材料科学基础

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…

国家精品工程
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大连理工大学
中国大学MOOC
  • 完成时间大约为 22
  • 初级
  • 中文
注:因开课平台的各种因素变化,以上开课日期仅供参考

课程概况

“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:

第1章 材料的晶体结构

第2章 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章 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:

第3章 材料的变形

第4章 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:

第5章 二元相图

第6章 三元相图

第7章 材料的凝固

第8章 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。

课程大纲

01
绪论
了解材料科学和工程的发展、内涵和研究对象,以及本课程的主要内容。
课时

第1讲 绪论
02
材料的晶体结构
学习有关材料晶体学的基本概念,以及纯金属和合金相的典型结构及其特点。这部分内容既是本课程的基础,也是后续专业课程的基础,是认识缤纷多彩的材料世界的重要一环。本部分所需学时为3周。
课时

第1讲 结合键和结合能

第2讲 晶体学概述

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

第9讲 合金相(1):固溶体

第10讲 合金相(2):中间相
03
晶体缺陷
学习晶体材料中点缺陷、位错、面缺陷的概念和基本特征,重点学习位错的结构特征、性质及相关行为。这部分内容,特别是位错是认识材料力学性能和塑形成型工艺的重要基础,同时也是学习的难点之一。所需学时为2周。
课时

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

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
04
材料的形变
学习材料弹性变形和塑性变形的相关内容,主要学习单晶体、多晶体和合金的塑形变形行为和变形机理。分析材料显微组织特征对塑性变形的影响作用,归纳材料的典型强化机制。这部分学习需要与之前所介绍的晶体缺陷,特别是位错的知识密切关联。本部分所需学时约1.5周。
课时

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

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
05
回复再结晶
学习经过塑形变形的材料在加热过程中的回复、再结晶及晶粒长大过程的一系列现象及相关规律,分析热加工过程中的组织变化以及与性能之间的关系,相关内容是理解材料强化机理以及制定加工工艺的基础。本部分所需学时约1.5周。
课时

第1讲 回复再结晶概述

第2讲 回复

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
06
二元相图
学习相图的基本概念,学会分析匀晶相图、共晶相图和包晶相图等典型二元相图以及在平衡凝固和非平衡凝固过程中的相转变和组织转变。这部分内容是学习分析复杂二元相图的基础,其中有关组织转变过程的分析是理解材料相变及最终材料能够具有什么样组织的关键。铁碳二元相图的内容,既是对二元相图知识的综合应用,也是继续学习固态相变、材料成型制备等诸多专业课的重要基础。本部分所需学时为3周。
课时

第1讲 相图基本知识

第2讲 匀晶相图

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

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
07
三元相图
学习三元相图的基本特点,掌握三元相图的成分表示方法、平衡转变类型、各相区的特征。理解并学会运用杠杆定律及重心定律。能够分析三元匀晶相图,组元互不相溶的三元共晶相图、组元在固态有限固溶的三元共晶相图。本部分所需学时为2周。
课时

第1讲 三元相图基础知识

第2讲 三元匀晶相图

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
08
材料的凝固
学习晶体凝固的热力学条件、纯晶体结晶过程中形核和长大两个过程以及固溶体和共晶合金的凝固过程及特点。相关内容是认识和分析材料在实际凝固后复杂组织形态的基础。本部分所需学时约2周。
课时

第1讲 结晶的基本规律

第2讲 形核

第3讲 晶核的长大

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
09
固态扩散
学习扩散现象、描述扩散现象的基本方程及应用,学习扩散的物理本质及扩散的微观机制。扩散是固体材料中的一个重要现象,是学习固态相变、金属工艺学等相关课程的基础。本部分所需学时约1周。
课时

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

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

课程教材:
(1)赵杰主编.材料科学基础(第二版). 大连理工大学出版社, 2015年
(第二版教材在第一版教材基础上有较多的修订和补充)
主要参考资料:
(1)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年
(2)余永宁编著.金属学原理. 冶金工业出版社, 2011年
(3)W. D. Jr. Callister. Materials Science and Engineering– An Introduction. John Wiley & Sons. Inc. 2007
(4)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。

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