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材料科学与基础

通讯员:杨清华  添加日期:2012-12-11  点击数量:610

     一、课程的地位与任务
        《材料科学基础》课程是材料科学与工程一级学科下设的公共性专业基础理论课,它是材料科学与工程专业本科生在完成公共基础课和部分技术基础课后,于专业课或专业方向课开设前的第一门专业基础必修课程,也是材料科学与工程类专业最重要的技术基础课。
        《材料科学基础》在课程设置上起着承前启后的作用,它是大学物理、化学以及物理化学等课程中相关内容的深入,又是材料专业基础理论的启蒙,为后续课程的展开扮演着基础铺垫和专业引导的角色。本课程以物质结构及结构形成为主线,将金属、无机非金属、高分子三大固体材料专业理论中的部分基础有机结合,通过三大材料间基础理论的相互联系与相互映衬,使学生能更深刻的理解各类固体材料物理化学的基本属性以及与过程相关的行为规律,为学生能顺利进行后继材料专业课程的学习奠定理论基础。
        《材料科学基础》在课程教学上跨越两个学期,分成《材料科学基础Ⅰ》与《材料科学基础Ⅱ》两个部分。
    二、课程的主要内容
        (一) 导论
        理解材料科学的重要作用,掌握材料科学“四要素”。
        (二) 原子结构与键合
        1、 原子结构
        2、 原子间的键合
        3、 高分子结构
        掌握原子的结构特点,掌握金属键、离子键、共价键、范德瓦耳斯键、氢键等五种原子间键合的特点,以及原子间键合与材料性能的关系。掌握单体、链节、聚合度、官能度等基本概念;掌握高分子的结构特点及其分类。
        (三) 固体结构
        1、 晶体学基础
        2、 金属的晶体结构
        3、 合金相结构
        4、 离子晶体
        5、 共价晶体的结构
        6、 聚合物的晶态结构
        7、 非晶态结构
        理解晶体与非晶体的特点及区别;掌握空间点阵、空间格子、晶胞的概念与特征;掌握7种晶系14种布拉菲点阵的特征;掌握晶向指数与晶面指数的标定;理解晶带与晶面间距的概念。
        掌握三种典型的金属晶体结构,包括bcc、fcc、hcp中晶胞中的原子数、点阵常数与原子半径、配位数和致密度等;理解晶体中的原子堆垛方式、晶体中的间隙、晶体的多晶型性;会用晶体结构计算点阵常数、原子半径、配位数和致密度等。掌握固溶体与中间相的概念、固溶体的分类;掌握影响置换固溶体溶解度的因素;掌握中间相的种类与特征。
        掌握离子晶体的特点、离子晶体的Pauling规则,掌握NaCl、CsCl的结构特点、会计算离子晶体的点阵常数、原子半径、配位数和致密度等。理解共价晶体的结构特点。理解聚合物的聚集态结构、聚合物的晶态结构,理解聚合物的晶体形态、模型、液晶态结构。
        (四) 晶体缺陷
        1、 点缺陷
        2、 位错
        3、 表面及界面
        掌握晶体缺陷概念与分类(点、线、面)。掌握点缺陷的概念与分类,包括:空位(肖脱基与弗兰克耳缺陷)、间隙原子、异类原子或杂质质点;掌握平衡点缺陷浓度的概念与计算,理解空位在热力学上是稳定的;理解点缺陷对材料性能的影响。
        掌握刃型位错的概念与特征、螺型位错的概念与特征、柏氏矢量的概念与意义;掌握位错线与切应力、运动方向、滑移方向、柏氏矢量等的关系;掌握位错的运动(滑移与攀移)、位错运动的交割以及位错的割阶与扭折;理解位错与点缺陷、其它位错的作用;理解位错的应力场、应变能、线张力、作用在位错上的力。掌握位错密度的概念与计算、位错密度与材料强度的关系、位错的生成与增殖、位错反应的条件;理解实际晶体中的位错。
        掌握界面的分类与各自特点,理解晶界、相界、表面的特征;掌握小角度晶界中位错间距的计算、表面及表面能的应用。
        (五) 单组元相图及纯晶体的凝固
        1、 单元系相变的热力学及相平衡
        2、 纯晶体的凝固
        3、 气-固相变与薄膜生长
        4、 高分子的结晶特征
        掌握相律,利用相律解决相图问题;掌握单组元相图中温度、压力的坐标关系。掌握晶体凝固的热力学条件、均匀形核时的临界形核功以及临界晶核半径的计算;理解非均匀形核的概念及形状因子;掌握形核率的概念及其影响因素,微观粗糙界面的垂直生长机制,微观光滑界面的二维生长机制、螺型位错生长机制;掌握凝固过程中温度梯度对晶体生长的影响,以及凝固理论的应用:细化晶粒、单晶生长等。了解蒸发过程的四个步骤、凝聚过程的四个步骤;掌握物理与化学气相沉积的概念及对比;了解气相沉积制备材料的方法。
        (六) 二元系相图及合金的凝固
        1、 相图的表示和测定方法
        2、 相图热力学的基本要点
        3、 二元相图分析
        4、 二元合金的凝固理论
        5、 高分子合金概述征
        掌握杠杆定律与成分表示方法。掌握匀晶相图、共晶相图、包晶相图以及其它相图的分析;掌握相图热力学、相图分析过程中的成分计算以及物相变化。掌握平衡分配系数的概念、冷却时固相的溶质分布状态、成分过冷的概念及其影响因素;掌握铸锭的凝固组织及形成原因、偏析的概念及分类。
        (七) 三元相图
        1、 三元相图基础
        2、 三元共晶相图
        3、 包晶型三元系相图
        4、 具有四相平衡包晶转变的三元系相图
        5、 形成稳定化合物的三元系相图
        6、 三元相图举例与小结
        掌握三元相图成分表示方法;掌握三元相图的空间模型、水平截面图-等温截面图、垂直截面图-变温截面图;掌握投影图,掌握直线法则、杠杆定律、中心定律;了解三元匀晶相图分析、三元共晶相图分析。

    三、课程教学学时安排
        教 学 内 容                                  教学时数 说  明
        导论                                                2
        原子结构与键合                                   4
        固体结构                                       14
        晶体缺陷                                       10
        单组元相图及纯晶体的凝固            8
        二元系相图及合金的凝固                18
        三元相图                                          8
    四、考核方法及成绩评定
        1、考核类别:考试;
        2、考核形式:闭卷;
        3、成绩评定:百分制;平时成绩20%,期末考试80%。
    五、推荐教材与主要参考书
        推荐教材:《材料科学基础》,胡赓祥主编,上海交通大学出版社。
        参考书:《材料科学基础》,石德珂主编,机械工业出版社;《金属学原理》侯增寿/卢光熙主编;《材料科学基础》,赵品/谢辅洲/孙文山主编,哈尔滨工业大学出版社。