材料科学基础

《材料科学基础》课程教学大纲

一、课程性质和目标

本课程是材料类专业的专业基础学位必修课，以金属材料、无机非金属材料以及高分子材料的共性基础理论为核心，研究材料的结构、缺陷、相图、凝固与扩散等共性理论及规律，包括原子结构与结合键、晶体学基础、晶体结构、晶体缺陷、非晶与准晶结构、相图、固体中的扩散、凝固与结晶理论，是后继材料类专业课程和进行材料科学研究和工程技术开发的理论基础。

知识目标：

• 能够比较与评价金属、无机非金属、高分子材料的晶体、准晶与非晶体的结构特点，辨别晶体结构特点及其表达方法，描述稳定结构，认识材料的不同结构特点与工艺和性能之间的关系。
• 能够分析比较晶体结构缺陷的类型和特点，解释晶体缺陷模型，认识晶体缺陷与材料工艺和性能的关系。
• 培养基本的相图分析能力。能够分析、绘制并重构典型二元相图及Fe-Fe₃C平衡相图，解释基本三元相图的类型，分析相变和组织转变过程，预测并计算相与组织组成物，解释典型铁碳合金的相、组织及性能特点。
• 理解相变理论，解释固体扩散的基本定律，辨别微观扩散机理，解释不同工艺条件下凝固过程中组织结构的变化规律。

能力目标：

• 具备自主学习材料结构、相图与相变的基础知识和方法，能判断和预测材料的成分及工艺对结构及性能影响，为自主学习和终身学习奠定基础理论知识。

二、本课程所支撑的毕业要求

（1）本课程所能支撑的毕业要求和课程目标的对应关系

（2）本课程内容与课程目标、毕业要求指标点的对应关系

三、教学内容及安排

（一）理论教学基本内容（64学时）

1.绪论（2学时）

（1） 基本要求

1）材料的发展历程对人类文明的影响，熟悉材料科学与工程学科的建立和发展进程。

2）本课程的意义及在材料研究中的地位。材料研究五要素间的关系，材料研究的核心问题。

3）本课程的教学特点与学习方法，树立认真钻研的学习态度。

4）本课程的发展历史及相关教材及参考书的特点。

（2）教学内容

1. 材料科学与工程学科的建立与发展。
2. 本课程的教学大纲。课程性质、目标、教学内容与培养目标和毕业要求的关系、教学与学习方法、教学进程、考核形式与基本要求，预期达成学习效果，。
3. 本课程使用教材、参考书与提供的其他相关课程资源。

（3）重点

重点：本课程大纲、教学内容及在后续课程和材料研究中的地位；材料研究的核心问题，材料的成分、结构、制备与性能的关系。

复习自学：1原子结构与结合键

2晶体学基础（8学时）

(1)基本要求  

1）晶体与非晶体、晶格与晶胞等基本概念，解释晶系与布拉菲点阵的演变。

2）晶向指数与晶面指数表示方法，理解晶体投影的表示方法。

3）晶体的宏观对称性，对称要素和对称操作。

(2)教学内容

2.1 空间点阵( Space lattice)

2.1.1空间点阵与晶胞

2.1.2 晶系与布拉菲点阵

2.2 晶向指数与晶面指数

2.2.1 立方晶系的晶向指数与晶面指数

2.2.2 六方晶系的晶向指数与晶面指数

2.2.3晶向和晶面间的关系

2.2.4 课堂练习与讨论

2.3 晶体投影

2.3.1 球面投影

2.3.2 极射赤平投影

2.3.3 标准投影

2.4 晶体的对称性

2.4.1宏观对称元素

2.4.2 微观对称元素

2.4.3点群与空间群

      2.5 习题课

(3)重点和难点

重点：晶系与布拉菲点阵、晶向指数与晶面指数。

难点：布拉菲点阵、特征晶向指数与晶面指数的晶体学意义和熟练应用。

3晶体结构（10学时）

(1)  基本要求

1）晶体化学基本原理。

2）金属材料结构（bcc、fcc、hcp）类型及性能特点。固溶体和化合物的晶体结构。

3）常见无机化合物的晶体结构，解释硅酸盐晶体的结构特点和类型。

4）高分子材料的组成和结构特征，解释高分子链结构和高分子的聚集态结构特点，初步理解高分子材料的性能与结构的关系。

(2)  教学内容

3.1 晶体化学基本原理

3.1.1 原子半径与离子半径

3.1.2 球体紧密堆积与间隙

3.1.3 配位数与配位多面体

3.2 金属的晶体结构

3.2.1 单质金属的晶体结构

3.2.2金属合金的晶体结构

3.2.3 课堂练习与讨论

3.3 无机非金属材料结构 

3.3.1离子晶体的结构规则

3.3.2典型的离子晶体结构

3.3.3 硅酸盐晶体结构

3.4高分子的晶态结构

3.4.1 高分子链的近程结构

3.4.2 高分子链的远程结构

3.4.3 高分子的聚集态结构

3.4.4 高聚物的晶态结构

3.5 习题课

(3)  重点和难点

重点：金属材料结构（bcc、fcc、hcp）类型及性能特点。常见无机化合物的    

晶体结构，硅酸盐晶体的结构特点和类型。

难点：金属材料结构（bcc、fcc、hcp）类型及特点，置换固溶体、间隙固溶体、金属间化合物、正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化合物的晶体结构；常见无机化合物的晶体结构。硅酸盐晶体的结构：岛状结构、组裙状结构、链状结构、层状结构、架状结构。

4晶体缺陷（12学时）

(1)  基本要求

1）空位、刃型位错和螺型位错、柏氏矢量、滑移与攀移等基本概念。

2）点缺陷的类型及形成，点缺陷对性能的影响。

3）简单立方晶系中刃型位错和螺型位错原子模型及其对应的柏氏矢量。

4）位错的应力场与弹性能，位错与位错间的交互作用，位错与点缺陷间的交互作用，位错增殖、塞积和交割等。

5）位错反应的几何条件和能量条件。

表面结构及表面吸附与偏析；晶界结构与能量：大小角度晶界，晶界结构模型，晶界的特性；固体中的共格、半共格和非共格相界面；界面能对显微组织形貌的影响。

（2）教学内容

4.1 点缺陷

4.1.1 点缺陷的类型

4.1.2 点缺陷的浓度

4.1.3  点缺陷对材料性能的影响

4.2 线缺陷

4.2.1 位错的类型

4.2.2 柏氏矢量

4.2.3 位错的运动

4.2.4 位错的应力场

4.2.5 位错与晶体缺陷间的相互作用

4.2.6 位错的增殖与塞积

4.2.7 实际晶体中的位错

4.3 面缺陷

4.3.1 晶体表面

4.3.2 晶界结构与能量

4.3.3 单相多晶体中的晶粒形貌

4.3.4 晶界偏析与晶界迁移 

4.3.5 相界

4.4 习题课

(3)  重点和难点

重点：位错的基本概念，位错的运动，实际晶体中的位错，晶界结构与能量，

大小角度晶界，晶界结构模型，晶界的特性。

难点：位错的运动。

5 非晶体与准晶结构（2学时）

1. 基本要求

非晶和准晶的结构特点和形成条件，特殊性能和应用。

(2)   教学内容

5.1 非晶态结构

5.1.1玻璃结构

5.1.2金属玻璃

5.1.3高聚物的非晶态结构

5.2准晶态结构

5.2.1 准晶体的对称性

5.2.2 准晶体的制备

5.2.3 准晶的性能及应用

(3) 本章的重点和难点

重点：金属、无机、高分子材料的非晶态结构特点和形成工艺条件，

准晶的结构特点和形成条件。

难点：金属、无机、高分子材料的非晶态结构特点和形成工艺条件，

准晶的结构特点和形成条件。

6 相图（16学时）

(1)基本要求

1）合金、组元、相、组织、组织组成物、相律、杠杆定律等基本概念。

2）二元相图的特点及分析方法，分析相变过程及相与组织组成物含量的计算。

3）Fe－Fe₃C平衡相图，分析相和组织转变过程，计算平衡转变时相组成和组织组成物的相对含量，绘制室温组织示意图。

4）三元系的成分表示方法，了解三相平衡区和四相平衡区空间结构特点和截面图中的形状及区的相邻关系。

(2)  教学内容

6.1 相图的基本知识

6.1.1 相与组织

6.1.2 相图与相律

6.1.3 相图研究的意义

6.2 单元相图

6.2.1 纯铁相图

6.2.2 SiO₂相图

6.2.3 聚合物相图

6.3 二元相图

6.3.1 匀晶相图与杠杆定律

6.3.2 二元共晶相图与共析相图

6.3.3 课堂练习与讨论

6.3.4 包晶相图与包析相图

6.3.5 其他类型二元相图

6.3.6 二元相图的几何规律及分析方法 

6.3.7 铁碳相图

6.3.8 课堂练习与讨论

6.3.9 无机材料专业相图

6.4 三元相图

6.4.1 等边三角形的成分表示法

6.4.2 三元相图中的基本法则

6.4.3 三元匀晶相图

6.4.4 固态互不溶解的三元共晶相图

6.4.5 课堂练习与讨论

6.4.6 三元相图的几何规律及分析方法

6.4.7 典型的三元相图

6.5 相图热力学

6.5.1 单元相图热力学

6.5.2 二元相图热力学

6.5.3 相图与吉布斯自由能曲线

6.6 习题课

(3)  重点和难点

重点：二元系相图（杠杆定律，基本类型及相图分析，复杂二元相图分析方法），铁碳相图（铁碳合金平衡结晶分析，铁碳合金的组织与性能的变化），三元系相图（成分表示法，平衡转变的定量法则，三元匀晶相图分析，固体互不溶的三元共晶相图分析）。

难点：二元系相图分析及杠杆定律应用，典型铁碳合金平衡结晶分析，固态 

互不溶的三元共晶相图结晶过程及投影图分析。

7固体扩散（4学时）

(1) 基本要求

（1）扩散与扩散系数、上坡扩散、柯肯达尔效应等基本概念。

（2）菲克第二定律的误差函数解的形式及其在工程中的应用计算。

（3）影响扩散系数的因素。

（4）上坡扩散与反应扩散。

(2) 教学内容

7.1 扩散的宏观规律—扩散定律

7.1.1 菲克第一定律

7.1.2 菲克第二定律

7.2 扩散机制

7.3 扩散系数

7.3.1扩散系数和原子跳动

7.3.2 扩散系数与扩散激活能

7.3.3 柯肯达尔效应

7.4 扩散驱动力

7.5 反应扩散

7.6 影响扩散的因素

(3) 重点和难点

重点：扩散的宏观规律（菲克第一和第二定律、扩散方程在生产实践中的应用），扩散的微观机理，扩散系数与扩散激活能，扩散驱动力。

难点：菲克第二定律的解及应用，扩散的微观机理，扩散驱动力。

8  凝固与结晶（8学时）

(1) 基本要求

1）晶体结晶的基本概念及结晶过程。

过冷现象，晶体长大机制，固溶体结晶，共晶转变机制及共晶组织形貌，非平衡结晶。

2）铸锭三晶区，解释几种常用的凝固技术。

3）硅酸盐熔体的性质，液－固转变过程。

4）高分子材料的凝固过程和聚合物熔体的结构。

(2)  教学内容

8.1  凝固与结晶的基础理论 

8.1.1 液态结构

8.1.2 结晶的热力学条件和过冷度

8.1.3 结晶过程

8.1.4 均匀形核

8.1.5 非均匀形核

8.1.6 晶体长大

8.2 固溶体合金的结晶

8.2.1 固溶体合金的结晶特点

8.2.2 固溶体合金的平衡结晶

8.2.3 固溶体合金的非平衡结晶

8.2.4 固溶体非平衡结晶时溶质的再分配 

8.2.5 成分过冷

8.3 共晶合金的结晶

8.3.1 共晶转变机制

8.3.2 共晶组织形貌

8.3.3 亚共晶和过共晶合金初生相形态

8.3.4 共晶系合金的非平衡结晶

8.4 无机非金属材料的液-固相变 

8.4.1 硅酸盐熔体的结构特点

8.4.2 硅酸盐熔体的性质

8.4.3 硅酸盐熔体的凝固

8.5 高分子材料的凝固

8.5.1 聚合物熔体的结构与特性

8.5.2 聚合物的结晶

8.6 习题课

(3) 重点和难点

重点：纯金属的结晶热力学条件，均匀形核和非均匀形核的特点，固溶体合 

金的平衡结晶和非平衡结晶的特点，共晶合金的结晶特点。

难点：均匀形核和非均匀形核的临界半径和形核功，固溶体非平衡结晶时溶质的再分配，区域提纯和成分过冷。

总复习，答疑（2学时）

四、达成课程目标的途径和措施

1.教学方法

本课程涉及到的教学方法有“讲授法”、“视频法”、“软件动态演示法”、“结构模型演示法”、“板书详解法”、“课堂边讲边练法”、“导入案例法”“学生讲解法”等，具体根据教学内容和目标不同采取不同的教学方法，总原则是化深奥为简明，按浅—深—浅的思路引领学生对课程理论的理解。

（1）“导入案例法”：导入案例，加强对基础概念和理论的应用讲解。科学理论思想与生活中的案例。教师引导学生从日常生活现象中理解科学知识。材料学家生平，学生价值观和积极人生态度的引导教育。

（2）“视频法”：增加大量视频和动画，帮助学生理解空间结构。

（3）“结构模型演示法”：直观生动演示材料的结构特点。

（4）“软件动态演示法”：Material Studio材料结构设计与模拟软件结构三维动态演示。

（5）“板书详解法”：板书详细推导，较难的理论推导和过程分析，如：匀晶相图、二元共晶相图、铁碳相图分析；材料的凝固理论等。

（6）“课堂边讲边练法”：课堂边讲边练，学生课堂练习。加强学生自主练习能力。如：晶向指数和晶面指数练习、匀晶相图、二元共晶相图、铁碳相图分析练习等。

（7）“学生讲解法”：学生自己讲解作业，加深理解和表达能力。

在具体实施过程中，教学内容应紧跟材料科学与工程学科的发展前沿，及时补充材料的新理论、新方法、新技术、新材料等内容，并根据每届学生的特点，对不同内容根据需要调整课堂组织和讨论内容，完善网络学习辅导，提高整体学习效果，促进毕业要求指标点的达成。

2.教学手段

本课程使用基于互联网+的通识工程教育类《材料科学基础》教材，利用采用现代化的教学手段，针对不同的课程内容特点采用“多媒体”结合“板书”的教学手段进行授课，“多媒体”可将抽象的内容生动化，“板书”可用于详细展开和推进表达，二者充分发挥优势，扬长避短。

教材引入了“二维码素材”、“导入案例”、“知识构架 ”、“背景知识”、“阅读材料”及基本概念的“英文注释”等模块，增加教材的时代性和新颖性，激发学生的阅读兴趣。采用“问题导入”方式，引导思考，直抓核心问题。关于课程内容的二维码视频和图片有300多个。多样化的例题、基础练习题和拓展练习题相结合，强化理论知识的活学活用。

3.课外阅读要求

推荐学生利用互联网资源、校园网资源（校园网数据库）、图书馆资源（期刊、专业文献）等多种手段获取信息，进行课外阅读。通过课外阅读，既能加深对教学内容的理解，又能拓展专业视野，紧跟材料行业发展的最新前沿。

五、课程综合记分方法

课程考核由作业和期末考试两部分组成，内容须覆盖全部课程目标和毕业要求指标点。各考核环节及所占比重见下表：

（注：无故旷勤1/3者，不允许参加期末考试。）

各个环节的评分标准如下：

1. 作业

每次作业按百分制评分，总评后折算成20分。

作业（课堂作业/课后作业/作业讲解）的评分标准

2.期末考试

期末考试成绩是通过闭卷考试的卷面成绩给出，考核内容覆盖课程所讲的晶体结构、晶体缺陷、晶体表面结构、相界面以及二元相图和三元相图等主要部分中的基本原理、基本定义以及综合分析等知识点。知识点的考核以填空（占10-15%）、简答（占30-45%）以及相图阅读、改错与分析（30-45%）的形式，整体上以基本概念和理论为核心，加强基础知识的应用与分析。按期末考试的标准答案和评分标准百分制评分，总评后折算成80分。

为了确保考核试卷的信度和效度，必须针对教学目标、把握能力层次，进行试卷蓝图设计。

试卷蓝图设计

六、评估方法

每学期课程结束后进行课程评估。本课程采用基于课程目标（即预期学习成果）的评估方法，包括：1）根据课程目标设计并实施相应的学习任务和学习活动；2）收集学习活动中各种学习成果的评估资料；3）分析和评估实际的学习成果，做出正确的判断。4）写出反思和持续改进报告（包括评估过程、评估结果、教学反思和持续改进）。

课程目标1的评估设计

课程目标2的评估设计

课程目标3的评估设计

课程目标4的评估设计

课程目标5的评估设计

七、课程目标达成评价与持续改进机制

1 课程评价

课程评价周期定为每2年评价一次，评价小组由教学指导委员会和专业负责人组成。评价小组依据毕业要求达成度目标值设置课程达成目标值，采用课程总评成绩分析法进行评价。依据课程评价的结果，寻找问题，持续改进课程教学质量。依据毕业要求达成度评价结果，持续改进课程体系。

2 持续改进机制

• 建立持续改进制度
• 成立本课程持续改进组。
• 由课程持续改进组组长负责组织执行并监督持续改进过程。
• 制定持续改进措施。
• 成立本课程持续改进组

组长：付华               

组员：张希清、蒋晓军、吴红亚

• 本课程持续改进方法
• 平时成绩考核机制：根据每届学生学情，课程组教师须及时汇总统计学生平时成绩考核的各项指标，及时调整学生的状态，并做相应记录。
• 期末考试考核机制：对期末考试试卷进行分析，统计各部分试题得分情况，将统计结果用于整体分析研究该门课程，用于课程的持续改进。
• 本课程持续改进措施
• 针对平时成绩考核，采取与学生讨论、与学生单独交流等措施改进。
• 针对期末考试考核，根据学生考试出现的问题和本课程的重点内容对补考的学生采取辅导、答疑等措施改进。

制表：蒋晓军   审核：付华   批准：      发布日期： 2018