材料科学基础
分享
课程详情
课程评价
spContent=材料科学是探究材料结构、制备、性能和使役行为之间关系和变化规律的一门应用基础学科。“材料科学基础”是材料类各专业的重要专业基础课程。通过本课程相关基础理论知识的学习,学生将具有分析、解决材料科学与工程专业复杂工程问题的基本能力,并为后续专业课的继续学习奠定基础。
—— 课程团队
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。

课程大纲

绪论

第1讲 绪论

第一章 材料的晶体结构 (I)

第一单元测验

第1讲 结合键和结合能

第2讲 晶体学概述

单元讨论

第一章 材料的晶体结构 (II)

第3讲 晶向指数与晶面指数

第4讲 晶面间距与晶向夹角

第5讲 晶体投影

第6讲 纯金属的晶体结构

第7讲 原子堆垛与晶体结构

第8讲 同素异构转变

单元讨论

第二单元测验

第一章 材料的晶体结构 (III)

第三单元测试

第9讲 合金相(1):固溶体

第10讲 合金相(2):中间相

单元讨论

第二章 晶体缺陷 (I)

第四单元测验

第1讲 晶体缺陷概述

第2讲 点缺陷

第3讲 位错的结构特征

第4讲 位错的弹性性质

单元讨论

第二章 晶体缺陷(II)

第五单元测验

第5讲 位错的运动

第6讲 位错的产生和增殖

第7讲 实际晶体中的位错

第8讲 面缺陷概述

第9讲 晶界

第10讲 相界

单元讨论

第一、第二章知识相关作业

第三章 材料的形变(I)

第六单元测验

第1讲 材料的变形及弹性变形特征

第2讲 单晶体的塑性变形(I):滑移

第3讲 单晶体的塑性变形(II):多滑移

第4讲 单晶体的塑性变形(III):滑移的位错机制

第5讲 单晶体的塑性变形(IV):孪生和扭折

单元讨论

第三章 材料的形变(II)

第6讲 多晶体的塑性变形

第7讲 合金的塑性变形

第8讲 塑性变形中组织及性能的变化

第四章 回复再结晶 (I)

第七单元测验

第1讲 回复再结晶概述

第2讲 回复

单元讨论

第四章 回复再结晶(II)

第八单元测验

第3讲 再结晶

第4讲 晶粒长大

第5讲 再结晶织构与退火孪晶

第6讲 热加工中的动态回复和动态再结晶

单元讨论

第三、第四章相关知识作业

第五章 二元相图(I)

第九单元测验

第1讲 相图基本知识

第2讲 匀晶相图

单元讨论

第五章 二元相图(II)

第十单元测验

第3讲 共晶相图

第4讲 包晶相图

第5讲 其他类型的二元相图

第6讲 根据相图判断合金的性能

单元讨论

第五章 二元相图(III)

第十一单元测验

第7讲 铁碳相图分析

第8讲 铁碳相图的平衡结晶过程及组织转变

第9讲 铁碳合金成分与组织和性能的关系

单元讨论

第六章 三元相图(I)

第十二单元测验

第1讲 三元相图基础知识

第2讲 三元匀晶相图

单元讨论

第六章 三元相图(II)

第十三单元测验

第3讲 组元互不相溶的三元共晶相图

第4讲 组元在固态有限固溶的共晶相图

单元讨论

第五、六章相关知识作业

第七章 材料的凝固(I)

第十四单元测验

第1讲 结晶的基本规律

第2讲 形核

第3讲 晶核的长大

单元讨论

第七章 材料的凝固(II)

第十五单元测验

第4讲 固溶体的凝固

第5讲 共晶合金的凝固

第6讲 凝固组织及其控制

单元讨论

第八章 固态扩散

第十六单元测验

第1讲 扩散现象与扩散方程

第2讲 扩散机制

第3讲 柯肯达尔效应

第4讲 扩散驱动力

第5讲 反应扩散

第6讲 影响扩散的主要因素

单元讨论

第七八章相关知识作业

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》




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。

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