《材料科学基础》课程教学大纲.docx

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1、材料科学基础课程教学大纲课程代码0804021课程名称中文名：材料科学基础英文名：Fundamenta1sofMateria1sScience课程类别专业修读类别必修课学分4.0学时64(理论)开课学期第4学期开课单位材料科学与工程学院，材料科学系适用专业材料类(金属材料工程、材料连接、无机非金属材料科学、无机非金属材料工程、高分子材料、功能材料等)先修课程高等数学，大学物理，无机化学，有机化学，物理化学，材料概论，等后续有关专业课程和教学环节材料性能学，材料现代分析方法，等主讲教师/职称付华/教授、张希清/副教授、吴红亚/副教授、蒋晓军/讲师考核方式及各环节所占比例作业+期末考试(20%)+

2、(80%)教材及主要参考书(1)材料科学基础，付华，张光磊主编，北京大学出版社，2018.(2)材料科学基础，徐恒钧主编，北京工业大学出版社，2002。(3)无机材料科学基础，宋晓岚等编,十五国家级规划教材，化学工业出版社，2006(4)材料科学基础，陶杰、姚正军等编，化学工业出版社,2006o一、课程性质和目标本课程是材料类专业的专业基础学位必修课，以金属材料、无机非金属材料以及高分子材料的共性基础理论为核心，研究材料的结构、缺陷、相图、凝固与扩散等共性理论及规律，包括原子结构与结合键、晶体学基础、晶体结构、晶体缺陷、非晶与准晶结构、相图、固体中的扩散、凝固与结晶理论，是后继材料类专业课程和

3、进行材料科学研究和工程技术开发的理论基础。知识目标： 能够比较与评价金属、无机非金属、高分子材料的晶体、准晶与非晶体的结构特点，辨别晶体结构特点及其表达方法，描述稳定结构，认识材料的不同结构特点与工艺和性能之间的关系。 能够分析比较晶体结构缺陷的类型和特点，解释晶体缺陷模型，认识晶体缺陷与材料工艺和性能的关系。 培养基本的相图分析能力。能够分析、绘制并重构典型二元相图及Fe-Fe3C平衡相图，解释基本三元相图的类型，分析相变和组织转变过程，预测并计算相与组织组成物，解释典型铁碳合金的相、组织及性能特点。 理解相变理论，解释固体扩散的基本定律，辨别微观扩散机理，解释不同工艺条件下凝固过程中组织结

4、构的变化规律。能力目标:具备自主学习材料结构、相图与相变的基础知识和方法，能判断和预测材料的成分及工艺对结构及性能影响，为自主学习和终身学习奠定基础理论知识。二、本课程所支撑的毕业要求（1）本课程所能支撑的毕业要求和课程目标的对应关系序号毕业要求指标点毕业要求指标点具体内容课程目标2毕业要求1-2能够针对材料结构与合成问题，运用数学、自然科学、工程基础和专业知识，建立结构与反应条件模型，并能选择恰当的边界条件求解。1、2、43毕业要求1-3能够针对材料的服役条件，运用自然科学、工程基础和专业知识，进行材料的物理、力学和化学性能分析及性能改进。3、44毕业要求1-4能综合分析材料组成、结构、性能

5、及应用之间关系，通过检测和问题分析，提出材料性能改进方案。1、2、3、45毕业要求2-1能够应用专业基础知识，分析材料合成与制备过程中的结构变化问题，识别与判断影响产品质量的关键因素。1、2、3、46毕业要求122具备自主学习材料结构、相图与相变的基础理论知识和方法，能针对个人或职业发展需求，具备终身学习的知识基础，具备自主学习的方法和能力。52）本课程内容与课程目标、毕业要求指标点的对应关系教学内容课程目标毕业要求指标点理论教学第一章绪论课程目标1、5毕业要求1-2,1-4,12-2第二章晶体学基础课程目标1、5毕业要求1-2,12-2第三章晶体结构课程目标1、5毕业要求1-2,12-2第四

6、章晶体缺陷课程目标2、5毕业要求1-2,122第五章非晶体与准晶结构课程目标1、5毕业要求1-2,12-2第六章相图课程目标3、5毕业要求1-2,1-4,12-2第七章固体扩散课程目标4、5毕业要求1-2,12-2第八章凝固与结晶课程目标4、5毕业要求1-2,14,12-2三、教学内容及安排（一）理论教学基本内容（64学时）1.绪论（2学时）（1）基本要求1）材料的发展历程对人类文明的影响，熟悉材料科学与工程学科的建立和发展进程。2）本课程的意义及在材料研究中的地位。材料研究五要素间的关系，材料研究的核心问题。3）本课程的教学特点与学习方法，树立认真钻研的学习态度。4)本课程的发展历史及相关教

7、材及参考书的特点。(2)教学内容1 .材料科学与工程学科的建立与发展。2 .本课程的教学大纲。课程性质、目标、教学内容与培养目标和毕业要求的关系、教学与学习方法、教学进程、考核形式与基本要求，预期达成学习效果，。3 .本课程使用教材、参考书与提供的其他相关课程资源。(3)重点重点：本课程大纲、教学内容及在后续课程和材料研究中的地位；材料研究的核心问题，材料的成分、结构、制备与性能的关系。复习自学：1原子结构与结合键2晶体学基础(8学时)(1)基本要求1)晶体与非晶体、晶格与晶胞等基本概念，解释晶系与布拉菲点阵的演变。2)晶向指数与晶面指数表示方法，理解晶体投影的表示方法。3)晶体的宏观对称性，

8、对称要素和对称操作。(2)教学内容3.1 空间点阵(Space1attice)3.1.1 空间点阵与晶胞3.1.2 晶系与布拉菲点阵3.2 晶向指数与晶面指数3.2.1 立方晶系的晶向指数与晶面指数3.2.2 六方晶系的晶向指数与晶面指数3.2.3 晶向和晶面间的关系3.2.4 课堂练习与讨论3.3 晶体投影3.3.1 球面投影3.3.2 极射赤平投影3.3.3 标准投影3.4 晶体的对称性3.4.1 宏观对称元素3.4.2 微观对称元素3.4.3 点群与空间群3.5 习题课(3)重点和难点重点：晶系与布拉菲点阵、晶向指数与晶面指数。难点：布拉菲点阵、特征晶向指数与晶面指数的晶体学意义和熟练应

9、用。3晶体结构（10学时）（1）基本要求1）晶体化学基本原理。2）金属材料结构（bcc、fee、hep）类型及性能特点。固溶体和化合物的晶体结构。3）常见无机化合物的晶体结构，解释硅酸盐晶体的结构特点和类型,4）高分子材料的组成和结构特征，解释高分子链结构和高分子的聚集态结构特点，初步理解高分子材料的性能与结构的关系。（2）教学内容3.6 晶体化学基本原理3.6.1 原子半径与离子半径3.6.2 球体紧密堆积与间隙3.6.3 配位数与配位多面体3.7 金属的晶体结构3.7.1 单质金属的晶体结构3.7.2 金属合金的晶体结构3.7.3 课堂练习与讨论3.8 无机非金属材料结构3.8.1 离子晶

10、体的结构规则3.8.2 典型的离子晶体结构3.8.3 硅酸盐晶体结构3.9 高分子的晶态结构3.9.1 高分子链的近程结构3.9.2 高分子链的远程结构3.9.3 高分子的聚集态结构3.9.4 高聚物的晶态结构3.10 题课（3）重点和难点重点：金属材料结构（bee.feeshep）类型及性能特点。常见无机化合物的晶体结构，硅酸盐晶体的结构特点和类型。难点：金属材料结构（bee、fee、hep）类型及特点，置换固溶体、间隙固溶体、金属间化合物、正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化合物的晶体结构；常见无机化合物的晶体结构。硅酸盐晶体的结构：岛状结构、组裙状结构、链状结构、层状结构、架状结构。

11、4晶体缺陷（12学时）（1）基本要求1）空位、刃型位错和螺型位错、柏氏矢量、滑移与攀移等基本概念。2）点缺陷的类型及形成，点缺陷对性能的影响。3)简单立方晶系中刃型位错和螺型位错原子模型及其对应的柏氏矢量。4)位错的应力场与弹性能，位错与位错间的交互作用，位错与点缺陷间的交互作用，位错增殖、塞积和交割等。5)位错反应的几何条件和能量条件。表面结构及表面吸附与偏析；晶界结构与能量：大小角度晶界，晶界结构模型，晶界的特性；固体中的共格、半共格和非共格相界面；界面能对显微组织形貌的影响。(2)教学内容4.1 点缺陷4.1.1 点缺陷的类型4.1.2 点缺陷的浓度4.1.3 点缺陷对材料性能的影响4.

12、2 线缺陷4.2.1 位错的类型4.2.2 柏氏矢量4.2.3 位错的运动4.2.4 位错的应力场4.2.5 位错与晶体缺陷间的相互作用4.2.6 位错的增殖与塞积4.2.7 实际晶体中的位错4.3 面缺陷4.3.1 晶体表面4.3.2 晶界结构与能量4.3.3 单相多晶体中的晶粒形貌4.3.4 晶界偏析与晶界迁移4.3.5 相界4.4 习题课(3)重点和难点重点：位错的基本概念，位错的运动，实际晶体中的位错，晶界结构与能量，大小角度晶界，晶界结构模型，晶界的特性。难点：位错的运动。5非晶体与准晶结构(2学时)1 .基本要求非晶和准品的结构特点和形成条件，特殊性能和应用。(2)教学内容1.1

13、非晶态结构1.1.1 玻璃结构1.1.2 金属玻璃1.1.3 高聚物的非晶态结构1.2 准晶态结构1.2.1 准晶体的对称性1.2.2 准晶体的制备1.2.3 准晶的性能及应用(3)本章的重点和难点重点：金属、无机、高分子材料的非晶态结构特点和形成工艺条件，准晶的结构特点和形成条件。难点：金属、无机、高分子材料的非晶态结构特点和形成工艺条件，准晶的结构特点和形成条件。6相图(16学时)(1)基本要求1)合金、组元、相、组织、组织组成物、相律、杠杆定律等基本概念。2)二元相图的特点及分析方法，分析相变过程及相与组织组成物含量的计算。3) Fe-FesC平衡相图，分析相和组织转变过程，计算平衡转变

14、时相组成和组织组成物的相对含量，绘制室温组织示意图。4)三元系的成分表示方法，了解三相平衡区和四相平衡区空间结构特点和截面图中的形状及区的相邻关系。(2)教学内容3.1 相图的基本知识3.1.1 相与组织3.1.2 相图与相律3.1.3 相图研究的意义3.2 单元相图3.2.1 纯铁相图3.2.2 Si2相图3.2.3 聚合物相图3.3 二元相图3.3.1 匀晶相图与杠杆定律3.3.2 二元共晶相图与共析相图3.3.3 课堂练习与讨论3.3.4 包晶相图与包析相图3.3.5 其他类型二元相图3.3.6 二元相图的几何规律及分析方法3.3.7 铁碳相图3.3.8 课堂练习与讨论3.3.9 无机材料专业相图3.4 三元相图3.4.1 等边三角形的成分表示法3.4.2 三元相图中的基本法则3.4.3 三元匀晶相图3.4.4 固态互不溶解的三元共晶相图3.4.5 课堂练习与讨论3.4.6 三元相图的几何规律及分析方法3.4.7 典型的三元相图3.5 相图热力学3.5.1 单元相图热力学3.5.2 二元相图热力学3.5.3 相图与吉布斯自由能曲线3.6 习题课（3）重点和难点重点：二元系相图（杠杆定律，基木类型及相图分析，复杂二元相图分析方法），铁碳相图（铁碳合金平衡结晶分析，铁碳合金的组织与性能的变化）