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SPOC学校专有课程
材料科学基础(I-2)
第4次开课
开课时间: 2024年08月27日 ~ 2025年01月01日
学时安排: 3-5小时每周
当前开课已结束 已有 76 人参加
老师已关闭该学期,无法查看
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。
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。

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授课目标

通过本课程的学习,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,具有自主学习和终身学习的意识。

成绩 要求


1. 完成教师规定的课程内容学习。

2. 完成教师规定的课后测试及作业。

3. 依托平台进行课程线上成绩计算,总分为100分,包括 :线上的单元测试(30%)+讨论(20%)+章节作业(20%)+考试(30%)等。

课程大纲
晶态固体中的扩散
课时目标:支撑的课程目标:课程目标1,课程目标2,课程目标3,课程目标4思政元素切入点:结合菲克第二定律,讲述钢表面渗碳处理过程中由于含碳量的变化最终导致表面的强硬化,以此引出量变到质变这一真理。鼓励学生发扬大国“工匠精神”,脚踏实地、一点一滴慢慢积累知识,最后达到质变的飞跃。跨学科知识点:微分、微分方程,化学势、玻尔兹曼统计分布函数。
1、扩散的宏观规律(3学时)
知识点:菲克第一定律、菲克第二定律。
重点:菲克第一定律的含义及应用、稳态扩散、扩散系数、 菲克第二定律的含义、解及其应用。
难点:菲克第二定律的解。
教学方法建议:案例式、探究式、启发式。
2、扩散的微观机制(2学时)
知识点:扩散的三种主要微观机制及其特征。
重点:间隙扩散、填隙扩散、空位扩散的含义及其特征,扩散系数与原子跳动的关系。
难点:扩散系数微观表达式的推导。
教学方法建议:探究式、启发式、讨论式。
3、扩散系数 (3学时)
知识点:扩散系数的推导及影响因素,柯肯达尔效应。
重点:原子跳动与振动、跳动条件和方向、扩散系数的表达式、扩散系数的影响因素、柯肯达尔效应、本征扩散系数、互扩散系数。
难点:扩散系数的表达式。
教学方法建议:案例式、讲授式、探讨式。
4、扩散的热力学分析 (1学时)
知识点:原子扩散的本质原因和上坡扩散。
重点:化学势梯度与原子扩散、菲克定律的普遍形式、上坡扩散及产生原因。
难点:原子扩散的驱动力。
教学方法建议:案例式、探讨式。
5、反应扩散 (1学时)
知识点:反应扩散的含义及其规律。
重点:反应扩散、反应扩散速率的变化规律、反应扩散对扩散的影响。
难点:反应扩散速率。
教学方法建议:案例式、讲授式。
晶体固体材料的界面
课时目标:支撑的课程目标:课程目标1,课程目标2,课程目标3,课程目标4思政元素切入点:晶体缺陷的存在对晶体性质会产生有害和有利的影响,使材料世界纷繁复杂,因此,需要认识事物,改造世界就需要把握好唯物辨证法三大规律之对立统一,如通过分析晶界的热学和化学特点,尤其是晶界在不同温度下展现的性能,指出客观存在都是矛盾的统一体,而且事物内部矛盾是事物发展变化的源泉,动力。此外,联系清华张文征老师的学术生涯和关于大角度晶界结构的研究工作激发同学们的科研兴趣,让学生领悟教材中基础理论知识的更新过程及带给我们的科研启示。跨学科知识点:高等数学微积分,立体几何,热力学第一,二定律,界面力学,能量守恒
1、晶体表面(2学时)
知识点:晶体表面的基本知识
重点:表面定义、结构,表面吸附和偏析,表面能
难点: 表面能与晶体平衡外形
教学方法建议:探究式、启发式、讨论式教学法,对于晶体外形,使用图片和动画相结合教学,通过在线平台随堂进行密排面表面能计算的练习
2、晶界结构和晶界的能量(2学时)
知识点:晶体结构的描述与分类,晶界能量的测试及特点
重点:晶界的定义、分类,晶界的结构特点和模型,晶界能量的分类,影响因素,估算
难点: 界面结构模型
教学方法建议:探究式、启发式教学法,对于晶体结构特点,使用图片、动画并结合张文征老师的研究工作进行讲解
教学方法建议:探究式、启发式教学法,使用图片、动画进行讲解
3、相界(2学时)
知识点:相界面、界面能与晶体平衡外形
重点:相界定义及分类,各类相界的结构特点,晶界和相界的平衡形态及其影响因素
难点: 界面能对晶体微观形貌的影响
教学方法建议:探究式、启发式教学法,使用图片、动画进行讲解
固态相变
课时目标:支撑的课程目标:课程目标1,课程目标2,课程目标3,课程目标4思政元素切入点:联系棠溪宝剑的传人铸剑的艰辛过程,引出固态转变的研究必要性,增强学生的民族自豪感;强化对“工匠精神”和社会主义核心价值观之爱国敬业的重新认识;再结合马氏体的发现典故,讲解马氏体的定义,组织特点和材料强化的一些方法,揭示唯物辩证法的第二规律-质量互变,即事物的发展从量变开始,质变是量变的终结。跨学科知识点:高等数学微积分,立体几何,热力学第一,二定律,原子热运动,统计热力学,物质、能量守恒
1、固态相变总论(3学时)
知识点:固相相变总体规律
重点:固相相变的特点,分类,固态相变的形核、长大,相变动力学
难点: 惯习面,固态相变形核阻力
教学方法建议:探究式、启发式、讨论式教学法,联系液固相变和相图图热力学进行对比分析,帮助理解固态相变主要特点及形核过程,使用学习通随堂练习固态相变临界形核功的计算
2、成分保持不变的转变(2学时)
知识点:成分保持不变的转变
重点:块状转变定义、有序-无序转变
难点:有序-无序转变的形核机制
教学方法建议:探究式、启发式教学法, 联系晶体结构知识进行有序固熔体的概念介绍
3、过饱和固溶体的分解(3学时),
知识点:过饱和固溶体的分解
重点:脱溶惯序,沉淀方式,脱溶沉淀的热力学、动力学,调幅分解
难点: 调幅分解热力学,沉淀强化机制
教学方法建议:探究式、启发式、讨论式教学法,联系热力学知识,加强对公共基础课程和专业基础课程之间关系的认识
4、共析转变(2学时),
知识点:共析转变
重点: 共析转变的热力学,珠光体的形核、长大过程,先共析、伪共析定义
难点:共析转变热力学
教学方法建议:探究式、启发式、讨论式教学法,板书绘制界面前沿溶质原子再分布的曲线帮助理解转变热力学
5、马氏体转变(2学时)
知识点:马氏体转变过程及特点
重点: 马氏体转变基本特征,转变的热动力学,马氏体转变机制,不同材料中的马氏体转变
难点:马氏体转变晶体学及表象理论
教学方法建议:探究式、启发式、讨论式教学法,将马氏体转变和材料强韧化机理联系起来分析
讨论
材料的变形与回复再结晶
课时目标:支撑的课程目标:课程目标1,课程目标2,课程目标3,课程目标4思政元素切入点:由材料强韧化对其性能的显著影响,联想中华文明能够成为四大文明之一并被延续至今,最重要的原因就是中华民族的勤奋和韧性,让学生更加深刻认识中国传统文化的博大精深,激发学生以奋斗精神铸就青春底色,以知识见识淬炼真本领。跨学科知识点:高等数学微积分,热力学第一,二定律,矢量点乘,物质、能量守恒
1、单晶体塑性变形(3学时)
知识点: 单晶体塑性变形特点及机理
重点: 弹性变形主要概念,滑移系,临界分切应力定律,滑移的位错机制,次生现象,孪生
难点: 滑移的位错机制
教学方法建议:探究式、启发式教学法,对于难点内容,可联系晶体缺陷中位错的起源及相关知识导入,运用学习通练习以强化对临界分切应力定律的掌握
2、多晶体塑性变形(2学时)
知识点: 多晶体塑性变形特点及机理
重点: 晶界的作用,多晶体塑性变形特点,晶界对强度的影响
难点: 霍尔佩奇方程的运用
教学方法建议:探究式、启发式、讨论式教学法,对于难点内容,可联系细晶强化的现象进行讨论,并通过学习通进行随堂练习计算
3、塑性变形对材料组织和性能的影响(2学时)
知识点: 塑性变形对材料组织和性能的影响规律
重点: 冷变形的组织特点,加工硬度,形变织构定义,分类及利用
难点: 形变织构的产生及表示
教学方法建议:探究式、启发式教学法,对于难点内容,可联系极射投影简单介绍,课后利用文献检索查阅资料,帮助理解
4、晶体的断裂(1学时)
知识点: 晶体断裂
重点: 脆性断裂,韧性断裂,韧脆转变
难点: 断口分析
教学方法建议:探究式、启发式教学法,对于重难点内容,可联系防喷器剪切闸板浸泡硫化氢后的脆性断口分析探讨
5、冷变形金属的内应力和储存能(1学时)
知识点: 冷变形金属的内应力和储存能
重点: 残余应力,储存能
难点: 残余应力的利弊分析
教学方法建议:探究式、启发式教学法,通过应力分析测试图谱使应力场形象化,方便理解
6、冷变形金属的回复,再结晶(2学时)
知识点: 冷变形金属的加热过程中组织结构及性能变化
重点: 回复特征、机制、动力学,再结晶的形核,再结晶温度、动力学,晶粒大小影响因素
难点: 再结晶温度影响因素
教学方法建议:探究式、启发式、讨论式教学法,通过学习通的习题练习强化对再结晶温度影响因素的理解
7、晶体的高温变形(1学时)
知识点: 晶体的高温变形
重点: 热变形、超塑性,蠕变
难点: 蠕变机理
教学方法建议:探究式、启发式、讨论式教学法,通过文献检索和阅读说明冷热变形结合使用对材料性能的影响
实验教学部分
课时目标:该实验教学与课堂理论教学形成一个完整的教学体系,互为补充,利用实际操作,验证理论教学所讲授的有关晶体结构、位错、相图、凝固等相关内容,使学生巩固和加深材料科学基础理论基础知识。掌握1-2种碳钢金相制样的基本过程,熟悉金相显微镜、体视显微镜的基本操作方式方法并能正确维护使用。完成金相标准图谱的绘制,能够分析简单的金相组织和位错的形态组态,晶体凝固的原理及过程的实验内容。描述,解释实验结果,形成结论并给出合理分析建议。培养学生运用晶体学、晶体缺陷、凝固和相图的理论知识,能够针对材料科学与工程的复杂工程问题进行表述和评估,在此基础上,建立相关模型并进行推演分析,比较与综合。通过实验课使学生掌握金相绘图的基本方法和技能,基本了解材料组织结构与性能之间的关系,培养学生的专业兴趣和素质。
序号 项目编码 项目名称 学时数 毕业要求指标点 支撑课程目标
1 06010001 金相显微镜的使用及金相试样的制备 5 4.4 4
2 06010376 盐类晶体结晶过程观察 2 2.2 3
3 06010377 用浸蚀坑法分析晶体位错 1 2.1 2
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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》

参考资料




(一)教材:

1、材料科学基础(第三版),胡赓祥,蔡珣,戎咏华,上海交通大学出版社(1版),2010年11月

(二)参考书:

1、材料科学基础(第二版),赵杰,大连理工大学出版社, 2015年1月

2、材料科学基础,石德珂,机械工业出版社(2版),2003年7月

3、材料科学基础,胡庚祥,上海交通大学出版社(2版),2000年11月

4、材料科学基础,余永宁,高等教育出版社(1版),2006年5月

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

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

 

建议同学能够多涉猎国内外相关教材,以进一步扩充视野,对材料科学基础有更为全面和系统的认识。

西南石油大学
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张进

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李松霞

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张静

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