材料科學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)計(jì)劃教學(xué)設(shè)計(jì)

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)大綱四年制本科 材料科學(xué)與工程專業(yè)用80 學(xué)時(shí) 4 學(xué)分一、課程性質(zhì)和任務(wù)材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料科學(xué)方法與工程專業(yè)一級學(xué)科公共主干課，是介于一般基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程將系統(tǒng)全面介紹材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論知識，諸如固體材料的結(jié)合鍵，材料的結(jié)構(gòu)與性能，材料中的擴(kuò)散，材料的相變，材料的塑性變形與強(qiáng)化，以及材料科學(xué)研究方法等，將金屬材料、無機(jī)非金屬材料、聚合物材料緊密地結(jié)合在一起，使學(xué)生更好地把握材料的屬性，熟悉材料的共性，為后繼課程的學(xué)習(xí)、進(jìn)一步深造和從事科技工作奠定基礎(chǔ)。二、課程學(xué)習(xí)的目標(biāo)和基本要求：1對能力培養(yǎng)的要求通過學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握材料組織結(jié)構(gòu)成分工藝性能相互關(guān)系的

2、基本規(guī)律和基本理論， 深入理解 材料組織結(jié)構(gòu)成分工藝性能相互關(guān)系 ，培養(yǎng)學(xué)生 應(yīng)用所學(xué)的知識，分析、解決材料研究、開發(fā)和使用中實(shí)際問題的能力。初步掌握材料科學(xué)研究的思路和方法，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和進(jìn)一步深造奠定理論基礎(chǔ)。2 課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)本課程重點(diǎn)是料組織結(jié)構(gòu)成分工藝性能相互關(guān)系的基本規(guī)律和基本理論，如材料結(jié)構(gòu)與缺陷，材料凝固與相圖，塑性變形與強(qiáng)韌化等，并能應(yīng)用所學(xué)的理論分析和解決實(shí)際問題。難點(diǎn)是材料結(jié)構(gòu)，位錯理論，合金凝固，二元相圖，三元相圖，材料強(qiáng)韌化，晶體塑性變形等，3 先修課程及基本要求無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、材料力學(xué)三、課程內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配教學(xué)基本內(nèi)容第一章材料的結(jié)構(gòu)（ 22 學(xué)時(shí)）1.1

3、 晶體學(xué)基礎(chǔ)1.2 常見的晶體結(jié)構(gòu)1.3 固溶體的晶體結(jié)構(gòu)1.4 金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)1.5 硅酸鹽結(jié)構(gòu)1.6 非晶態(tài)固體結(jié)構(gòu)1.7固體的電子能帶結(jié)構(gòu)理論1.8 團(tuán)簇與納米材料結(jié)構(gòu)1.9 準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)本章重點(diǎn)： 結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)知識 (晶體的概念與性質(zhì)、晶體宏觀對稱要素、晶體定向、 單位平行六面體的劃分、配位數(shù)與配位多面體的概念、鮑林規(guī)則 )。 常見材料的結(jié)構(gòu)理論與模型（常見無機(jī)化合物的晶體結(jié)構(gòu)、硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)分類及特征、固溶體晶體結(jié)構(gòu)類型及影響因素 、缺陷化學(xué)反應(yīng)表示法 、金屬間化合物的結(jié)構(gòu)類型及影響因素，玻璃的結(jié)構(gòu)）。 給定條件下晶胞參數(shù)和堆積系數(shù)的計(jì)算、硅酸鹽玻璃 4個(gè)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算。 固體的

4、電子能帶結(jié)構(gòu)理論及應(yīng)用本章難點(diǎn)：晶體的微觀對稱要素、晶體定向與晶面指數(shù)、晶向指數(shù)的確定晶體極射赤平投影、缺陷化學(xué)反應(yīng)方程、硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)固體的電子能帶結(jié)構(gòu)。第二章 晶體缺陷（ 8學(xué)時(shí)）2.1 點(diǎn)缺陷2.2 位錯的結(jié)構(gòu)2.3 位錯的運(yùn)動2.4 位錯的應(yīng)力場2.5 位錯與晶體缺陷的相互作用2.6 位錯的增殖、塞積與交割2.7 實(shí)際晶體中的位錯本章重點(diǎn)： 位錯基本概念和類型，位錯的應(yīng)力場，位錯間的交互作用，位錯的起源與增殖、位錯的塞積、位錯的交割、位錯反應(yīng)。 實(shí)際晶體中的位錯；有序結(jié)構(gòu)中的位錯；離子晶體的位錯；面心立方晶體的位錯反應(yīng)。本章難點(diǎn)：位錯的概念；位錯反應(yīng)；實(shí)際晶體中的位錯。第三章 固體中的

5、擴(kuò)散（5學(xué)時(shí)）3 .1 擴(kuò)散的宏觀規(guī)律3.2 擴(kuò)散的微觀機(jī)制3.3 擴(kuò)散系數(shù)3.4 擴(kuò)散的熱力學(xué)分析3.5 反應(yīng)擴(kuò)散3.6 離子晶體中的擴(kuò)散本章重點(diǎn)： 擴(kuò)散定律（擴(kuò)散第一、二定律）及其應(yīng)用，影響擴(kuò)散的因素。本章難點(diǎn)：擴(kuò)散的熱力學(xué)分析，離子晶體的擴(kuò)散。第四章 純質(zhì)材料的凝固（ 4學(xué)時(shí)）4 . 1 結(jié)晶的基本規(guī)律4 . 2 晶核的形成與長大4 . 3 結(jié)晶動力學(xué)4 . 4 結(jié)晶生長形態(tài)4.4 結(jié)晶后的晶粒大小及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷本章重點(diǎn)：形核與長大，形核的熱力學(xué)分析本章難點(diǎn)：形核的熱力學(xué)分析第五章 相平衡與相圖（ 6學(xué)時(shí)）5 . 1 相與相平衡5 . 2 勻晶相圖及其凝固過程5 . 3 共晶相圖及其凝

6、固過程5 . 4 包晶相圖及其凝固過程5 . 5 其他類型二元相圖5 . 6 二元相圖的分析與應(yīng)用5 . 6 fe-c 合金相圖5 . 7 相圖的熱力學(xué)解釋本章重點(diǎn)：三種基本類型相圖，平衡凝固過程和非平衡凝固過程，杠桿定律的應(yīng)用， fe-c 合金相圖。本章難點(diǎn)：杠桿定律，相圖的熱力學(xué)第六章三元相圖（ 6學(xué)時(shí)）6 . 1 三元相圖的幾何規(guī)則6 . 2 三元勻晶相圖6 . 3 固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖6 . 4 固態(tài)有限溶解的三元共晶相圖6 . 5 三元相圖中的四相平衡6 . 6 三元相圖的實(shí)例分析本章重點(diǎn)：三元合金成分表示法，直線法則，重心定律，三元共晶相圖，三元相圖的實(shí)際應(yīng)用。本章難點(diǎn)：固態(tài)

7、有限溶解的三元共晶相圖，三元相圖的實(shí)際應(yīng)用。第七章 合金的凝固（ 5學(xué)時(shí)）7 . 1 合金凝固時(shí)溶質(zhì)的重新分布7 . 2 凝固過程中的成分過冷7 . 3 凝固技術(shù)7 . 4 合金鑄錠組織與缺陷本章重點(diǎn)：溶質(zhì)重新分布，成分過冷本章難點(diǎn)：溶質(zhì)重新分布，成分過冷第八章 固體材料的界面（ 4學(xué)時(shí)）8 . 1 晶體表面8 . 2 界面結(jié)構(gòu)8 . 3 晶界能量8 . 4 晶界平衡偏析8 . 5 晶界遷移8 . 6 相界面8 . 7 界面能與顯微組織形貌本章重點(diǎn)：晶界結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，相界結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，界面能量本章難點(diǎn)：晶界結(jié)構(gòu)第九章 固態(tài)反應(yīng)與固態(tài)相變（ 6學(xué)時(shí)）9 . 1 固相反應(yīng)及其動力學(xué)特征9 . 2 固相

8、反應(yīng)動力學(xué)方程9 . 3 影響固相反應(yīng)的因素9 . 4 固態(tài)相變特點(diǎn)9 . 5 固態(tài)相變的分類9 . 6 固態(tài)相變的形核與長大9 . 5 固態(tài)相變動力學(xué)本章重點(diǎn)：固相反應(yīng)動力學(xué)方程，固態(tài)相變的特點(diǎn)與分類，固態(tài)相變的形核與長大。本章難點(diǎn)：固相反應(yīng)動力學(xué)方程，固態(tài)相變的形核與長大。第十章 材料變形與再結(jié)晶（ 10學(xué)時(shí)）10 . 1 材料的彈性變形10 . 2 單晶體的塑性變形10 . 3多晶體的塑性變形10 . 4塑性變形對材料組織和性能的影響10 . 5晶體的斷裂10 . 6冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶10 . 7晶體的高溫變形本章重點(diǎn)：單晶體的塑性變形，多晶體的塑性變形，塑性變形對材料組織和性質(zhì)的

9、影響，冷變形金屬的回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大。本章難點(diǎn)：塑性變形的微觀機(jī)制，晶界對變形和強(qiáng)度地影響，回復(fù)的微觀機(jī)制。第十一章材料強(qiáng)韌化的基本原理（4學(xué)時(shí)）11 . 1材料強(qiáng)化的基本原理11 . 2材料韌化的基本原理11 . 3材料強(qiáng)韌化的常用方法本章重點(diǎn)：強(qiáng)化的基本原理，韌化的基本原理本章難點(diǎn)：材料韌化的基本原理2課程相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)該課程相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容見實(shí)驗(yàn)課程材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)3課外作業(yè)主要圍繞以下內(nèi)容完成課外作業(yè)：（1）各類材料結(jié)構(gòu)及其影響因素。（2）晶體缺陷的種類和性質(zhì)及其對材料性能的影響。（3）擴(kuò)散的宏觀規(guī)律和微觀機(jī)理及其影響因素。（4）形核與長大的熱力學(xué)條件，微觀機(jī)理。（5）

10、相圖的基本類型，相變特征，相變過程，相圖分析。（6）合金凝固溶質(zhì)重新分布和成分過冷。（7）界面的結(jié)構(gòu)和類型，界面與材料性能的關(guān)系。（8）固態(tài)反應(yīng)的特征和動力學(xué)，固態(tài)相變的形核和長大。（9）材料變形的微觀機(jī)理，塑性變形對材料組織和性能的影響，回復(fù)和再結(jié)晶的微觀機(jī)理及其對材料性能的影響。（10）強(qiáng)化和韌化的基本原理及其應(yīng)用。2課程相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)該課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容見實(shí)驗(yàn)課程“材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)”四、使用大綱說明1教學(xué)方法1）將課程內(nèi)容分為三個(gè)模塊進(jìn)行教學(xué)：（a）材料結(jié)構(gòu)與缺陷，（b）凝固與相圖，（c）形變、再結(jié)晶與強(qiáng)韌化。2）以系統(tǒng)講授為主，結(jié)合實(shí)際材料問題，注重引導(dǎo)和啟發(fā)。3)要求學(xué)生閱

11、讀適量的課外材料。注重課堂討論和自學(xué)。2考試方式與成績結(jié)構(gòu)每個(gè)模塊結(jié)束進(jìn)行閉卷考試，著重考察對知識和掌握。期末進(jìn)行綜合性開卷考試，著重考察綜合應(yīng)用所學(xué)知識的能力。平時(shí)成績占70，期末占30。五、課程教材及主要參考書教材：徐衡鈞等，材料科學(xué)基礎(chǔ)，北京工業(yè)大學(xué)出版社參考書：1）cahn r.w. ,physical metallurgy. north-holland pub.co. 19832）w. d. callister, jr, fundamentals of materials science and engineering.化學(xué)工業(yè)出版社，2004年3）潘金生等，材料科學(xué)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出

12、版社，1998年4）趙品，材料科學(xué)基礎(chǔ)教程習(xí)題及解答，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002年5）石德珂、沈蓮，材料科學(xué)基礎(chǔ)，西安交通大學(xué)出版社，1996年6）schaffer，et al. the science and design of engineering materials,高等教育出版社2003年7）陸佩文，無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)，武漢工業(yè)大學(xué)出版社。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程類別：專業(yè)基礎(chǔ)課課程性質(zhì)：必修課面向?qū)I(yè)：材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料工程、材料成型與控制工程、材料物理、材料化學(xué)等專業(yè)。一、課程的性質(zhì)、任務(wù)與基本要求1.本課程的性質(zhì)與任務(wù)材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料科學(xué)與工程專業(yè)一門同生產(chǎn)實(shí)際有密切聯(lián)系的

13、重要專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程的教學(xué)目的是使學(xué)生系統(tǒng)掌握材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律的基礎(chǔ)理論以及顯微組織的分析方法，為后繼專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。2.課程的基本內(nèi)容和要求（1）通過學(xué)習(xí)應(yīng)著重掌握材料成分、組織、結(jié)構(gòu)及加工過程與性能間的相互關(guān)系。（2）掌握材料的結(jié)合方式、晶體學(xué)基礎(chǔ)、材料的晶體結(jié)構(gòu)。（3）掌握點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷的模型和特點(diǎn)。（4）掌握純金屬的結(jié)晶過程、結(jié)晶的熱力學(xué)條件、形核規(guī)律、長大規(guī)律，了解結(jié)晶理論的實(shí)際應(yīng)用。（5）掌握相圖的基本知識，二元相圖的基本類型，二元相圖的分析與使用方法，熟練應(yīng)用鐵碳相圖。（6）掌握三元相圖的成分表示法、三元系平衡轉(zhuǎn)變的定量法則、三

14、元勻晶相圖、三元共晶相圖、三元相圖的四相平衡轉(zhuǎn)變、具有化合物的三元相圖的分析方法。（7）掌握單晶體的塑變、多晶體的塑變的規(guī)律，掌握塑性變形對金屬組織與性能的影響，金屬及合金強(qiáng)化的位錯解釋。（8）掌握金屬及合金在退火過程中的變化，掌握回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大及金屬熱變形的規(guī)律。（9）掌握典型鋼中相變的一般規(guī)律、相變產(chǎn)物的生成條件、形態(tài)和結(jié)構(gòu)本質(zhì)，能初步選用典型熱處理工藝。3.教學(xué)環(huán)節(jié)與學(xué)時(shí)分配課堂教學(xué)：90-102學(xué)時(shí)（包括課堂討論等教改環(huán)節(jié)）實(shí)驗(yàn)：12-18學(xué)時(shí)總計(jì)：102-120學(xué)時(shí)二、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)計(jì)劃緒論2學(xué)時(shí)課程的性質(zhì)與任務(wù)，主要內(nèi)容及研究方法，本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法，材料科學(xué)發(fā)展簡史。

15、第一章材料的晶體結(jié)構(gòu)6學(xué)時(shí)1.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)（1）原子的結(jié)合方式2學(xué)時(shí)（2）晶體學(xué)基礎(chǔ)2學(xué)時(shí)（3）典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征2學(xué)時(shí)2.重點(diǎn)與難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：空間點(diǎn)陣及有關(guān)概念，晶向、晶面指數(shù)的標(biāo)定，典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)。（2）難點(diǎn)：六方晶系布拉菲指數(shù)標(biāo)定，原子的堆垛方式。3.習(xí)題：13題第二章晶體缺陷12學(xué)時(shí)1.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)（1）點(diǎn)缺陷2學(xué)時(shí)（2）線缺陷8學(xué)時(shí)（3）面缺陷2學(xué)時(shí)2.重點(diǎn)與難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：位錯等有關(guān)基本概念，點(diǎn)缺陷的平衡性質(zhì)，位錯的運(yùn)動與晶體滑移的關(guān)系，位錯的性質(zhì)，柏氏矢量的性質(zhì)與應(yīng)用，位錯反應(yīng)。（2）難點(diǎn)：位錯模型，位錯的應(yīng)力場，不全位錯的原子模型。3.習(xí)題：6-8,10-12題

16、。第三章材料的相結(jié)構(gòu)8學(xué)時(shí)1.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)（1）固溶體1學(xué)時(shí)（2）中間相1學(xué)時(shí)（3）陶瓷晶體相1學(xué)時(shí)（4）分子相5學(xué)時(shí)2.重點(diǎn)與難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：各種相的概念及其分類方法。（2）難點(diǎn)：中間相的結(jié)構(gòu)及其區(qū)別。3.習(xí)題：1題；復(fù)習(xí)思考題：1，2，4題。第四章凝固4學(xué)時(shí)1.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)（1）結(jié)晶的基本規(guī)律0.5學(xué)時(shí)（2）結(jié)晶的基本條件1學(xué)時(shí)（3）形核1學(xué)時(shí)（4）長大0.5學(xué)時(shí)（5）高分子材料的結(jié)晶0.5學(xué)時(shí)（6）凝固理論及其應(yīng)用0.5學(xué)時(shí)2.重點(diǎn)與難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：有關(guān)過冷的概念、金屬凝固和形核的條件。（2）難點(diǎn)：與臨界晶核有關(guān)參數(shù)的推導(dǎo)。3.習(xí)題：3，5，7題。第五章二元相圖15學(xué)時(shí)1.教學(xué)內(nèi)容與

17、學(xué)時(shí)（1）相圖的基本知識2學(xué)時(shí)（2）二元勻晶相圖2學(xué)時(shí)（3）二元共晶相圖2學(xué)時(shí)（4）二元包晶相圖1學(xué)時(shí)（5）相圖的分析與使用1學(xué)時(shí)（6）鐵碳相圖4學(xué)時(shí)（7）相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)2學(xué)時(shí)（8）鑄錠組織及其控制1學(xué)時(shí)2.重點(diǎn)與難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：相律與杠桿定律，勻晶轉(zhuǎn)變與偏析，共晶轉(zhuǎn)變及其不平衡組織，相圖中的幾何規(guī)律，鐵碳相圖中典型合金的凝固過程及其相與組織的相對量計(jì)算，利用相圖判斷材料的性能。（2）難點(diǎn)：二次杠桿的應(yīng)用；相圖的熱力學(xué)原理。3.習(xí)題：2，3，11題。第六章三元相圖6學(xué)時(shí)1.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)（1）相圖基本知識1學(xué)時(shí)（2）三元勻晶相圖3學(xué)時(shí)（3）三元共晶相圖1學(xué)時(shí)（4）三元相圖總結(jié)1學(xué)時(shí)2.重點(diǎn)與

18、難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：直線法則與重心定律；全方位投影圖及其應(yīng)用；材料的凝固過程分析；三元系反應(yīng)類型的判斷；相區(qū)接觸法則。（2）難點(diǎn)：利用全方位投影圖分析特定成分材料的凝固過程。3.習(xí)題：1519題。第七章材料中的擴(kuò)散3學(xué)時(shí)1.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)（1）概述1學(xué)時(shí)（2）擴(kuò)散定律1學(xué)時(shí)（3）擴(kuò)散的微觀機(jī)理與現(xiàn)象0.5學(xué)時(shí)（4）影響擴(kuò)散的因素0.5學(xué)時(shí)2.重點(diǎn)與難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：擴(kuò)散的概念、本質(zhì)與分類；擴(kuò)散的驅(qū)動力；擴(kuò)散定律及其應(yīng)用；（2）難點(diǎn)：反應(yīng)擴(kuò)散及其溶質(zhì)濃度分布。3.習(xí)題：4，5，8題。第八章材料的塑性變形8學(xué)時(shí)1.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)（1）金屬變形概述1學(xué)時(shí)（2）單晶體的塑性變形2學(xué)時(shí)（3）多晶體的塑性變形1

19、學(xué)時(shí)（4）合金的塑性變形1學(xué)時(shí)（5）塑性變形對材料組織與性能的影響1學(xué)時(shí)（6）高分子材料的塑性變形2學(xué)時(shí)2.重點(diǎn)與難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：塑性變形的位錯機(jī)制；典型的滑移系；滑移的分類及滑移的痕跡；臨界分切應(yīng)力；多晶體變形的特點(diǎn)；合金變形的特點(diǎn)；塑性變形對材料組織和性能的影響。（2）難點(diǎn)：等效滑移系的確定。3.習(xí)題：13，5題。第九章回復(fù)與再結(jié)晶6學(xué)時(shí)1.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)（1）冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化2學(xué)時(shí)（2）回復(fù)1學(xué)時(shí)（3）再結(jié)晶1學(xué)時(shí)（4）晶粒長大1學(xué)時(shí)（5）金屬的熱變形1學(xué)時(shí)2.重點(diǎn)與難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：冷變形金屬在加熱時(shí)的組織與性能變化；回復(fù)、再結(jié)晶等概念；回復(fù)與再結(jié)晶的驅(qū)動力和機(jī)制；正常長大與異常長大；臨界變形量的意義與應(yīng)用；熱加工過程中組織與性能變化。（2）難點(diǎn)：回復(fù)、再結(jié)晶與晶粒長大過程驅(qū)動力的識別。3.習(xí)題：2，3，9，10題。第