《材料科学基础》教学教案
《材料科学基础》教案 第四部分 纯金属的凝固
1 第四部分 纯金属的凝固一、教学目的及要求：通过本章学习，使学生们掌握结晶的基本过程、结晶的热力学条件、形核及长大规律、凝固理论的应用。
二、主要内容：1. 纯金属的凝固过程；2. 结晶的热力学条件；3. 形核及长大的规律；4. 凝固理论的应用。
三、学时安排： 6 学时（详细安排见教学日历）四、教学重点：结晶的基本过程、热力学条件、凝固理论的应用。
五、教学难点：1. 结晶的热力学条件；2. 形核及长大的规律。
六、教学过程：(见讲稿)七、思考题：1. 液态金属结构与固态金属结构有何区别，试述小体积液态纯金属结晶过程。
2. 什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？3. 比较过冷度、临界过冷度与动态过冷度的区别。
4. 形核为什么需要形核功？均匀形核与非均匀形核形核功有何差别？八、作业：1. 若液态金属中形成一球形晶核，试证明临界晶核形成功△G c 与临界晶核体积V c 的关系为△G c =－V c G V 21。
2. 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。
3. 细化铸件晶粒的途径有那些？为什么？4. 液态金属结晶时需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热？△G c九、教学参考书：1．《金属的凝固》 胡汉起 冶金工业出版社 1985年2．《金属学》 胡庚祥主编 上海科技出版社 1980年 3《金属学教程》卢光熙主编 机械工业出版社 1985年4．《金属学原理》 李 超主编 哈工大出版社 1996年5．《材料科学基础》 马泗春主编 陕西科学技术出版社 1998年6．《材料科学基础》石德珂主编 西安交大出版社 1995年。
材料科学基础教案第一章
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静电力(electrost高分子链
Atomic Structure and Interatomic Bonding
第一章原子结构和键合
第二节 原子间的键合
材料的微观结构（Microstructure of Materials）
决定材料性质最为本质的内在因素： 组成材料各元素原子结构； 原子间相互作用、相互结合； 原子或分子在空间的排列和运动规律； 以及原子集合体的形貌特征。
取代基围绕特定原子在空间的排布规律。
构型
构造
近程结构
单体通过聚合反应连接而成的链状分子，称为高分子链。 高分子中的重复结构单元的数目称为聚合度。 高分子链的化学组成不同，化学和物理性能也不同。
链结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito) 碳链高分子 聚乙烯（见书9）
一、金属键（Metallic bonding）
典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），并在整个晶体内运动，弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云（electron cloud）。 金属中自由电子与金属正离子之间相互作用构成的键合称为金属键。 绝大多数金属均以金属键方式结合，基本特点——电子的共有化
诱导力(induction)
色散力(dispersive force)
贰
壹
材料科学基础教案
材料科学基础教案引言材料科学是一门研究物质的性质、结构和性能的学科，它在现代科技和工程领域中起着至关重要的作用。
本教案旨在通过系统的教学内容和灵活的教学方法，帮助学生全面了解材料科学的基础知识和理论，并培养学生的实践能力和创新思维。
第一部分：材料科学概述1. 材料科学的定义与发展历程（500字）在这个小节中，我们将介绍材料科学的定义和发展历程。
从古代人类使用石器、金属器具到现代高科技材料的出现，我们将探讨材料科学的重要性和应用领域。
2. 材料科学的分类与特点（500字）这一小节将介绍材料科学的分类和特点。
我们将讨论材料的结构、性质和性能，以及不同材料在不同条件下的应用。
通过对材料的分类和特点的了解，学生将能够更好地理解材料科学的基础概念。
第二部分：材料的结构与性质1. 原子结构与晶体结构（2000字）这一小节将深入探讨材料的原子结构和晶体结构。
我们将介绍原子和分子的基本概念，以及晶体的形成和结构。
通过对原子结构和晶体结构的学习，学生将能够理解材料的微观结构对其性质和性能的影响。
2. 材料的力学性能（2000字）在这个小节中，我们将讨论材料的力学性能，包括弹性、塑性、硬度等。
我们将介绍不同材料的力学行为和力学测试方法，并探讨力学性能与材料结构之间的关系。
第三部分：材料的性能与应用1. 材料的导电性与磁性（2000字）这一小节将重点介绍材料的导电性和磁性。
我们将讨论导电材料和磁性材料的基本原理和应用，以及不同材料之间的导电性和磁性差异。
2. 材料的光学性能与光电子器件（2000字）在这个小节中，我们将讨论材料的光学性能和光电子器件。
我们将介绍不同材料的光学性质和光电子器件的工作原理，以及它们在通信、显示和光伏等领域的应用。
结论通过本教案的学习，学生将能够全面了解材料科学的基础知识和理论，并掌握材料的结构、性质和性能的分析方法。
同时，学生将培养实践能力和创新思维，为将来在材料科学领域的研究和应用打下坚实的基础。
材料科学基础教案
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1 原子结构2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。
如复合材料。
3 结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。
长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列一晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。
（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
《材料科学基础》教学大纲
《材料科学基础》教学大纲一、课程基本信息课程名称：材料科学基础课程类别：专业基础课学分：＿____总学时：＿____适用专业：＿____先修课程：＿____后续课程：＿____二、课程性质与目标（一）课程性质《材料科学基础》是材料类专业的一门重要的学科基础课程，它是连接基础科学与工程应用的桥梁。
通过本课程的学习，学生将掌握材料科学的基本概念、基本理论和基本方法，为后续专业课程的学习和从事材料科学与工程领域的研究、开发和应用工作奠定坚实的基础。
（二）课程目标1、知识目标（1）掌握材料的晶体结构、晶体缺陷、相图、扩散、相变等基本概念和基本理论。
（2）熟悉材料的力学性能、物理性能、化学性能等与材料结构和组织的关系。
（3）了解材料科学领域的最新研究成果和发展动态。
2、能力目标（1）具备运用材料科学的基本理论分析和解决材料工程实际问题的能力。
（2）能够进行材料的成分设计、工艺设计和性能预测。
（3）具有查阅相关文献和资料，获取新知识和新信息的能力。
3、素质目标（1）培养学生的科学思维方法和创新意识。
（2）增强学生的工程意识和实践能力。
（3）提高学生的综合素质和社会责任感。
三、课程内容与要求（一）晶体结构1、晶体学基础（1）掌握晶体的基本概念，如空间点阵、晶胞、晶格常数等。
（2）熟悉晶体的对称性和晶体的分类。
2、金属的晶体结构（1）掌握常见金属的晶体结构类型，如体心立方、面心立方和密排六方结构。
（2）了解金属晶体中的原子堆垛方式和间隙类型。
3、离子晶体结构（1）掌握离子晶体的结构规则和典型离子晶体的结构。
（2）了解离子晶体的配位数和半径比规则。
4、共价晶体结构（1）掌握共价晶体的结构特点和典型共价晶体的结构。
（2）了解共价键的特性和共价晶体的性能。
（二）晶体缺陷1、点缺陷（1）掌握点缺陷的类型，如空位、间隙原子和杂质原子。
（2）熟悉点缺陷的形成能和平衡浓度的计算。
2、线缺陷（1）掌握位错的基本概念，如刃型位错、螺型位错和混合位错。
材料科学基础教案教学资料
材料科学基础教案教学资料一、教学目标1.了解材料科学基础的概念和发展历史；2.掌握材料结构与性质之间的关系；3.了解材料的功能和分类；4.了解常用的材料制备方法；5.培养学生的科学实验能力和创新意识。
二、教学内容1.材料科学基础的概念和发展历史（1）材料科学基础的概念（2）材料科学基础的研究内容（3）材料科学基础的发展历史2.材料结构与性质的关系（1）晶体结构与材料性质（2）非晶态结构与材料性质（3）晶体缺陷与材料性质3.材料的功能和分类（1）机械性能（2）热性能（3）光学性能（4）电磁性能（5）材料分类4.常用的材料制备方法（1）粉末冶金法（2）溶液法（3）气相法（4）涂覆法（5）薄膜制备方法5.科学实验和创新意识（1）开展相关实验：材料性质测试、材料制备等（2）培养学生的科学实验能力（3）鼓励学生进行材料科学的创新研究三、教学方法1.讲授法：通过课堂讲解，向学生传授材料科学基础的知识。
2.实验教学法：引导学生开展相关实验，探索材料的性质和制备方法。
3.讨论交流法：组织学生小组讨论，进行学习心得的交流和分享。
4.案例分析法：通过案例分析，激发学生的学习兴趣，提高解决问题的能力。
四、教学评价1.考试评价：设置选择题、判断题、填空题等形式的考试题，评价学生对材料科学基础知识的理解和掌握程度。
2.实验报告评价：评价学生在开展实验过程中的实验设计、数据处理和结论总结的能力。
3.讨论表现评价：评价学生在讨论交流中的表现，包括思考问题的深度和表达观点的能力。
五、教学资料教材：《材料科学基础》参考书目：《材料科学导论》、《材料科学基础概论》实验资料：相关实验操作指导书、实验数据处理和分析指导手册案例分析：相关材料科学的案例分析材料六、教学进度安排1.第一节课：材料科学基础的概念和发展历史（学时：2小时）2.第二节课：材料结构与性质的关系（学时：2小时）3.第三节课：材料的功能和分类（学时：2小时）4.第四节课：常用的材料制备方法（学时：2小时）5.第五节课：科学实验和创新意识（学时：2小时）七、教学备注本教案以材料科学基础为主题，通过讲授、实验、讨论等多种教学方法，旨在培养学生对材料科学基础知识的理解和掌握能力，为学生进一步学习和研究材料科学提供基础。
《材料科学基础教案》课件
《材料科学基础教案》PPT课件第一章：材料科学导论1.1 材料科学的定义和发展历程1.2 材料的分类和特性1.3 材料科学的研究内容和方法1.4 材料科学在工程中的应用第二章：材料的力学性能2.1 弹性、塑性和脆性2.2 材料的强度、硬度和韧性2.3 材料的热膨胀和导热性2.4 材料的疲劳和腐蚀性能第三章：材料的结构3.1 原子结构与元素的电子配置3.2 金属晶体结构3.3 非金属晶体结构3.4 材料的微观结构与宏观性能的关系第四章：材料的热处理和加工4.1 材料的热处理工艺和性能4.2 金属的铸造、焊接和热轧4.3 非金属材料的加工方法4.4 新型材料的加工技术和应用第五章：材料的选择与应用5.1 材料的选用原则和标准5.2 工程常用金属材料的选择与应用5.3 常用非金属材料的选择与应用5.4 新型材料在工程中的应用案例分析第六章：金属的腐蚀与防护6.1 金属腐蚀的基本类型和机理6.2 金属腐蚀的影响因素6.3 金属的腐蚀防护方法6.4 实例分析：金属腐蚀与防护的应用第七章：陶瓷材料7.1 陶瓷材料的定义和特性7.2 陶瓷材料的制备方法7.3 陶瓷材料的分类与应用7.4 先进陶瓷材料的最新发展第八章：高分子材料8.1 高分子材料的定义和结构8.2 高分子材料的制备方法8.3 高分子材料的性能与应用8.4 生物基高分子材料和可持续发展的关系第九章：复合材料9.1 复合材料的定义和特点9.2 复合材料的制备方法9.3 常见复合材料的类型与应用9.4 复合材料在航空航天和汽车工业中的应用第十章：纳米材料10.1 纳米材料的定义和特性10.2 纳米材料的制备方法10.3 纳米材料的应用领域10.4 纳米材料的发展趋势和挑战重点和难点解析重点一：材料科学的定义和发展历程解析：理解材料科学的定义是掌握整个学科的基础，对材料科学的发展历程有一个全面的了解，能够帮助我们更好地理解其在不同历史阶段的重要性。
重点二：材料的分类和特性解析：材料的分类是理解不同材料性质的基础，而特性则是材料应用的关键。
材料科学基础
材料科学基础一、教学内容本节课的教学内容来自于教材《材料科学基础》的第四章，主要内容包括：材料的力学性能、材料的物理性能、材料的化学性能等方面的知识。
通过本节课的学习，让学生了解和掌握不同材料的性能特点，以及这些性能对于材料在实际应用中的重要性。
二、教学目标1. 让学生了解和掌握材料的力学性能、物理性能和化学性能的基本概念和特点。
2. 培养学生对于材料性能在实际应用中的认识和理解。
3. 通过对不同材料性能的学习，提高学生的科学素养和思维能力。
三、教学难点与重点重点：材料的力学性能、物理性能和化学性能的基本概念和特点。
难点：不同材料性能在实际应用中的理解。
四、教具与学具准备教具：PPT、黑板、粉笔。
学具：教材《材料科学基础》、笔记本、文具。
五、教学过程1. 实践情景引入：通过展示一些日常生活中的材料制品，如铁锅、塑料桶、玻璃杯等，引导学生思考这些材料的性能特点。
2. 概念讲解：在黑板上写出材料的力学性能、物理性能和化学性能的概念，并解释这些性能的定义和特点。
3. 例题讲解：通过PPT展示一些关于材料性能的例题，如金属的弹性、塑性、导电性等，引导学生理解和掌握这些性能。
4. 随堂练习：让学生结合教材中的练习题，自行解答，巩固所学知识。
5. 应用讨论：引导学生讨论不同材料的性能在实际应用中的重要性，如铁锅的导热性、塑料桶的耐腐蚀性等。
六、板书设计板书内容主要包括：1. 材料的力学性能、物理性能和化学性能的概念。
2. 不同材料的性能特点和应用实例。
七、作业设计2. 请举例说明不同材料的性能在实际应用中的重要性。
八、课后反思及拓展延伸本节课通过展示日常生活中的材料制品，引导学生思考材料的性能特点，通过例题讲解和随堂练习，让学生掌握材料的力学性能、物理性能和化学性能的基本概念和特点。
在教学过程中，要注意引导学生理解不同材料性能在实际应用中的重要性，提高学生的科学素养和思维能力。
在课后，可以引导学生进行拓展延伸，如查阅相关资料，了解更多的材料性能知识。
材料科学基础教案PPT学习教案精选全文
教学难点
1. 晶体结构； 2. 合金相结构 3. 高分子材料、陶瓷材料的结构特点；
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教学过程
一、复习上一节内容 二、导入新课 三、讲授新课 四、小结 五、思考题 六、作业
第32页/共125页
复习上一节内容
1、材料科学在国民经济中的重要地位是什么？ 2、如何对工程材料进行分类？
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学时分配
1．讲课 50 2．实验 10 3．课堂讨论 2 4．机动 1
总学时 63
第10页/共125页
教学过程
1. 后次复习前次概念 2. 本次讲授内容的引 入 3. 新教学内容的讲授 过程 4. 小结 5. 思考题 第11页/共125页 6． 作业
实验内容
1．金相试样的制备 2．金相显微镜的使用 3．铁碳合金平衡组织观察 4．金相摄影 5．金属塑性变形与再结晶 6．位错腐蚀坑观察
属工艺学和金工教学实习为基础的课程，在学习时应联系上述基 础课程的有关内容，以加深对本课程内容的理解。同时本课程是 材料科学与工程的基础，在今后学习有关专业课程时，还应经常 联系本书的有关内容，以便进一步掌握所学的知识。
第5页/共125页
教学指导思想
1. 从材料科学与工程材料应用的角度出发讲授《 材料科学基础》，体现21世纪教学理念、教学改 革精神和世界工程教育思想。 2. 严格按《材料科学基础》教学大纲及《材料科 学基础实验大纲》进行教学，注意课程内容的准确 定位和整体优化。 3. 开设的实验及课堂讨论应有利于学生分析问题 、解决问题的能力及创新能力培养。
材料科学基础教案PPT课件
会计学
1
第一部分 前言
材料科学是研究材料的化学成分、组织结构、加 工工艺与性能之间关系及变化规律的一门科学。材料 科学基础的任务是根据工程和科学技术发展的需要设 计研制新型工程材料；解决材料制备原理和工艺方法， 获取可供使用的工程材料；解决材料在加工和使用过 程中组织结构和性能变化的微观机理，从中找出合宜 的加工工艺、强化工艺和延寿措施；创新测试材料成 分、组织结构和性能的方法，完善测试技术；合理地 选择和使用工程材料。
材料科学基础教案
材料科学基础(Foundations of Materials Science)材料工程系材料成型与控制工程专业任课教师-张敬尧绪论(Introduction)一.什么是《材料科学基础》二. 材料科学的重要地位三.学习《材料科学基础》的必要性四.《材料科学基础》涵盖的主要内容五.怎样学好《材料科学基础》一.什么是《材料科学基础》什么是材料科学？什么是材料科学基础？材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、材料的性能与应用之间的相互关系的科学。
其核心为研究材料组织结构与性能的关系。
它是当代科技发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。
作为分支之一的新兴的纳米材料科学与技术是20世纪80年代发展起来的新兴学科，成为21世纪新技术的主导中心。
材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观特性和宏观规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。
它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。
二、材料科学的重要地位●人类社会发展的历史阶段常常根据当时使用的主要材料来划分。
从古代到现在人类使用材料的历史共经历了6个时代：石器时代→青铜器时代→铁器时代→钢时代→半导体时代→新材料时代●20世纪70年代，人们把信息、材料和能源称为当代文明的三大支柱；80年代，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志；90年代以来，把材料、信息、能源和生物技术作为国民经济发展的四大支柱产业。
●1986年《科学的美国人》杂志指出“先进材料对未来的宇航、电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要的，材料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。
” 1990年美国总统的科学顾问Allany.Bromley明确指出“材料科学在美国是最重要的学科”。
1991年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7项是基于先进材料基础之上。
故材料科学是科技发展的基础、技术进步和工业化生产的支柱。
材料标准教程教案范文模板
一、课题课题名称：《材料科学基础》二、教学目的1. 让学生掌握材料科学的基本概念、原理和方法。
2. 培养学生对材料科学的研究兴趣和创新能力。
3. 提高学生的科学素养和实际操作能力。
三、课型新授课四、课时2课时五、教学重难点1. 教学重点：材料的分类、结构、性能及其应用。
2. 教学难点：材料的微观结构与宏观性能之间的关系。
六、教材使用教材：《材料科学基础》（高等教育出版社）七、教学目标1. 知识技能目标：（1）了解材料科学的基本概念、分类和结构。
（2）掌握材料的性能、制备和应用。
（3）学会查阅材料科学的相关资料。
2. 过程与方法目标：（1）通过实验、讨论、案例分析等方式，提高学生的动手操作能力和团队合作能力。
（2）培养学生的观察、分析和解决问题的能力。
3. 情感态度与价值观目标：（1）激发学生对材料科学的学习兴趣，树立创新意识。
（2）培养学生严谨的科学态度和良好的职业道德。
八、教学过程第一课时一、导入新课1. 提问：什么是材料？材料在我们生活中有哪些应用？2. 展示材料图片，引导学生思考材料的重要性。
二、讲授新课1. 材料的分类、结构及性能（1）材料的分类：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料等。
（2）材料的结构：晶体结构、非晶体结构、分子结构等。
（3）材料的性能：力学性能、物理性能、化学性能等。
2. 材料的应用（1）金属材料在建筑、交通、航空航天等领域的应用。
（2）无机非金属材料在电子、陶瓷、建筑材料等领域的应用。
（3）有机高分子材料在塑料、橡胶、纤维等领域的应用。
三、课堂小结1. 回顾本节课所学内容。
2. 强调材料的分类、结构、性能及应用的重要性。
第二课时一、复习导入1. 回顾上节课所学内容。
2. 提问：材料的微观结构与宏观性能之间有什么关系？二、讲授新课1. 材料的微观结构与宏观性能（1）晶体结构与性能的关系。
（2）非晶体结构与性能的关系。
（3）分子结构与性能的关系。
2. 材料的制备与应用（1）金属材料的制备方法。
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课程名称：材料科学基础授课对象：本科一年级课时安排：2课时教学目标：1. 理解材料科学的基本概念和研究对象。
2. 掌握材料的基本分类和特点。
3. 了解材料的性能及其影响因素。
4. 培养学生运用材料科学知识分析和解决实际问题的能力。
教学重点：1. 材料科学的基本概念和研究对象。
2. 材料的基本分类和特点。
3. 材料的性能及其影响因素。
教学难点：1. 材料科学的基本概念和研究对象的理解。
2. 材料分类和性能的掌握。
教学过程：一、导入1. 引导学生回顾高中所学的物理、化学等知识，使学生认识到材料科学在各个领域的应用。
2. 提出问题：什么是材料？材料科学的研究对象是什么？二、新课讲解1. 材料科学的基本概念和研究对象- 材料是构成物质世界的基础，具有使用价值。
- 材料科学是研究材料的组成、结构、性能和加工工艺的科学。
2. 材料的基本分类和特点- 金属材料：具有良好的导电性、导热性、延展性等。
- 非金属材料：包括陶瓷、塑料、橡胶等，具有绝缘性、耐腐蚀性等特点。
- 复合材料：由两种或两种以上不同材料复合而成，具有优异的综合性能。
3. 材料的性能及其影响因素- 强度、硬度、韧性、塑性、导电性、导热性等。
- 影响因素：材料的组成、结构、加工工艺等。
三、案例分析1. 举例说明材料科学在实际生活中的应用，如建筑材料、交通工具、电子产品等。
2. 分析案例中材料的选择依据，使学生理解材料性能与实际应用的关系。
四、课堂练习1. 学生根据所学知识，对以下材料进行分类：- 钢铁、铝、塑料、橡胶、陶瓷、玻璃、复合材料等。
2. 分析以下材料的性能特点：- 钢铁：强度高、韧性好、耐腐蚀等。
- 塑料：绝缘性、耐腐蚀、轻便等。
五、总结与拓展1. 总结本节课所学内容，强调材料科学在各个领域的应用。
2. 引导学生关注材料科学的发展动态，拓展知识面。
教学反思：1. 通过本节课的学习，学生能够掌握材料科学的基本概念、分类和性能。
2. 注重案例分析，使学生将理论知识与实际应用相结合。
《材料科学基础》教学教案
《材料科学基础》教学教案导论一、材料科学的重要地位生产力发展水平，时代发展的标志二、各种材料概况金属材料陶瓷材料高分子材料电子材料、光电子材料和超导材料三、材料性能与内部结构的关系原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织四、材料的制备与加工工艺对性能的影响五、材料科学的意义第一章材料结构的基本知识§1-1 原子结构一、原子的电子排列泡利不相容原理最低能量原理二、元素周期表及性能的周期性变化§1-2 原子结合键一、一次键1．离子键2．共价键3．金属键二、二次键1．范德瓦尔斯键2．氢键三、混合键四、结合键的本质及原子间距双原子模型五、结合键与性能§1-3 原子排列方式一、晶体与非晶体二、原子排列的研究方法§1-4 晶体材料的组织一、组织的显示与观察二、单相组织等轴晶、柱状晶三、多相组织§1-5 材料的稳态结构与亚稳态结构稳态结构亚稳态结构阿累尼乌斯方程第二章材料中的晶体结构§2-1 晶体学基础一、空间点阵和晶胞空间点阵，阵点（结点）晶格、晶胞坐标系二、晶系和布拉菲点阵7个晶系14个布拉菲点阵表2-1三、晶向指数和晶面指数1．晶向指数确定方法，指数含义，负方向，晶向族2．晶面指数确定方法，指数含义，负方向，晶向族3．六方晶系的晶向指数和晶面指数确定方法，换算4．晶面间距密排面间距大5．晶带相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合晶带定律：hu+kv+lw=0●晶向指数和晶面指数确定练习，例题§2-2 纯金属的晶体结构一、典型金属晶体结构体心立方bcc面心立方fcc密排六方hcp1．原子的堆垛方式面心立方：ABCABCABC——密排六方：ABABAB——2．点阵常数3．晶胞中的原子数4．配位数和致密度晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数晶体结构中原子体积占总体积的百分数5．晶体结构中的间隙四面体间隙，八面体间隙二、多晶型性α-Fe, γ-Fe, δ-Fe例：碳在γ-Fe 中比在α-Fe中溶解度大三、晶体结构中的原子半径1．温度与压力的影响2．结合键的影响3．配位数的影响§2-3 离子晶体的结构一、离子晶体的主要特点正、负离子二、离子半径、配位数和离子的堆积1．离子半径2．配位数表2-63．离子的堆积三、离子晶体的结构规则1．负离子配位多面体规则—鲍林第一规则配位多面体是离子晶体的真正结构基元2．电价规则—鲍林第二规则3．负离子多面体共用点、棱与面的规则—鲍林第三规则四、典型离子晶体的结构6种§2-4 共价晶体的结构一、共价晶体的主要特点原子晶体二、典型共价晶体的结构第三章 晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷§3-1 点缺陷一、点缺陷的类型空位、间隙原子Schottky, Frenkel 缺陷晶个畸变二、点缺陷的产生1．平衡点缺陷及其浓度kT uA C N n e e -==exp2．过饱和点缺陷的产生高温淬火、辐照、冷加工3．点缺陷与材料行为扩散物理性能：电阻，密度减小体积增加力学性能：蠕变，强度，脆性§3-2 位错的基本概念一、位错与塑性变形实际屈服强度远低于刚性滑移模型得到的G/30.50年代中期证实位错的存在二、晶体中位错模型及位错易动性1．刃型位错2．螺型位错3．混合型位错4．位错的易动性图4-12三、柏氏矢量1．确定方法2．柏氏矢量的意义原子畸变程度已滑移区与未滑移区的边界滑移矢量位错线的性质3．柏氏矢量的表示方法练习四、位错的运动1．位错的滑移外加切应力方向、晶体滑移方向、位错线运动方向与柏氏矢量之间关系图4-18、4-19、4-20，表4-12．位错的攀移通过扩散实现割阶的产生正应力影响3．作用在位错上的力F d=τb F d=σb五、位错密度ρ=S/Vρ=n/A六、位错的观察图4-24，4-25§3-3 位错的能量及交互作用一、位错的应变能U=αGb2二、位错的线张力图4-30=Gb/(2R)三、位错的应力场及与其它缺陷的交互作用1．位错的应力场螺位错：纯剪切刃位错：正应力为主2．位错与点缺陷的交互作用溶质原子形成的应力场与位错应力场可发生交互作用。
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《材料科学基础》教学教案导论一、材料科学的重要地位生产力发展水平，时代发展的标志二、各种材料概况金属材料陶瓷材料高分子材料电子材料、光电子材料和超导材料三、材料性能与内部结构的关系原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织四、材料的制备与加工工艺对性能的影响五、材料科学的意义第一章材料结构的基本知识§1-1 原子结构一、原子的电子排列泡利不相容原理最低能量原理二、元素周期表及性能的周期性变化§1-2 原子结合键一、一次键1．离子键2．共价键3．金属键二、二次键1．范德瓦尔斯键2．氢键三、混合键四、结合键的本质及原子间距双原子模型五、结合键与性能§1-3 原子排列方式一、晶体与非晶体二、原子排列的研究方法§1-4 晶体材料的组织一、组织的显示与观察二、单相组织等轴晶、柱状晶三、多相组织§1-5 材料的稳态结构与亚稳态结构稳态结构亚稳态结构阿累尼乌斯方程第二章材料中的晶体结构§ 2-1 晶体学基础一、空间点阵和晶胞空间点阵，阵点（结点）晶格、晶胞坐标系二、晶系和布拉菲点阵7 个晶系14 个布拉菲点阵表2-1三、晶向指数和晶面指数1．晶向指数确定方法，指数含义，负方向，晶向族2．晶面指数确定方法，指数含义，负方向，晶向族3．六方晶系的晶向指数和晶面指数确定方法，换算4．晶面间距密排面间距大5．晶带相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合晶带定律：hu+kv+lw=0• 晶向指数和晶面指数确定练习，例题§2-2 纯金属的晶体结构一、典型金属晶体结构体心立方bcc面心立方fcc密排六方hcp1．原子的堆垛方式面心立方：ABCABCAB—C—密排六方：ABABA—B —2．点阵常数3．晶胞中的原子数4．配位数和致密度晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数晶体结构中原子体积占总体积的百分数5．晶体结构中的间隙四面体间隙，八面体间隙二、多晶型性:-Fe, :-Fe, :-Fe例：碳在:-Fe中比在-Fe中溶解度大三、晶体结构中的原子半径1温度与压力的影响2.结合键的影响3.配位数的影响§ 2-3离子晶体的结构一、离子晶体的主要特点正、负离子二、离子半径、配位数和离子的堆积1.离子半径2.配位数表2-63.离子的堆积三、离子晶体的结构规则1.负离子配位多面体规则一鲍林第一规则配位多面体是离子晶体的真正结构基元2.电价规则一鲍林第二规则3.负离子多面体共用点、棱与面的规则一鲍林第三规则四、典型离子晶体的结构6 种§ 2-4共价晶体的结构一、共价晶体的主要特点原子晶体二、典型共价晶体的结构第三章晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷§3-1 点缺陷一、点缺陷的类型空位、间隙原子Schottky, Frenkel 缺陷晶个畸变二、点缺陷的产生1．平衡点缺陷及其浓度2．过饱和点缺陷的产生高温淬火、辐照、冷加工3．点缺陷与材料行为扩散物理性能：电阻，密度减小体积增加力学性能：蠕变，强度，脆性§3-2 位错的基本概念一、位错与塑性变形实际屈服强度远低于刚性滑移模型得到的G/30.50 年代中期证实位错的存在二、晶体中位错模型及位错易动性1．刃型位错2．螺型位错3．混合型位错4．位错的易动性图4-12三、柏氏矢量1．确定方法2．柏氏矢量的意义原子畸变程度已滑移区与未滑移区的边界滑移矢量位错线的性质3．柏氏矢量的表示方法练习四、位错的运动1．位错的滑移外加切应力方向、晶体滑移方向、位错线运动方向与柏氏矢量之间关系图4-18 、4-19 、4-20 ，表4-12．位错的攀移通过扩散实现割阶的产生正应力影响3．作用在位错上的力F d二：b五、位错密度=SN:二n/A六、位错的观察图4-24 , 4-25§ 3-3位错的能量及交互作用一、位错的应变能U= :Gb二、位错的线张力图4-30：=Gb/(2R)三、位错的应力场及与其它缺陷的交互作用1位错的应力场螺位错：纯剪切刃位错：正应力为主2.位错与点缺陷的交互作用溶质原子形成的应力场与位错应力场可发生交互作用。
比溶剂原子大的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受张力一侧，比溶剂原子小的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受压力一侧，从而形成了包围着位错线的比较稳定分布的溶质原子“气团”，称Cottrell气团位错要挣脱气团的束缚而运动，就会使体系能量升高；若位错带着气团一起运动，在气团作用下运动受到阻滞，气团对位错的钉扎和阻滞作用使基体得以强化。
3．位错与其它位错的交互作用同号相斥、异号相吸刃位错位错墙四、位错的分解与合成1．位错反应的条件1）几何条件：刀b前二刀b后2）能量条件：刀b2前〉刀b2后2．实际晶体中位错的柏氏矢量分位错、不全位错3．面心立方晶体中全位错的分解及扩展位错扩展位错堆垛层错，层错能扩展位错宽度§3-4 晶体中的界面一、晶界的结构与晶界能1 ．小角度晶界的结构由位错组成，晶界上的位错密度随位向差增大而增加2．大角度晶界2~3个原子厚度的薄层，无序、稀疏3．晶界能二、表面及表面能密排面能量低三、表面吸附与晶界内吸附吸附为自发现象，物理吸附、化学吸附晶界内吸附：少量杂质或合金元素在晶体内部的分布是不均匀的，常偏聚于晶界。
四、润湿行为五、界面能与显维组织的变化第四章材料的相结构及相图组元：组成材料最基本、独立的物质合金：两种或两种以上的金属、或金属与非金属形成的具有金属特性的物质。
相图：描写在平衡条件下，系统状态或相的转变与成分、温度及压力间关系的图解。
§4-1 材料的相结构固溶体、中间相一、固溶体置换固溶体、间隙固溶体有限固溶体、无限固溶体有序固溶体、无序固溶体1．置换固溶体1）尺寸因素2）晶体结构因素3）电负性因素4）电子浓度因素2．间隙固溶体原子半径接近于溶剂原子某些间隙半径的溶质原子，进入溶剂晶格的间隙形成的固溶体叫间隙固溶体固溶强化二、中间相1．正常价化合物符合化合的原子价规律2．电子化合物受电子浓度控制的化合物称。
一定的电子浓度对应一定的晶体结构，其成分可在一定范围内变动，故可视作以电子化合物为基的固溶体，说明其结构介于正常价化合物与固溶体之间。
3．尺寸因素化合物间隙化合物：过渡族金属与原子半径较小的C、H、O、B 等非金属元素形成的一类化合物。
§4-2 二元相图及其类型一、相图的基本知识1．相律2．二元相图的成分表示方法与相图的建立1）成分的表示方法质量分数2）相图的建立热分析法，Cu-Ni 合金3）杠杆定律二、一元系相图三、二元系相图1．匀晶相图及固溶体的结晶1）匀晶相图2）固溶体的平衡结晶过程3）匀晶系的不平衡结晶晶内偏析：晶粒内部出现的成分不均匀现象枝晶偏析：在非平衡凝固条件下，若固溶体以树枝状结晶并长大，则枝干与枝间会出现成分差别。
2．共晶相图及其结晶1）相图分析2）共晶转变共晶反应，共晶组织3）共晶系合金的平衡结晶及组织4）不平衡结晶及其组织a. 伪共晶非平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金也可能全部转变为共晶组织，这种非共晶成分的共晶组织，称为伪共晶组织。
b. 不平衡共晶c. 离异共晶3．包晶相图及其结晶4．其他类型的二元系相图四、相图与性能的关系§4-3 复杂相图分析一、分析方法二、举例图5-44~5-46三、铁- 碳合金相图1．铁- 碳合金的组元与基本相1）纯铁2）渗碳体3）铁碳合金相铁素体、奥氏体、渗碳体、石墨2. Fe-Fe s C相图介绍3．铁-碳合金的平衡结晶过程及组织铁-碳合金的分类晶固过程分析珠光体莱氏体室温莱氏体相组成物、组织组成物4.含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响1）对平衡组织的影响2）对力学性能的影响3）对可锻性的影响4）对流动性的影响5．钢中的杂质元素及其对性能的影响1）硅、锰的影响2）硫的影响热脆3）磷的影响冷脆4）氧的影响5）氮的影响6）氢的影响§4-4 相图的热力学基础一、吉布斯自由能与成分的关系二、克劳修斯- 克莱普隆方程三、相平衡条件1．化学位2．相图中的相平衡多相平衡条件一元系统的相平衡二元系统的相平衡共切线法则四、吉布斯自由能曲线与相图§4-5 三元系相图及其类型一、三元相图的表示方法1．等边三角形法取等边三角形，以三个顶点表示三个纯组元；三个边各定为100%分别代表三个二元系的成分；位于三角形内部的点代表三元系的成分。
此三角形为浓度三角形特殊意义的线（1）平行三角形某一边的直线它们所含的、有这条边对应顶点所代表的组元量均相等（2）通过三角形顶点的任一直线它们所含的由另两个顶点所代表的两组元含量之比是一定值。
2.等腰三角形法3.直角三角形法二、三元相图的建立三、三元匀晶相图1.相图分析2.等温截面（水平截面）图共轭曲线直线法则：三元系统两相平衡共存时，合金成分点与两平衡相的成分点必须位于一条直线上。
证明：设：合金Q两相为a , B。
其成分点分别为o,a,b则其中B组元含量分别为Ao,Aa i,Ab i, C组元含量分别为Ao,Aa2,Ab2若此时a相的重量分数为X, B相的重量分数为1-X应有：Aa1 • X+ Ab • (1-X)= AoiAa2 • X+ Ab • (1-X)= Aa得: X (A Q — Ab)= Ao -AbX (Aab—Ab)= A Q—Ab b两式相除：Aa 1－Ab1 Ao 1－Ab1Aa2－Ab2 Ao 2－Ab2故o,a,b 三点共线。
两点注意杠杆定律应用3．匀晶相图的平衡结晶过程分析蝴蝶形迹线4．变温截面图四、具有两相共晶反应的三元系相图1．相图分析2．三相平衡及三相平衡反应共轭三角形成分变温线、单变量线重心法则：合金三相平衡时，合金的成分点位于由这三相成分点组成的三角形中，并位于该三角形的质量重心。
五、三元系中的相平衡分析切平面六、具有四相平衡反应的三元系相图简单分析投影图七、实例分析图5-113第五章材料的凝固§5-1 晶体材料熔液凝固的基本规律一、液态的结构成分起伏、结构起伏、能量起伏二、凝固的热力学条件等压条件下，自由能曲线随温度的变化率等于熵的负值，故可得图6-1 所示结果。
液相（L）与固相（S）的自由能曲线交点对应的温度为T。
，即为金属的熔点。
当温度T< T o时液态金属结晶，温度越低,液固两相的自由能差值越大，结晶的驱动力也越大。
因此，金属结晶的热力学条件就是T< T o,即结晶必须在过冷条件下才能自发地进行三、过冷现象过冷冷却曲线四、结晶的一般过程形核- 长大形核率、长大速率伪各向同性§5-2 晶核的形成一、均匀形核图6-5rk=Ak= = S k体积自由能的降低,只能补偿2/3 的表面自由能,另1/3 需外界供给。