大连理工大学

材料科学基础

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课程概述

“材料科学”作为一个科学概念,出现在大约20世纪50年代。材料科学一经出现,大大促进了材料学科的研究及发展,扩大了高等教育的教学领域及内容。现在材料已成为当今世界重大科技基础学科之一,是最为活跃的研究领域之一。

材料科学与工程主要是研究材料的结构(structure)、制备(processing)、性能(property)以及使役行为(performance)四者之间相互关系和变化规律的一门应用基础学科。《材料科学基础》这门课的主要任务是提供其中最为重要的材料结构与性能关系的基础知识,课程基本内容大体上分为三个部分:晶体学基础、形变及强化基础、相图及相变基础。 

1. 晶体学基础

现代使用的金属和非金属材料,大多数都是晶体,因此,材料科学基础知识的学习首先要熟悉晶体的特征及其描述方法。这不仅是学习本课程的先导,也是学习后续知识的基础,如材料分析方法课程中的X射线衍射、电子衍射等相关内容。实际晶体中,由于晶体形成条件、原子热运动及其它条件的影响,往往存在偏离了理想晶体结构的区域,即存在晶体缺陷。晶体缺陷不仅是晶体学基础的重要组成部分,也是深入认识和理解材料形变和相变的重要概念。因此,应熟练掌握所介绍的晶体学的相关知识。

这部分包括:

1 材料的晶体结构

2 晶体缺陷

在“晶体学基础”中将介绍原子结构与结合键、晶体结构、合金相、晶体缺陷等基础知识,其中第2章中的位错内容是学习“形变及强化基础”的重要基础,需要注意知识之间的衔接。

 

2. 形变及强化基础

形变是材料最基本的特性,只要是固体材料,在受力时都会产生变形。材料的变形有弹性变形和塑性变形,其中塑性变形不仅是改变组织和性能的途径,也是材料加工成所需的各种形状和尺寸的核心关键,位错是理解塑性变形的重要概念材料变形后在温度作用下的回复和再结晶行为是其基本特性,也是许多工艺制定的依据。相关内容的学习和理解是清晰认识塑性变形机理、材料强化方式和机理的基石,也是继续学习材料力学性能、材料成型制备技术等课程的基础。

这部分紧密衔接“第2 晶体缺陷”,特别是其中的位错知识也是“形变及强化基础”的重要组成部分,同时还包括:

3 材料的变形

4 回复再结晶 

本部分接续“晶体学基础”中晶体缺陷的内容,进而介绍塑性变形机理、影响塑性变形的因素以及材料强化的主要方式及机理,在第4章中介绍了变形金属回复及再结晶的基本现象和相关机理。 

3. 相图及相变基础

相图是用于描述给定材料系中材料的成分、温度(压力)与其组织状态之间关系的图形,依据相图,可以了解各种成分材料的凝固过程和凝固后的组织转变。研究相变过程,是制定材料加工工艺的重要依据。材料凝固的许多知识点是与相图交融在一起的,而扩散是固体材料中物质迁移的主要途径,是学习相变、特别是固态相变的基础。可以说,相图及相变是整个材料科学的核心,对认识材料精彩世界具有举足轻重的作用。

这部分包括:

5 二元相图

6 三元相图

7 材料的凝固

8 材料的扩散

这一部分首先介绍了相图的基本知识、相图的热力学基础以及典型的几种二元相图,这是需要重点掌握的内容,也是认识复杂相变过程的基础。由于工程材料大多由数种组元构成,因此,需要认识并掌握三元甚至多元相图的知识,这是分析更为复杂相图的基础。材料凝固一章中的许多知识点与二元相图是交融在一起的,扩散机理与晶体缺陷有紧密的关系,又是继续学习固态相变的基础,因此,注意在学习过程中知识点的贯通和相互之间的联系。

授课目标
通过本课程的学习,使学生掌握与材料类专业相关的晶体学、晶体缺陷、形变、材料强化、相图-相变、凝固、扩散等基础理论知识和原理,具备分析和解决材料科学与工程复杂工程问题的基本能力,培养学生自主学习和终身学习的意识。
证书要求

1. 完成全部课程学习。

2. 完成全部课后测试及作业。

3. 考试成绩合格,成绩在60-84分可获得合格证书,成绩在85-100分的可获得优秀证书。

预备知识


《物理》、《化学》、《工程力学》、《物理化学》/《材料热力学和动力学》




授课大纲


1. 课程名称

中文名称:材料科学基础

英文名称:Fundamentals of Materials Science

 

2. 适应专业

材料类相关专业,包括:材料科学与工程、材料成型与控制、金属材料工程、材料物理、功能材料专业等

 

3. 先修及后续课程

先修课程:《物理》、《化学》、《工程力学》、《物理化学》/《材料热力学和动力学》

后续课程:材料固态相变原理、材料力学性能、材料分析技术、工程材料学/金属材料学等

 

4. 教学内容及要求

绪论

教学内容

1)材料与材料科学的含义

2)材料科学的研究对象

3)本课程的主要内容

 

教学要求

1)认识材料及材料科学的含义

2)认识材料科学的研究对象

3)了解本课程的主要内容 

 

第一章 材料的晶体结构

教学内容

1)结合键和结合能

2)晶体学概述

3)晶向指数与晶面指数

4)纯金属的晶体结构

5)合金相

 

教学要求

1)了解原子的结合键

2)掌握晶体学基础

3)掌握三种典型金属的晶体结构

4)掌握合金相结构

 

第二章 晶体缺陷

教学内容

1)晶体缺陷概述

2)点缺陷

3)位错

4)面缺陷

 

教学要求

1)掌握点缺陷的基本概念

2)掌握位错的基本类型、柏氏矢量及位错的运动

3)了解位错的弹性性质、位错的增殖及交互作用

4)了解实际晶体结构中的位错

5)掌握晶界的概念

6)了解孪晶界及相界

 

第三章 材料的变形

教学内容

1)材料的变形及弹性变形特征

2)塑性变形机理之滑移

3)塑性变形机理之孪生和扭折

4)多晶体的塑性变形

5)合金的塑性变形

6)塑性变形中组织及性能的变化

 

教学要求

1)掌握材料变形的基本特点

2)掌握滑移、孪生的主要特点及变形机制

3)掌握单晶体、多晶体和合金的塑性变形特点及机理

4)掌握几种典型的材料强化方式及机理

5)掌握塑性变形中组织及性能的变化

 

第四章 回复再结晶

教学内容

1)回复再结晶概述

2)回复

3)再结晶

4)晶粒长大

5)再结晶织构与退火孪晶

6)热加工中的动态回复和动态再结晶

 

教学要求

1)掌握冷塑性变形金属加热后组织和性能变化的基本特点

2)掌握回复、再结晶和晶粒长大的现象、机理和影响因素

3)掌握回复、再结晶对材料组织和性能的影响规律

4)了解热加工中的动态回复和动态再结晶的现象和机理

 

第五章 二元相图

教学内容

1)相图基本知识

2)匀晶相图

3)共晶相图

4)包晶相图

5)其他类型的二元相图

6)根据相图判断合金的性能

7)铁碳相图

 

教学要求

1)了解相图的测定

2)掌握基本的二元合金相图的分析和杠杆定律计算

3)掌握铁碳合金相图及其应用、相图与性能的关系

4)了解复杂二元合金相图的分析

 

第六章 三元相图

教学内容

1)三元相图基本概念

2)三元相图基本分析方法

3)三元匀晶相图

4)三元共晶相图

 

教学要求

1)掌握三元相图基本概念

2)了解几种典型三元合金相图及分析方法

 

第七章 材料的凝固

教学内容

1)结晶的基本规律

2)形核

3)晶核的长大

4)固溶体的凝固

5)共晶合金的凝固

6)凝固组织及其控制

 

教学要求

1)掌握纯金属结晶过程、结晶的基本规律

2)了解固溶体结晶过程、结晶的基本规律

3)了解共晶合金的结晶过程及基本特点

4)了解典型凝固组织特征

 

第八章 材料的扩散

教学内容

1)扩散现象与扩散方程

2)扩散机制

3)克肯达尔效应

4)扩散驱动力

5)反应扩散

6)影响扩散的主要因素


教学要求

1)掌握菲克第一定律和菲克第二定律及扩散方程的解

2)掌握扩散的机理及影响扩散的因素

3)掌握柯肯达尔效应及反应扩散

4)了解影响扩散的主要因素

参考资料

1)赵杰主编.材料科学基础(第二版). 大连理工大学出版社, 2015

2)胡赓祥 , 蔡珣 , 戎咏华. 材料科学基础(第二版). 上海交通大学出版社. 2010

3)余永宁编著.金属学原理. 冶金工业出版社, 2011

4W. D. Jr. Callister. Materials Science and Engineering An Introduction. John Wiley & Sons. Inc. 2007

5Robert W. Cahn and Peter Haasen. Physical Metallurgy (Fourth Edition). North Holland. 1996