1、材料科學基礎教學大綱一、 課程信息開課單位材料科學與工程學院課程編號課程名稱材料科學基礎英文名稱Fundamentals of Materials Science課程性質必修課學分4總學時48先修課程大學物理、物理化學開課學期二年級第一學期適應專業材料學二、 課程內容（一）本課程的性質、目的本課程是材料科學與工程各專業的一門重要的學科基礎理論課程，是該專業學生研究材料及其成型原理的重要理論基礎。本課程主要為專業課的學習提供有關材料科學的基礎知識，為后繼專業課程的學習、同時為將來從事材料的研究與開發打下堅實的理論基礎。該課程的教學目標是使學生充分掌握材料科學的基礎理論，深入理解材料的組成、結構、

2、性能和加工的規律及相互聯系，能從材料組成-結構-性能-加工工藝相互聯系的角度理解、解釋材料制備、使用過程中的各種化學、物理現象和性能。（二）基本教學內容第1章 材料科學與工程材料與材料科學的重要地位，材料分類，材料性能與內部結構的關系，材料的制備與加工工藝對性能的影響，材料科學基礎課程的性質、任務和內容以及在材料科學與工程技術中的作用。介紹課程的學習方法，教學、考核的形式，主要參考書目。第2章材料的原子結構目的要求：了解原子結構及建合類型，掌握物質的組成、原子的結構、電子結構和元素周期表，熟悉一次鍵（金屬鍵、離子鍵、共價鍵）、二次健（范德華力和氫鍵）的定義、特點。掌握材料中的結合鍵的類型對材料

3、性能的影響，鍵-能曲線及其應用。主要內容：1.原子結構主量子數、角量子數、磁量子數和自旋量子數、原子量、原子價和電負性等基本概念，能量最低原理、包利不相容原理等基本原理，原子核外電子排布規律。原子結構、原子排列對材料性能的影響。2.材料中的結合鍵的類型、本質，各結合鍵對材料性能的影響，鍵-能曲線及其應用。3.原子的堆垛和配位數的基本概念及對材料性能的影響。4.顯微組織基本概念和對材料性能的影響。重點難點：結合鍵的類型、本質，各結合鍵對材料性能的影響，鍵-能曲線及其應用。第3章材料的晶態結構目的要求：了解晶體的特點、空間點陣、晶胞、晶系和布拉菲點陣，晶向和晶面的表示方法，晶帶和晶帶定律、晶面間距

4、，晶體的對稱性，極射投影。掌握三種典型的金屬晶體結構，致密度和配位數，點陣常數和原子半徑，晶體的原子堆垛方式和間隙，多晶型性。主要內容：1.晶體與非晶體、晶體結構、空間點陣、晶格、晶胞、晶格常數、布拉菲點陣、晶面間距等基本概念。2.晶體晶向指數與晶面指數的標定方法；晶帶定理；極射投影；晶體的對稱性。3.晶體結構及類型，常見晶體結構(bcc、fcc、hcp)及其幾何特征、配位數、堆積因子（致密度）、間隙、密排面與密排方向。4. 典型離子晶體結構類型：金剛石結構，石墨結構，NaCl型結構、CsCl型結構，ZnS型結構，螢石型結構，金紅石型結構，CdI2型結構，鈣鈦礦型結構，尖晶石型結構，描述晶體結

5、構的三種方法，同質多晶與類質同晶的概念；硅酸鹽晶體結構特點及其分類：硅酸鹽晶體結構的分類原則；島狀結構，組群狀結構，鏈狀結構，層狀結構和架狀結構的硅酸鹽晶體。5.高分子材料的組成和結構的基本特征，高分子材料結晶形態、高分子鏈在晶體中的構象、高分子材料晶態結構模型、液晶態的結構特征與分類。重點難點：重點14種布拉維點陣；三種典型的金屬晶體結構，難點離子晶體結構、高分子材料晶態結構模型、極射投影。第4章 點缺陷和擴散目的要求：熟悉點缺陷的概念、形成、平衡濃度，點缺陷的運動。了解菲克第一定律，菲克第二定律，典型條件下擴散方程的解，熟悉擴散的原子理論，了解擴散的機制及其影響因素。主要內容：1.點缺陷的

6、類型，肖脫基空位、弗蘭克爾空位、間隙原子和置換原子，間隙固溶體和置換固溶體等基本概念，離子晶體中的點缺陷特點，點缺陷的平衡濃度、影響因素及其對材料性能的影響。2.擴散概念和柯肯達爾效應，擴散第一定律、擴散第二定律。3.擴散驅動力及擴散機制，反應擴散。4.離子晶體中的擴散、聚合物中的擴散機制。5.擴散系數、擴散激活能，影響擴散的因素及原理：晶體組成的影響，化學鍵的影響，結構缺陷的影響。溫度與雜質的影響等等。重點難點：重點擴散的機制及其影響因素，難點菲克第二定律。第5章線、面和體缺陷目的要求：掌握晶體缺陷的基本類型、特征及其運動特征；其中掌握位錯的定義、基本類型和特征，柏氏矢量的定義、特性和表示方

7、法，位錯的運動（滑移、攀移，運動位錯的交割），位錯的生成和增殖，實際晶體結構中的位錯，堆垛層錯，不全位錯，位錯反應。了解晶體缺陷與合金材料的強化原理。了解外表面和表面能，晶界和亞晶界（小角度晶界、大角度晶界結構，晶界能，晶界特性，孿晶界），相界的定義、種類和特點。主要內容：1.位錯類型，刃型位錯、螺型位錯、位錯線和滑移線的基本概念，柏格斯回路和柏氏矢量的基本概念及物理意義。2金屬晶體中的滑移面和滑移方向及其與外加切應力之間的關系。3.離子晶體、共價晶體和聚合物晶體中的位錯。4.晶界、亞晶界、孿晶界、堆垛層錯和相界面等基本概念。5.晶粒度和晶粒尺寸的基本概念及測量。6.體缺陷基本概念。7.材料的

8、強化方法及機制。重點難點：重點晶體缺陷的基本類型、特征及其運動特征，晶體缺陷與合金材料的強化原理。第6章相平衡與相圖目的要求：掌握相平衡條件和相律，單元系相圖。掌握勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖及其合金凝固，其他類型的二元相圖，復雜二元相圖的分析方法，根據相圖推測合金的性能，二元相圖實例分析（鐵碳合金的組織及其性能）。熟悉三元相圖成分表示方法（成分三角形），三元相圖的空間模型，三元相圖的截面和投影圖。了解固態互不溶解的三元共晶相圖。主要內容：1. 相平衡與相平衡圖的基本概念、相律的基本概念，相平衡的相率解釋。2. 二元合金相圖的建立，二元相圖中的勻晶、共晶、包晶、偏晶等相圖的結構分析；共析、包析

9、反應；二元相圖的平衡結晶過程分析、冷卻曲線；二元合金中勻晶、共晶、共析、二次相析出的平衡相和平衡組織特點；杠桿定律及其應用。3.基本相圖的分析和應用，相圖與性能的關系。4.熟悉鐵碳合金的平衡結晶過程及室溫下所得到的組織，并能夠應用杠桿定律進行相組成物相對含量計算；熟悉鐵素體、奧氏體、珠光體、萊氏體和滲碳體等基本概念。5.簡單三元合金的相平衡分析、冷卻曲線分析、截面圖分析。重點難點：相平衡圖的基本概念、相律，杠桿應律，二元相圖的基本類型，典型合金的結晶過程的分析，杠桿定律的應用及相圖與性能的關系。第7章非晶態材料與半晶態材料目的要求： 掌握非晶態材料與半晶態材料概念；了解聚合物的分類和主要性能，

10、了解玻璃的結構和性能。主要內容：1.高分子的鏈結構、高分子的聚集態結構。2.玻璃化轉變現象和玻璃化溫度，玻璃化轉變理論，影響玻璃化溫度的因素。3.高分子結晶能力，結晶速度，影響結晶速度的因素。4.玻璃態高聚物的結構與性能；高彈態高聚物的力學性質，高彈性的特點，橡膠彈性對溫度的依賴關系；高聚物的粘彈性力學松弛現象，粘彈性與時間、溫度的關系。熱固性和熱塑性聚合物的概念及材料特性。5.離子玻璃、共價玻璃、金屬玻璃的結構及性能特點，影響玻璃形成能力的因素。重點難點：高分子材料的結構特點，高聚物力學三態。第8章 組織轉變動力學目的要求：掌握相變的本質和動力。主要內容： 1.相變的分類2.相變的本質和驅動

11、力3.均勻形核與非均勻形核（三）習題及要求為使學生掌握好基本理論，需做一定數量習題。以作業、課堂討論和課堂講解相結合，充分發揮和調動學生的積極性，使學生完成書中習題。 各章習題見后表。（四）實踐環節要求通過對微觀組織的金相制備及觀察了解材料的性能與組織的關系，通過“導師導航”活動，學生參觀實驗室、聽取導師對所研究領域和科研工作的介紹，提高學生對材料科學的認識和學習興趣。（五）能力培養要求1、分析和解決問題能力 針對具體問題，培養學生能針對具體問題分析材料的性能、工藝與組織結構和成分的關系。2、自學能力的培養 由于課時有限，要求學生課后能進行自學，對講授過的重點進行歸納整理，對了解部分的內容進行

12、自學加深；圍繞教學內容，閱讀參考書籍和資料，自我擴充知識的能力。3、自主研發能力的培養 培養學生學會獨立思考，深入鉆研問題的習慣。在材料科學的基本概念、基本理論等知識的同時，結合教師的科研項目，介紹材料科學最新發展和動態，引導和培養學生進行新材料、新工藝研究開發的興趣和初步能力。三、學時分配章節課程內容講 課實踐習題1材料科學與工程222材料的原子結構43.6.14.22.40.46.543材料的晶態結構66.12.20.21.30.36.42.44.57.65.72習題課24點缺陷和擴散6待定5線、面和體缺陷8待定習題課26相平衡與相圖82待定7非晶態材料與半晶態材料4待定習題課28組織轉變動力學2待定復習（