《材料科学基础》教学大纲.doc

《材料科学基础》教学大纲

、课程信息

二、课程内容

（一）本课程的性质、目的

本课程是材料科学与工程各专业的一门重要的学科基础理论课程，是该专业学生研究材料及其成型原理的重要理论基础。本课程主要为专业课的学习提供有关材料科学的基础知识，为后继专业课程的学习、同时为将来从事材料的研究与开发打下坚实的理论基础。

该课程的教学目标是使学生充分掌握材料科学的基础理论，深入理解材料的组成、结构、性能和加工的规律及相互联系，能从材料组成-结构-性能-加工工艺相互联系的角度理解、解释材料制备、使用过程中的各种化学、物理现象和性能。

（二）基本教学内容

第1章材料科学与工程

材料与材料科学的重要地位，材料分类，材料性能与内部结构的关系，材料的制备与加工工艺对性能的影响，《材料科学基础》课程的性质、任务和内容以及在材料科学与工程技术中的作用。

介绍课程的学习方法，教学、考核的形式，主要参考书目。

第2章材料的原子结构

目的要求：

了解原子结构及建合类型，掌握物质的组成、原子的结构、电子结构和元素周期表, 熟悉一次键（金属键、离子键、共价键）、二次健（范德华力和氢键）的定义、特点。掌握材料中的结合键的类型对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。

主要内容：

1.原子结构主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数、原子量、原子价和电负性等基本概念，能量最低原理、包利不相容原理等基本原理，原子核外电子排布规律。原子结构、原子排列对材料性能的影响。

2.材料中的结合键的类型、本质，各结合键对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。

3.原子的堆垛和配位数的基本概念及对材料性能的影响。

4.显微组织基本概念和对材料性能的影响。

重点难点：结合键的类型、本质，各结合键对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。

第3章材料的晶态结构

目的要求：

了解晶体的特点、空间点阵、晶胞、晶系和布拉菲点阵，晶向和晶面的表示方法，晶带和晶带定律、晶面间距，晶体的对称性，极射投影。

掌握三种典型的金属晶体结构，致密度和配位数，点阵常数和原子半径，晶体的原子堆垛方式和间隙，多晶型性。

主要内容：

1.晶体与非晶体、晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞、晶格常数、布拉菲点阵、晶面间距等基本概念。

2.晶体晶向指数与晶面指数的标定方法；晶带定理；极射投影；晶体的对称性。

3.晶体结构及类型，常见晶体结构（bcc、fee、hep）及其几何特征、配位数、堆积因子（致密度）、间隙、密排面与密排方向。

4.典型离子晶体结构类型：金刚石结构，石墨结构，NaCl型结构、CsCl型结构，ZnS型结构，萤石型结构，金红石型结构，CdI2型结构，钙钛矿型结构，尖晶石型结构, 描述晶体结构的三种方法，同质多晶与类质同晶的概念；

硅酸盐晶体结构特点及其分类：硅酸盐晶体结构的分类原则；岛状结构，组群状结构，链状结构，层状结构和架状结构的硅酸盐晶体。

5.高分子材料的组成和结构的基本特征，高分子材料结晶形态、高分子链在晶体中的构象、高分子材料晶态结构模型、液晶态的结构特征与分类。

重点难点：

重点14种布拉维点阵；三种典型的金属晶体结构，难点离子晶体结构、高分子材料晶态结构模型、极射投影。

第4章点缺陷和扩散

目的要求：

熟悉点缺陷的概念、形成、平衡浓度，点缺陷的运动。

了解菲克第一定律，菲克第二定律，典型条件下扩散方程的解，熟悉扩散的原子理论，了解扩散的机制及其影响因素。

主要内容：

1.点缺陷的类型，肖脱基空位、弗兰克尔空位、间隙原子和置换原子，间隙固溶体和置换固溶体等基本概念，离子晶体中的点缺陷特点，点缺陷的平衡浓度、影响因素及其对材料性能的影响。

2.扩散概念和柯肯达尔效应，扩散第一定律、扩散第二定律。

3.扩散驱动力及扩散机制，反应扩散。

4.离子晶体中的扩散、聚合物中的扩散机制。

5.扩散系数、扩散激活能，影响扩散的因素及原理：晶体组成的影响，化学键的影响，结构缺陷的影响。温度与杂质的影响等等。

重点难点：

重点扩散的机制及其影响因素，难点菲克第二定律。

第5章线、面和体缺陷

目的要求：

掌握晶体缺陷的基本类型、特征及其运动特征；其中掌握位错的定义、基本类型和特征，柏氏矢量的定义、特性和表示方法，位错的运动（滑移、攀移，运动位错的交割）, 位错的生成和增殖，实际晶体结构中的位错，堆垛层错，不全位错，位错反应。了解晶体缺陷与合金材料的强化原理。

了解外表面和表面能，晶界和亚晶界（小角度晶界、大角度晶界结构，晶界能，晶界特性，李晶界），相界的定义、种类和特点。

主要内容：

1.位错类型，刃型位错、螺型位错、位错线和滑移线的基本概念，柏格斯回路和柏氏矢量的基本概念及物理意义。

2金属晶体中的滑移面和滑移方向及其与外加切应力之间的关系。

3.离子晶体、共价晶体和聚合物晶体中的位错。

4.晶界、亚晶界、季晶界、堆垛层错和相界面等基本概念。

5.晶粒度和晶粒尺寸的基本概念及测量。

6.体缺陷基本概念。

7.材料的强化方法及机制。

重点难点：

重点晶体缺陷的基本类型、特征及其运动特征，晶体缺陷与合金材料的强化原理。

第6章相平衡与相图

目的要求：

掌握相平衡条件和相律，单元系相图。掌握匀晶相图、共晶相图、包晶相图及其合金凝固，其他类型的二元相图，复杂二元相图的分析方法，根据相图推测合金的性能，二元

相图实例分析（铁碳合金的组织及其性能）。熟悉三元相图成分表示方法（成分三角形），三元相图的空间模型，三元相图的截面和投影图。了解固态互不溶解的三元共晶相图。

主要内容：

1.相平衡与相平衡图的基本概念、相律的基本概念，相平衡的相率解释。

2.二元合金相图的建立，二元相图中的匀晶、共晶、包晶、偏晶等相图的结构分析; 共析、包析反应；二元相图的平衡结晶过程分析、冷却曲线；二元合金中匀晶、共晶、共析、二次相析出的平衡相和平衡组织特点；杠杆定律及其应用。

3.基本相图的分析和应用，相图与性能的关系。

4.熟悉铁碳合金的平衡结晶过程及室温下所得到的组织，并能够应用杠杆定律进行相组成物相对含量计算；熟悉铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体和渗碳体等基本概念。

5.简单三元合金的相平衡分析、冷却曲线分析、截面图分析。

重点难点：

相平衡图的基本概念、相律，杠杆应律，二元相图的基本类型，典型合金的结晶过程的分析，杠杆定律的应用及相图与性能的关系。

第7章非晶态材料与半晶态材料

目的要求：掌握非晶态材料与半晶态材料概念；了解聚合物的分类和主要性能，了解玻璃的结构和性能。

主要内容：

1.高分子的链结构、高分子的聚集态结构。

2.玻璃化转变现象和玻璃化温度，玻璃化转变理论，影响玻璃化温度的因素。

3.高分子结晶能力，结晶速度，影响结晶速度的因素。

4.玻璃态高聚物的结构与性能；高弹态高聚物的力学性质，高弹性的特点，橡胶弹性对温度的依赖关系；高聚物的粘弹性力学松弛现象，粘弹性与时间、温度的关系。热固性和热塑性聚合物的概念及材料特性。

5.离子玻璃、共价玻璃、金属玻璃的结构及性能特点，影响玻璃形成能力的因素。

重点难点：

高分子材料的结构特点，高聚物力学三态。

第8章组织转变动力学

目的要求：

掌握相变的本质和动力。

主要内容：

1.相变的分类