西安交通大学

《材料科学基础》课程教学大纲

    英文名称： Fundamentals of Materials Science

    课程编号：MATL3001

    学    时：96      学分：6

    适用对象：材料科学与工程专业本科生

    先修课程：大学物理、普通化学、物理化学、工程力学

 

课程的性质和目的

    “材料科学基础”是材料科学与工程学科各专业本科生的必修课，是后续各门专业课程的理论基础课，也是材料科学与工程学科各专业的材料工作者从事材料科学基础研究以及开发新材料、新工艺必备的基本知识和基本能力。

    学习本课程的目的，是使学习者深刻理解材料的成分-结构-工艺-组织-性能诸方面的内在联系的根本原因、基本知识和基本应用，为学习后续专业课程奠定坚实的基础理论知识；为将来创造新理论、研制新材料、开发新工艺提供新思路和理论指导

课程教学内容

绪论

 

第一章 材料结构的基本知识                 

 第一节 原子结构

     一、原子的电子分布;二、元素周期表及性能的周期性变化

 第二节 原子结合键

     一、一次键;二、二次键;三、混合键;四、结合键的本质及原子间距

 第三节 原子排列方式

     一、晶体与非晶体;二、原子排列的研究方法

 

第二章 材料中的晶体结构                 

 第一节 晶体学基础

     一、空间点阵和晶胞;二、晶系和布拉菲点阵;三、晶向指数和晶面指数;四、晶面间距;五、晶带及晶带定理;六、晶体的极射赤面投影图

 第二节 纯金属的晶体结构

     一、金属的典型晶体结构;二、多晶型性;三、晶体的原子半径;

 第三节 离子晶体的结构

     一、离子晶体的主要特点;二、离子半径、配位数和负离子配位多面体;三、离子晶体的结构规则;四、离子晶体的典型结构

 第四节 共价晶体的结构

     一、共价晶体的主要特点;二、共价晶体的典型结构

 

第三章 晶体缺陷                

 第一节 点缺陷

     一、点缺陷的类型;二、点缺陷的浓度;三、点缺陷与材料行为;

 第二节 位错的基本概念

     一、位错学说的产生;二、位错的几何形态;三、位错的运动

 第三节 位错的弹性性质

     一、应力和应变分析;二、位错的应力场;三、为错的应变能

 第四节 作用在位错线上的力

     一、Petch-Koehler公式;二、外加应力对位错的作用力;三、位错间的互作用力;四、位错与溶质原子的互作用力; 五、位错的线张力; 六、位错运动的点阵阻力;七、晶体表面对位错的作用力——映像力

 第五节 实际晶体结构中的位错

     一、全位错;二、堆垛层错;三、不全位错;四、位错反应

 第六节 晶体中的界面

     一、晶界的结构与晶界能;二、表面及表面能;三、表面吸附与晶界内吸附;四、浸润行为;五、界面能与显微组织形貌的变化

 

第四章 材料的相结构与相图                 

 第一节 材料的相结构

     一、固溶体;二、化合物

 第二节 二元相图及其类型

     一、相图的基本知识;二、一元系相图;三、二元系相图;四、材料性能与相图的关系

 第三节 复杂相图分析

     一、分析方法;二、复杂相图分析举例;三、铁-碳合金相图

 第四节 相图的热力学基础

     一、固溶体的吉布斯自由能-成分曲线;二、克劳修斯-克莱普隆方程;三、相平衡条件;四、由吉布斯自由能-成分曲线推测相图

 第五节 三元系相图及其类型

     一、三元相图的成分表示方法;二、三元匀晶相图;三、三元系中的相平衡分析;四、具有四相共晶反应的三元系相图;五、三元系相图实例分析

 

第五章 材料的凝固                 

 第一节 材料凝固时晶核的形成

     一、结晶的基本规律;二、均匀形核;三、形核率;四、非均匀形核

 第二节 材料凝固时晶体的生长

     一、晶核长大的必要条件;二、固/液界面的微观构造;三、晶核长大方式

 第三节 固溶体的凝固

     一、固溶体的平衡凝固;二、固溶体的不平衡凝固;三、成分过冷及其影响

 第四节 共晶合金的凝固

     一、共晶体的形态;二、共晶体的形核及生长;三、先共晶相的形态

 第五节 制造工艺与凝固组织

     一、铸锭和铸件凝固的组织与偏析;二、连续铸造和熔化焊的凝固组织

 第六节 用凝固法材料的制备技术

     一、区域提纯;二、制备单晶;三、用快速冷凝法制备金属玻璃;四、定向凝固

    

第六章 高分子材料的结构                 

 第一节 高分子材料概述

     一、高分子材料的基本概念;二、高分子材料的合成;三、高分子材料的分类

 第二节 高分子链的结构及构象

     一、高分子链的化学组成;二、结构单元的键接方式和构型;三、高分子链的几何形状;四、高分子链的构象及柔顺性

 第三节 高分子的聚集态结构

     一、晶态聚合物的结构;二、非晶态聚合物的结构;三、聚合物的结晶度与玻璃化温度

 第四节 高分子材料的性能与结构

     一、高分子材料的主要性能特点;二、高分子材料性能与结构的关系;三、改变高分子材料性能的途径

 

第七章 固态扩散

 第一节 扩散定律及其应用

     一、扩散第一定律;二、扩散第二定律

 第二节 扩散的微观机制

     一、扩散的主要机制;二、扩散系数;三、扩散激活能

 第三节 扩散的驱动力及反应扩散

     一、扩散的驱动力;二、反应扩散

 第四节 影响扩散的因素

     一、温度的影响;二、原子键力的影响;三、晶体结构的影响;四、固溶体类型及浓度的影响;五、晶体缺陷的影响

 

第八章 材料的变形与断裂

 第一节 金属变形概述

 第二节 金属的弹性变形

     一、弹性变形的主要特点;二、弹性模量的物理意义;三、弹性模量在工程上的应用

 第三节 滑移与孪生变形

     一、晶体的滑移与观察;二、滑移机制;三、晶体的滑移系;四、孪生变形

 第四节 单晶体的塑性变形

     一、施密特定律;二、晶体的始滑移系;三、夹头固定情况下滑移过程中的晶体转动;四、晶体滑移的种类;六、单晶体表面滑移线方位（晶向指数）的确定

 第五节 多晶体的塑性变形

     一、多晶体塑性变形的特点;二、细晶强化及其机理

 第六节 纯金属的形变强化

     一、金属的形变强化;二、形变强化的位错机理;三、单晶体的形变强化;四、形变强化的工程意义

 第七节 合金的变形与强化

     一、固溶体的变形与固溶强化;二、多相合金的变形与强化

 第八节 冷变形金属的组织与性能

     一、冷变形金属的组织变化;二、冷变形金属的性能变化

 第九节 金属的断裂

     一、理论断裂强度;二、实际断裂强度

 第十节 冷变形金属的回复和再结晶

     一、冷变形金属加热时的组织和性能变化;二、冷变形金属的回复;三、冷变形金属的再结晶;四、再结晶后的晶粒长大

 第十一节 金属的热变形、蠕变及超塑性

     一、金属的热变形;二、金属的蠕变;三、金属的超塑性

 第十二节 陶瓷晶体的变形

     一、陶瓷晶体变形的特点;二、影响陶瓷晶体变形的主要因素

 第十三节 高分子材料的变形

     一、热塑性塑料的变形;二、热固性塑料的变形

 

第九章 固体材料的电子结构与物理性能                

 第一节 固体的能带理论

     一、能带的形成;二、金属的能带结构与导电性;三、费米能;四、半导体与绝缘体

 第二节 半导体

     一、本征半导体;二、掺杂半导体;三、化合物半导体

第三节 材料的磁性

     一、原子的磁矩;二、抗磁体、顺磁体和铁磁体;三、磁化曲线与磁畴结构

 第四节 材料的光学性能

     一、光子的能量;一、光的吸收与透射;二、材料的发光性能

第五节 材料的热学性能

     一、摩尔热容;二、热膨胀;三、导热性能

第六节 形状记忆合金

     一、问题的提出;二、形状记忆现象;三、形状记忆效应;四、形状记忆原理简介;五、常用形状记忆合金;六、形状记忆合金应用举例;七、工程设计练习;八、本节小结;九、一道课后思考题

 

课程重点

    在上述教学内容中，重点为以下四部分：

  第二章 材料的晶体结构

    一般情况下，金属材料都是晶态，陶瓷材料中大多呈晶态，而高分子材料为部分晶态。材料的晶体结构从本质上决定着材料的性能。因此，晶体结构是学习本课程的基础知识，也是学习后续各门课程必备的基本知识。

  第四章 材料的相结构与相图

    材料都是由不同的相组成的，各组成相又通过其类型、数量、形状、大小、分布等特征——材料的组织——直接影响着材料的性能，而不同材料中的相组成及其类型、数量、形状、大小、分布等信息已经被前人记录在相图中。因此，熟练掌握各类相图的特征，掌握分析相图的基本技能，准确地通过相图了解材料的性能，自如地运用相图制定各种加工工艺，对材料研究和材料加工成形尤为重要。

  第五章 材料的凝固

    材料制备与成形，如冶炼、液相烧结、铸造、焊接等过程中都会发生材料的凝固，而凝固过程中的形核、生长、原子的迁移及再分配等都会影响到材料或制品的组织和性能。因此，这部分内容也是相当重要的。

  第八章 材料的变形与断裂

    对于结构材料，主要是使用材料的力学性能，但材料承载时都会发生变形甚至断裂。掌握材料变形的过程、特别是塑性变形的方式及其机理，是寻求提高材料强、韧性途径的理论基础。另外，对于对于材料的塑性成形加工也具有重要意义。因此，这部分内容也是本课程的重点。

 

 

课程难点

    相对而言，上述教学内容中的难点为以下两部分：

  第三章 晶体缺陷，特别是其中的位错部分

    一般情况下，晶体中总是含有位错且具有易动性，从而使晶体的实际强度远低于其理论强度。强、韧化材料的根本途径在于增大其中运动位错的阻力。因此，掌握位错的基本概念，对于学习材料的变形与断裂，提高材料的力学性能有十分重要的理论意义。然而，由于位错是晶体中原子排列不完整的线型区域，具有微观、抽象、复杂等特点，从而成为本课程中学习难度最大的部分。学习中应当特别注意基本概念的理解，加强形象思维能力的提高。在教学过程中，我们会加强例题和课堂练习，特别是运用三维动画、录像片、课堂讨论等手段帮助大家度过这一“难关”。

  第四章 材料的相结构及相图，主要是其中的三元相图部分

    如上所述，本章是教学的重点内容，同时，其中的三元相图部分又是本课程的另一个难点。这是由于，二元相图是平面图形，但三元相图是立体图形，复杂的空间立体构造特别难以想象。解决问题的办法是：首先要掌握好二元相图。它是学习三元相图的基础，因为他们的基本理论是类似的；二是要加强空间想象能力；三是要把握学习的侧重点。虽然三元相图是立体的，但实际使用的三元相图又是二维的，因此要将注意力集中在等温截面图、变温截面图、液相面投影图、和全投影图；第四，在教学过程中，我们仍然会加强例题和课堂练习，运用三维动画、模型、课堂讨论等手段帮助大家度过这一“难关”。

 

 

 

教学要求

通过本课程的学习，应使学生具备以下知识和能力：
1）熟练掌握金属材料和陶瓷材料的晶体结构类型以及晶体缺陷，了解高分子材料和非晶态材料的结构特点；

   2）熟练掌握金属材料和陶瓷材料的相结构和相图（包括二元相图和三元相图），特别是能熟练地阅读相图，并运用相图分析材料的性能（包括使用性能和工艺性能）与组织之间的关系，了解各种新材料；

   3）熟练掌握金属材料凝固的基本理论和规律，并能用于指导铸造和焊接工艺；了解凝固理论在材料制备技术中的应用；

   4）熟练掌握金属材料的变形和断裂，特别是塑性变形的规律和四种强化机理，并能用于理解锻压工艺。了解陶瓷材料和高分子材料的变形和断裂；

   5）熟练掌握金属材料中固态扩散的基本规律、机制、公式，理解扩散理论在材料固态相变中的重要作用和应用；

    6）基本掌握固体材料的电子结构与物理性能，对典型功能材料有初步了解。