1、材料科学基础课程教学大纲 材料科学基础 课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：材料科学基础所属专业：材料物理，材料化学课程性质：专业基础课学分：8（二）课程简介、目标与任务；课程简介：本课程是材料学科本科生的一门专业基础课。它的主要任务是使学生对材料的生产、科研、应用以及它的过去、现在和未来有初步了解，以及对材料科学与工程有一个较全面而又概括的了解同时，使学生掌握较完整全面的材料科学基础知识。本课程的覆盖面较宽，要介绍工程材料的结构与性能，生产制备，科研和应用的概况，材料的发展历史，目前状况和发展趋势。各章节除介绍有关材料的基本知识外，尽可能反映该领域的新
2、成果、新发展及其在新技术中的应用。用必要的例子生动地描述出该领域的基本情况、动态和趋势。从这个意义上说，它不是一门传统的导论课，而是学生掌握材料科学基础知识的基础课。它让学生了解这一领域的基础、现状和前景。课程对材料研究的若干方法也做一些简介。目标与任务：通过本课程教学，使学生对材料科学基础知识以及材料的生产过程有一个较全面、较概括的了解；对当前材料科学研究的前沿有初步了解；培养学生对材料科学的兴趣。初步掌握各类工程材料的基本概念，包括组织结构、性能、生产过程和应用等；初步了解材料科学的研究前沿以及我校材料学科的科研工作简况。（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；
3、本课程是材料专业的专业基础课，本课程的学习需要学生具备高等数学、大学物理、大学化学作基础，同时又是材料专业的专业课（如金属材料学、陶瓷材料学、高分子材料、功能材料等）的基础。（四）教材与主要参考书。1. W.D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering: An Introduction， 6th edition, John Wiley and Sons, Inc., New York,2003. 2. W.D. Callister, Jr.,Fundamentals of Materials Science and Engineeri
4、ng, 5th edition, John Wiley and Sons, Inc. (2001). 化学工业出版社，2004年。二、课程内容与安排教学方法：课堂讲授，讨论教学内容、学时及基本要求：第一章 绪论（参考学时数：4） 历史回顾，材料科学与工程，为什么要学习材料科学与工程？材料分类，先进材料，现代材料需求【重点掌握】：材料、材料科学、材料工程、材料科学与工程的概念与范畴，材料分类【了解】：材料科学与工程的发展历史，材料科学与工程在现代技术和社会生活中的重要性【难点】：材料科学的概念与范畴与其他学科的区别及关系第二章 原子结构与原子间结合（参考学时数：4）引言，原子结构，基本概念，原子
5、中的电子，元素周期表，固体中的原子结合，结合力与结合能，主键，次键或范德瓦耳斯键，分子【重点掌握】：原子结构，固体中的原子结合，结合力与结合能，主键，次键或范德瓦耳斯键【了解】：原子中的电子，元素周期表【难点】：不同类型原子结合与固体基本性质的关系第三章 晶态固体的结构（参考学时数：12）引言，晶体结构，基本概念，晶胞，金属晶体结构， 密度计算， 同质异构现象与同素异构现象，晶系，晶向和晶面，晶向，晶面，原子线密度和原子面密度密排晶体结构，晶态材料与非晶态材料，单晶，多晶材料，各向异性，X射线衍射：晶体结构的确定，非晶态固体【重点掌握】：晶体结构，晶胞，晶系，晶向和晶面，晶向指数，晶面指数，密
6、排晶体结构 【掌握】：密度计算，同质异构现象与同素异构现象，原子线密度和原子面密度， X射线衍射晶体结构的确定，非晶态固体【了解】：晶态材料与非晶态材料，单晶，多晶材料，各向异性【难点】：常见晶体结构，晶向指数和晶面指数熟练应用第四章 固体中的缺陷（参考学时数：4）引言，点缺陷，空位与自间隙原子，固体中的杂质，线缺陷与面缺陷，线缺陷位错，面缺陷，体缺陷，原子振动，显微检验，概要，显微术，晶粒尺寸的确定【重点掌握】：空位，自间隙原子，刃位错，螺位错【掌握】：点缺陷，线缺陷，面缺陷，体缺陷，原子振动，晶粒尺寸的确定【了解】：显微检验，概要，显微术【难点】：固体缺陷与材料行为的关系第五章 扩散（参考
7、学时数：2）引言，扩散机制，稳态扩散，非稳态扩散，影响扩散的因素，其他扩散途径【重点掌握】：扩散机制，稳态扩散【掌握】：非稳态扩散，影响扩散的因素【难点】：空位扩散、间隙扩散第六章 金属力学性能（参考学时数：8）引言，应力和应变的概念，弹性变形，应力-应变曲线，滞弹性，材料的弹性，塑性变形，拉伸性能，真应力和真应变，塑性变形过程中的弹性恢复，压缩、剪切和扭转变形，硬度，材料性能的变异性，设计/安全系数【重点掌握】：应力和应变的概念，弹性变形，应力-应变曲线，塑性变形，真应力和真应变，塑性变形过程中的弹性恢复，硬度，【掌握】：滞弹性，拉伸性能，压缩、剪切和扭转变形，设计/安全系数【了解】：材料性
8、能的变异性【难点】：真应力和真应变第七章 位错与强化机制（参考学时数：6）引言，位错与塑性变形，基本概念，位错的特性，滑移系，单晶体中的滑移，多晶材料的塑性变形，孪生变形，金属强化机制，减小晶粒尺寸强化，固溶强化，应变硬化，沉淀硬化，回复、再结晶和晶粒长大【重点掌握】：位错的特性，位错与塑性变形，滑移系，单晶体中的滑移，多晶材料的塑性变形，孪生变形，金属强化机制，减小晶粒尺寸强化，固溶强化，应变硬化，沉淀硬化，回复、再结晶和晶粒长大，【难点】：位错与塑性变形，金属强化机制，第八章 失效（参考学时数：6）引言，断裂，断裂的基本原理，延性断裂，脆性断裂，断裂力学基本原理，冲击断裂试验，疲劳，交变应
9、力，S N疲劳曲线，裂纹的产生与扩展，裂纹扩展速率，影响疲劳寿命的因素，环境效应，蠕变， 广义蠕变行为，应力和温度的影响，数据外推法，高温合金【重点掌握】：断裂，断裂的基本原理，延性断裂，脆性断裂，疲劳，裂纹的产生与扩展，裂纹扩展速率，蠕变， 广义蠕变行为，应力和温度的影响， 【掌握】：断裂力学基本原理，冲击断裂试验，交变应力，S N疲劳曲线，影响疲劳寿命的因素，环境效应，【了解】：数据外推法，高温合金【难点】：脆性断裂，疲劳，裂纹的产生与扩展第九章 相图（参考学时数：8）引言，定义和基本概念，溶解度极限，相，微结构，相平衡，平衡相图，二元匀晶系，二元共晶系，具有中间相或化合物的平衡相图，共析
10、反应和包晶反应， 同成分相变，陶瓷和三元相图，吉布斯相律，铁-碳系，铁-渗碳体(Fe-Fe3C)相图，铁碳合金微结构的形成，其他合金元素的影响【重点掌握】：相，微结构，相平衡，平衡相图，二元匀晶系，二元共晶系，共析反应和包晶反应，同成分相变，吉布斯相律，铁-渗碳体(Fe-Fe3C)相图 【掌握】：溶解度极限，具有中间相或化合物的平衡相图，陶瓷和三元相图，铁碳合金微结构的形成，其他合金元素的影响【难点】：铁-渗碳体(Fe-Fe3C)相图及其铁碳合金微结构第十章 金属中的相变：微结构的形成与力学性能的变化（参考学时数：6）引言，相变，基本概念，固态反应动力学，多相转变，铁碳合金的微结构与性能变化，
11、等温转变图，连续冷却转变图，铁碳合金力学性能，回火马氏体，铁碳合金相变总结【重点掌握】：相变，固态反应动力学，铁碳合金的微结构与性能变化，等温转变图，连续冷却转变图，铁碳合金力学性能，铁碳合金相变总结【掌握】：多相转变，回火马氏体【难点】：铁碳合金的微结构与性能变化，等温转变图，连续冷却转变图，铁碳合金力学性能第十一章 金属合金的应用和加工（参考学时数：12）引言，退火处理，中间退火，去除应力，黑色合金的退火，钢的热处理，淬透性，淬火介质、试样尺寸和几何形状的影响，沉淀硬化，热处理，硬化机制，其他考虑，金属加工，成形，铸造，其他技术，黑色合金，钢，铸铁，有色合金，铜及其合金，铝及其合金，镁及其
12、合金，钛及其合金，难熔金属，超合金，贵金属，其他有色合金【重点掌握】：退火处理，淬透性，沉淀硬化，【掌握】：中间退火，去除应力，黑色合金的退火，钢的热处理，淬火介质、试样尺寸和几何形状的影响，热处理，金属加工，成形，铸造，其他技术，黑色合金，钢，铸铁，有色合金，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金，难熔金属，超合金，贵金属，其他有色合金【难点】：金属的加工与应用制定人：李建功审定人：批准人：日 期：2012.10.25第十二章 陶瓷的结构与特性（参考时数：8）引言，陶瓷的晶体结构，硅酸盐陶瓷，碳，陶瓷中的缺陷，陶瓷相图，陶瓷脆性断裂，应力应变行为，塑性形变机制，其他力学考虑【重点掌握
13、】：陶瓷的晶体结构，陶瓷分类，陶瓷应力应变行为及塑性变形机制，【掌握】：陶瓷的结构类型,离子性陶瓷的结构计算原则,硅酸盐陶瓷的结构分类,碳的多种形态,陶瓷中的缺陷类型,缺陷密度计算,陶瓷的典型的应力应变行为特征,陶瓷塑性形变的机制【难点】：离子性陶瓷的结构预测与计算,缺陷种类及密度计算第十三章 陶瓷的应用于加工（参考学时数：8）引言，陶瓷的分类与应用,玻璃和玻璃陶瓷的特性, 玻璃的成型，玻璃的生产与加工,玻璃热处理，陶土耐火材料，硅酸盐耐火材料，基本耐火材料，特殊耐火材料, 陶土的特性，陶土制品的成分，生产技术，烘干和烧结，磨料，水泥,先进陶瓷 ,粉末压缩成型,带式浇注成型 【重点掌握】：陶瓷
14、的分类，陶瓷的成型方法【掌握】：陶瓷的分类,不同种类的陶瓷加工成型的工艺类型,能够耐火的温度和稳定使用的温度,玻璃的成型工艺类型,玻璃的生产工艺,传统陶瓷应用和种类,工具陶瓷应用和种类,功能陶瓷应用和种类,耐火陶瓷应用和种类,结构陶瓷应用和种类,特殊陶瓷的应用和种类【难点】：陶瓷的性能与应用,陶瓷的成型工艺和生产工艺第十四章 聚合物的结构（参考学时数：8）引言，碳氢分子，聚合物分子，聚合物分子化学，分子量，聚合度，分子形状，分子结构，分子组态，共聚物，聚合物的结晶性，聚合物晶体，聚合物中的缺陷，聚合物材料中的扩散【重点掌握】：聚合物的分类，聚合物的结构层次，聚合物的分子量与聚合度【掌握】：均聚
15、物，共聚物，结构单元，接枝聚和物，线形聚合物，交联聚合物，网状聚合物，立体同分异构，顺式立构，反式立构，无规立构，相间共聚物，嵌段共聚物，无规共聚物，晶体结构，球晶结构，链折叠模型，数均分子量，质均分子量，聚合度 【难点】：聚合物的结构层次，聚合物的分子量和聚合度第十五章 聚合物的特性、应用与加工（参考学时数：12）引言，聚合物的力学行为，聚合物的形变和强化机理，聚合物中的晶化、熔化和玻璃转变现象，聚合物的类型，聚合物的合成和加工， 【重点掌握】：聚合物的应力应变行为，聚合物的弹性和塑性变形机理，聚合物的晶化、熔化和玻璃转变现象以及影响熔化和玻璃转变温度的因子【掌握】：聚合物的应力应变行为，宏
16、观变形，粘弹性行为，聚合物的断裂，其他力学特性，部分晶化聚合物的形变，音响部分晶化聚合物的力学特性的因子，高弹体的形变，晶化，熔化，玻璃转变，熔化和玻璃转变温度，影响熔化和玻璃转变的因子，塑料，高弹体，纤维，其他应用，先进聚合物材料，聚合，添加剂，塑料成型技术，高弹体的生产，纤维和薄膜的生产【难点】：聚合物的弹性和塑性变形机理，聚合物材料的生产与加工第十六章 复合材料（参考学时数：10）引言，颗粒增强复合材料，纤维增强复合材料， 结构复合材料【重点掌握】：退火处理，淬透性，沉淀硬化，【掌握】：大颗粒复合材料，分散强化复合材料，纤维长度的影响，纤维浓度和取向的影响，纤维相，基体相，聚合物基体复合
17、材料，金属基体复合材料，碳-碳复合材料，其它复合材料，纤维增强复合材料生产，片状复合材料，三明治结构复合材料【难点】：影响复合材料的性能的因素，纤维增强复合材料的轴向和横向拉伸强度、弹性模量的计算第十七章材料的腐蚀与退化（参考学时数：4）【重点掌握】：引言，金属的腐蚀，陶瓷材料的腐蚀，聚合物材料的退化，腐蚀案例研究【掌握】：电化学腐蚀，腐蚀速率，腐蚀速率预测，钝化，环境效应，腐蚀形式，腐蚀环境，腐蚀防护，氧化，聚合物的溶胀和溶解，键合裂解，聚合物的风化，人造全髋关节替换【难点】：电化学腐蚀的速率计算以及腐蚀防护，腐蚀形式和腐蚀环境第十八章电学性能（参考学时数：6）引言，导体，半导体，离子性陶瓷
18、和聚合物中的导电性，介电行为，材料的其他电学特性【重点掌握】：导体的导电机理及规律，半导体的导电机理及规律，介电行为规律【掌握】：欧姆定律，电导率，电子导电和离子导电，固体中的能带结构，导电的能带和原子成健模型解释，电子迁移率，金属的电阻率，商用合金的电学特性，内禀半导体，外禀半导体，电导率和载流子浓度随温度的变化，霍尔效应，半导体器件，离子材料中的导电，聚合物的电学特性，电容，场矢量和极化，极化的类型，介电常数的频率依赖性，介电强度，绝缘材料，铁电材料，压电材料【难点】：不同材料的导电机理以及所遵从的规律第十九章 热学特性（参考学时数：4）引言，热容，热膨胀，热导率，热应力，案例研究，太空宇
19、宙飞船的热防护【重点掌握】：定压热容，定容热容，热膨胀系数，热应力【掌握】：热容的物理含义，定压热容，定容热容，热导率，热胀冷缩的机理，热应力的来源。【难点】：热胀冷缩的物理机理，热应力的预测第二十章 磁学性能（参考学时数：6）引言，基本概念，抗磁性和顺磁性，铁磁性，反铁磁性和亚铁磁性，温度对磁学行为的影响，磁畴和磁致，软磁材料，硬磁材料，磁存储，超导电性【重点掌握】：磁性的起源，原子玻尔磁子的计算，材料饱和磁化强度的理论计算【掌握】：磁性的基本概念，磁性的起源，抗磁性和顺磁性，铁磁性，反铁磁性和亚铁磁性，温度对磁学行为的影响，磁畴和磁致，软磁材料，硬磁材料，磁存储，超导电性，去磁能，磁能积，
20、第I类超导体，第II类超导体【难点】：饱和磁化强度的理论计算第二十一章光学特性（参考学时数：6）引言，电磁辐射，光与固体相互作用，原子和电子相互作用，折射，反射，吸收，透射，颜色，绝缘体中的不透明和半透明，发光，光电导，激光，通讯中的光学纤维【重点掌握】：光学性能与能带结构的关系【掌握】：电磁辐射的经典解释，电磁辐射的量子解释，电磁辐射与物质的相互作用，折射率，折射的机理，吸收和透射以及颜色和能带的关系，发光的机理，发光颜色的调制，激光器的工作原理，光纤的结构【难点】：颜色，透明，吸收的物理机理第二十二章 材料科学与工程中相关的经济、环境和社会议题（参考学时数：2）引言，经济方面的考虑，环境和社会方面的考虑【重点掌握】：成本控制，环境保护，社会发展【掌握】：材料的选择与设计，生产工艺和技术，材料科学与工程中材料的循环再利用【难点】：成本控制，质量选择制定人：李建功审定人：批准人：日 期：2016.11.18
