材料科學(xué)基礎(chǔ) 教學(xué)大綱

1、課程名稱(chēng)： 材料科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)時(shí)/學(xué)分：72/4.5先修課程： 高等數(shù)學(xué)，工程數(shù)學(xué)，大學(xué)物理，基礎(chǔ)化學(xué)，物理化學(xué)適用專(zhuān)業(yè)： 材料科學(xué)與工程、材料物理、材料化學(xué)、無(wú)機(jī)非金屬材料開(kāi)課學(xué)院（部）、系(教研室)：材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)系一、課程的性質(zhì)與任務(wù)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是材料科學(xué)與工程、無(wú)機(jī)非金屬材料、材料物理、材料化學(xué)等專(zhuān)業(yè)重要的學(xué)科基礎(chǔ)課之一，是銜接基礎(chǔ)課與專(zhuān)業(yè)課的橋梁。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，1. 使學(xué)生掌握材料引言、晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)缺陷、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、相平衡與相圖、基本動(dòng)力學(xué)過(guò)程（擴(kuò)散、材料中的相變、材料制備中的固態(tài)反應(yīng)、燒結(jié)）、腐蝕與氧化、疲勞與斷裂等方面的科學(xué)原理與工程方

2、法。2. 全面理解材料科學(xué)中的共性規(guī)律，即材料的組成-形成（工藝）條件-結(jié)構(gòu)-性能-材料用途之間相互關(guān)系及制約規(guī)律。3. 在建立材料領(lǐng)域科學(xué)基礎(chǔ)的同時(shí)，通過(guò)科學(xué)思維方法的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)原理解決實(shí)際問(wèn)題的工程能力，為將來(lái)從事材料設(shè)計(jì)及研發(fā)奠定必要的基礎(chǔ)。二、課程的教學(xué)內(nèi)容、基本要求及學(xué)時(shí)分配（一）教學(xué)內(nèi)容1. 緒論材料的定義及材料的重要性；材料的分類(lèi)，金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、聚合物、復(fù)合材料的特點(diǎn)；材料的組成-形成（工藝）條件-結(jié)構(gòu)-性能-材料用途之間相互關(guān)系；材料結(jié)構(gòu)層次、工程材料常見(jiàn)性質(zhì)與性能、材料的加工工藝、材料性能的環(huán)境效應(yīng)；材料的選擇；2. 晶體結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)陣、晶胞、結(jié)晶學(xué)指數(shù)

3、、晶向與晶面的關(guān)系、晶帶軸定理；晶體中質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力、晶體的結(jié)合力與結(jié)合能；最緊密堆積原理與方式、同質(zhì)多晶與類(lèi)質(zhì)同晶及晶型轉(zhuǎn)變，影響離子晶體結(jié)構(gòu)的因素；金屬晶體的結(jié)構(gòu)、非金屬元素單質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)；無(wú)機(jī)化合物晶體結(jié)構(gòu)：AX型、AX2型、A2X3型、AX3型、A2X5型、ABO3型、ABO4型（白鎢礦型）、AB2O4（尖晶石）型結(jié)構(gòu)與性能、無(wú)機(jī)化合物結(jié)構(gòu)與鮑林規(guī)則；硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)：硅酸鹽晶體的組成表征、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分類(lèi)，島狀結(jié)構(gòu)、組群狀結(jié)構(gòu)、鏈狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、架狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)與性能；高分子材料結(jié)構(gòu)：高分子的鏈結(jié)構(gòu)、高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)；3. 晶體結(jié)構(gòu)缺陷晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類(lèi)型：按缺陷的幾何形態(tài)分類(lèi)、

4、按缺陷產(chǎn)生的原因分類(lèi)；點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷的符號(hào)表征Kroger-Vink符號(hào)、缺陷反應(yīng)表示法、熱缺陷濃度的計(jì)算、熱缺陷在外力作用下的運(yùn)動(dòng)、熱缺陷與晶體的離子導(dǎo)電性；線缺陷：晶體的塑性和強(qiáng)度（選講）、位錯(cuò)的類(lèi)型、位錯(cuò)的伯格斯矢量及位錯(cuò)的性質(zhì)、位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變能（選講）、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)、位錯(cuò)所受的力（選講）、位錯(cuò)的反應(yīng)、位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的交互作用（選講）；面缺陷：晶界（位錯(cuò)界面）、堆積層錯(cuò)、反映孿晶界面；固溶體：固溶體的分類(lèi)、置換型固溶體、間隙型固溶體、形成固溶體后對(duì)晶體性質(zhì)的影響、固溶體的研究方法；非化學(xué)計(jì)量化合物：由于負(fù)離子缺位，使金屬離子過(guò)剩、由于間隙正離子，使金屬離子過(guò)剩、由于間隙負(fù)離子，使負(fù)離子過(guò)

5、剩、由于正離子缺位，使負(fù)離子過(guò)剩；4. 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)熔體的結(jié)構(gòu)：對(duì)熔體的一般認(rèn)識(shí)、硅酸鹽熔體結(jié)構(gòu)聚合物理論；熔體的性質(zhì)：粘度、表面張力；玻璃的形成：玻璃的通性、玻璃的轉(zhuǎn)變、玻璃的形成；玻璃的結(jié)構(gòu)：晶子學(xué)說(shuō)、無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)、兩大學(xué)說(shuō)的比較與發(fā)展；5. 表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)固體的表面及其結(jié)構(gòu)：固體的表面、固體的表面結(jié)構(gòu)；固體的界面及其結(jié)構(gòu)：固體的界面、陶瓷晶界結(jié)構(gòu)（選講）；潤(rùn)濕與粘附：潤(rùn)濕的類(lèi)型、接觸角和Young方程、非理想固體表面上的接觸角、粘附及其化學(xué)條件；測(cè)定固體表面成分和結(jié)構(gòu)的方法（選講）：低能電子衍射（LEED）、俄歇電子能譜（AES）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子間力顯微鏡（AFM）

6、；6. 相平衡和相圖相平衡及其研究方法：相平衡的基本概念、相律、相平衡的研究方法、應(yīng)用相圖時(shí)需注意的幾個(gè)問(wèn)題；單元系統(tǒng)：具有多晶轉(zhuǎn)變的單元系統(tǒng)相圖、專(zhuān)業(yè)單元系統(tǒng)相圖舉例；二元系統(tǒng)：二元系統(tǒng)相圖的基本類(lèi)型、專(zhuān)業(yè)二元系統(tǒng)相圖舉例；三元系統(tǒng)：三元系統(tǒng)組成表示法、濃度三角形的性質(zhì)、三元系統(tǒng)相圖的基本類(lèi)型、專(zhuān)業(yè)三元系統(tǒng)相圖舉例；交互三元系統(tǒng)（選講）：組成表示方法、交互三元系統(tǒng)相圖的基本類(lèi)型；四元系統(tǒng)（選講）：四元系統(tǒng)組成的表示方法、濃度四面體的性質(zhì)、具有一個(gè)低共熔點(diǎn)的四元系統(tǒng)相圖、生成化合物的四元系統(tǒng)相圖、專(zhuān)業(yè)四元系統(tǒng)相圖舉例；7. 基本動(dòng)力學(xué)過(guò)程擴(kuò)散 擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程Fick定律：菲克第一定律、菲克第二

7、定律；Fick定律的應(yīng)用：穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散及其應(yīng)用、非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散及其應(yīng)用（選講）；固體擴(kuò)散機(jī)構(gòu)與擴(kuò)散系數(shù)：原子隨機(jī)行走與擴(kuò)散、擴(kuò)散的微觀機(jī)制、擴(kuò)散機(jī)構(gòu)和擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系、擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定；擴(kuò)散系數(shù)與濃度的關(guān)系俁野方法（選講）：?jiǎn)栴}引出、數(shù)學(xué)處理；多元系統(tǒng)中的擴(kuò)散：能斯特愛(ài)因斯坦（Nernst-Einstein）公式、克肯達(dá)爾(Kirkendail)效應(yīng)、達(dá)肯（Darken）方程；影響擴(kuò)散的因素：外在因素、內(nèi)在因素；8. 材料中的相變 相變概述：相變分類(lèi)、相變條件；液相-固相的轉(zhuǎn)變成核-生長(zhǎng)相變：晶核生成速率、晶體生長(zhǎng)速率、總的結(jié)晶速率、影響結(jié)晶速率的因素；液相-液相的轉(zhuǎn)變調(diào)幅分解（選講）：液相的不混溶現(xiàn)象、

8、調(diào)幅分解的動(dòng)力學(xué)、分相的結(jié)晶化學(xué)觀點(diǎn)；馬氏體相變（選講）：馬氏體相變概念與特征、馬氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)、馬氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)、不同材料中的馬氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體的特殊性能及應(yīng)用；有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變（選講）：概念和定義、有序合金類(lèi)型、有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)分析、有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)分析；相變與彌散強(qiáng)化：相變的強(qiáng)化效應(yīng)、彌散強(qiáng)化、有序強(qiáng)化；9. 材料制備中的固態(tài)反應(yīng)固態(tài)反應(yīng)概論：固態(tài)反應(yīng)分類(lèi)、固態(tài)反應(yīng)特征；固態(tài)反應(yīng)機(jī)理：相界面上化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、相界面上反應(yīng)和離子擴(kuò)散的關(guān)系、中間產(chǎn)物和連續(xù)反應(yīng)、不同反應(yīng)類(lèi)型和機(jī)理；固態(tài)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：一般動(dòng)力學(xué)關(guān)系、化學(xué)動(dòng)力學(xué)范圍、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)范圍、通過(guò)流體相傳輸?shù)姆磻?yīng)和動(dòng)力學(xué)表達(dá)式（選講

9、）、過(guò)渡范圍；材料制備中的插層反應(yīng)（選講）：插層反應(yīng)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的要求、插層復(fù)合法制備有機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料；影響固態(tài)反應(yīng)的因素：反應(yīng)物化學(xué)組成的影響、反應(yīng)物顆粒及均勻性的影響、反應(yīng)溫度的影響、壓力和氣氛的影響、反應(yīng)物活性的影響；10. 燒結(jié)燒結(jié)概述：燒結(jié)理論研究的歷史、燒結(jié)的基本類(lèi)型；燒結(jié)過(guò)程及機(jī)理：燒結(jié)過(guò)程、燒結(jié)推動(dòng)力、燒結(jié)機(jī)理；固相燒結(jié)：燒結(jié)初期、燒結(jié)中期、燒結(jié)末期模型及動(dòng)力學(xué)方程；再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大：初次再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大、二次再結(jié)晶；液相燒結(jié)（選講）：帶有液相燒結(jié)的特點(diǎn)、顆粒重排、溶解-沉淀、粘性或塑性流動(dòng)燒結(jié)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系；非常規(guī)燒結(jié)（選講）：熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、電火花燒結(jié)、無(wú)包套熱等

10、靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)；影響燒結(jié)的因素：物料活性的影響、添加物的影響、氣氛的影響、壓力的影響；11. 腐蝕與氧化腐蝕：材料腐蝕的基本概念、應(yīng)力腐蝕、晶間（晶界）腐蝕；氧化（選講）：金屬氧化及其理論、金屬氧化的界面行為、界面與稀土活性元素效應(yīng)、內(nèi)氧化合金中的金屬氧化物界面；輻射損傷；12. 疲勞與斷裂疲勞：疲勞概念、疲勞裂紋擴(kuò)展的物理模型（選講）、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征（選講）；低溫?cái)嗔雅c疲勞：韌-脆轉(zhuǎn)化理論、低溫疲勞；高溫蠕變與疲勞：高溫蠕變、高溫疲勞；環(huán)境斷裂氫脆：氫脆、氫致開(kāi)裂機(jī)理；材料的疲勞與斷裂；（二）基本要求1掌握材料科學(xué)基礎(chǔ)教材中各個(gè)章節(jié)的基本概念及重要術(shù)語(yǔ)；2掌握材料的組成-結(jié)

11、構(gòu)-性質(zhì)-性能之間的定性關(guān)系及制約規(guī)律，為按預(yù)定性能設(shè)計(jì)材料奠定基礎(chǔ)；對(duì)于材料的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)關(guān)系模塊，熟悉化學(xué)鍵、晶格能、結(jié)合能、晶體微觀結(jié)構(gòu)等與材料的宏觀性質(zhì)熔點(diǎn)、硬度、導(dǎo)電性、力學(xué)、物理、結(jié)晶學(xué)等相關(guān)性質(zhì)或性能之間的關(guān)系；能夠?qū)嵭芯ОⅢw圖和投影圖之間的相互轉(zhuǎn)換，并從中得出相關(guān)結(jié)構(gòu)信息；建立晶體結(jié)構(gòu)缺陷與材料性質(zhì)、材料的動(dòng)力學(xué)過(guò)程之間的定性過(guò)定量關(guān)系；了解固溶體、非化學(xué)計(jì)量化合物的形成條件及其與材料性質(zhì)之間的相互關(guān)系，具備運(yùn)用相關(guān)知識(shí)對(duì)材料實(shí)施改性的初步基礎(chǔ)；熟悉晶態(tài)-非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的差異及相互轉(zhuǎn)換，非晶態(tài)的形成方法及結(jié)構(gòu)模型；熟悉表面、界面相與體相在結(jié)構(gòu)及性質(zhì)上的差異、界面行為等，

12、能夠運(yùn)用界面知識(shí)理解材料的環(huán)境行為；3對(duì)于多相系統(tǒng)靜態(tài)（熱力學(xué)近平衡狀態(tài)下）條件下相平衡模塊，重點(diǎn)掌握三元系統(tǒng)基本類(lèi)型、原理及分析相圖的各種方法，能夠運(yùn)用基本原理熟練地分析各種專(zhuān)業(yè)相圖；理解材料生產(chǎn)中的靜、動(dòng)態(tài)之間的聯(lián)系與差異，并能在一定層次上研制開(kāi)發(fā)新材料。4對(duì)于材料動(dòng)態(tài)條件下的結(jié)構(gòu)形成（擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)）模塊，掌握各種動(dòng)力學(xué)過(guò)程的描述方法及動(dòng)力學(xué)方程建立、求解、應(yīng)用的基本條件；通過(guò)動(dòng)力學(xué)過(guò)程中各種宏觀、微觀、內(nèi)在、外在影響因素的改變與控制實(shí)現(xiàn)對(duì)顯微結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的調(diào)控；5對(duì)于材料的環(huán)境行為效應(yīng)模塊，了解腐蝕、氧化、疲勞與斷裂等基本環(huán)境行為效應(yīng)，了解材料服役中性能變化規(guī)律，積累運(yùn)用科學(xué)原理解決實(shí)際問(wèn)題

13、的工程能力；（三）學(xué)時(shí)分配本課程的教學(xué)時(shí)數(shù)為72學(xué)時(shí)，課內(nèi)外學(xué)時(shí)分配如下表：課程內(nèi)容 講課學(xué)時(shí)習(xí)題學(xué)時(shí)材料引言2晶體結(jié)構(gòu)162晶體結(jié)構(gòu)缺陷81非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)5表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)3相平衡與相圖102基本動(dòng)力學(xué)過(guò)程-擴(kuò)散5材料中的相變4材料制備中固相反應(yīng)4材料制備中的燒結(jié)與顯微結(jié)構(gòu)的控制4腐蝕與磨損、疲勞與斷裂4總復(fù)習(xí)2合計(jì)657（四）課程內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)1. 材料引言重點(diǎn)：材料種類(lèi)、結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過(guò)程之間的關(guān)系難點(diǎn)：材料的四要素2晶體結(jié)構(gòu)重點(diǎn)：晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)、質(zhì)點(diǎn)間鍵合與晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)難點(diǎn)：硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)3晶體結(jié)構(gòu)缺陷重點(diǎn)：缺陷種類(lèi)、點(diǎn)缺陷與材料的光電性質(zhì)、組成缺陷與固溶體、面

14、缺陷與材料韌性難點(diǎn)：線缺陷與材料的力學(xué)性質(zhì)、非化學(xué)計(jì)量化合物與半導(dǎo)體4. 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)重點(diǎn)：熔體結(jié)構(gòu)、玻璃形成、玻璃結(jié)構(gòu)難點(diǎn)：影響熔體性質(zhì)的因素5表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)重點(diǎn)：固體表面結(jié)構(gòu)、單晶表面結(jié)構(gòu)、吸附與粘附、摩擦難點(diǎn)：?jiǎn)尉П砻娼Y(jié)構(gòu)6相平衡與相圖重點(diǎn)：相律、單元系統(tǒng)相圖、二元系統(tǒng)相圖、三元系統(tǒng)相圖難點(diǎn)：三元系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)相圖7基本動(dòng)力學(xué)過(guò)程-擴(kuò)散重點(diǎn)：Fick定律、固體擴(kuò)散機(jī)構(gòu)與擴(kuò)散系數(shù)、影響擴(kuò)散的因素難點(diǎn)：Fick定律應(yīng)用的數(shù)學(xué)描述、擴(kuò)散系數(shù)與濃度的關(guān)系8材料中的相變重點(diǎn)：相變熱力學(xué)，成核-生長(zhǎng)相變、調(diào)幅分解、馬氏體相變、有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變的基本概念與特點(diǎn)，相變與彌散強(qiáng)化難點(diǎn)：成核-生長(zhǎng)相變熱力學(xué)9材

15、料制備中固相反應(yīng)重點(diǎn)：固相反應(yīng)概論、固相反應(yīng)機(jī)理、固相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、影響固相反應(yīng)的因素難點(diǎn)：動(dòng)力學(xué)方程建立與求解10燒結(jié)重點(diǎn)：燒結(jié)概論、燒結(jié)機(jī)理、固相燒結(jié)、液相燒結(jié)、再結(jié)晶與晶粒長(zhǎng)大、影響燒結(jié)的因素難點(diǎn)：燒結(jié)動(dòng)力學(xué)方程模擬與求解11腐蝕與氧化 12. 疲勞與斷裂重點(diǎn)：腐蝕、氧化、輻射損傷、疲勞、斷裂起源與評(píng)價(jià)難點(diǎn)：環(huán)境行為的物理模型與數(shù)學(xué)描述（五）考核方式閉卷（80%），作業(yè)及其它（20%）三、課程改革與特色材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是國(guó)家精品課程，材料科學(xué)基礎(chǔ)教材是“教育部高等教育百門(mén)精品課程教材建設(shè)計(jì)劃立項(xiàng)研究項(xiàng)目”教材，是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，課程采用多媒體教學(xué)，課程資源網(wǎng)絡(luò)化，全面

16、實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)輔導(dǎo)答疑、信息發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試等在線教學(xué)功能。在內(nèi)容組織上突出共性，強(qiáng)調(diào)個(gè)性，以材料制備及加工過(guò)程中的科學(xué)原理及共性規(guī)律為主，兼顧材料服役中的環(huán)境行為效應(yīng)，強(qiáng)化工程意識(shí)。在知識(shí)推介上遵循從理論到實(shí)際、從規(guī)則結(jié)構(gòu)到不規(guī)則結(jié)構(gòu)、從靜態(tài)研究到動(dòng)態(tài)研究的原則，在宏觀-微觀-宏觀的循環(huán)過(guò)程中介紹材料制備-加工-使用-消亡過(guò)程中的科學(xué)原理和工程方法，循序漸進(jìn)地介紹材料的組成、制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與性能的相依性，力求再現(xiàn)認(rèn)識(shí)論的規(guī)律性。在例題、習(xí)題選材及組織方面，注重科學(xué)的創(chuàng)新性思維方法的培養(yǎng)，強(qiáng)化解決工程問(wèn)題的能力。在結(jié)構(gòu)編排方面突出教材編排的新穎性及易讀性。四、推薦教材及參考書(shū)推薦教材：材料科學(xué)基礎(chǔ)（第2版）. 張聯(lián)盟、黃學(xué)輝、宋曉嵐武漢理工大學(xué)出版社，2008參考書(shū)： 1.材料科學(xué)基礎(chǔ)教程.