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、课程名称（中英文）中文名称：材料科学基础英文名称：Fundamentals of Materials Science二、课程编码及性质课程编码：0801133课程性质：专业核心课，必修课三、学时与学分总学时：64学分：4.0四、先修课程微积分，学科概论五、授课对象本课程面向电子封装技术专业学生开设，同时适用于材料、材料加工、机械及热能与动力工程类学生选修。六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是电子封装技术专业的核心课程之一，其教学目的主要包括：1、系统全面掌握各种材料的固体结构，晶体缺陷及其扩散原理，具备应用这些知
2、识分析、解决电子封装专业中的材料选择，成型以及失效分析等复杂问题的能力；2、掌握单组元及二组元体系的各种相图的绘制及其分析方法，具备利用相图进行材料的相、组织组成以及成型工艺分析的能力；3、能够综合运用材料科学基础知识，对电子封装过程中遇到的材料以及成型问题进行分析研究，从而具有提出材料改进以及优化方案的能力；4、了解与本课程有关的新材料、新工艺、新技术及其发展趋势，具备研发高端微电子器件及其封装技术的基础与能力。表1 课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求及其指标点本课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点毕业要求1：工程知识能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。1.
3、1掌握了用于解决电子制造技术复杂问题的数学基础知识。1.2掌握了用于解决电子制造技术复杂问题的物理、化学等自然科学基础知识。1.3掌握了用于解决电子制造技术复杂问题的工程力学基础知识。1.4掌握了用于解决电子制造技术复杂问题的工程检测与控制基础知识。1.5系统掌握了专业知识，能够将所学知识用于解决电子制造技术复杂问题。课程目标1、课程目标2、毕业要求2：问题分析能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。2.1能够应用工程数学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。如：IMC的演变。2.2能够应用物理、化
4、学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。如：固相相变。2.3能够应用力学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。如：可靠性实验。2.4能够应用工程科学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。如：连接界面的建模与分析。毕业要求3：设计/开发解决方案能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等因素。3.1了解电子制造技术问题特征，掌握解决复杂工程问题的设计方法。课程目标33.2在考虑法律、健康、安全、
5、文化、社会以及环境等制约因素的前提下，能够设计（开发）针对复杂电子制造技术问题的解决方案，具备设计（开发）满足特定电子制造技术需求的系统、单元（部件）或工艺流程的能力。3.3在设计（开发）过程中，具有追求电子制造技术复杂问题创新解决的态度和意识，掌握了基本的创新方法，清楚创新方向及领域。毕业要求4：研究能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。4.1掌握微连接原理，能够采用科学方法，具备合理设计电子制造技术复杂实验、开展科学研究的能力。4.2掌握电子制造技术原理及主要工艺，能够采用科学方法，正确构建并实施电子制造技术综
6、合实验，得出正确结果的能力。4.3能正确使用和处理实验数据，通过信息综合处理，具备对复杂的电子制造技术实验结果进行正确分析能力。4.4了解常见的电子制造技术常用设备、实验仪器及实验方法，具备调控设备及仪器参数，进行测控和维护的能力。毕业要求5：使用现代工具能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。5.1掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。5.2了解电子制造技术专业重要资料来源及获取方法。5.3具备应用各类文献、信息及资料进行复杂电子制造技术实践的能力。5.4掌握复杂电子制造技术问题的预
7、测与模拟方法，理解其局限性。毕业要求6：工程与社会能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。6.1了解与电子制造工程相关的国家方针、政策与法律法规，能够评价工程实践对社会、健康、安全、法律以及文化的影响。6.2了解电子制造技术专业特点及其对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，能够正确评价复杂成型及控制工程问题解决方案的优劣。6.3能正确认识电子制造技术各种复杂工艺对于客观世界和社会的影响，理解并能够承担的相应工程和社会责任。毕业要求7：环境和可持续发展能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、
8、社会可持续发展的影响。7.1了解电子制造技术的专业特征、学科前沿和发展趋势，正确认识本专业对于社会发展的重要性。7.2能正确理解和评价电子制造技术复杂问题实施对环境保护及社会可持续发展等的影响。7.3在解决复杂的电子制造技术的实际问题中，能够正确理解并考虑工程实践对环境、社会可持续发展的影响。毕业要求8：职业规范具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。8.1具有人文社会科学素养，理解世界观、人生观的基本意义及其影响。8.2了解中国国情，理解中国可持续科学发展道路以及个人的做人规范，具有较高的社会责任感。8.3在工程实践中，理解工程师的职业性质、
9、职业责任,具备工程师的职业道德8.4具有健康的体质和良好的心理素质，能较好地履行责任。毕业要求9 ：个人和团队能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。9.1具备较宽广的本学科基础知识和较高的个人素质，能够在多学科背景下，承担个人及团队成员的作用。课程目标39.2具备良好的团队协作精神，善于和团队其它成员协作、互补、交往。9.3能够承担团队负责人角色，具备综合团队成员意见和建议，进行合理决策之领导能力。毕业要求10：沟通能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行
10、沟通和交流。10.1较好地掌握了一门外语，了解不同文化的差异，具有一定的跨文化交流能力。10.2 了解本专业领域及其相关行业的国内外的技术现状，具有较强的业务沟通能力与竞争能力。课程目标410.3能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，就复杂的专业工程问题进行有效沟通和交流。毕业要求11：项目管理理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。11.1了解机械及材料工程管理和经济决策的基本知识，理解并掌握工程管理原理与经济决策方法。11.2具备应用工程管理和经济决策知识实践的工作能力，具有一定的组织、管理及领导能力，能够较好地通过口头或书面方式表达自己的
11、想法。11.3具有较强的综合归纳能力，能在多学科环境中加于应用。毕业要求12：终身学习具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。12.1对终身学习的重要性，有自觉的意识和正确的认识。12.2 能够采用合适的方法，自我学习、提高的能力。12.3 能够适应社会进步与发展，与时代同步。七、教学重点与难点：教学重点：1）本课程是一门专业基础课程，以介绍材料的微观结构为主体、以讲述材料的晶体缺陷和相图为重点；2）在全面了解材料微观结构的基础上，重点学习金属材料的晶体结构、缺陷、扩散、以及二元相图的分析方法。3）重点学习的章节内容包括：第2章“固体结构”（8学时）、第3章“晶体缺陷”（12
12、学时）、第5章“材料的形变和再结晶”（12学时）、第7章“二元系相图和合金的凝固与制备原理”（12学时）。教学难点：1）材料科学基础课程是一门专业基础课程，重点讲述的固体结构以及晶体缺陷需要学生具有一定的空间几何与微积分基础。2）本课程涉及到材料的固体结构、缺陷、形变以及相图等多个方面，要求掌握材料尤其是金属材料的微观结构，工艺以及性能之间的关系，具备合理选择相关材料和处理工艺的能力。八、教学方法与手段：教学方法：1）采用现代化教学方法（含PPT演示，动画、设备照片，影像资料等），讲授材料的微观结构、晶体缺陷及相图等，以提高教学效果及效率；2）采用实验室参观、课堂讨论、作业等方式，吸引学生的注
13、意力、激发学生的学习热情，提高学生的学习效果。教学手段： 1）以典型的金属材料的微观结构为讲解对象，深入分析材料的微观结构，工艺和性能之间的关系，使学生具备材料选择，成型以及失效分析的能力；2）结合本课程的内容，安排讲解相关微电子器件的最新研究进展，并组织学生参观相关的实验室，加深学生对材料，工艺以及性能的具体理解与掌握。九、教学内容与学时安排（1）总体安排教学内容与学时的总体安排，如表2所示。表2 基本教学内容与学时安排序号课程内容课堂（学习、讨论）学时课外（准备、复试、实践）学时1原子结构与键合222固体结构8103晶体缺陷12164固体中原子及分子的运动885材料的形变和再结晶12126
14、单组元相图及纯晶体的凝固447二元系相图和合金的凝固与制备原理12168固态相变的亚稳相449材料的功能特性24（2）具体内容各章节的具体内容如下：第1章原子结构与键合（2学时）1.1原子结构1.2原子间的键合第2章 固体结构（8学时）2.1晶体学基础2.2 金属的晶体结构2.3 合金相结构2.4离子晶体结构2.5共价晶体结构第3章 晶体缺陷（12学时） 3.1 点缺陷3.2 位错 3.3表面及界面第4章 固体中原子及分子的运动（8学时） 4.1 表象理论 4.2 扩散的热力学分析 4.3 扩散的原子理论 4.4 扩散激活能 4.5 无规则行走与扩散距离4.6 影响扩散的因素4.7 反应扩散4
15、.8 离子晶体中的扩散第5章材料的形变和再结晶（12学时） 5.1 弹性和粘弹性5.2 晶体的塑性变形 5.3 回复和再结晶5.4 热变形与动态回复、再结晶5.5 陶瓷材料变形的特点第6章 单组元相图及纯晶体的凝固（4学时）6.1 单元系相变的热力学及相平衡 6.2 纯晶体的凝固6.3 气-固相变与薄膜生长第7章 二元系相图和合金的凝固与制备原理（12学时）7.1 相图的表示和测定方法7.2 相图热力学的基本要点7.3 二元相图分析7.4 二元合金的凝固理论7.5 陶瓷合金概述第8章 固态相变的亚稳相（4学时）8.1 固态相变概述8.2固溶体脱溶分解产物8.3 马氏体转变8.4 贝氏体转变第9
16、章 材料的功能特性（2学时） 9.1 功能材料的物理基础概述 9.2 电性能 9.3 热性能 9.4 磁性能 9.5 光学性能（3）各章节的课后思考题（作业）及讨论要求思考题（课后作业）：第1章思考题：1、原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数决定？2、在多电子的原子中，核外电子排布应遵循哪些原则？3、原子间的结合键共几种？各自的特点如何？第2章思考题：1、试证明在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直。2、试计算面心立方晶体的（100），（110），（111）等晶面的面间距和面致密度，并指出面间距最大的面。3、已知钛有两种同素异构体：低温稳定的密排六方结构-Ti和高温稳定的
17、体心立方结构-Ti，其同素异构转变温度为882.5。计算纯钛在室温（20）和900时晶体中（112）和（001）的晶面间距（已知a20=0.2951nm, c20=0.4679nm, a900=0.3307nm, ）4、试从晶体结构的角度，说明间隙固溶体、间隙相及间隙化合物之间的区别。5、MgO具有NaCl型结构。Mg2+的离子半径为0.078nm,O2-的离子半径为0.132nm。试求MgO的密度、致密度。第3章思考题：1.在Fe中形成1mol空位的能量为104.675kJ,试计算从20升温至850时空位数目增加多少倍？2、如右图所示，某晶体滑移面上有一柏氏矢量为b的位错环，并受到一均匀切应
18、力的作用，分析各段位错线所受力的大小并确定其方向在作用下，若要使它在晶体中稳定不动，其最小半径为多大？3.假定有一个b在010晶向的刃型位错沿着（100）晶面滑动，如果有另一个伯氏矢量在010方向，沿着（001）晶面上运动的刃型位错，通过上述位错时该位错将发生扭折还是割阶？如果有一个b方向为100，并在（001）晶面上滑动的螺型位错通过上述位错，试问它将发生扭折还是割阶？4.已知Cu晶体的点阵常数a=0.35nm，切变模量G=4104MPa，有一位错b=a/2 101,其位错线方向为 101,试计算该位错的应变能。5.试分析在fcc中，下列位错反应能否发生？并指出3个位错的性质？第4章思考题：
19、1、一块w (C)=0.1%的碳钢在930渗碳，渗到0.05cm的地方，碳的浓度达到0.45%。在t0的全部时间，渗碳气氛保持表面成分1%，假设Dc=2.010-5 exp (-140 000/RT)(m2/s),计算渗碳时间若将渗碳层加深一倍，则需要多长时间？若规定w (C)=0.3%作为渗碳层厚度的量度，则在930 渗碳10h的渗层厚度为870 时渗碳10h的多少倍？2.在一个富碳的环境中对钢进行渗碳，可以硬化钢的表面。已知在1000 下进行这种渗碳处理，距离钢的表面12mm处，碳原子含量从x=5%减到x=4%.估计在近表面区域进入钢的碳原子的流入量J(atom/m2s)。（-Fe在100
20、0 的密度=7.63g/cm3,碳在-Fe 中的扩散系数D0=2.010-5 m2/s ，激活能Q=142kJ/mol)3.对于晶界扩散和体内扩散，假定扩散激活能Q晶界1/2 Q体积,试画出其lnD相对倒数1/T的曲线，并指出越在哪个温度范围内晶界扩散起主导作用？4.已知Al在Al2O3中D0（Al）=2.010-5 m2/s ，激活能Q=477kJ/mol，而O（氧）在Al2O3中D0（O）=0.19m2/s ，Q=636kJ/mol。分别计算两者在2000K温度下的扩散系数D。说明她们扩散系数不同的原因。第5章思考题：1、有一70MPa应力作用在fcc晶体的001方向上，求作用在(111)
21、101和(111)110滑移系上的分切应力。2、已知平均晶粒直径为1mm和0.0625mm的-Fe的屈服强度分别为112.7 MPa和196 MPa，问平均晶粒直径为0.0196 mm的-Fe的屈服强度是多少？3、铁的回复激活能为88.9kJ/mol，如果将经冷变形的铁在400下进行回复处理，使其残留加工硬化为60%需要160min，问450 下回复处理至同样效果需要多少时间？第6章思考题：1、考虑在1个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即T=1,10,100和200，计算：临界晶核的尺寸；半径r*的晶核数，从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化Gv以及临界尺寸r*处自由能的变化G
22、r*2、已知液态纯镍在一个大气压，过冷度为319时发生均匀形核。设临界晶核半径为1nm，纯镍的熔点为1726K，熔化热18075J/mol，摩尔体积6.6cm3/mol,计算纯镍的液-固界面能和临界形核功。第7章思考题：1、Mg-Ni系的一个共晶反应为507时：L（w(Ni)=23.5%） (纯镁)+Mg2Niw(Ni)=54.6%设C1为亚共晶合金，C2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但C1合金中的总量为C2合金中总量的2.5倍，试计算C1和C2的成分。2、一种由SiO2-45%Al2O3（质量分数）构成的耐高温材料被用来盛装熔融态的钢（1600 ），试确定在此情况下有多
23、少百分比的耐热材料会融化？选用该高温材料是否合适？（ SiO2-Al2O3相图中共晶成分w（Al2O3）=10%，莫来石成分w（Al2O3）=72%，实际使用时，耐火材料的液相不能超过20%。）3、根据Fe-Fe3C相图，分别求出w（C）=2.11% ，w（C）=4.30% 的二次渗碳体的析出量。第8章思考题：1、某厂采用9Mn2V钢制造塑料模具，要求硬度为5863HRC。采用790油淬后200220回火，使用时经常发生脆断。后来改用790加热后在260280的硝盐槽中等温4小时后空冷，硬度虽然降低至50HRC，但寿命大大提高，试分析其原因。第9章思考题：1、为什么金属材料的电阻率随温度的升高
24、而增大，而半导体和绝缘体材料的电阻率随温度的升高而下降？讨论（思考题及作业）要求：每章节学习结束后，学生都要按上课教师的具体要求以书面的形式做一定数量的思考题，作为平时的作业成绩（按约15%计入课程总成绩）。十、教学参考书及文献1、材料科学基础，上海交通大学出版社，2013年，胡赓祥等编；2、材料科学基础，清华大学出版社，2010年，潘金生等编；3、材料科学导论，上海科学技术出版社，1986年，徐祖耀等编。十一、课程成绩评定与记载考核方式1、课程考核及评价细则课程考核及评价细则，详见表3。表3 课程考核及评价细则成绩组成考核/评价环节分值考核/评价细则对应的教学目标平时成绩30%(说明按规定，全部课程的平时成绩统一为30%)上课表现15根据学生平时上课的出勤率、课堂表现及互动情况，视其对课程学习的态度及积极程度，按15%计入课程总成绩。1、2、3、4平时作业15根据学生的课后作业的完成情况及质量，视其对课程知识理解、掌握情况，最后按15%计入课程总成绩。1、2、3、4考试成绩70%考试的卷面分数70主要考核固体结构、晶体缺陷、扩散以及二元相图等内容，以卷面成绩的70%计入总成绩。1、2、32、终结性考试形式：实施闭卷考试，以卷面成绩的70%计入总成绩。撰稿：材料科学基础课程组 审核：材料科学与工程学院本科教学指导委员会
