材料科学基础自学计划

四年制本科材料科学与工程专业用
80 学时 4 学分
一、课程性质和任务
《材料科学基础》是材料科学方法与工程专业一级学科公共主干课，是介于普通基础课与专业课之间的专业基础课。

本课程将系统全面介绍材料科学的基础理论知识，诸如固体材料的结合键，材料的结构与性能，材料中的扩散，材料的相变，材料的塑性变形与强化，以及材料科学研究方法等，将金属材料、无机非金属材料、聚合物材料密切地结合在一起，使学生更好地把握材料的属性，熟悉材料的共性，为后继课程的学习、进一步深造和从事科技工作奠定基础。

二、课程学习的目标和基本要求：
通过学习，要求学生掌握材料组织结构—成份—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，深入理解材料组织结构—成份—工艺—性能相互关系，培养学生应用所学的知识，分析、解决材料研究、开辟和使用中实际问题的能力。

初步掌握材料科学研究的思路和方法，为后续课程的学习和进一步深造奠定理论基础。

本课程重点是料组织结构—成份—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，如材料结构与缺陷，材料凝固与相图，塑性变形与强韧化等，并能应用所学的理论分析和解决实际问题。

难点是材料结构，位错理论，合金凝固，二元相图，三元相图，材料强韧化，晶体塑性变形等，
无机化学、物理化学、材料力学
三、课程内容及学时分配
•
第一章材料的结构( 22 学时)
1.1 晶体学基础
1.2 常见的晶体结构
1.3 固溶体的晶体结构
1.4 金属间化合物的晶体结构
1.5 硅酸盐结构
1.6 非晶态固体结构
1.7 固体的电子能带结构理论
1.8 团簇与纳米材料结构
1.9 准晶结构
本章重点：
• 结晶学基础知识 (晶体的概念与性质、晶体宏观对称要素、晶体定向、
• 单位平行六面体的划分、配位数与配位多面体的概念、鲍林规则 )。

• 常见材料的结构理论与模型 (常见无机化合物的晶体结构、硅酸盐晶体结构分类及特征、固溶体晶体结构类型及影响因素、缺陷化学反应表示法、金属间化合物的结构类型及影响因素，玻璃的结构)。

• 给定条件下晶胞参数和堆积系数的计算、硅酸盐玻璃 4 个基本结构参数计算。

• 固体的电子能带结构理论及应用
本章难点：
晶体的微观对称要素、晶体定向与晶面指数、晶向指数的确定晶体极射赤平投影、缺陷化学反应方程、硅酸盐晶体结构固体的电子能带结构。

第二章晶体缺陷( 8 学时)
2.1 点缺陷
2.2 位错的结构
2.3 位错的运动
2.4 位错的应力场
2.5 位错与晶体缺陷的相互作用
2.6 位错的增殖、塞积与交割…．
2.7 实际晶体中的位错
本章重点：
• 位错基本概念和类型，位错的应力场，位错间的交互作用，位错的起源与增殖、位错的塞积、位错的交割、位错反应。

• 实际晶体中的位错；有序结构中的位错；离子晶体的位错；面心立方晶体的位错反应。

本章难点：位错的概念；位错反应；实际晶体中的位错。

第三章固体中的扩散(5 学时)
3 .1 扩散的宏观规律
3.2 扩散的微观机制
3.3 扩散系数
3.4 扩散的热力学分析
3.5 反应扩散
3.6 离子晶体中的扩散
本章重点：扩散定律(扩散第一、二定律)及其应用，影响扩散的因素。

本章难点：扩散的热力学分析，离子晶体的扩散。

第四章纯质材料的凝固( 4 学时)
4 . 1 结晶的基本规律
4 . 2 晶核的形成与长大
4 . 3 结晶动力学
4 . 4 结晶生长形态
4.4 结晶后的晶粒大小及其内部结构缺陷
本章重点：形核与长大，形核的热力学分析
本章难点：形核的热力学分析
第五章相平衡与相图( 6 学时)
5 . 1 相与相平衡
5 . 2 匀晶相图及其凝固过程
5 . 3 共晶相图及其凝固过程
5 . 4 包晶相图及其凝固过程
5 . 5 其他类型二元相图
5 .
6 二元相图的分析与应用
5 .
6 fe-c 合金相图
5 . 7 相图的热力学解释
本章重点：三种基本类型相图，平衡凝固过程和非平衡凝固过程，杠杆定律的应用， fe-c 合金相图。

本章难点：杠杆定律，相图的热力学
第六章三元相图( 6 学时)
6 . 1 三元相图的几何规则
6 . 2 三元匀晶相图
6 . 3 固态互不溶解的三元共晶相图
6 . 4 固态有限溶解的三元共晶相图
6 . 5 三元相图中的四相平衡
6 . 6 三元相图的实例分析
本章重点：三元合金成份表示法，直线法则，重心定律，三元共晶相图，三元相图的实际应用。

本章难点：固态有限溶解的三元共晶相图，三元相图的实际应用。

第七章合金的凝固( 5 学时)
7 . 1 合金凝固时溶质的重新分布
7 . 2 凝固过程中的成份过冷
7 . 3 凝固技术
7 . 4 合金铸锭组织与缺陷
本章重点：溶质重新分布，成份过冷
本章难点：溶质重新分布，成份过冷
第八章固体材料的界面( 4 学时)
8 . 1 晶体表面
8 . 2 界面结构
8 . 3 晶界能量
8 . 4 晶界平衡偏析
8 . 5 晶界迁移
8 . 6 相界面
8 . 7 界面能与显微组织形貌
本章重点：晶界结构与性质，相界结构与性质，界面能量
本章难点：晶界结构
第九章固态反应与固态相变( 6 学时)
9 . 1 固相反应及其动力学特征
9 . 2 固相反应动力学方程
9 . 3 影响固相反应的因素
9 . 4 固态相变特点
9 . 5 固态相变的分类
9 . 6 固态相变的形核与长大
9 . 5 固态相变动力学
本章重点：固相反应动力学方程，固态相变的特点与分类，固态相变的形核与长大。

本章难点：固相反应动力学方程，固态相变的形核与长大。

第十章材料变形与再结晶( 10 学时)
10 . 1 材料的弹性变形
10 . 2 单晶体的塑性变形
10 . 3 多晶体的塑性变形
10 . 4 塑性变形对材料组织和性能的影响
10 . 5 晶体的断裂
10 . 6 冷变形金属的回复与再结晶
10 . 7 晶体的高温变形
本章重点：单晶体的塑性变形，多晶体的塑性变形，塑性变形对材料组织和性质的影响，冷变形金属的回复、再结晶及晶粒长大。

本章难点：塑性变形的微观机制，晶界对变形和强度地影响，回复的微观机制。

第十一章材料强韧化的基本原理( 4 学时)
11 . 1 材料强化的基本原理
11 . 2 材料韧化的基本原理
11 . 3 材料强韧化的常用方法
本章重点：强化的基本原理，韧化的基本原理
本章难点：材料韧化的基本原理
该课程相关的实践教学内容见实验课程《材料科学基础实验》
主要环绕以下内容完成课外作业：
(1)各类材料结构及其影响因素。

(2)晶体缺陷的种类和性质及其对材料性能的影响。

(3)扩散的宏观规律和微观机理及其影响因素。

(4)形核与长大的热力学条件，微观机理。

(5)相图的基本类型，相变特征，相变过程，相图分析。

(6)合金凝固溶质重新分布和成份过冷。

(7)界面的结构和类型，界面与材料性能的关系。

(8)固态反应的特征和动力学，固态相变的形核和长大。

(9) 材料变形的微观机理，塑性变形对材料组织和性能的影响，回复和再结晶的微观机理及其对材料性能的影响。

(10)强化和韧化的基本原理及其应用。

该课程相关的实验教学内容见实验课程“材料科学实验”
四、使用大纲说明
1) 将课程内容分为三个模块进行教学：( a)材料结构与缺陷，(b) 凝固与相图，(c) 形变、再结晶与强韧化。

2)以系统讲授为主，结合实际材料问题，注重引导和启示。

3) 要求学生阅读适量的课外材料。

注重课堂讨论和自学。

每一个模块结束进行闭卷考试，着重考察对知识和掌握。

期末进行综合性开卷
考试，着重考察综合应用所学知识的能力。

平时成绩占 70％，期末占 30％。

五、课程教材及主要参考书
：
徐衡钧等，材料科学基础，北京工业大学出版社
•
1) cahn r.w. ,physical metallurgy. north-holland pub.co. 1983
2 ) w. d. callister, jr, fundamentals of materials science and engineering.
化学工业出版社， 2004 年
3)潘金生等，材料科学基础，清华大学出版社， 1998 年
4)赵品，材料科学基础教程习题及解答，哈尔滨工业大学出版社， 2002 年
5)石德珂、沈莲，材料科学基础，西安交通大学出版社， 1996 年
6) schaffer ， et al. the science and design of engineering materials,
高等教育出版社 2003 年
7)陆佩文，无机材料科学基础，武汉工业大学出版社。

：专业基础课：必修课
：金属材料工程、材料成型与控制工程、材料物理、材料
化学等专业。

《材料科学基础》是材料科学与工程专业一门同生产实际有密切联系的重要专业基础课。

本课程的教学目的是使学生系统掌握材料的化学成份、组织结构与性能之间的关系及其变化规律的基础理论以及显微组织的分析方法，为后继专业课的学习奠定基础。

( 1 )通过学习应着重掌握材料成份、组织、结构及加工过程与性能间的相互关系。

( 2 )掌握材料的结合方式、晶体学基础、材料的晶体结构。

( 3 )掌握点缺陷、线缺陷、面缺陷的模型和特点。

( 4 )掌握纯金属的结晶过程、结晶的热力学条件、形核规律、长大规律，了解结晶理论的实际应用。

( 5 ) 掌握相图的基本知识，二元相图的基本类型，二元相图的分析与使用方法，熟练应用铁碳相图。

( 6 )掌握三元相图的成份表示法、三元系平衡转变的定量法则、三元匀晶相图、三元共晶相图、三元相图的四相平衡转变、具有化合物的三元相图的分析方法。

( 7 ) 掌握单晶体的塑变、多晶体的塑变的规律，掌握塑性变形对金属组织与性能的影响，金属及合金强化的位错解释。

( 8 )掌握金属及合金在退火过程中的变化，掌握回复、再结晶、晶粒长大及金属热变形的规律。

( 9 )掌握典型钢中相变的普通规律、相变产物的生成条件、形态和结构本质，能初步选用典型热处理工艺。

课堂教学：90- 102 学时(包括课堂讨论等教改环节)
实验：12- 18 学时
总计：102- 120 学时
绪论 2 学时
课程的性质与任务，主要内容及研究方法，本课程的特点与学习方法，材料科学发展简史。

第一章材料的晶体结构 6 学时
1. 教学内容与学时
( 1 )原子的结合方式 2 学时
( 2 )晶体学基础 2 学时
( 3 )典型晶体结构及其几何特征 2 学时
2. 重点与难点
( 1 )重点：空间点阵及有关概念，晶向、晶面指数的标定，典型金属的晶体结构。

( 2 )难点：六方晶系布拉菲指数标定，原子的堆垛方式。

3. 习题： 1 －3 题
第二章晶体缺陷12 学时
1. 教学内容与学时
( 1 )点缺陷 2 学时
( 2 )线缺陷8 学时
( 3 )面缺陷 2 学时
2. 重点与难点
( 1 )重点：位错等有关基本概念，点缺陷的平衡性质，位错的运动与晶体滑移的关系，位错的性质，柏氏矢量的性质与应用，位错反应。

( 2 )难点：位错模型，位错的应力场，不全位错的原子模型。

3. 习题：6-8,10- 12 题。

第三章材料的相结构8 学时
1. 教学内容与学时
( 1 )固溶体 1 学时
( 2 )中间相 1 学时
( 3 )陶瓷晶体相 1 学时
( 4 )份子相 5 学时
2. 重点与难点
( 1 )重点：各种相的概念及其分类方法。

( 2 )难点：中间相的结构及其区别。

3. 习题： 1 题；复习思量题： 1 ， 2 ， 4 题。

第四章凝固 4 学时
1. 教学内容与学时
( 1 )结晶的基本规律0.5 学时
( 2 )结晶的基本条件 1 学时
( 3 )形核 1 学时
( 4 )长大0.5 学时
( 5 )高份子材料的结晶0.5 学时
( 6 )凝固理论及其应用0.5 学时
2. 重点与难点
( 1 )重点：有关过冷的概念、金属凝固和形核的条件。

( 2 )难点：与临界晶核有关参数的推导。

3. 习题： 3 ， 5 ，7 题。

第五章二元相图15 学时
1. 教学内容与学时
( 1 )相图的基本知识 2 学时
( 2 )二元匀晶相图 2 学时
( 3 )二元共晶相图 2 学时
( 4 )二元包晶相图 1 学时
( 5 )相图的分析与使用 1 学时
( 6 )铁碳相图 4 学时
( 7 )相图的热力学基础 2 学时
( 8 )铸锭组织及其控制 1 学时
2. 重点与难点
( 1 )重点：相律与杠杆定律，匀晶转变与偏析，共晶转变及其不平衡组织，相图中的几何规律，铁碳相图中典型合金的凝固过程及其相与组织的相对量计算，利用相图判断材料的性能。

( 2 )难点：二次杠杆的应用；相图的热力学原理。

3. 习题： 2 ， 3 ，11 题。

第六章三元相图 6 学时
1. 教学内容与学时
( 1 )相图基本知识 1 学时
( 2 )三元匀晶相图 3 学时
( 3 )三元共晶相图 1 学时
( 4 )三元相图总结 1 学时
2. 重点与难点
( 1 )重点：直线法则与重心定律；全方位投影图及其应用；材料的凝固过程分析；三元系反应类型的判断；相区接触法则。

( 2 )难点：利用全方位投影图分析特定成份材料的凝固过程。

3. 习题：15 －19 题。

第七章材料中的扩散 3 学时
1. 教学内容与学时
( 1 )概述 1 学时
( 2 )扩散定律 1 学时
( 3 )扩散的微观机理与现象0.5 学时
( 4 )影响扩散的因素0.5 学时
2. 重点与难点
( 1 )重点：扩散的概念、本质与分类；扩散的驱动力；扩散定律及其应用；
( 2 )难点：反应扩散及其溶质浓度分布。

3. 习题： 4 ， 5 ，8 题。

第八章材料的塑性变形8 学时
1. 教学内容与学时
( 1 )金属变形概述 1 学时
( 2 )单晶体的塑性变形 2 学时
( 3 )多晶体的塑性变形 1 学时
( 4 )合金的塑性变形 1 学时
( 5 )塑性变形对材料组织与性能的影响 1 学时
( 6 )高份子材料的塑性变形 2 学时
2. 重点与难点
( 1 )重点：塑性变形的位错机制；典型的滑移系；滑移的分类及滑移的痕迹；临界分切应力；多晶体变形的特点；合金变形的特点；塑性变形对材料组织和性能的影响。

( 2 )难点：等效滑移系的确定。

3. 习题： 1 －3 ， 5 题。

第九章回复与再结晶 6 学时
1. 教学内容与学时
( 1 )冷变形金属在加热时的组织与性能变化 2 学时
( 2 )回复 1 学时
( 3 )再结晶 1 学时
( 4 )晶粒长大 1 学时
( 5 )金属的热变形 1 学时
2. 重点与难点
( 1 )重点：冷变形金属在加热时的组织与性能变化；回复、再结晶等概念；回复与再结晶的驱动力和机制；正常长大与异常长大；临界变形量的意义与应用；热加工过程中组织与性能变化。

( 2 )难点：回复、再结晶与晶粒长大过程驱动力的识别。

3. 习题： 2 ， 3 ，9 ，10 题。

第十章固态相变 4 学时
1. 教学内容与学时
( 1 )概述 1 学时
( 2 )固态相变的形核与长大 2 学时
( 3 )过饱和固溶体的分解0.5 学时
( 4 )钢中的相变提示0.5 学时
2. 重点与难点
( 1 )重点：固态相变的特点；固态相变的能量变化；晶体缺陷对固态相变的影响。

( 2 )难点：调幅分解的热力学条件。

3. 习题：复习思量题1 －4 题。

其它教学环节
期中综合课 2 期末综合课 2 综合题讲解8课堂演示实验学时
学时
－16 学时4 －8 学时
习题课 4 学时
本课程共安排6 －9 个实验，12 －18 学时。

1. 金相显微镜的结构与使用2 学时
2. 金相试样的制备2 学时
3. 定量金相分析2 学时
4. 铸锭组织观察 2 学时
5. 二元合金显微组织2 学时
6. 铁碳合金平衡组织 2 学时
7. 塑性变形与再结晶 2 学时
8. 位错蚀坑观察 2 学时
9. 三元合金显微组织 2 学时
1. 教材
石德柯. 材料科学基础. 机械工业出版社,2005 年第二版.
刘智恩. 材料科学基础. 西北工业大学出版社,2003 年第二版.
2. 主要参考书
赵品. 材料科学基础教程. 哈尔滨工业大学出版社,2002 年第二版.胡赓祥蔡珣. 材料科学基础. 上海交通大学出版社.2000 年第一版.网上资料
材料科学基础教学网站：http://202. 194. 14. 194/jpkc
材料科学基础国家精品课程：
http://202. 120.6. 136/fms/index.asp
1. 建立了材料科学基础教学网站, 研制了课程教学课件和专题教学课件.
2. 建立了课程试题库, 并逐步建立试卷库.
3. 尝试采用了课堂演示实验和综合题讲解等课堂教学环节, 旨在培养学生的综合创新素质和发挥学生特长, 收到了较好的效果.。