上海交大 教学大纲.docx

上海交大 教学大纲.docx

《上海交大 教学大纲.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《上海交大 教学大纲.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

上海交大教学大纲

课程名称：

材料科学基础/FundamentalsofMaterialsScience

课堂学时：

90

实验学时：

36

适用专业：

材料科学与工程类专业、冶金类专业和机电类专业

一、课程的性质、地位、任务

    《材料科学基础》是材料类和冶金类专业的一门主干课，也是该专业的主要技术基础课。

通过讲课、实验、课堂讨论和课外实践等各个教学环节，将金属学、陶瓷学和高分子物理的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指导材料的设计和应用，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。

二、课程的教学内容和基本要求

绪论（1学时）

    了解材料的发展史、材料科学的研究对象和内容以及学习本课程的目的意义和要求。

第一章  原子结构和键合（4学时）

    了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。

    §1原子结构

（一）、原子结构；    

（二）、原子间的键合；    （三）、高分子链。

    §2原子间的键合

（一）、金属键        

（二）、离子键            （三）、共价键    

            （四）、范德华力      （五）、氢键

    §3高分子链

（一）、结构单元的化学组成

                  1．碳链高分子  2．杂链分子  3．元素有机高分子  4．无机高分子

（二）、高分子链结构单元的键合方式

                  1．均聚物结构单元顺序  2．共聚物的序列结构

            （三）、高分子链的几何形状

            （四）、高分子链的构型

第二章  固体结构（8学时）

    固态原子按其原子（或分子）聚集的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。

晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是无规则排列的。

材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切相关。

    §1晶体学基础

（一）、晶体的空间点阵

                  1．空间点阵概念  2．晶胞  3．晶系与布拉菲点阵  4．晶体结构与空间点阵的关系

（二）、晶向指数和晶面指数

                  1．阵点坐标  2．晶向指数  3．晶面指数  4．六方晶系指数  5．晶带  6．晶面间距

    §2金属的晶体结构

（一）、面心立方晶体结构的晶体学特征

（二）、体心立方晶体结构的晶体学特征

            （三）、密排六方晶体结构的晶体学特征

    §3金属的相结构

（一）、固溶体

                  1．置换固溶体  2．间隙固溶体  3．有序固溶体  4．固溶体的性质

（二）、中间相

                  1．正常价化合物  2．电子化合物

                  3．原子尺寸因素化合物

                      （ⅰ）间隙相和间隙化合物  （ⅱ）拓扑密堆相

    §4离子晶体结构

（一）、NaCl型结构    

（二）、萤石型结构    （三）、CsCl型结构    （四）、a-Al2O3型结构

    §5共价晶体结构

（一）、金刚石结构    

（二）、SiO2结构      （三）、VA、VIA族亚金属结构

    §6聚合物晶态结构

（一）、晶胞结构      

（二）、晶态结构模型  （三）、聚合物结晶形态

    §7非晶态结构

第三章  晶体缺陷（12学时）

    实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。

根据晶体缺陷分布的几何特征可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。

了解晶体缺陷有利于分析研究结构敏感性能的变化规律和相变、扩散、塑性变形、再结晶以及氧化、烧结等现象，对探索材料晶体中的奥秘和推动材料科学的发展起着重要作用。

    §1点缺陷

（一）、空位与间隙原子    

（二）、电缺陷的运动    （三）、点缺陷的平衡浓度

    §2线缺陷

（一）、位错概念的引入

（二）、位错的基本结构

                  1．刃型位错  2．螺型位错  3．混合位错  4．位错密度  5．柏矢矢量

            （三）、位错的运动

                  1．位错的滑移  2．位错的攀移  3．位错的交滑移

            （四）、位错的弹性性质

                  1．位错的应力场  2．位错的应变能  3．位错的线张力  4．作用在位错上的力

                  5．平行位错之间的作用力

            （五）、实际晶体中的位错

                  1．堆垛层错  2．不全位错  3．位错反应与扩展位错  4．汤普森四面体

    §3面缺陷

（一）、晶界    二）、孪晶界    三）、相界    （四）、外表面

第四章  固体中原子及分子的运动（14学时）

    固体中物质的迁移属动力学范畴。

固体中按照原子的键合情况可分为金属（金属键）、陶瓷（离子键）和高分子（共价键）三类材料。

不同的键合情况导致固体中原子的运动方式不同。

本章主要了解上述三类材料中原子的运动规律及影响因素，并为将来学习材料动力学打下基础。

因此，本章的主要内容包括：

扩散方程的推导及求解，扩散的热力学分析及原子机制，影响扩散的因素及反应扩散，离子晶体与金属晶体在扩散方面的异同和高分子材料中分子的运动规律等。

    §1表象理论

（一）、菲克第一定律            

（二）、菲克第二定律

            （三）、扩散方程的解

                  1.误差函数解  2.格林函数解（衰减薄膜源）

            （四）、置换型固溶体中的扩散    （五）、扩散系数与浓度相关时的求解

    §2扩散的热力学分析

    §3扩散的原子理论

（一）、扩散机制

                  1.交换机制      2.间隙机制  3.空位机制            4.晶界扩散及表面扩散

（二）、原子跳跃和扩散系数

                  1.原子跳跃频率  2.扩散系数  3.无规行走与扩散距离  4.扩散激活能

    §4影响扩散的因素（简介）

（一）、温度        

（二）、固溶体类型    （三）、晶体结构

            （四）、晶体缺陷    （五）、化学成分      （六）、应力的作用

    §5反应扩散

    §6离子晶体中的扩散

    §7高分子的分子运动

（一）、分子链运动的起因及其柔顺性

（二）、分子的运动方式及其结构影响因素

                  1.主链结构  2.取代基的特性  3.链的长度

            （三）、高分子不同力学状态的分子运动解说

                  1.线型非晶态高分子的三种力学状态  2.体型非晶态高分子的力学状态

                  3.结晶高分子的力学状态

第五章  材料的形变与再结晶（14学时）

    分析研究材料在外力作用下的塑性变形过程、机理、组织结构与性能的影响规律以及变形材料在加热过程中产生回复再结晶现象，不仅对正确选择控制材料的加工工艺、保证产品质量是十分必要的，而且对合理使用材料、研制和发展新材料也是很重要的。

    §1材料受力情况下的力学行为

    §2弹性变形与粘弹性

    §3单晶体的塑性变形

（一）、滑移

                  1．滑移带与滑移线    2．滑移系    3．滑移的临界分切应力

                  4．滑移时晶体的转动  5．多系滑移  6．滑移的位错机制

（二）、孪生

                  1．孪生的切变过程    2．孪生的位错机制

            （三）、扭折

    §4多晶体的塑性变形

（一）、多晶体变形的特点    

（二）、晶粒取向的影响    （三）、晶界的影响    （四）、屈服现象

    §5变形后的组织与性能

（一）、显微组织的变化      

（二）、亚结构的变化      （三）、性能的变化

            （四）、加工硬化            （五）、变形织构          （六）、残余应力

    §6合金的塑性变形

（一）、固溶体的塑性变形    

（二）、多相合金的塑性变形

    §7变形晶体加热时的变化

（一）、显微组织的变化      

（二）、性能的变化

    §8回复

（一）、微观结构的变化      

（二）、回复动力学

    §9再结晶

（一）、形核长大            

（二）、再结晶动力学      （三）、再结晶后的晶粒尺寸

            （四）、影响再结晶的主要因素

    §10再结晶后晶粒的长大

（一）、晶粒的正常长大      

（二）、晶粒的异常长大-二次再结晶

    §11动态回复与动态再结晶

（一）、动态回复            

（二）、动态再结晶

    §12超塑性

第六章  单组元相图及纯晶体的凝固（8学时）

    单元系的凝固是研究相变的基础，应用热力学理论探讨单元系的凝固机理，包括形、生长特征是本章的重点内容。

在此基础上了解铸锭的宏观组织以及对比高分子晶体与金属晶体的凝固特征异同点亦为本章需掌握的内容。

    §1单元系相变的热力学及相平衡

（一）、相平衡条件和相律    

（二）、单元系相图

    §2纯晶体的凝固

（一）、液态结构            

（二）、晶体凝固的热力学条件

            （三）、形核

                  1.均匀形核

                      （ⅰ）晶核形成时的能量变化和临界晶核  （ⅱ）形核率

                  2.非均匀形核

            （四）、晶体长大

                  1.液-固体界面的构造                  2.晶体长大方式和生长速率

                      （ⅰ）连续长大  （ⅱ）二维形核  （ⅲ）籍螺型位错生长

            （五）、结晶动力学及凝固组织                  1.结晶动力学

                  2.晶体长大方式和生长速率

                      （ⅰ）在正的温度梯度下的情况  （ⅱ）在负的温度梯度下的情况

                  3.凝固后的晶粒大小控制（简介）

                      （ⅰ）增加过冷度  （ⅱ）形核剂的作用  （ⅲ）振动促进形核

            （六）、高分子的结晶特征

                  1.相似性

                      （ⅰ）晶粒尺寸与过冷度的关系  （ⅱ）结晶分形核与长大两个过程

                      （ⅲ）非均匀形核所需过冷度小  （ⅳ）结晶动力学符合Avrami方程

                  2.差异性

                      （ⅰ）高分子晶体结晶的不完全性（ⅱ）熔融过程的升温现象

第七章  二元系相图及合金的凝固（16学时）

    在多组元材料中，二元系是最基本，也是研究最为透彻的体系。

掌握二元系材料的相图及凝固原理是将来理解材料成分-制备工艺-组织结构-性能的关键。

因此，本章的重点在于学习通过相图分析材料的平衡组织，以及非平衡凝固时材料内部成分和结构的演化规律。

    §1相图的表示和实验测定方法

    §2相图的热力学基础

（一）、固溶体的自由能-成分曲线    

（二）、多相平衡的公切线原理

            （三）、混合物的自由能和杠杆法则   （四）、从自由能-成分曲线推测相图

            （五）、二元相图的几何规律

    §3二元相图分析

（一）、匀晶相图和固溶体凝固

                  1.匀晶相图  2.固溶体的平衡凝固  3.固溶体的非平衡凝固

（二）、共晶相图及其合金凝固

                  1.共晶相图

                  2.共晶合金的平衡凝固及其组织

                      （ⅰ）亚共晶合金  （ⅱ）共晶合金  （ⅲ）过共晶合金

                  3.共晶合金的非平衡凝固

                      （ⅰ）伪共晶     （ⅱ）非平衡共晶组织

            （三）、包晶相图及其合金凝固

                  1.包晶相图  2.包晶合金的凝固及其平衡组织  3.包晶合金的非平衡凝固

            （四）、溶混间隙相图与调幅分解

            （五）、其他类型的二元相图（简介）

            （六）、复杂二元相图的分析方法

            （七）、根据相图推测合金的性能（简介）

            （八）、二元相图实例分析（自学）

    §4二元合金的凝固理论

（一）、固溶体的凝固理论

                  1.正常凝固  2.区域熔炼（自学）

                  3.表征液体混合程度的有效分配系数ke

                  4.合金凝固中的成分过冷

                      （ⅰ）成分过冷的概念  （ⅱ）产生成分过冷的临界条件

                      （ⅲ）成分过冷对晶体生长形态的影响

（二）、共晶凝固理论

                  1.共晶组织分类（简介）  2.层片状和棒状共晶形成的条件及机制

                  3.层片生长动力学      4.共晶界面稳定性

            （三）、合金铸锭的组织与缺陷（简介）

    §5高分子合金概述

（一）、高发分子合金的相容性            

（二）、高分子-高分子体系的相图及测定方法

            （三）、高分子合金的制备方法

                  1.物理共混      2.化学共混

            （四）、高分子合金的形态结构

                  1.单相连续结构  2.两相连续结构

            （五）、高分子合金性能与组元的一般关系  （六）、高分子合金主要类型（简介）

第八章  三元相图（8学时）

    三元相图已较二元相图复杂许多，但通过寻找三元相图的基本规律可掌握复杂相图的分析方法。

故本章在二元相图的基础上理解三元相图，主要掌握三元相图的基本特点，并会分析简单三元相图的投影图和截面图。

    §1三元相图基础

（一）、三元相图成分表示方法

                  1.等边成分三角形  2.等边成分三角形中的特殊线  3.成分的其他表示方法（自学）

（二）、三元相图的空间模型

            （三）、三元相图的截面图和投影图

                  1.水平截面        2.垂直截面                  3.三元相图的投影图

            （四）、三元相图中的杠杆定律及重心定律

                  1.直线法则        2.杠杆定律        3.重心定律        4.背向法则

    §2固态互不溶解的三元共晶相图

                  1.相图的空间模型  2.截面图          3.投影图          4.相区接触法则

    §3固态有限互溶的三元共晶相图

                  1.相图分析        2.投影图          3.截面图

    §4---§9（自学，不作考试范围）

第九章  材料的亚稳态（3学时，简介）

    在重点掌握前面各章内容的基础上，本章主要分两个部分，其一为母相处于亚稳状态的材料，包括纳米材料、准晶态和非晶等材料的主要特点，以开阔学生的视野；其二为经固态相变获得的亚稳态材料，总结固态相变的一些特征，为今后学习《材料加工原理》做预备。

    §1纳米晶材料

（一）、纳米晶材料的结构    

（二）、纳米晶材料的性能    （三）、纳米晶材料的形成

    §2准晶态

（一）、准晶的结构          

（二）、准晶的形成          （三）、准晶的性能

    §3非晶态材料

（一）、非晶态的形成        

（二）、非晶态的结构        （三）、非晶合金的性能

            （四）、高分子的玻璃化转变

    §4固态相变形成的亚稳相

（一）、固溶体脱溶分解产物

                  1.脱溶转变            2.脱溶过程的亚稳相        3.脱溶分解对性能的影响

（二）、马氏体转变

                  1.马氏体转变晶体学    2.马氏体转变动力学        3.热弹性马氏体

            （三）、贝氏体转变

                  1.钢中贝氏体转变特征  2.贝氏体转变机制

三、教学实验

根据学校教学及设施的情况，推荐实施综合实验。

    从材料的冶炼、凝固、变形加工、制备金相样品及根据相图进行组织分析的综合实验。

使学生能了解和掌握金相分析的最基本技能和暗室技术，进一步巩固和加深理解书本知识，了解材料内部的微观结构和形成机理及对性能的影响等等。

    实验学时：

36学时

    实验内容：

              1、 金相显微镜原理、结构和使用

              2、 金相样品的制备

              3、 金相显微摄影和暗室技术

              4、 浇注和凝固条件对铸锭（件）组织的影响

              5、 二元合金显微组织分析

              6、 位错的实验观察

              7、 铸铁金相组织分析

              8、 固体金属中的扩散

              9、 三元合金显微组织分析

              10、塑性变形和再结晶

              11、气孔率、吸水率及体积密度测定

              12、高分子结晶形态的偏光显微镜观察

第十章 总结

固体材料从性能角度大体可分成两类：

结构材料和功能材料。

结构材料是以其强度和塑性为主要应用指标，而功能材料是以其某一特殊功能特性，如电性能、热性能、磁性能或光性能等为主要应用指标。

功能材料的性能与结构材料不同，取决于原子中的电子结构和电子的运动（旋转、散射、激发和跃迁等）。

本章对材料功能特性的物理基础进行了复习，注重论述了功能材料的电、热、磁和光行为的表述、起因和影响因素。

能带理论是目前研究固体中电子运动的一个主要理论基础。

对于单个原子，电子处在不同的分立能级上。

但当大量的原子构成晶体后，各个原子的能级因电子云的重叠而形成能带。

量子力学理论表明，由N个原子组成的固体，每个能带含有N个分裂的能级，而每个能级可以容纳具有相反自旋方向的两个电子，也就是每个能带最多可容纳2N个电子。

在这些能带之间存在一些电子不具有的能量区域，称为禁带（或带隙）。

基于费米－狄拉克分布函数可知，在绝对零度时，凡能量（E）小于费米能（EF）的所有能态，全部为电子所占据（称为满态），并且电子由最低能量开始逐一填满EF以下的各个能级，而EF则是绝对温度下自由电子的最高能级；当E>EF的各个能态均不出现电子，为空能态（或空态）。

当温度高于绝对零度时，有少量能态与费米能接近的电子可以吸收热能而跃迁到能量较高的能态，此时高于费米能的原有空能级也有一部分被电子占据。

基于电导率（或与之成反比的电阻率），固体材料可以分为金属、半导体和绝缘体三类。

对于大部分材料而言，电流来自于自由电子的运动，它们在外电场作用下而被加速运动。

这些自由电子的数目取决于材料的电子能带结构。

金属、半导体和绝缘体具有不同的电子能带结构。

从一个能带的满态所激发到费米能以上的空态的电子称为自由电子。

在金属中，激发自由电子所需的能量较小，因此在金属中可产生大量的自由电子。

而对于半导体和绝缘体，激发自由电子所需的能量较大，因此半导体和绝缘体具有较低的自由电子浓度和较小的电导率。

被外电场作用的自由电子会被晶体点阵中的杂质所散射。

电子迁移率的大小表征了这些散射事件频率的大小。

在许多材料中，电导率是正比于自由电子的温度和电子迁移率的乘积。

对于金属材料，电阻率随温度、杂质浓度、塑性变形的提高而增加。

每一项对总电阻率的贡献是它们的加和。

半导体可以是某些元素（如Si和Ge），也可以是共价键化合物。

在这些材料中，除了自由电子外，空穴（想象的正电荷粒子）也参加了传导过程。

基于电行为，半导体可以分为本征半导体和非本征半导体。

对于本征电行为，电子和空穴浓度是相等的；对于非本