材料科學基礎Ι課程教學大綱

1、 材料科學基礎 課程教學大綱一、課程說明（一）課程名稱、所屬專業(yè)、課程性質、學分；課程名稱：材料科學基礎所屬專業(yè)：材料物理，材料化學課程性質：專業(yè)基礎課學分：8（二）課程簡介、目標與任務；課程簡介：本課程是材料學科本科生的一門專業(yè)基礎課。它的主要任務是使學生對材料的生產、科研、應用以及它的過去、現在和未來有初步了解，以及對材料科學與工程有一個較全面而又概括的了解同時，使學生掌握較完整全面的材料科學基礎知識。本課程的覆蓋面較寬，要介紹工程材料的結構與性能，生產制備，科研和應用的概況，材料的發(fā)展歷史，目前狀況和發(fā)展趨勢。各章節(jié)除介紹有關材料的基本知識外，盡可能反映該領域的新成果、新發(fā)展及其在新技術

2、中的應用。用必要的例子生動地描述出該領域的基本情況、動態(tài)和趨勢。從這個意義上說，它不是一門傳統的導論課，而是學生掌握材料科學基礎知識的基礎課。它讓學生了解這一領域的基礎、現狀和前景。課程對材料研究的若干方法也做一些簡介。目標與任務：通過本課程教學，使學生對材料科學基礎知識以及材料的生產過程有一個較全面、較概括的了解；對當前材料科學研究的前沿有初步了解；培養(yǎng)學生對材料科學的興趣。初步掌握各類工程材料的基本概念，包括組織結構、性能、生產過程和應用等；初步了解材料科學的研究前沿以及我校材料學科的科研工作簡況。（三）先修課程要求，與先修課與后續(xù)相關課程之間的邏輯關系和內容銜接；本課程是材料專業(yè)的專業(yè)基

3、礎課，本課程的學習需要學生具備高等數學、大學物理、大學化學作基礎，同時又是材料專業(yè)的專業(yè)課（如金屬材料學、陶瓷材料學、高分子材料、功能材料等）的基礎。（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). 化學工業(yè)出版社，2004年。二、課程內容與安排教學方法：課堂講授，討論教學內容、學時及基本要求：第一章 緒論（參考學時數：4） 歷史回顧，材料科學與工程，為什么要學習材料科學與工程？材料分類，先進材料，現代材料需求【重點掌握】：材料、材料科學、材料工程、材料科學與工程的概念與范疇，材料分類【了解】：材料科學與工程的發(fā)展歷史，材料科學與工程在現代技術和社會生活中的重要性【難點】：材料科學的概念與范疇與其他學科的區(qū)別及關系第二章 原子結構與原子間結合（參考學時數：4）引言，原子結構，基本概念，原子中的電子，元素周期表，固

5、體中的原子結合，結合力與結合能，主鍵，次鍵或范德瓦耳斯鍵，分子【重點掌握】：原子結構，固體中的原子結合，結合力與結合能，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】：不同類型原子結合與固體基本性質的關系第三章 晶態(tài)固體的結構（參考學時數：12）引言，晶體結構，基本概念，晶胞，金屬晶體結構， 密度計算， 同質異構現象與同素異構現象，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構，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：晶體結構的確定，非晶態(tài)固體【重點掌握】：晶體結構，晶胞，晶系，晶向和晶面，晶向指數，晶面指數，密排晶體結構 【掌握】：密

6、度計算，同質異構現象與同素異構現象，原子線密度和原子面密度， X射線衍射晶體結構的確定，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】：常見晶體結構，晶向指數和晶面指數熟練應用第四章 固體中的缺陷（參考學時數：4）引言，點缺陷，空位與自間隙原子，固體中的雜質，線缺陷與面缺陷，線缺陷位錯，面缺陷，體缺陷，原子振動，顯微檢驗，概要，顯微術，晶粒尺寸的確定【重點掌握】：空位，自間隙原子，刃位錯，螺位錯【掌握】：點缺陷，線缺陷，面缺陷，體缺陷，原子振動，晶粒尺寸的確定【了解】：顯微檢驗，概要，顯微術【難點】：固體缺陷與材料行為的關系第五章 擴散（參考學時數：2）引言，擴散機

7、制，穩(wěn)態(tài)擴散，非穩(wěn)態(tài)擴散，影響擴散的因素，其他擴散途徑【重點掌握】：擴散機制，穩(wěn)態(tài)擴散【掌握】：非穩(wěn)態(tài)擴散，影響擴散的因素【難點】：空位擴散、間隙擴散第六章 金屬力學性能（參考學時數：8）引言，應力和應變的概念，彈性變形，應力-應變曲線，滯彈性，材料的彈性，塑性變形，拉伸性能，真應力和真應變，塑性變形過程中的彈性恢復，壓縮、剪切和扭轉變形，硬度，材料性能的變異性，設計/安全系數【重點掌握】：應力和應變的概念，彈性變形，應力-應變曲線，塑性變形，真應力和真應變，塑性變形過程中的彈性恢復，硬度，【掌握】：滯彈性，拉伸性能，壓縮、剪切和扭轉變形，設計/安全系數【了解】：材料性能的變異性【難點】：真應

8、力和真應變第七章 位錯與強化機制（參考學時數：6）引言，位錯與塑性變形，基本概念，位錯的特性，滑移系，單晶體中的滑移，多晶材料的塑性變形，孿生變形，金屬強化機制，減小晶粒尺寸強化，固溶強化，應變硬化，沉淀硬化，回復、再結晶和晶粒長大【重點掌握】：位錯的特性，位錯與塑性變形，滑移系，單晶體中的滑移，多晶材料的塑性變形，孿生變形，金屬強化機制，減小晶粒尺寸強化，固溶強化，應變硬化，沉淀硬化，回復、再結晶和晶粒長大，【難點】：位錯與塑性變形，金屬強化機制，第八章 失效（參考學時數：6）引言，斷裂，斷裂的基本原理，延性斷裂，脆性斷裂，斷裂力學基本原理，沖擊斷裂試驗，疲勞，交變應力，S-N疲勞曲線，裂紋

9、的產生與擴展，裂紋擴展速率，影響疲勞壽命的因素，環(huán)境效應，蠕變， 廣義蠕變行為，應力和溫度的影響，數據外推法，高溫合金【重點掌握】：斷裂，斷裂的基本原理，延性斷裂，脆性斷裂，疲勞，裂紋的產生與擴展，裂紋擴展速率，蠕變， 廣義蠕變行為，應力和溫度的影響， 【掌握】：斷裂力學基本原理，沖擊斷裂試驗，交變應力，S-N疲勞曲線，影響疲勞壽命的因素，環(huán)境效應，【了解】：數據外推法，高溫合金【難點】：脆性斷裂，疲勞，裂紋的產生與擴展第九章 相圖（參考學時數：8）引言，定義和基本概念，溶解度極限，相，微結構，相平衡，平衡相圖，二元勻晶系，二元共晶系，具有中間相或化合物的平衡相圖，共析反應和包晶反應， 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，鐵碳合金微結構的形成，其他合金元素的影響【重點掌握】：相，微結構，相平衡，平衡相圖，二元勻晶系，二元共晶系，共析反應和包晶反應，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，鐵碳合金微結構的形成，其他合金元素的影響【難點】：鐵-滲碳體(Fe-Fe3C)相圖及其鐵碳合金微結構第十章 金屬中的相變：微結構的形成與力學性能的變化（參考學時數：6）引言，相變，基本概念，固態(tài)反應動力學，多相轉變，鐵碳合金的微結構與性能變化，等溫轉變圖，連續(xù)冷卻轉變

11、圖，鐵碳合金力學性能，回火馬氏體，鐵碳合金相變總結【重點掌握】：相變，固態(tài)反應動力學，鐵碳合金的微結構與性能變化，等溫轉變圖，連續(xù)冷卻轉變圖，鐵碳合金力學性能，鐵碳合金相變總結【掌握】：多相轉變，回火馬氏體【難點】：鐵碳合金的微結構與性能變化，等溫轉變圖，連續(xù)冷卻轉變圖，鐵碳合金力學性能第十一章 金屬合金的應用和加工（參考學時數：12）引言，退火處理，中間退火，去除應力，黑色合金的退火，鋼的熱處理，淬透性，淬火介質、試樣尺寸和幾何形狀的影響，沉淀硬化，熱處理，硬化機制，其他考慮，金屬加工，成形，鑄造，其他技術，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【重點掌握】：退火處理，淬透性，沉淀硬化，【掌握】：中間退火，去除應力，黑色合金的退火，鋼的熱處理，淬火介質、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，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】：金屬的加工與應用制定人：李建功審定人：批準人：日 期：2012.10.25第十二章 陶瓷的結構與特性（參考時數：8）引言，陶瓷的晶體結構，硅酸鹽陶瓷，碳，陶瓷中的缺陷，陶瓷相圖，陶瓷脆性斷裂，應力應變行為，塑性形變機制，其他力學考慮【重點掌握】：陶瓷的晶體結構，陶瓷

13、分類，陶瓷應力應變行為及塑性變形機制，【掌握】：陶瓷的結構類型,離子性陶瓷的結構計算原則,硅酸鹽陶瓷的結構分類,碳的多種形態(tài),陶瓷中的缺陷類型,缺陷密度計算,陶瓷的典型的應力應變行為特征,陶瓷塑性形變的機制【難點】：離子性陶瓷的結構預測與計算,缺陷種類及密度計算第十三章 陶瓷的應用于加工（參考學時數：8）引言，陶瓷的分類與應用,玻璃和玻璃陶瓷的特性, 玻璃的成型，玻璃的生產與加工,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，生產技術，烘干和燒結，磨料，水泥,先進陶瓷 ,粉末壓縮成型,帶式澆注成型 【重點掌握】：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,玻璃的生產工藝,傳統陶瓷應用和種類,工具陶瓷應用和種類,功能陶瓷應用和種類,耐火陶瓷應用和種類,結構陶瓷應用和種類,特殊陶瓷的應用和種類【難點】：陶瓷的性能與應用,陶瓷的成型工藝和生產工藝第十四章 聚合物的結構（參考學時數：8）引言，碳氫分子，聚合物分子，聚合物分子化學，分子量，聚合度，分子形狀，分子結構，分子組態(tài)，共聚物，聚合物的結晶性，聚合物晶體，聚合物中的缺陷，聚合物材料中的擴散【重點掌握】：聚合物的分類，聚合物的結構層次，聚合物的分子量與聚合度【掌握】：均聚物，共聚物，結構單元，接

15、枝聚和物，線形聚合物，交聯聚合物，網狀聚合物，立體同分異構，順式立構，反式立構，無規(guī)立構，相間共聚物，嵌段共聚物，無規(guī)共聚物，晶體結構，球晶結構，鏈折疊模型，數均分子量，質均分子量，聚合度 【難點】：聚合物的結構層次，聚合物的分子量和聚合度第十五章 聚合物的特性、應用與加工（參考學時數：12）引言，聚合物的力學行為，聚合物的形變和強化機理，聚合物中的晶化、熔化和玻璃轉變現象，聚合物的類型，聚合物的合成和加工， 【重點掌握】：聚合物的應力應變行為，聚合物的彈性和塑性變形機理，聚合物的晶化、熔化和玻璃轉變現象以及影響熔化和玻璃轉變溫度的因子【掌握】：聚合物的應力應變行為，宏觀變形，粘彈性行為，聚合

16、物的斷裂，其他力學特性，部分晶化聚合物的形變，音響部分晶化聚合物的力學特性的因子，高彈體的形變，晶化，熔化，玻璃轉變，熔化和玻璃轉變溫度，影響熔化和玻璃轉變的因子，塑料，高彈體，纖維，其他應用，先進聚合物材料，聚合，添加劑，塑料成型技術，高彈體的生產，纖維和薄膜的生產【難點】：聚合物的彈性和塑性變形機理，聚合物材料的生產與加工第十六章 復合材料（參考學時數：10）引言，顆粒增強復合材料，纖維增強復合材料， 結構復合材料【重點掌握】：退火處理，淬透性，沉淀硬化，【掌握】：大顆粒復合材料，分散強化復合材料，纖維長度的影響，纖維濃度和取向的影響，纖維相，基體相，聚合物基體復合材料，金屬基體復合材料，

17、碳-碳復合材料，其它復合材料，纖維增強復合材料生產，片狀復合材料，三明治結構復合材料【難點】：影響復合材料的性能的因素，纖維增強復合材料的軸向和橫向拉伸強度、彈性模量的計算第十七章材料的腐蝕與退化（參考學時數：4）【重點掌握】：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】：電化學腐蝕，腐蝕速率，腐蝕速率預測，鈍化，環(huán)境效應，腐蝕形式，腐蝕環(huán)境，腐蝕防護，氧化，聚合物的溶脹和溶解，鍵合裂解，聚合物的風化，人造全髖關節(jié)替換【難點】：電化學腐蝕的速率計算以及腐蝕防護，腐蝕形式和腐蝕環(huán)境第十八章電學性能（參考學時數：6）引言，導體，半導體，離子性陶瓷和聚合物中的導電性，介電

18、行為，材料的其他電學特性【重點掌握】：導體的導電機理及規(guī)律，半導體的導電機理及規(guī)律，介電行為規(guī)律【掌握】：歐姆定律，電導率，電子導電和離子導電，固體中的能帶結構，導電的能帶和原子成健模型解釋，電子遷移率，金屬的電阻率，商用合金的電學特性，內稟半導體，外稟半導體，電導率和載流子濃度隨溫度的變化，霍爾效應，半導體器件，離子材料中的導電，聚合物的電學特性，電容，場矢量和極化，極化的類型，介電常數的頻率依賴性，介電強度，絕緣材料，鐵電材料，壓電材料【難點】：不同材料的導電機理以及所遵從的規(guī)律第十九章 熱學特性（參考學時數：4）引言，熱容，熱膨脹，熱導率，熱應力，案例研究，太空宇宙飛船的熱防護【重點掌握】：定壓熱容，定容熱容，熱膨脹系數，熱應力【掌握】：熱容的物理含義，定壓熱容，定容熱容，熱導率，熱脹冷縮的機理，熱應力的來源?！倦y點】：熱脹冷縮的物理機理，熱應力的預測第二十章