《纳米材料》课程教学规范

材料科学基础材料科学基础 课程教学规范课程教学规范 第一部分教学基本要求 适用专业 应用物理专业 纳米方向 本课程 80 学时 学分 5 教材 材料科学基础教程 哈尔滨工业大学 赵品 主编 一 课程的性质 任务与基本内容 1 课程的性质与任务 本课程是应用物理专业 纳米技术应用方向 的主要专业基础课 材料科学基础是研究材料的成 分 结构与性能之间关系及其变化规律的一门应用基础科学 本课程的任务是向学生较全面系统地介 绍物理冶金原理 注意材料的共性与个性的结合 实现多学科知识的交叉与渗透 材料科学基础的任务是根据工程和科学技术发展的需要设计研制新型工程材料 解决材料制备原 理和工艺方法 获取可供使用的工程材料 解决材料在加工和使用过程中组织结构和性能变化的微观 机理 从中找出合宜的加工工艺 强化工艺和延寿措施 创新测试材料成分 组织结构和性能的方法 完善测试技术 合理地选择和使用工程材料 学习本课程的目的是为后续专业课打下牢固的基础 同时为将来从事纳米材料的研究与开发打下 坚实的理论基础 2 课程的基本内容 材料科学基础 包含绪论 材料的结构 晶体缺陷 结晶理论 二元相图 含铁碳相图 三元 相图 塑性变形理论 再结晶理论 扩散理论等 材料科学基础 是以化学 物理 物理化学 材料力学 金属工艺学和金工教学实习为基础的 课程 在学习时应联系上述基础课程的有关内容 以加深对本课程内容的理解 同时本课程材料科学 与工程的基础 在今后学习有关专业课程时 还应经常联系本书的有关内容 以便进一步掌握所学的 知识 二 课程教学目标 使学生了解材料科学的重要地位与作用 工程材料的分类 课程的任务与内容 材料科学基础 的学习方法 理解并掌握材料科学的重要地位与作用 工程材料的分类 本课程的研究对象 任务与 内容 材料科学基础的学习方法 三 课程基本要求 绪 论 了解材料科学的重要地位与作用 工程材料的分类 课程的任务与内容 材料科学基础的学习方 法 主要内容 材料科学的重要地位与作用 工程材料的分类 本课程的研究对象 任务与内容 材 料科学基础的学习方法 第一章 材料的结构 掌握三大固体材料的结构特点 性能特点 建立材料结构与性能之间的关系 掌握晶体学的基础 知识 重点是掌握晶向指数与晶面指数的标定方法 三种典型的金属晶体结构 会求三种晶体结构的 致密度和配位数 主要内容为 材料的结合方式 金属材料的结构 高分子材料及陶瓷材料的结构特 点 第二章 晶体缺陷 掌握晶体缺陷的类型 各类缺陷的结构特征 性质及其对材料性能的影响 重点掌握位错的概念 柏氏矢量及其性质 位错的运动与交割 位错反应 掌握位错的应力场 了解位错的能量 晶体的界 面与界面能 吸附与润湿等概念与现象 主要内容为 点缺陷 线缺陷 面缺陷 各类缺陷对结构及 性能的影响 第三章 纯金属的凝固 掌握结晶的基本过程 结晶的热力学条件 形核及长大规律 凝固理论的应用 了解非均匀形核 生长的规律 了解固溶体合金的凝固规律 了解材料的非晶态概念 主要内容为 纯金属的凝固过程 结晶的热力学条件 形核及长大的规律 凝固理论的应用 第四章 二元相图 掌握相图的基本知识 二元相图的基本类型 二元相图的分析与使用方法 熟练应用铁碳相图 主要内容为 二元相图的基本类型 二元相图的分析和使用 铁碳相图和铁碳合金 第五章 三元相图 掌握三元相图类型 定量法则 分析方法 等温截面 变温截面 液态投影图 主要内容 三元 相图的成分表示方法及定量法则 三元匀晶相图 三元共晶相图 四相平衡转变 三元相图应用举例 第六章 固体材料的变形与断裂 掌握固体材料变形的基本方式 弹性变形的机制 塑性变形的机理 塑性变形对组织与性能的影 响 金属及合金强化的位错解释 主要内容为 弹性变形 塑性变形的机理 塑性变形对组织与性能的影响 金属及合金强化的位错解 释 第七章 回复与再结晶 掌握形变金属及合金在退火过程中的变化 即回复 再结晶 晶粒长大过程及其机制 金属的热 变形 主要内容为 形变金属及合金在退火过程中的变化 回复 再结晶 晶粒长大 金属的热变形 第八章 扩散 掌握扩散的概念 重点掌握扩散第一定律 扩散第二定律及其应用 扩散机制 了解柯肯达耳效 应 扩散的热力学解释 掌握扩散系数的计算 影响扩散的因数 第九章 固态相变基础 掌握固态相变的基本概念 了解固态相变中的形核 固态相变的晶体长大 扩散控制的长大 界 面控制的长大 扩散形相变 调幅分解 脱溶沉淀 无扩散相变等现象 第十章 金属材料 掌握钢铁材料的分类 各种牌号钢铁的基本性能 不同使用条件下对钢铁的选用 掌握铸铁的分 类 性能 正确选用 了解部分有色金属的基本性能 正确选用有色金属牌号 第十一章 其它材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料 功能材料 了解陶瓷材料 高分子材料 复合材料 功能材料的基本性能和使用 第二部分 教学大纲 本课程共 80 学时 具体分配如下 第一章材料的结构 共 7 学时 一 内容概要 1 1 材料的结合方式 1 1 1 化学键 1 2 1 工程材料的键性 1 2 晶体学基础 1 2 2 空间点阵 1 2 3 晶向指数与晶面指数 1 3 材料的晶体结构 1 3 1 典型金属的晶体结构 1 3 2 共价晶体的晶体结构 1 3 3 离子晶体的晶体结构 1 3 4 合金相结构 二 学时安排 1 1 1 2 5 学时 1 3 2 学时 第二章晶体缺陷 共 7 学时 一 内容概要 2 1 点缺陷 2 1 1 点缺陷的类型及形成 2 1 2 点缺陷的运动及平衡浓度 2 1 3 点缺陷对性能的影响 2 2 线缺陷 2 2 1 位错的基本概念 2 2 2 位错的运动 2 2 3 位错的弹性性质 2 2 4 实际晶体中的位错 2 3 面缺陷 2 3 1 外表面 2 3 2 晶界与亚晶界 二 学时安排 2 1 2 2 5 学时 2 3 2 学时 第三章纯金属的凝固 共 5 学时 一 内容概要 3 1 纯金属的结晶过程 3 1 1 液态金属的结构 3 1 2 纯金属的结晶过程 3 2 结晶的热力学条件 3 2 1 结晶的过冷现象 3 2 2 凝固的热力学条件 3 3 形核规律 3 3 1 均匀形核 3 3 形核规律 3 3 2 非均匀形核 3 4 长大规律 3 4 1 液 固界面的微观结构 3 4 2 晶核的长大机制 3 4 3 纯金属的生长形态 3 5 结晶理论的某些实际应用 3 5 1 细化金属铸件晶粒的一些方法 3 5 2 定向凝固技术 3 5 3 急冷凝固技术 二 学时安排 3 1 3 3 3 学时 3 4 3 5 2 学时 第四章二元相图 共 15 学时 一 内容概要 4 1 相图的基本知识 4 1 1 相图的表示方法 4 1 2 相图的建立 4 1 3 相平衡与相律 4 1 4 二元相图的一些几何规律 4 2 二元相图的基本类型 4 2 1 匀晶相图 4 2 2 共晶相图 4 2 3 包晶相图 4 3 二元相固的分析和使用 4 3 1 其他类型的二元相图 4 3 2 复杂二元相图的分析方法 4 4 铁碳相图和铁碳合金 4 4 1 铁碳相图 4 4 2 碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响 4 4 3 合金铸件的组织与缺陷 二 学时安排 4 1 3 学时 4 2 3 学时 4 3 2 学时 4 4 7 学时 第五章三元相图 共 5 学时 一 内容概要 5 1 三元相图的成分表示法 5 1 1 浓度三角形 5 1 2 浓度三角形中具有特定意义的线 5 2 三元系平衡转变的定量法则 5 2 1 直线定律 5 2 2 重心定律 5 3 三元相图 5 3 1 相图的分析 5 3 2 等温截面图 水平截面图 5 3 3 变温截面图 5 4 三元共晶相图 5 4 1 组元在固态互不溶 具有共晶转变的相图 5 4 2 组元在固态下有限溶解 具有共晶转变的三元相图 5 4 3 三相平衡包晶转变的相图特征 5 5 三元合金相图的四相平衡转变 5 5 1 立体图中的四相平衡平面 5 5 2 投影图上的四相平衡平面 5 5 3 垂直截面图上的四相平衡区 5 6 具有化合物的三元相图及三元相图的简化分割 5 7 二元合金相图应用举例 二 学时安排 5 1 5 3 3 学时 5 4 5 7 2 学时 第六章固体材料的变形与断裂 共 8 学时 一 内容概要 6 1 弹性变形 6 1 1 普弹性 6 1 2 滞弹性 6 2 单晶体的塑性变形 6 2 1 滑移 6 2 2 孪生 6 2 3 晶体的扭折 6 3 多晶体的塑性变形 6 3 1 多晶体塑性变形过程 6 3 2 晶粒大小对塑性变形的影响 6 3 3 多晶体应力 应变曲线 6 4 塑性变形对金属组织与性能的影响 6 4 1 显微组织与性能的变化 6 4 2 形变织构 6 4 3 残余应力 6 5 金属及合金强化的位错解释 6 5 1Cottrell 气团 6 5 2 位错交割和带割阶位错的运动 6 5 3 固定位错 6 5 4 滑动位错与第二相质点的交互作用 6 6 断裂 6 6 1 理论断裂强度 6 6 2 Griffith 理论与断裂韧性 6 6 3 裂纹的萌生 6 6 4 断裂形式 二 学时安排 6 1 6 3 3 学时 6 4 6 5 3 学时 6 5 6 6 2 学时 第七章回复与再结晶 共 5 学时 一 内容概要 7 1 形变金属及合金在退火过程中的变化 7 1 1 显微组织的变化 7 1 2 储存能释放与性能变化 7 2 回复 7 2 1 回复机理 7 2 2 回复动力学 7 3 再结晶 7 3 1 再结晶的形核 7 3 2 再结晶动力学 7 3 3 影响再结晶的因素 7 3 4 再结晶后晶粒大小 7 4 晶粒长大 7 4 1 晶粒的正常长大 7 4 2 晶粒的异常长大 7 5 金属的热变形 7 5 1 动态回复 7 5 2 动态再结晶 7 5 3 热加工后的组织及性能 7 5 4 超塑性 二 学时安排 7 1 7 3 3 学时 7 4 7 5 2 学时 第八章扩散 共 5 学时 一 内容概要 8 1 扩散定律 8 1 1 菲克第一定律 8 1 2 菲克第二定律 8 1 3 扩散方程在生产中的应用举例 8 1 4 扩散的驱动力及上坡扩散 8 2 扩散机制 8 2 1 间隙扩散 8 2 2 置换扩散 8 2 3 扩散系数公式 8 3 影响扩散的因素 8 3 1 温度 8 3 2 固溶体类型 8 3 3 晶体结构 8 3 4 浓度 8 3 5 合金元素的影响 8 3 6 短路扩散 8 4 反应扩散 二 学时安排 8 1 8 2 3 学时 8 3 8 4 2 学时 第九章金属固态相变 共 10 学时 一 内容概要 9 1 固态相变的特点 9 1 1 相变阻力大 9 1 3 新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系 9 1 4 新相习惯于在母相的一定晶面上形成 9 1 5 母相晶体缺陷对相变起促进作用 9 1 6 易于出现过渡相 9 2 固态相变的基本类型 9 3 固态相变时的形核与长大 9 3 1 均匀形核 9 3 2 非均匀形核 9 3 3 晶核长大 9 4 钢的固态转变 9 4 1 钢在加热时的转变 9 4 2 过冷奥氏体等温转变曲线和连续冷却转变曲线 9 4 3 珠光体转变 9 4 4 马氏体转变 9 4 5 贝氏体转变 二 学时安排 9 1 3 学时 9 2 2 学时 9 3 2 学时 9 4 3 学时 第 章金属材料 共 10 学时 一 内容概要 10 1 工业用钢 10 1 1 钢的分类及编号 10 1 3 工程结构钢 10 1 4 机器结构钢 10 1 5 工具钢 10 1 6 特殊性能钢 10 2 铸铁 10 3 有色金属及合金 10 3 1 铝及铝合金 10 3 2 钛及钛合金 10 3 3 铜及铜合金 二 学时安排 10 1 5 学时 10 2 3 学时 10 3 2 学时 第十一章高分子材料 共 1 学时 一 内容概要 11 1 概述 11 2 工程塑料 11 3 合成橡胶与合成纤维 二 学时安排 1 学时 第十二章陶瓷材料 共 1 学时 一 内容概要 12 1 陶瓷概述 12 2 陶瓷材料的几种典型结构 12 3 陶瓷的显微结构 12 4 陶瓷材料制造工艺 二 学时安排 1 学时 第十三章复合材料 第十四章功能材料 共 1 学时 一 内容概要 13 1 概述 13 2 复合材料的增强机制及性能 13 3 常用复合材料 一 内容概要 14 1 概述 14 2 功能材料简介 14 3 未来材料的发展 二 学时安排 1 学时 第三部分 教学实施细则 第一小部分 课程的重点 难点及处理方法 材料科学基础 包含绪论 材料的结构 晶体缺陷 结晶理论 二元相图 含铁碳相图 三元 相图 塑性变形理论 再结晶理论 扩散理论等八部分 该课程内容较为庞杂 具有三多的特点 即 内容头绪多 原理规律多 涉及原理 规律几十个 概念定义多 名词 定义近 300 个 由于该课 程具有上述特点 加之有些微观结构看不见 摸不到 课程难度大 主讲教师授课中应突出重点 分散难点使学生对于主要的内容有清晰 深刻的印象 牢固掌握所 学知识 一 重点 难点 第一章 材料的结构 教学重点 1 典型金属材料的晶体结构 2 合金相结构金属材料的结构与性能的关系 教学难点 1 晶体结构中间隙类型与半径 2 合金相结构 第二章 晶体缺陷 教学重点 1 点缺陷的结构特征及其对性能的影响 2 线缺陷的结构特征及其对性能的影响 3 面缺陷对结构特征及其对性能的影响 教学难点 1 位错中的柏氏矢量 2 位错的弹性性质 3 实际晶体中的位错 4 错的增殖机制 5 各类缺陷对结构及性能的影响 第三章 纯金属的凝固 教学重点 结晶的基本过程 热力学条件 凝固理论的应用 教学难点 非均匀形核的规律 第四章 二元相图 教学重点 1 二元相图的分析和使用 2 铁碳相图和铁碳合金 教学难点 1 组织与相的区别 2 杠杆定律应用 第五章 三元相图 教学重点 1 三元共晶相图 2 三元相图应用举例 教学难点 1 三元共晶相图 2 四相平衡转变 第六章 固体材料的变形与断裂 教学重点 1 弹性变形 2 塑性变形的机理 3 塑性变形对组织与性能的影响 4 变形对组织与性能的影响 教学难点 1 弹性变形的机制 2 塑性变形的机理 3 金属及合金强化的位错解释 第七章 回复与再结晶 教学重点 1 形变金属及合金在退火过程中的变化 2 回复 再结晶 晶粒长大过程及其机制 3 金属的动态再结晶 教学难点 再结晶 晶粒长大过程及其机制 第八章 扩散 教学重点 1 散第一定律 扩散第二定律 2 散的热力学解释 3 散第二定律的应用 教学难点 非稳态扩散方程的解 第九章 固态相变基础 教学重点 1 固态相变与液固转变的同异点 2 固态相变中的形核 3 铝合金的脱溶沉淀 4 调幅分解 教学难点 1 固态相变中的形核 2 界面控制的长大 3 无扩散相变 第十章 金属材料 教学重点 1 铁材料的分类 2 铁的选用 3 铁的分类 性能 教学难点 无 第十一章 其它材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料 功能材料 二 教学难点解决方法 1 采用启发式 归纳类比法 教学模型等传统教学方法 2 采用多媒体课件教学 3 配合实验 开展实践教学 注重理论联系实际并培养学生分析问题 解决问题的能力 4 正确处理 材料科学基础 与基础课 专业课的关系 即利用基础课所学过的知识来讲授 材料科学基础 结合专业特点讲授 材料科学基础 第二小部分 作业 考核和计分 一 作业布置的原则和数量要求 让学生做习题是教学活动的实践环节 它可以使学生深入地牢固掌握本学科的基本概念和基本规 律 习题属于应该掌握的内容 概念名词与习题相结合 平均每次习