《材料科学基础》课程教学大纲

制定(修订)人: 孟新 制定(修订)时间:2018年6月

所在单位: 曲阜师范大学化学与化工学院

一、课程基本信息

二、 学时数、学分数及学时数具体分配

三、教学内容及基本要求

第一章 原子结构与键合

教学目的：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。

教学重点和难点：重点是描述原子电子的空间位置和能量的4个量子数；核外电子排布遵循的原则；元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间的关系。难点是原子间结合健分类及其特点；高分子链的近程和远程结构。

主要教学内容及要求：原子结构、原子间的键合、 高分子链。要求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。理解原子结构模型、原子间的结合健和高分子链结构单元的化学组成、高分子链结构单元的键合方式 及其键合方式、几何形状和高分子链的构型。掌握原子间的结合健和高分子链结构单元的化学组成；熟练掌握材料的各元素的原子结构和原子间的键合。

第二章 固体结构

教学目的：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。

教学重点和难点：了解聚合物晶态结构、非晶态结构。理解离子晶体结构、共价晶体结构。掌握金属的晶体结构和金属的相结构，熟练掌握晶体的空间点阵和晶向指数和晶面指数表达方法。

主要教学内容及要求：晶体学基础、金属的晶体结构、金属的相结构、离子晶体结构、共价晶体结构、聚合物晶态结构、非晶态结构。要求掌握晶面、晶向的表示方法，熟悉三种典型的晶体结构；

第三章 晶体缺陷

教学目的：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。

教学重点和难点：重点是点缺陷的形成与平衡浓度；伯氏矢量的确定，物理意义及守恒性；位错的基本类型和特征；分析归纳位错运动的两种基本形式：滑移和攀移的特点；分析位错的交割及其所形成的扭折或割阶不同的情况；比较螺旋位错与刃型位错的应力场、应变能的异同点；位错反应的条件；堆垛层错与不全位错。难点是外加切应力、位错附近原子实际所受的力、作用于位错的组态力、位错的线张力，以及位错的交互作用力相互之间的关系与区别；位错的增殖机制；堆垛层错与不全位错；Thompson四面体；扩展位错的生成、宽度和运动；小角度和大角度晶界模型；晶界能与晶界特性；孪晶界与相界。

主要教学内容及要求：点缺陷、位错的基本概念、位错的运动、位错的弹性性质、实际晶体中的位错、位错的增殖机制、晶体的面缺陷。要求了解位错的弹性性质和位错的增殖机制，理解位错的基本概念和位错的运动，掌握位错的基本结构，熟练掌握实际晶体中的位错和晶体的面缺陷。

第四章 固体中原子与分子的运动

教学目的：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。

教学重点和难点：重点是菲克第一定律的含义和各参量的量纲；根据一些较简单的扩散问题中的初始条件和边界条件，能运用菲克第二定律求解；柯肯达尔效应的起因，以及标记面漂移方向与扩散偶中两组元扩散系数大小的关系；互扩散系数的图解方法；扩散的几种机制，着重的是间隙机制和空位机制；间隙原子扩散比置换原子扩散容易的原因；计算和求解扩散系数及扩散激活能的方法；影响扩散的主要因素；运用电荷中性原理，确定不同情况下出现的缺陷类型。难点是“下坡扩散”和“上坡扩散”的热力学因子判别条件；无规行走的扩散距离与步长的关系；反应扩散的特点和反应扩散中的相类型确定的方法；高分子链柔顺性的表征及其结构影响因素；性非晶高分子、结晶高分子和非完全结晶高分子力学状态的差异和起因。

主要教学内容及要求：表象理论、 扩散的热力学分析、扩散的原子理论、 影响扩散的因素、反应扩散、离子晶体中的扩散、高分子的分子运动。 要求：了解高分子的分子运动，理解扩散的热力学分析，离子晶体中的扩散和反应扩散，扩散的实际应用，如渗碳过程等，掌握扩散的原子理论和影响扩散的因素，熟练掌握表象理论，扩散第一、第二定律的表达式，适用的条件，各符号的意义和单位。

第五章 材料的变形与再结晶

教学目的：分析研究材料在外力作用下的塑性变形过程、机理、组织结构与性能的影响规律以及变形材料在加热过程中产生回复再结晶现象，不仅对正确选择控制材料的加工工艺、保证产品质量是十分必要的，而且对合理使用材料、研制和发展新材料也是很重要的。

教学重点和难点：重点是弹性变形的特点和胡克定律；弹性的不完整性和粘弹性；比较塑性变形的两种基本形式：滑移与孪生的异同点；滑移的临界分切应力；滑移的位错机制；多晶体塑性变形的特点；细晶强化与Hall-Petch公式；屈服现象与应变时效；弥散强化；加工硬化；回复动力学与回复机制；再结晶形核机制；再结晶动力学；再结晶温度及其影响因素；影响再结晶晶粒大小的因素；晶粒的正常长大及其影响因素。难点是一次与二次再结晶，以及静态与动态再结晶的区别；形变织构与残余应力；无机非金属材料塑性变形的特点；高聚物塑性变形的特点。

主要教学内容及要求：材料受力情况下的力学行为、弹性变形与粘弹性、单晶体的塑性变形、多晶体的塑性变形、变形后的组织与性能、合金的塑性变形、变形晶体加热时的变化、回复、再结晶、再结晶后晶粒的长大、动态回复与动态再结晶、超塑性。要求了解聚合物的塑性变形，塑性变形过程中组织和性能的变化规律，再结晶温度对生产的意义，影响再结晶温度的因素，动态回复过程中位错运动的特点，从显微组织上区分动、静态回复和动、静态再结晶。理解回复和再结晶，加工硬化、细晶强化等产生的原因和它的实际意义。掌握单晶体的塑性变形和多晶体塑性变形的特点，熟练掌握滑移系统和Schmid定律以及金属的应力一应变曲线。

第六章 单组元相图及纯晶体的凝固

教学目的：单元系的凝固是研究相变的基础，应用热力学理论探讨单元系的凝固机理，包括形、生长特征是本章的重点内容。在此基础上了解铸锭的宏观组织以及对比高分子晶体与金属晶体的凝固特征异同点亦为本章需掌握的内容。

教学重点和难点：重点是结晶的热力学、结构和能量条件；相律的应用；克劳修斯-克拉伯龙方程的应用；亚稳相出现的原因；均匀形核的临界晶核半径和形核功的推导；润湿角的变化范围及其含义；液-固界面的分类及其热力学判据；减小经理尺寸的方法；难点是晶体的生长方式及其对生长速率的关系；阿弗拉密方程的应用；液-固界面结构和液-固界面前沿液体的温度分布对晶体形态的影响；高分子结晶与低分子结晶的相似性和差异性。

主要教学内容及要求：单元系相变的热力学及相平衡、纯晶体的凝固。要求：了解高分子的结晶特征，理解单元系相变的热力学及相平衡条件，掌握凝固理论及过冷度的概念，熟练掌握晶体长大机制及界面形态，用凝固理论解释或说明实际生产问题。

第七章 二元系相图及合金的凝固

教学目的：在多组元材料中，二元系是最基本，也是研究最为透彻的体系。掌握二元系材料的相图及凝固原理是将来理解材料成分-制备工艺-组织结构-性能的关键。因此，本章的重点在于学习通过相图分析材料的平衡组织，以及非平衡凝固时材料内部成分和结构的演化规律。

教学重点和难点：重点是成分的表示方法；相互作用参数的物理意义；多项平衡成分确定的公切线方法；两相混合物的自由能的确定及两项相对量的确定；固溶体的平衡凝固与非平衡凝固；共晶合金的平衡凝固与组织组成体，组成相的相对量计算；共晶合金非平衡组织类型；包晶合晶的凝固机制；包晶反应不完全性的原因；二元相图恒温转变的类型；难点是调幅分解的判据与特点；SiO₂-Al₂O₃和Fe-Fe₃C二元相图中的基本组织；K₀和k_e的含义；成份过冷含义及判据；平直界面的判据；层片状共晶和棒状共晶的判据；赫尔特格林外推法；层片状共晶的片层间距与冷速的关系；偏析的分类；高分子合金相容性差的原因；高分子的相图的两种基本类型；高分子合金制备的基本条件。

主要教学内容及要求：相图的表示和实验测定方法、相图的热力学基础 、二元相图分析、 二元合金的凝固理论、高分子合金概述。要求了解高高分子的相图的两种基本类型、偏析的分类和高分子合金制备的基本条件，理解成分的表示方法和多项平衡成分确定的公切线方法，掌握成份过冷含义及判据和平直界面的判据以及分析相图的方法；熟练掌握两相混合物的自由能的确定及两项相对量的确定方法和晶合金的平衡凝固与组织组成体，组成相的相对量计算以及铁碳合金平衡结晶过程及室温下所得到的组织分析方法。

第八章 三元相图

教学目的：三元相图已较二元相图复杂许多，但通过寻找三元相图的基本规律可掌握复杂相图的分析方法。故本章在二元相图的基础上理解三元相图，主要掌握三元相图的基本特点，并会分析简单三元相图的投影图和截面图。

教学重点和难点：重点是等边成分三角形、等腰成分三角形和直角成分坐标表是成分的特点；等含量法则、等比例法则、直线法则、杠杆法则和重心法则的含义及应用；连接线的含义与性质；根据液、固相线投影来判断合金凝固温度范围的方法；水平截面图的拓扑特征；

根据固态完全不溶的三元共晶投影图，分析合金凝固过程和计算组织组成体相对量的方法；

相区的接触线法则；难点是根据液相成分变温线的走向（降温方向），确定三元共晶四相平衡反应的类型的方法；三元合金四相平衡反应前后的三相反应类型；具有稳定化合物的三元相图简化方法。

主要教学内容及要求：三元相图基础、固态互不溶解的三元共晶相图、 固态有限互溶的三元共晶相图、实用三元相图举例。 要求理解三元合金成分表示方法，懂得直线定律与重心法则的应用，掌握三元合金结晶过程中相与组织的转变规律，熟练掌握会看简单的等温截面图和变温截面图。

四、课程教学的有关说明

平均周学时：4；

可对下述有关情况做出说明：

1．利用现代化教学手段内容及学时：理论教学64学时，全部采用多媒体教学；

2．对学生能力培养的要求: 要求学生掌握材料科学理论的基本概念和基础理论，注

意理论的科学性、先进性和实用性，注意应用理论于解决实际问题。

五、习题：每一章结束都有适量的作业，尽可能使基本知识点都体现在作业中。

并安排2至3次课外答疑。

六、考核办法

考核方式为考试。严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格，综合成绩根据出勤情况、平时成绩和期末成绩评定，出勤情况占10％，平时成绩占20％，期末成绩占70％。