自間隙原子，固體中的雜質(zhì)，線缺陷與面缺陷，線缺陷位錯(cuò)，面缺陷，體缺陷，原子振動(dòng)，顯微檢驗(yàn)，概要，顯微術(shù)，晶粒尺寸的確定【重點(diǎn)掌握】：空位，自間隙原子，刃位錯(cuò)，螺位錯(cuò)【掌握】：點(diǎn)缺陷，線缺陷，面缺陷，體缺陷，原子振動(dòng)，晶粒尺寸的確定【了解】：顯微檢驗(yàn)，概要，顯微術(shù)【難點(diǎn)】：固體缺陷與材料行為的關(guān)系第五章 擴(kuò)散（參考學(xué)時(shí)數(shù)：2）引言，擴(kuò)散機(jī)

7、制，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，影響擴(kuò)散的因素，其他擴(kuò)散途徑【重點(diǎn)掌握】：擴(kuò)散機(jī)制，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散【掌握】：非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，影響擴(kuò)散的因素【難點(diǎn)】：空位擴(kuò)散、間隙擴(kuò)散第六章 金屬力學(xué)性能（參考學(xué)時(shí)數(shù)：8）引言，應(yīng)力和應(yīng)變的概念，彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線，滯彈性，材料的彈性，塑性變形，拉伸性能，真應(yīng)力和真應(yīng)變，塑性變形過程中的彈性恢復(fù)，壓縮、剪切和扭轉(zhuǎn)變形，硬度，材料性能的變異性，設(shè)計(jì)/安全系數(shù)【重點(diǎn)掌握】：應(yīng)力和應(yīng)變的概念，彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線，塑性變形，真應(yīng)力和真應(yīng)變，塑性變形過程中的彈性恢復(fù)，硬度，【掌握】：滯彈性，拉伸性能，壓縮、剪切和扭轉(zhuǎn)變形，設(shè)計(jì)/安全系數(shù)【了解】：材料性能的變異性【難點(diǎn)】：真應(yīng)

8、力和真應(yīng)變第七章 位錯(cuò)與強(qiáng)化機(jī)制（參考學(xué)時(shí)數(shù)：6）引言，位錯(cuò)與塑性變形，基本概念，位錯(cuò)的特性，滑移系，單晶體中的滑移，多晶材料的塑性變形，孿生變形，金屬強(qiáng)化機(jī)制，減小晶粒尺寸強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化，應(yīng)變硬化，沉淀硬化，回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大【重點(diǎn)掌握】：位錯(cuò)的特性，位錯(cuò)與塑性變形，滑移系，單晶體中的滑移，多晶材料的塑性變形，孿生變形，金屬強(qiáng)化機(jī)制，減小晶粒尺寸強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化，應(yīng)變硬化，沉淀硬化，回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大，【難點(diǎn)】：位錯(cuò)與塑性變形，金屬強(qiáng)化機(jī)制，第八章 失效（參考學(xué)時(shí)數(shù)：6）引言，斷裂，斷裂的基本原理，延性斷裂，脆性斷裂，斷裂力學(xué)基本原理，沖擊斷裂試驗(yàn)，疲勞，交變應(yīng)力，S-N疲勞曲線，裂紋

9、的產(chǎn)生與擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展速率，影響疲勞壽命的因素，環(huán)境效應(yīng)，蠕變， 廣義蠕變行為，應(yīng)力和溫度的影響，數(shù)據(jù)外推法，高溫合金【重點(diǎn)掌握】：斷裂，斷裂的基本原理，延性斷裂，脆性斷裂，疲勞，裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展速率，蠕變， 廣義蠕變行為，應(yīng)力和溫度的影響， 【掌握】：斷裂力學(xué)基本原理，沖擊斷裂試驗(yàn)，交變應(yīng)力，S-N疲勞曲線，影響疲勞壽命的因素，環(huán)境效應(yīng)，【了解】：數(shù)據(jù)外推法，高溫合金【難點(diǎn)】：脆性斷裂，疲勞，裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展第九章 相圖（參考學(xué)時(shí)數(shù)：8）引言，定義和基本概念，溶解度極限，相，微結(jié)構(gòu)，相平衡，平衡相圖，二元?jiǎng)蚓?，二元共晶系，具有中間相或化合物的平衡相圖，共析反應(yīng)和包晶反應(yīng)， 同成分

10、相變，陶瓷和三元相圖，吉布斯相律，鐵-碳系，鐵-滲碳體(Fe-Fe3C)相圖，鐵碳合金微結(jié)構(gòu)的形成，其他合金元素的影響【重點(diǎn)掌握】：相，微結(jié)構(gòu)，相平衡，平衡相圖，二元?jiǎng)蚓?，二元共晶系，共析反?yīng)和包晶反應(yīng)，同成分相變，吉布斯相律，鐵-滲碳體(Fe-Fe3C)相圖 【掌握】：溶解度極限，具有中間相或化合物的平衡相圖，陶瓷和三元相圖，鐵碳合金微結(jié)構(gòu)的形成，其他合金元素的影響【難點(diǎn)】：鐵-滲碳體(Fe-Fe3C)相圖及其鐵碳合金微結(jié)構(gòu)第十章 金屬中的相變：微結(jié)構(gòu)的形成與力學(xué)性能的變化（參考學(xué)時(shí)數(shù)：6）引言，相變，基本概念，固態(tài)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，多相轉(zhuǎn)變，鐵碳合金的微結(jié)構(gòu)與性能變化，等溫轉(zhuǎn)變圖，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

11、圖，鐵碳合金力學(xué)性能，回火馬氏體，鐵碳合金相變總結(jié)【重點(diǎn)掌握】：相變，固態(tài)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，鐵碳合金的微結(jié)構(gòu)與性能變化，等溫轉(zhuǎn)變圖，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，鐵碳合金力學(xué)性能，鐵碳合金相變總結(jié)【掌握】：多相轉(zhuǎn)變，回火馬氏體【難點(diǎn)】：鐵碳合金的微結(jié)構(gòu)與性能變化，等溫轉(zhuǎn)變圖，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，鐵碳合金力學(xué)性能第十一章 金屬合金的應(yīng)用和加工（參考學(xué)時(shí)數(shù)：12）引言，退火處理，中間退火，去除應(yīng)力，黑色合金的退火，鋼的熱處理，淬透性，淬火介質(zhì)、試樣尺寸和幾何形狀的影響，沉淀硬化，熱處理，硬化機(jī)制，其他考慮，金屬加工，成形，鑄造，其他技術(shù)，黑色合金，鋼，鑄鐵，有色合金，銅及其合金，鋁及其合金，鎂及其合金，鈦及其合金，難熔金

12、屬，超合金，貴金屬，其他有色合金【重點(diǎn)掌握】：退火處理，淬透性，沉淀硬化，【掌握】：中間退火，去除應(yīng)力，黑色合金的退火，鋼的熱處理，淬火介質(zhì)、試樣尺寸和幾何形狀的影響，熱處理，金屬加工，成形，鑄造，其他技術(shù)，黑色合金，鋼，鑄鐵，有色合金，銅及其合金，鋁及其合金，鎂及其合金，鈦及其合金，難熔金屬，超合金，貴金屬，其他有色合金【難點(diǎn)】：金屬的加工與應(yīng)用制定人：李建功審定人：批準(zhǔn)人：日 期：2012.10.25第十二章 陶瓷的結(jié)構(gòu)與特性（參考時(shí)數(shù)：8）引言，陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)，硅酸鹽陶瓷，碳，陶瓷中的缺陷，陶瓷相圖，陶瓷脆性斷裂，應(yīng)力應(yīng)變行為，塑性形變機(jī)制，其他力學(xué)考慮【重點(diǎn)掌握】：陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)，陶瓷

13、分類，陶瓷應(yīng)力應(yīng)變行為及塑性變形機(jī)制，【掌握】：陶瓷的結(jié)構(gòu)類型,離子性陶瓷的結(jié)構(gòu)計(jì)算原則,硅酸鹽陶瓷的結(jié)構(gòu)分類,碳的多種形態(tài),陶瓷中的缺陷類型,缺陷密度計(jì)算,陶瓷的典型的應(yīng)力應(yīng)變行為特征,陶瓷塑性形變的機(jī)制【難點(diǎn)】：離子性陶瓷的結(jié)構(gòu)預(yù)測與計(jì)算,缺陷種類及密度計(jì)算第十三章 陶瓷的應(yīng)用于加工（參考學(xué)時(shí)數(shù)：8）引言，陶瓷的分類與應(yīng)用,玻璃和玻璃陶瓷的特性, 玻璃的成型，玻璃的生產(chǎn)與加工,玻璃熱處理，陶土耐火材料，硅酸鹽耐火材料，基本耐火材料，特殊耐火材料, 陶土的特性，陶土制品的成分，生產(chǎn)技術(shù)，烘干和燒結(jié)，磨料，水泥,先進(jìn)陶瓷 ,粉末壓縮成型,帶式澆注成型 【重點(diǎn)掌握】：陶瓷的分類，陶瓷的成型方法【

14、掌握】：陶瓷的分類,不同種類的陶瓷加工成型的工藝類型,能夠耐火的溫度和穩(wěn)定使用的溫度,玻璃的成型工藝類型,玻璃的生產(chǎn)工藝,傳統(tǒng)陶瓷應(yīng)用和種類,工具陶瓷應(yīng)用和種類,功能陶瓷應(yīng)用和種類,耐火陶瓷應(yīng)用和種類,結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用和種類,特殊陶瓷的應(yīng)用和種類【難點(diǎn)】：陶瓷的性能與應(yīng)用,陶瓷的成型工藝和生產(chǎn)工藝第十四章 聚合物的結(jié)構(gòu)（參考學(xué)時(shí)數(shù)：8）引言，碳?xì)浞肿?，聚合物分子，聚合物分子化學(xué)，分子量，聚合度，分子形狀，分子結(jié)構(gòu)，分子組態(tài)，共聚物，聚合物的結(jié)晶性，聚合物晶體，聚合物中的缺陷，聚合物材料中的擴(kuò)散【重點(diǎn)掌握】：聚合物的分類，聚合物的結(jié)構(gòu)層次，聚合物的分子量與聚合度【掌握】：均聚物，共聚物，結(jié)構(gòu)單元，接

15、枝聚和物，線形聚合物，交聯(lián)聚合物，網(wǎng)狀聚合物，立體同分異構(gòu)，順式立構(gòu)，反式立構(gòu)，無規(guī)立構(gòu)，相間共聚物，嵌段共聚物，無規(guī)共聚物，晶體結(jié)構(gòu)，球晶結(jié)構(gòu)，鏈折疊模型，數(shù)均分子量，質(zhì)均分子量，聚合度 【難點(diǎn)】：聚合物的結(jié)構(gòu)層次，聚合物的分子量和聚合度第十五章 聚合物的特性、應(yīng)用與加工（參考學(xué)時(shí)數(shù)：12）引言，聚合物的力學(xué)行為，聚合物的形變和強(qiáng)化機(jī)理，聚合物中的晶化、熔化和玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，聚合物的類型，聚合物的合成和加工， 【重點(diǎn)掌握】：聚合物的應(yīng)力應(yīng)變行為，聚合物的彈性和塑性變形機(jī)理，聚合物的晶化、熔化和玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象以及影響熔化和玻璃轉(zhuǎn)變溫度的因子【掌握】：聚合物的應(yīng)力應(yīng)變行為，宏觀變形，粘彈性行為，聚合

16、物的斷裂，其他力學(xué)特性，部分晶化聚合物的形變，音響部分晶化聚合物的力學(xué)特性的因子，高彈體的形變，晶化，熔化，玻璃轉(zhuǎn)變，熔化和玻璃轉(zhuǎn)變溫度，影響熔化和玻璃轉(zhuǎn)變的因子，塑料，高彈體，纖維，其他應(yīng)用，先進(jìn)聚合物材料，聚合，添加劑，塑料成型技術(shù)，高彈體的生產(chǎn)，纖維和薄膜的生產(chǎn)【難點(diǎn)】：聚合物的彈性和塑性變形機(jī)理，聚合物材料的生產(chǎn)與加工第十六章 復(fù)合材料（參考學(xué)時(shí)數(shù)：10）引言，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料， 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料【重點(diǎn)掌握】：退火處理，淬透性，沉淀硬化，【掌握】：大顆粒復(fù)合材料，分散強(qiáng)化復(fù)合材料，纖維長度的影響，纖維濃度和取向的影響，纖維相，基體相，聚合物基體復(fù)合材料，金屬基體復(fù)合材料，

17、碳-碳復(fù)合材料，其它復(fù)合材料，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)，片狀復(fù)合材料，三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料【難點(diǎn)】：影響復(fù)合材料的性能的因素，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的軸向和橫向拉伸強(qiáng)度、彈性模量的計(jì)算第十七章材料的腐蝕與退化（參考學(xué)時(shí)數(shù)：4）【重點(diǎn)掌握】：引言，金屬的腐蝕，陶瓷材料的腐蝕，聚合物材料的退化，腐蝕案例研究【掌握】：電化學(xué)腐蝕，腐蝕速率，腐蝕速率預(yù)測，鈍化，環(huán)境效應(yīng)，腐蝕形式，腐蝕環(huán)境，腐蝕防護(hù)，氧化，聚合物的溶脹和溶解，鍵合裂解，聚合物的風(fēng)化，人造全髖關(guān)節(jié)替換【難點(diǎn)】：電化學(xué)腐蝕的速率計(jì)算以及腐蝕防護(hù)，腐蝕形式和腐蝕環(huán)境第十八章電學(xué)性能（參考學(xué)時(shí)數(shù)：6）引言，導(dǎo)體，半導(dǎo)體，離子性陶瓷和聚合物中的導(dǎo)電性，介電

18、行為，材料的其他電學(xué)特性【重點(diǎn)掌握】：導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理及規(guī)律，半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理及規(guī)律，介電行為規(guī)律【掌握】：歐姆定律，電導(dǎo)率，電子導(dǎo)電和離子導(dǎo)電，固體中的能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電的能帶和原子成健模型解釋，電子遷移率，金屬的電阻率，商用合金的電學(xué)特性，內(nèi)稟半導(dǎo)體，外稟半導(dǎo)體，電導(dǎo)率和載流子濃度隨溫度的變化，霍爾效應(yīng)，半導(dǎo)體器件，離子材料中的導(dǎo)電，聚合物的電學(xué)特性，電容，場矢量和極化，極化的類型，介電常數(shù)的頻率依賴性，介電強(qiáng)度，絕緣材料，鐵電材料，壓電材料【難點(diǎn)】：不同材料的導(dǎo)電機(jī)理以及所遵從的規(guī)律第十九章 熱學(xué)特性（參考學(xué)時(shí)數(shù)：4）引言，熱容，熱膨脹，熱導(dǎo)率，熱應(yīng)力，案例研究，太空宇宙飛船的熱防護(hù)【重點(diǎn)掌握】：定壓熱容，定容熱容，熱膨脹系數(shù)，熱應(yīng)力【掌握】：熱容的物理含義，定壓熱容，定容熱容，熱導(dǎo)率，熱脹冷縮的機(jī)理，熱應(yīng)力的來源。【難點(diǎn)】：熱脹冷縮的物理機(jī)理，熱應(yīng)力的預(yù)測第二十章