材料科学基础Ι课程教学大纲

材料科学基础Ι课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：材料科学基础所属专业：材料物理，材料化学课程性质：专业基础课学分：8（二）课程简介、目标与任务；课程简介：本课程是材料学科本科生的一门专业基础课。

它的主要任务是使学生对材料的生产、科研、应用以及它的过去、现在和未来有初步了解，以及对材料科学与工程有一个较全面而又概括的了解同时，使学生掌握较完整全面的材料科学基础知识。

本课程的覆盖面较宽，要介绍工程材料的结构与性能，生产制备，科研和应用的概况，材料的发展历史，目前状况和发展趋势。

各章节除介绍有关材料的基本知识外，尽可能反映该领域的新成果、新发展及其在新技术中的应用。

用必要的例子生动地描述出该领域的基本情况、动态和趋势。

从这个意义上说，它不是一门传统的导论课，而是学生掌握材料科学基础知识的基础课。

它让学生了解这一领域的基础、现状和前景。

课程对材料研究的若干方法也做一些简介。

目标与任务：通过本课程教学，使学生对材料科学基础知识以及材料的生产过程有一个较全面、较概括的了解；对当前材料科学研究的前沿有初步了解；培养学生对材料科学的兴趣。

初步掌握各类工程材料的基本概念，包括组织结构、性能、生产过程和应用等；初步了解材料科学的研究前沿以及我校材料学科的科研工作简况。

（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；本课程是材料专业的专业基础课，本课程的学习需要学生具备高等数学、大学物理、大学化学作基础，同时又是材料专业的专业课（如金属材料学、陶瓷材料学、高分子材料、功能材料等）的基础。

（四）教材与主要参考书。

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 edition, John Wiley and Sons, Inc. (2001). 化学工业出版社，2004年。

二、课程内容与安排教学方法：课堂讲授，讨论教学内容、学时及基本要求：第一章绪论（参考学时数：4）历史回顾，材料科学与工程，为什么要学习材料科学与工程？材料分类，先进材料，现代材料需求【重点掌握】：材料、材料科学、材料工程、材料科学与工程的概念与范畴，材料分类【了解】：材料科学与工程的发展历史，材料科学与工程在现代技术和社会生活中的重要性【难点】：材料科学的概念与范畴与其他学科的区别及关系第二章原子结构与原子间结合（参考学时数：4）引言，原子结构，基本概念，原子中的电子，元素周期表，固体中的原子结合，结合力与结合能，主键，次键或范德瓦耳斯键，分子【重点掌握】：原子结构，固体中的原子结合，结合力与结合能，主键，次键或范德瓦耳斯键【了解】：原子中的电子，元素周期表【难点】：不同类型原子结合与固体基本性质的关系第三章晶态固体的结构（参考学时数：12）引言，晶体结构，基本概念，晶胞，金属晶体结构，密度计算，同质异构现象与同素异构现象，晶系，晶向和晶面，晶向，晶面，原子线密度和原子面密度密排晶体结构，晶态材料与非晶态材料，单晶，多晶材料，各向异性，X射线衍射：晶体结构的确定，非晶态固体【重点掌握】：晶体结构，晶胞，晶系，晶向和晶面，晶向指数，晶面指数，密排晶体结构【掌握】：密度计算，同质异构现象与同素异构现象，原子线密度和原子面密度， X 射线衍射晶体结构的确定，非晶态固体【了解】：晶态材料与非晶态材料，单晶，多晶材料，各向异性【难点】：常见晶体结构，晶向指数和晶面指数熟练应用第四章固体中的缺陷（参考学时数：4）引言，点缺陷，空位与自间隙原子，固体中的杂质，线缺陷与面缺陷，线缺陷——位错，面缺陷，体缺陷，原子振动，显微检验，概要，显微术，晶粒尺寸的确定【重点掌握】：空位，自间隙原子，刃位错，螺位错【掌握】：点缺陷，线缺陷，面缺陷，体缺陷，原子振动，晶粒尺寸的确定【了解】：显微检验，概要，显微术【难点】：固体缺陷与材料行为的关系第五章扩散（参考学时数：2）引言，扩散机制，稳态扩散，非稳态扩散，影响扩散的因素，其他扩散途径【重点掌握】：扩散机制，稳态扩散【掌握】：非稳态扩散，影响扩散的因素【难点】：空位扩散、间隙扩散第六章金属力学性能（参考学时数：8）引言，应力和应变的概念，弹性变形，应力-应变曲线，滞弹性，材料的弹性，塑性变形，拉伸性能，真应力和真应变，塑性变形过程中的弹性恢复，压缩、剪切和扭转变形，硬度，材料性能的变异性，设计/安全系数【重点掌握】：应力和应变的概念，弹性变形，应力-应变曲线，塑性变形，真应力和真应变，塑性变形过程中的弹性恢复，硬度，【掌握】：滞弹性，拉伸性能，压缩、剪切和扭转变形，设计/安全系数【了解】：材料性能的变异性【难点】：真应力和真应变第七章位错与强化机制（参考学时数：6）引言，位错与塑性变形，基本概念，位错的特性，滑移系，单晶体中的滑移，多晶材料的塑性变形，孪生变形，金属强化机制，减小晶粒尺寸强化，固溶强化，应变硬化，沉淀硬化，回复、再结晶和晶粒长大【重点掌握】：位错的特性，位错与塑性变形，滑移系，单晶体中的滑移，多晶材料的塑性变形，孪生变形，金属强化机制，减小晶粒尺寸强化，固溶强化，应变硬化，沉淀硬化，回复、再结晶和晶粒长大，【难点】：位错与塑性变形，金属强化机制，第八章失效（参考学时数：6）引言，断裂，断裂的基本原理，延性断裂，脆性断裂，断裂力学基本原理，冲击断裂试验，疲劳，交变应力，S N疲劳曲线，裂纹的产生与扩展，裂纹扩展速率，影响疲劳寿命的因素，环境效应，蠕变，广义蠕变行为，应力和温度的影响，数据外推法，高温合金【重点掌握】：断裂，断裂的基本原理，延性断裂，脆性断裂，疲劳，裂纹的产生与扩展，裂纹扩展速率，蠕变，广义蠕变行为，应力和温度的影响，【掌握】：断裂力学基本原理，冲击断裂试验，交变应力，S N疲劳曲线，影响疲劳寿命的因素，环境效应，【了解】：数据外推法，高温合金【难点】：脆性断裂，疲劳，裂纹的产生与扩展第九章相图（参考学时数：8）引言，定义和基本概念，溶解度极限，相，微结构，相平衡，平衡相图，二元匀晶系，二元共晶系，具有中间相或化合物的平衡相图，共析反应和包晶反应，同成分相变，陶瓷和三元相图，吉布斯相律，铁-碳系，铁-渗碳体(Fe-Fe3C)相图，铁碳合金微结构的形成，其他合金元素的影响【重点掌握】：相，微结构，相平衡，平衡相图，二元匀晶系，二元共晶系，共析反应和包晶反应，同成分相变，吉布斯相律，铁-渗碳体(Fe-Fe3C)相图【掌握】：溶解度极限，具有中间相或化合物的平衡相图，陶瓷和三元相图，铁碳合金微结构的形成，其他合金元素的影响【难点】：铁-渗碳体(Fe-Fe3C)相图及其铁碳合金微结构第十章金属中的相变：微结构的形成与力学性能的变化（参考学时数：6）引言，相变，基本概念，固态反应动力学，多相转变，铁碳合金的微结构与性能变化，等温转变图，连续冷却转变图，铁碳合金力学性能，回火马氏体，铁碳合金相变总结【重点掌握】：相变，固态反应动力学，铁碳合金的微结构与性能变化，等温转变图，连续冷却转变图，铁碳合金力学性能，铁碳合金相变总结【掌握】：多相转变，回火马氏体【难点】：铁碳合金的微结构与性能变化，等温转变图，连续冷却转变图，铁碳合金力学性能第十一章金属合金的应用和加工（参考学时数：12）引言，退火处理，中间退火，去除应力，黑色合金的退火，钢的热处理，淬透性，淬火介质、试样尺寸和几何形状的影响，沉淀硬化，热处理，硬化机制，其他考虑，金属加工，成形，铸造，其他技术，黑色合金，钢，铸铁，有色合金，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金，难熔金属，超合金，贵金属，其他有色合金【重点掌握】：退火处理，淬透性，沉淀硬化，【掌握】：中间退火，去除应力，黑色合金的退火，钢的热处理，淬火介质、试样尺寸和几何形状的影响，热处理，金属加工，成形，铸造，其他技术，黑色合金，钢，铸铁，有色合金，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金，难熔金属，超合金，贵金属，其他有色合金【难点】：金属的加工与应用制定人：李建功审定人：批准人：日期：2012.10.25第十二章陶瓷的结构与特性（参考时数：8）引言，陶瓷的晶体结构，硅酸盐陶瓷，碳，陶瓷中的缺陷，陶瓷相图，陶瓷脆性断裂，应力应变行为，塑性形变机制，其他力学考虑【重点掌握】：陶瓷的晶体结构，陶瓷分类，陶瓷应力应变行为及塑性变形机制，【掌握】：陶瓷的结构类型,离子性陶瓷的结构计算原则,硅酸盐陶瓷的结构分类,碳的多种形态,陶瓷中的缺陷类型,缺陷密度计算,陶瓷的典型的应力应变行为特征,陶瓷塑性形变的机制【难点】：离子性陶瓷的结构预测与计算,缺陷种类及密度计算第十三章陶瓷的应用于加工（参考学时数：8）引言，陶瓷的分类与应用,玻璃和玻璃陶瓷的特性, 玻璃的成型，玻璃的生产与加工,玻璃热处理，陶土耐火材料，硅酸盐耐火材料，基本耐火材料，特殊耐火材料, 陶土的特性，陶土制品的成分，生产技术，烘干和烧结，磨料，水泥,先进陶瓷 ,粉末压缩成型,带式浇注成型【重点掌握】：陶瓷的分类，陶瓷的成型方法【掌握】：陶瓷的分类,不同种类的陶瓷加工成型的工艺类型,能够耐火的温度和稳定使用的温度,玻璃的成型工艺类型,玻璃的生产工艺,传统陶瓷应用和种类,工具陶瓷应用和种类,功能陶瓷应用和种类,耐火陶瓷应用和种类,结构陶瓷应用和种类,特殊陶瓷的应用和种类【难点】：陶瓷的性能与应用,陶瓷的成型工艺和生产工艺第十四章聚合物的结构（参考学时数：8）引言，碳氢分子，聚合物分子，聚合物分子化学，分子量，聚合度，分子形状，分子结构，分子组态，共聚物，聚合物的结晶性，聚合物晶体，聚合物中的缺陷，聚合物材料中的扩散【重点掌握】：聚合物的分类，聚合物的结构层次，聚合物的分子量与聚合度【掌握】：均聚物，共聚物，结构单元，接枝聚和物，线形聚合物，交联聚合物，网状聚合物，立体同分异构，顺式立构，反式立构，无规立构，相间共聚物，嵌段共聚物，无规共聚物，晶体结构，球晶结构，链折叠模型，数均分子量，质均分子量，聚合度【难点】：聚合物的结构层次，聚合物的分子量和聚合度第十五章聚合物的特性、应用与加工（参考学时数：12）引言，聚合物的力学行为，聚合物的形变和强化机理，聚合物中的晶化、熔化和玻璃转变现象，聚合物的类型，聚合物的合成和加工，【重点掌握】：聚合物的应力应变行为，聚合物的弹性和塑性变形机理，聚合物的晶化、熔化和玻璃转变现象以及影响熔化和玻璃转变温度的因子【掌握】：聚合物的应力应变行为，宏观变形，粘弹性行为，聚合物的断裂，其他力学特性，部分晶化聚合物的形变，音响部分晶化聚合物的力学特性的因子，高弹体的形变，晶化，熔化，玻璃转变，熔化和玻璃转变温度，影响熔化和玻璃转变的因子，塑料，高弹体，纤维，其他应用，先进聚合物材料，聚合，添加剂，塑料成型技术，高弹体的生产，纤维和薄膜的生产【难点】：聚合物的弹性和塑性变形机理，聚合物材料的生产与加工第十六章复合材料（参考学时数：10）引言，颗粒增强复合材料，纤维增强复合材料，结构复合材料【重点掌握】：退火处理，淬透性，沉淀硬化，【掌握】：大颗粒复合材料，分散强化复合材料，纤维长度的影响，纤维浓度和取向的影响，纤维相，基体相，聚合物基体复合材料，金属基体复合材料，碳-碳复合材料，其它复合材料，纤维增强复合材料生产，片状复合材料，三明治结构复合材料【难点】：影响复合材料的性能的因素，纤维增强复合材料的轴向和横向拉伸强度、弹性模量的计算第十七章材料的腐蚀与退化（参考学时数：4）【重点掌握】：引言，金属的腐蚀，陶瓷材料的腐蚀，聚合物材料的退化，腐蚀案例研究【掌握】：电化学腐蚀，腐蚀速率，腐蚀速率预测，钝化，环境效应，腐蚀形式，腐蚀环境，腐蚀防护，氧化，聚合物的溶胀和溶解，键合裂解，聚合物的风化，人造全髋关节替换【难点】：电化学腐蚀的速率计算以及腐蚀防护，腐蚀形式和腐蚀环境第十八章电学性能（参考学时数：6）引言，导体，半导体，离子性陶瓷和聚合物中的导电性，介电行为，材料的其他电学特性【重点掌握】：导体的导电机理及规律，半导体的导电机理及规律，介电行为规律【掌握】：欧姆定律，电导率，电子导电和离子导电，固体中的能带结构，导电的能带和原子成健模型解释，电子迁移率，金属的电阻率，商用合金的电学特性，内禀半导体，外禀半导体，电导率和载流子浓度随温度的变化，霍尔效应，半导体器件，离子材料中的导电，聚合物的电学特性，电容，场矢量和极化，极化的类型，介电常数的频率依赖性，介电强度，绝缘材料，铁电材料，压电材料【难点】：不同材料的导电机理以及所遵从的规律第十九章热学特性（参考学时数：4）引言，热容，热膨胀，热导率，热应力，案例研究，太空宇宙飞船的热防护【重点掌握】：定压热容，定容热容，热膨胀系数，热应力【掌握】：热容的物理含义，定压热容，定容热容，热导率，热胀冷缩的机理，热应力的来源。