上海交大材料科学基础课件教学大纲

课程名称：材料科学基础/Fundamentals of Materials Science

课堂学时：90

实验学时：36

适用专业：材料科学与工程类专业、冶金类专业和机电类专业

一、课程的性质、地位、任务

《材料科学基础》是材料类和冶金类专业的一门主干课，也是该专业的主要技术基础课。通过讲课、实验、课堂讨论和课外实践等各个教学环节，将金属学、陶瓷学和高分子物理的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指导材料的设计和应用，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。

二、课程的教学内容和基本要求

绪论（1学时）

了解材料的发展史、材料科学的研究对象和内容以及学习本课程的目的意义和要求。

第一章原子结构和键合（4学时）

了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。

§1 原子结构

(一)、原子结构；(二)、原子间的键

合；(三)、高分子链。

§2 原子间的键合

(一)、金属键(二)、离子

键(三)、共价键

(四)、范德华力(五)、氢键

§3 高分子链

(一)、结构单元的化学组成

1．碳链高分子2．杂链分

子3．元素有机高分子4．无机高分子

(二)、高分子链结构单元的键合方式

1．均聚物结构单元顺序2．共聚物的序列结构

(三)、高分子链的几何形状

(四)、高分子链的构型

第二章固体结构(8学时)

固态原子按其原子（或分子）聚集的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是无规则排列的。材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切相关。

§1 晶体学基础

(一)、晶体的空间点阵

1．空间点阵概念2．晶胞3．晶系与布拉菲点阵4．晶体结构与空间点阵的关系

(二)、晶向指数和晶面指数

1．阵点坐标2．晶向指数3．晶面指数4．六方晶系指数5．晶带6．晶面间距

§2 金属的晶体结构

(一)、面心立方晶体结构的晶体学特征

(二)、体心立方晶体结构的晶体学特征

(三)、密排六方晶体结构的晶体学特征

§3 金属的相结构

(一)、固溶体

1．置换固溶体2．间隙固溶

体3．有序固溶体4．固溶体的性质

(二)、中间相

1．正常价化合物2．电子化合物

3．原子尺寸因素化合物

(ⅰ)间隙相和间隙化合

物(ⅱ)拓扑密堆相

§4 离子晶体结构

(一)、NaCl型结构(二)、萤石型结

构(三)、CsCl型结构(四)、a-Al2O3型结构

§5 共价晶体结构

(一)、金刚石结构(二)、SiO2结

构(三)、VA、VIA族亚金属结构

§6 聚合物晶态结构

(一)、晶胞结构(二)、晶态结构模

型(三)、聚合物结晶形态

§7 非晶态结构

第三章晶体缺陷(12学时)

实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。根据晶体缺陷分布的几何特征可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。了解晶体缺陷有利于分析研究结构敏感性能的变化规律和相变、扩散、塑性变形、再结晶以及氧化、烧结等现象，对探索材料晶体中的奥秘和推动材料科学的发展起着重要作用。

§1 点缺陷

(一)、空位与间隙原子(二)、电缺陷的运

动(三)、点缺陷的平衡浓度

§2 线缺陷

(一)、位错概念的引入

(二)、位错的基本结构

1．刃型位错2．螺型位错3．混合位错4．位错密度5．柏矢矢量

(三)、位错的运动

1．位错的滑移2．位错的攀

移3．位错的交滑移

(四)、位错的弹性性质

1．位错的应力场2．位错的应变能3．位错的线张力4．作用在位错上的力

5．平行位错之间的作用力

(五)、实际晶体中的位错

1．堆垛层错2．不全位错3．位错反应与扩展位错4．汤普森四面体

§3 面缺陷

(一)、晶界二)、孪晶界三)、相界(四)、外表面

第四章固体中原子及分子的运动(14 学时)

固体中物质的迁移属动力学范畴。固体中按照原子的键合情况可分为金属(金属键)、陶瓷(离子键)和高分子(共价键)三类材料。不同的键合情况导致固体中原子的运动方式不同。本章主要了解上述三类材料中原子的运动规律及影响因素，并为将来学习材料动力学打下基础。因此，本章的主要内容包括：扩散方程的推导及求解，扩散的热力学分析及原子机制，影响扩散的因素及反应扩散，离子晶体与金属晶体在扩散方面的异同和高分子材料中分子的运动规律等。

§1 表象理论

(一)、菲克第一定

律(二)、菲克第二定律

(三)、扩散方程的解

1. 误差函数解

2. 格林函数解(衰减薄膜源)

(四)、置换型固溶体中的扩散(五)、扩散系数与浓度相关时的求解

§2 扩散的热力学分析

§3 扩散的原子理论

(一)、扩散机制

1. 交换机制

2. 间隙机制

3. 空位机制

4. 晶界扩散及表面扩散

(二)、原子跳跃和扩散系数

1. 原子跳跃频率

2. 扩散系

数 3. 无规行走与扩散距离 4. 扩散激活能