材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)大綱

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)大綱（FundamentalsofMaterialScience）一、課程概況課程代碼學(xué) 分：3.5學(xué) 時：56（其中：講授學(xué)時50，實驗學(xué)時6）先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、工程力學(xué)、金工實習(xí)適用專業(yè)：材料成型及控制工程、機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、機(jī)械電子工程建議教材：朱張校.工程材料(第5版).北京:清華大學(xué)出版社,2017.62課程歸口：航空與機(jī)械工程學(xué)院/飛行學(xué)院課程的性質(zhì)與任務(wù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程。復(fù)雜工程問題打下良好基礎(chǔ)。二、課程目標(biāo)目標(biāo)1：掌握材料科學(xué)的基本理論和基本知識，能認(rèn)識到解決機(jī)械工程中材料應(yīng)用方面的相關(guān)問題有多種方案可選擇，會通過文獻(xiàn)研究尋求可替代的解決方案。目標(biāo)2：掌握常用工程材料的組織成分和性能之間的一般規(guī)律，根據(jù)機(jī)械零件的服役條件和失效形式，通過文獻(xiàn)研究及實驗方案設(shè)計的基本原理、方法，調(diào)研和分析材料成型工藝、模具設(shè)計與制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案，合理選用相應(yīng)的工程材料，培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧?xí)慣和工匠精神。本課程支撐專業(yè)培養(yǎng)方案中畢業(yè)要求2-3、畢業(yè)要求4-1，對應(yīng)關(guān)系見下表。畢業(yè)要求觀測點（說明：H-強(qiáng)支撐）課程目標(biāo)目標(biāo)1目標(biāo)2畢業(yè)要求2-3（H）√畢業(yè)要求4-1（H）√三、課程內(nèi)容及要求結(jié)合本課程專業(yè)教育，有機(jī)融入以下思政元素：培養(yǎng)學(xué)生具有科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧?xí)慣、良好的職業(yè)道德和工匠精神。（50）（一）材料結(jié)構(gòu)與性能的基本知識（6學(xué)時）教學(xué)內(nèi)容緒論金屬材料結(jié)構(gòu)：原子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)合鍵、原子的排列方式。金屬材料的性能：①理化性能；②力學(xué)性能：彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性等；③工藝性能：鑄造、鍛造、焊接、切削性能及熱處理（后續(xù)詳講。其他工程材料，高分子、陶瓷、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能特點?；疽蠼饘俨牧系脑訕?gòu)成、結(jié)合鍵本質(zhì)。金屬材料的性能及其衡量指標(biāo)。高分子、陶瓷、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能特點。思政元素：通過我國各類材料發(fā)展現(xiàn)狀的介紹，激勵新一代青年學(xué)生學(xué)習(xí)材料專業(yè)知識的熱情和動力，激發(fā)學(xué)生的國家使命感和愛國主義情懷。（二）材料的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷（4學(xué)時）教學(xué)內(nèi)容晶體學(xué)基本概念：晶體與非晶體，典型的三種晶體結(jié)構(gòu)，晶向及晶面指數(shù)標(biāo)定，晶體的各向異性。晶體的三種缺陷：①點缺陷的類型、產(chǎn)生，過飽和點缺陷的產(chǎn)生，點缺陷與材料的行為；②位錯的定義、分類、特點與滑移運動，柏氏矢量的定義與特點，位錯的應(yīng)變際晶體的位錯的柏氏矢量，單位位錯與不全位錯；附，界面能與顯微組織的變化；④晶體的三種缺陷對材料組織和性能的影響。合金的晶體結(jié)構(gòu)：離子晶體與共價晶體的結(jié)構(gòu)與性能特點?；疽蟮湫偷娜N晶體結(jié)構(gòu)及特征常數(shù)。晶向及晶面指數(shù)的標(biāo)定。晶體的三種缺陷對材料組織和性能的影響。晶體與非晶體、離子晶體與共價晶體的結(jié)構(gòu)與性能特點。思政元素：通過材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系的介紹，結(jié)合社會熱點事件涉及的核心材料，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。（三）材料的結(jié)晶與凝固（4學(xué)時）教學(xué)內(nèi)容金屬結(jié)晶過程中：結(jié)晶的熱力學(xué)條件及結(jié)構(gòu)條件。晶核的形成與長大，固液界面的微觀結(jié)構(gòu)與晶體生長形態(tài)的關(guān)系、晶體長大機(jī)制。多晶型（同素異構(gòu)）轉(zhuǎn)變。固溶體的平衡及不平衡結(jié)晶過程，成分過冷概念及對晶體成長形狀的影響。共晶合金的凝固、凝固組織及其偏析缺陷。制造工藝與凝固組織（鑄錠與鑄件、連續(xù)鑄造與熔化焊的凝固組織?；疽蠼饘俳Y(jié)晶的熱力學(xué)條件及結(jié)構(gòu)條件。多晶型（同素異構(gòu)）轉(zhuǎn)變。鑄錠的凝固組織及性能特點。科技進(jìn)步的自信。（四）材料的相結(jié)構(gòu)與相圖（10學(xué)時）教學(xué)內(nèi)容合金中的相與組織：相的分類及影響因素（固溶體的類型、固溶體的結(jié)構(gòu)、固溶體的性能；金屬化合物類型及性能特點、及其在合金中的作用；組織的概念及其與材料性能的關(guān)系。二元合金相圖的建立及表示方法，相律及杠桿定律。勻晶、共晶、共析、包（含碳量對鐵碳合金平衡組織、力學(xué)性能及工藝性能的影響。相圖的熱力學(xué)：吉布斯函數(shù)與成分的關(guān)系；化學(xué)位與相平衡的條件；吉布斯函數(shù)與相圖間的關(guān)系；調(diào)幅分解。三元合金相圖簡介：相圖表示方法及三元素平衡相的定量法則；三元勻晶相圖；三元共晶相圖；三元相圖總結(jié)?；疽蠛辖鹬邢嗟姆诸惣捌溆绊懸蛩?、性能特點、及其在合金中的作用；組織的概PAGEPAGE224念及其與材料性能的關(guān)系。二元合金相圖的建立及表示方法，相律及杠桿定律。勻晶相圖分析，共晶相圖分析，包晶相圖分析，平衡及不平衡結(jié)晶過程和組織分析。Fe-Fe3C相圖分析；鐵碳合金平衡結(jié)晶過程及組織分析，相組成、組織組成物的計算；含碳量對鐵碳合金平衡組織、力學(xué)性能及工藝性能的影響。思政元素：在教學(xué)過程中，針對重要知識點，講解相平衡屬于動態(tài)平衡等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生辯證統(tǒng)一的科學(xué)思維。（五）材料的塑性變形與斷裂（4學(xué)時）教學(xué)內(nèi)容金屬的變形特征：應(yīng)力－應(yīng)變曲線、彈性變形；滑移、孿生、滑移機(jī)制、滑移面與滑移方向、孿晶變形。金屬的塑性變形：單晶體、多晶體、合金的塑性變形機(jī)制、變形特點及其對金屬組織和性能的影響。合金的斷裂：斷裂分類、影響斷裂的基本因素、斷裂韌性及其應(yīng)用。強(qiáng)化機(jī)制：純金屬的形變強(qiáng)化（位錯交割、位錯反應(yīng)、位錯的增殖機(jī)理、固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化。合金的變形與強(qiáng)化（合金的屈服機(jī)制，應(yīng)變時效，第二相對變形的作用。冷變形金屬的再結(jié)晶：力學(xué)性能、組織、形變織構(gòu)、形變金屬與合金在退火組織和性能的影響、工程應(yīng)用。塑性變形和再結(jié)晶的應(yīng)用：熱加工與冷加工的區(qū)分；及其組織與性能特點及應(yīng)用?；疽蠼饘俚淖冃翁卣?；滑移、孿生、滑移機(jī)制、滑移面與滑移方向、孿晶變形。塑性變形對金屬組織和性能的影響。塑合金的斷裂分類、影響斷裂的基本因素、斷裂韌性及其應(yīng)用。強(qiáng)化機(jī)制。冷變形金屬的組織與性能；回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大；金屬熱加工的組織與性能。思政元素：在教學(xué)過程中，針對重要知識點，向?qū)W生介紹材料、安全以及相關(guān)基本原理在實際工程問題中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)穆殬I(yè)素養(yǎng)、工匠精神。（五）擴(kuò)散與固態(tài)相變（4學(xué)時）教學(xué)內(nèi)容擴(kuò)散、擴(kuò)散機(jī)理、上坡擴(kuò)散、反應(yīng)擴(kuò)散、擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散第一定律、擴(kuò)散第二定律的表達(dá)式。影響擴(kuò)散的因素，擴(kuò)散應(yīng)用舉例。相界面的分類、特點，固相的均勻形核與非均勻形核。固態(tài)相變的晶體生長的類型與生長特點。擴(kuò)散型相變的特點，馬氏體轉(zhuǎn)變的特征，過飽和固熔體的脫溶沉淀分析，合金調(diào)幅分解。基本要求擴(kuò)散機(jī)理、擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散第一定律、第二定律的表達(dá)式。影響擴(kuò)散的因素。相界面特點，固相形核。固態(tài)相變的晶體生長的類型與生長特點。擴(kuò)散型相變的特點，馬氏體轉(zhuǎn)變特征，過飽和固熔體的脫溶沉淀分析，合金調(diào)幅分解。思政元素：在教學(xué)過程中，針對重要知識點，講解擴(kuò)散基本原理和特點，培養(yǎng)學(xué)生辯證統(tǒng)一的科學(xué)思維。（七） 鋼的熱處理（8學(xué)時）教學(xué)內(nèi)容鋼在加熱、等溫冷卻和連續(xù)冷卻時的組織轉(zhuǎn)變。鋼的普通熱處理：退火、正火、淬火、回火的工藝特點及應(yīng)用。鋼的表面熱處理的工藝特點及應(yīng)用。鋼的化學(xué)熱處理及其他熱處理新技術(shù)的工藝特點及應(yīng)用。鋼的合金化?；疽箐撛诩訜?、冷卻時組織轉(zhuǎn)變。鋼的普通熱處理和表面熱處理的工藝特點及應(yīng)用。Fe-Fe3C務(wù)社會的意識。（八） 金屬材料（6學(xué)時）教學(xué)內(nèi)容碳鋼的成分、分類、牌號、性能、用途及熱處理特點。合金鋼鋼的成分、分類、牌號、性能、用途及熱處理特點。鑄鋼與鑄鐵的成分、分類、牌號、性能、用途及熱處理特點。有色金屬及其合金的成分、分類、牌號、性能、用途及熱處理特點。基本要求常用碳素鋼的牌號、性能、熱處理特點及用途。合金元素在鋼中的作用，常用合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼牌號、成分特點、性能特點、熱處理特點及用途。常用鋁合金、銅合金、軸承合金的牌號、成分、性能、熱處理特點及用途。常用鑄鋼、鑄鐵的牌號、成分特點、性能特點、熱處理特點及用途。70（九） 材料選用（4學(xué)時）教學(xué)內(nèi)容機(jī)械零件失效的形式、失效分析、零件選材原則。齒輪、軸、彈簧、刃具等典型工件的選材及工藝路線設(shè)計。汽車、機(jī)床、儀器儀表、熱能設(shè)備、化工設(shè)備、航空航天用材?；疽髾C(jī)械零件失效的形式、失效分析、零件選材原則。齒輪、軸、彈簧、刃具等典型工件的選材及工藝路線設(shè)計。國情懷厚植學(xué)生內(nèi)心。教學(xué)內(nèi)容與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系及學(xué)時分配見下表。序號教學(xué)內(nèi)容支撐的課程目標(biāo)支撐的畢業(yè)要求觀測點講授學(xué)時實驗學(xué)時1材料結(jié)構(gòu)與性能的基本知識目標(biāo)12-362材料的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷目標(biāo)12-343材料的結(jié)晶與凝固目標(biāo)1、22-3、4-144材料的相結(jié)構(gòu)與相圖目標(biāo)1、22-3、4-11045材料的塑性變形與斷裂目標(biāo)24-146擴(kuò)散與固態(tài)相變目標(biāo)1、22-3、4-147鋼的熱處理目標(biāo)24-1828金屬材料目標(biāo)1、22-3、4-169材料選用目標(biāo)24-14合計506四、課內(nèi)實驗（實踐）6能測試。序號實驗項目名稱實驗內(nèi)容及要求學(xué)時對畢業(yè)要求的支撐類型備注1金相顯微試樣制備及顯微鏡使用每人制備一塊碳鋼顯微試樣，并觀察和分析其顯微組織。學(xué)會制作金相試樣，使用最基本的材料分析儀器。22-3、4-1綜合性必做2鐵碳合金平衡組織的顯微分析與觀察鐵碳合金平衡組織的顯微分析與觀察。進(jìn)一步熟練顯微鏡的操作，加深理解Fe-C22-3、4-1綜合性必做3不同熱處理狀態(tài)金屬材料的硬度試驗4522-3、4-1綜合性必做五、課程實施（一（工作條件—性能要求—常見的失效形式—合理選材—成分特點—制定正確的熱處理工藝、判斷所獲得的組織。（二）采用多媒體教學(xué)手段，配合典型零件的講解及適當(dāng)?shù)乃伎碱}，保證講課進(jìn)度的同時，注意學(xué)生的掌握程度和課堂的氣氛。（三的意識。（四）主要教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量要求如下表。主要教學(xué)環(huán)節(jié)質(zhì)量要求1備課根據(jù)各部分教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)思授課思路，選擇教學(xué)方法和技巧。2講授（能夠采用現(xiàn)代信息技術(shù)輔助教學(xué)。有機(jī)融入思政元素，達(dá)成課程目標(biāo)。3作業(yè)布置與批改學(xué)生須完成規(guī)定數(shù)量的作業(yè)，作業(yè)必須達(dá)到以下基本要求：按時按量完成作業(yè)，不缺交，不抄襲。書寫規(guī)范、清晰。解題方法和步驟正確。教師批改和講評作業(yè)要求如下：認(rèn)真、細(xì)致地批改和講評作業(yè)，按百分制評定成績并寫明日期。作業(yè)的平均成績?yōu)楸菊n程總評成績中平時成績的重要組成部分。4課外答疑為了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，幫助學(xué)生更好地理解和消化所學(xué)知識、改進(jìn)學(xué)習(xí)方法和思維方式，培養(yǎng)其獨立思考問題的能力，任課教師需每周安排一定時間進(jìn)行課外答疑與輔導(dǎo)。5成績考核本課程的考核方式包括平時成績、實驗考核和期末考試?？荚嚥扇〗炭挤蛛x，監(jiān)考由學(xué)院統(tǒng)一安排。有下列情況之一者，總評成績?yōu)椴患案瘢?/31/3六、考核方式（一）本課程的考核方式包括形成性考核和期末試卷考核。（二（非實驗（告等）成績的平均分（百分制計分。（三（實驗（分（百分制計分。（四）學(xué)生課程總評成績按下式計分：課程總評成績=所有形成性考核（非實驗）成績的平均分×（20~30）%+形成性考核（實驗）成績×10%+期末考試成績×（60~70）%。課程目標(biāo)與課程考核環(huán)節(jié)、權(quán)重的對應(yīng)關(guān)系見下表。序號課程目標(biāo)i考核環(huán)節(jié)總題分課程目標(biāo)達(dá)成權(quán)重1課程目標(biāo)1形成性考核（非實驗）400.2實驗考核500.3期末考核400.52課程目標(biāo)2形成性考核（非實驗）600.2實驗考核500.2期末考核600.6每個課程目標(biāo)達(dá)成度計算方法如下：nn支撐該課程目標(biāo)考核環(huán)節(jié)j平均得分達(dá)成權(quán)重jnn支撐該課程目標(biāo)考核環(huán)節(jié)j總題分達(dá)成權(quán)重jj1七、有關(guān)說明（一）持續(xù)改進(jìn)畢業(yè)要求觀測點達(dá)成。（二）參考書目及學(xué)習(xí)資料付華,張光磊.材料科學(xué)基礎(chǔ).北京:北京大學(xué)出版社胡騫祥.材料科學(xué)基礎(chǔ).上海:上海交通大學(xué)出版社楊秀英.金屬學(xué)及熱處理.北京:機(jī)械工業(yè)出版社PAGEPAGE229附件：評分標(biāo)準(zhǔn)一、形成性考核（非實驗）評分標(biāo)準(zhǔn)課程目標(biāo)基本要求評分標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)（90～100）良（80～89）中等（70～79）及格（60～69）不及格（<60）掌握材料科按時完成任按時完成任按時完成任按時完成任未按時完成學(xué)的基本理務(wù)，態(tài)度端務(wù)，態(tài)度端務(wù)，態(tài)度端務(wù)，態(tài)度端任務(wù)，態(tài)度論和基本知正，很好地掌正，較好地掌正，基本掌正，基本掌握不夠端正，識，能認(rèn)識握課程基本握課程基本握課程基本課程基本理未能掌握課課程到解決機(jī)械理論和基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)論和基礎(chǔ)知程基本理論目標(biāo)1工程中材料知識，作答思知識，作答思知識，作答識，作答思路和基礎(chǔ)知應(yīng)用方面的路清晰，準(zhǔn)確路清晰，準(zhǔn)確思路清晰，基本清晰，無識，作答思相關(guān)問題有無誤，分析深無誤，分析有準(zhǔn)確無誤，原則性錯誤，路不清晰清多種方案可入、清晰合一定深度，清分析清晰合分析基本清晰，有原則選擇。理。晰合理。理。晰合理。性錯誤掌握常用工按時完成任按時完成任務(wù)，態(tài)度端握課程基本理論和基礎(chǔ)晰合理。按時完成任務(wù)，態(tài)度端正，基本掌握課程基本理論和基礎(chǔ)知識，作答思路清晰，準(zhǔn)確無誤，分析清晰合理。按時完成任務(wù)，態(tài)度端正，基本掌握課程基本理論和基礎(chǔ)知識，作答思路基本清晰，無原則性錯誤，分析基本清晰合理未按時完成任務(wù)，態(tài)度不夠端正，未能掌握課程基本理論識，作答思路不清晰清晰，有原則性錯誤程材料的組務(wù)，態(tài)度端織成分和性正，很好地掌能之間的一握課程基本課程目標(biāo)2據(jù)機(jī)械零件的服役條件理論和基礎(chǔ)和失效形無誤，分析深式，合理選入、清晰合用相應(yīng)的工理。程材料。二、實驗評分標(biāo)準(zhǔn)基本要求評分標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)（90～100）良（80～89）中等（70～79）及格（60～69）不及格（<60）遵守實驗室守地掌握實驗技術(shù)、方法和原理。遵守實驗室遵守實驗室守則和紀(jì)守則和紀(jì)遵守實驗室守掌握材料科學(xué)律，認(rèn)真預(yù)律，認(rèn)真預(yù)則和紀(jì)律，認(rèn)未遵守實驗室的基本理論和習(xí)，有良好習(xí)，有良好真預(yù)習(xí)，有一基本知識，會通的團(tuán)隊精的團(tuán)隊精過文獻(xiàn)研究及神，操作認(rèn)神，操作認(rèn)神，操作基本實驗