材料科学基础(上)

材料是人类生存和文明的物质基础与先导,是直接推动社会发展的动力。材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要里程碑。没有材料科学的发展,就不会有人类社会的进步和经济的繁荣。本课程探讨工程材料的结构及其转变、强韧化机理等的科学原理,为进一步学习材料科学与工程的专门知识奠定基础。

西北工业大学

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  • 分类: 工程
  • 平台: 中国大学MOOC
  • 语言: 中文

课程概况

一、 基本情况
中文名称:材料科学基础
英文名称:Fundamentals of Materials Science
学时数 :分两学期授课
先修课程:高等数学,物理化学,理论力学,材料力学

二、 授课思想
该课程是材料类专业最主要的技术基础课。以金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料为对象,从材料的电子、原子尺度入手,介绍了热力学、动力学理论及纳观、微观尺度组织、细观尺度断裂机制及宏观性能。主要内容包括:材料结构及缺陷,固态材料中原子的迁移,材料的变形与强韧化,凝固与相变理论等。主要目的是介绍材料的成分、微观结构、制备工艺及性能之间的关系,为材料性能测试和材料加工奠定基础。

三、 课程地位
对高等学校材料类专业的学生来说,“材料科学基础”课程是一门十分重要的技术基础课程。它是学生在学完基础课程(包括高等数学、大学物理、普通化学、物理化学、理论力学、材料力学等)后,进入专业课程(如材料的力学性能、材料的物理性能、钢的热处理原理及工艺、锻造原理及工艺加工、铸造原理及工艺、焊接原理及工艺等)学习前必须学习的一门课程。因为基础课与工程实际有较大的距离,而专业课程则紧密结合工程实际。这两者之间在思维方式上有较大的差别,因此需要有一个过渡,同时也需要在知识上作进一步的准备。学生通过“材料科学基础”课程,除了学习材料基础的、共性的具体知识外,更重要的是学会如何分析、解决实际问题,建立基本的工程思维方式,这对于培养一个合格的工程师或研究人员是非常重要的。

西北工业大学在材料类学科拥有“材料学”、“材料加工工程”和“材料物理化学”三个国家重点学科,设立“材料科学与工程”和“材料成型及控制工程”两个陕西省名牌专业和“复合材料与工程”一个国防特色专业,“材料科学基础”课程是这三个专业本科生最主要的专业(技术)基础课。

四、 教学内容设计思路
本课程内容是依据以下原则进行设计的:
1. 在课程内容的选择和各部分比重的确定方面,强调基本理论、基本概念和基本技能的教授,注重基本工程思维方式的培养;
2. 以教学基本要求为出发点,在教学过程的各环节上将科研工作中的成果、对学科发展的了解和认识,将高性能材料研究方面的成果通过适当的形式融合到授课内容中去以增大教学内容的信息量,增强教学内容的新颖性和时代性,以提高教学效果,处理好基础性和先进性、经典与现代的关系。

五、 教学内容
教学内容以金属材料为主,简单设计涉及陶瓷材料和复合材料的基础理论,强调基本理论、基本概念以及基本技能,适当掌握深度和广度。
主要教学内容分包括两大部分:

两个层次:

六、 教学安排
本课程分两部分授课。
第一部分是整个课程的基础,主要讲授材料的基本结构,包括原子结构及键合、晶体结构、晶体缺陷、固体材料的相结构,最后简单介绍固体材料中原子的运动,即扩散。
第二部分讲授两个主要的应用理论。首先分析材料的变形机理,并由此总结材料强韧化机理;随后从纯金属凝固入手介绍凝固的基本理论,接下来讨论二元合金的凝固理论,最后将凝固(液-固相变)和固态相变(固-固相变)综合起来,介绍相变基础理论。
请各位同学根据自己的需求,选自相应内容学习。

授课大纲

材料科学基础(上)包括第一~五章

第一章 原子结构及键合
内容:
1) 原子结构及其周期性
2) 键合类型及特点
3) 键合的多重性
要求:
1) 熟练掌握原子结构特点
2) 熟练掌握键合种类及特点
3) 了解材料中键合的多重性
4) 掌握原子结构与原子间成键方式的关系
5) 掌握键合特点与材料性能特之间的关系

第二章 晶体材料中的原子排列
内容:
1) 晶体学的基本概念及点阵类型
2) 晶向指数和晶面指数及其表示方法
3) 金属的晶体结构特点
4) 陶瓷的晶体结构
要求:
1) 熟练掌握晶面、晶向的表示方法
2) 熟练掌握三种典型的晶体结构

第三章 晶体缺陷
内容:
1) 缺陷的种类
2) 点缺陷的种类及其对晶体性能的影响
3) 位错的种类及其特性
4) 面缺陷的种类
要求:
1) 熟练掌点缺陷的种类、平衡浓度及其对性能的影响
2) 熟练掌握位错的结构、柏氏矢量、弹性性质以及实际晶体中的位错
3) 熟练掌握种类及其特点

第四章 固体中的相结构
内容:
1) 固溶体的分类、结构特点及性能
2) 金属间化合物相的分类、特点及性能
3) 玻璃相及其形成
要求:
1) 熟练掌握合金相的主要类型,形成条件、影响因素和性能特点
2) 掌握玻璃相的形成条件

第五章 固体材料中的扩散
内容:
1) 扩散定律及其应用
2) 扩散的微观机理
3) 扩散的热力学理论
4) 反应扩散
5) 一些影响扩散的重要因素
要求:
1) 掌握扩散第一、第二定律的表达式及适用的条件,各符号的意义和单位
2) 熟练掌握扩散的微观机制
3) 熟练掌握扩散系数的意义和影响扩散的因素
4) 认识几种重要的扩散现象
5) 了解扩散的实际应用,如渗碳过程等
附:材料科学基础(下)包括第六~十章

第六章 塑性变形
内容:
1) 金属的应力—应变曲线
2) 单晶体的塑性变形
3) 多晶体的塑性变形
4) 合金的塑性变形
5) 冷变形金属的组织与性能
要求:
1) 熟练掌握滑移、孪生变形的主要特点
2) 熟练掌握滑移的微观机制
3) 熟练掌握多晶体塑性变形的过程、特点,以及细晶强化的机理
4) 熟练掌握合金塑性变形的特点,以及固溶强化、复相强化、弥撒强化的机理
5) 熟练掌握塑性变形对晶体微观组织结构、体系能量、力学性能和物理、化学性能的影响

第七章 回复与再结晶
内容:
1) 冷变形金属在加热时组织和力学性能的变化
2) 回复
3) 再结晶
4) 再结晶后的晶粒长大
5) 金属的热变形
要求:
1) 熟练掌握冷塑性变形金属发生回复、再结晶和晶粒长大的条件、微观机理、影响因素
2) 掌握回复、再结晶的实际应用及晶粒大小的控制
3) 了解动态回复、动态再结晶的微观机制、性能特点等
4) 了解金属热变形的定义

第八章 凝固与结晶
内容:
1) 结晶的基本规律
2) 结晶的基本条件
3) 晶核的形成
4) 晶体的长大
5) 结晶理论的应用
要求:
1) 熟练掌握凝固基本规律及过冷度的概念
2) 熟练掌握形核的基本条件
3) 熟练掌握晶体长大条件、界面类型、长大机制及固溶体形态
4) 了解凝固理论解释或说明实际生产问题

第九章 二元合金相图
内容:
1) 相、相平衡及相图制作
2) 二元匀晶相图
3) 二元共晶相图
4) 二元包晶相图
5) 其它二元要相图
6) 二元相图的分析方法
7) 相图的热力学解释
8) 铸锭(件)的组织与偏析
要求:
1) 熟练掌握二元匀晶、共晶、包晶相图的特点
2) 熟练掌握二元匀晶、共晶、包晶相图平衡、非平衡凝固成分变化规律,能够分析结晶过程及得到的组织,能够熟练运用杠杆定律计算相及组织相对含量
3) 能依据相图判断合金的工艺性能与机械性能
4) 掌握铁碳相图,能够分析平衡结晶过程及室温下所得到的相、组织,并计算其相对含量
5) 初步掌握复杂二元相图分析方法

第十章 相变理论概要
内容:
1) 相及其稳定性
2) 相变
3) 相变与固态相变的特点
4)按相变热力学分类
5)按相变动力学分类
6)按相变结构学分类
7)近代相变理论
要求:
1) 熟练掌握相的稳定性与相变的定义与关系
2) 熟练掌握相变与固态相变理论的特点
3) 熟练掌握相变的类型
4)了解主要的近代相变理论

参考资料

材料科学基础(第四版) 刘智恩 主编 西北工业大学出版社 2013.9
材料科学基础(第三版) 胡赓祥 主编 上海交通大学出版社 2010.5
材料科学基础(第二版) 石德珂 主编 机械工业出版社 2008.9
材料科学基础 赵品 主编 哈尔滨工业大学出版社 1999.8
Foundations of Materials Science and Engineering(第四版)Willinam F. Smith 著 机械工业出版社 2006.6
Esaentials of Materials Science and Engineering. Donald R. Askeland 著 清华大学出版社 2005.1
Foundations of Materials Science and Engineering(第五版) Willinam D. Callister 著 化学工业出版社 2004.1

证书要求

完成全部基本教学单元的学习要求,并参与讨论,最后通过考试者可获得证书。

预备知识

高等数学,物理化学,理论力学,材料力学

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