《材料科学基础实验》教学大纲

《材料科学基础实验教学大纲》课程教学大纲一、课程的地位与任务《材料科学基础实验》针对大学二年级学生所开设，是在学生已经完成材料科学与工程导论以及材料科学基础等课程后的一门培养学生动手能力、实验操作基本方法、综合分析方法和团队沟通协作的一门专业实验课，主要目的是通过总学时为32

的教学和实验工作，巩固所学理论课程的基本概念，学会从显微组织结构的角度进行材料性能分析的基本思路，培养学生掌握基本的材料科学实验操作技巧，锻炼学生对于复杂工程问题进行实验方案设计、数据检测及数据分析与处理的能力，提升协作沟通的水平。二、课程目标以及与毕业要求的支撑矩阵（1）熟悉相关的实验设备、仪器的操作方法，巩固铁碳相图、晶体结构、材料形变对组织、性能的影响、固液相变及晶体生长、常用金属力学性能测试方法等理论知识。（2）掌握常用材料热处理工艺规范的制定，正确观察实验现象并获得相应的数据，能够分析和总结材料及工艺因素对材料组织、结构、性能的影响，具备对实验数据和结果进行科学分析、讨论及恰当表达的能力。（3）能够综合运用自身所学材料科学与工程知识，就材料设计、开发等问题提出建设性方案，具备与团队成员间良好的交流沟通及团队分工协作能力。课程目标毕业要求（支撑程度H、M、L）510课程目标（1）0.50课程目标（2）0.50.4课程目标（3）00.6合计11毕业要求分解指标点支撑权重（5）使用现代工具：能够针对新材料的产品设计、性能检测、工艺制定和质量管理等复杂工程问题，体现创新意识，选择、使用适当的互联网技术、文献资源、现代工程工具、信息技术工具和材料专用分析软件，对新材料的产品设计、性能检测、工艺制定和质量管理等多方面复杂工程问题进行分析、预测与模拟，了解新材料计量检测领域的前沿理论与发展趋势。5-3能够运用现代工程技术（Origin、Excel、Photoshop等）和材料分析模拟软件（如Jade、MaterialStudio等）进行复杂工程问题的检测及数据分析与处理；0.25（10）沟通：能够就新材料的产品设计、性能检测、工艺制定和质量管理等多方面的复杂工程问题，与材料类行业的同行及社会公众进行有效沟通和交流，并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。10-1能够有效地以口头、文稿、图表向同行以及社会公众展示新材料计量检测领域专业知识和信息；0.25三、课程主要内容与基本要求实验一：不同热处理碳钢样品的固态相变分析(对应课程目标1,2,3)

实验内容：学生在教师指导下或自主选择零件，进行热处理工艺设计，选择实验设备。在工艺实验过程中对热处理的三个阶段（加热、保温、冷却）工艺参数进行深入的研究，对热处理工艺过程中不同阶段的零件显微组织及性能进行着重分析，写出综合分析实验报告。实验教学目标与基本要求：该项综合实验要求学生在学习工艺课程的同时，充分发挥自身的积极性和主动性，结合课堂上学过的工艺课程以及生产实习、认识实习提出热处理工艺方面的问题（如：预备热处理、中间热处理、最终热处理等方面的问题），通过综合实验优化工艺过程，自主提出与热处理相关的材料组织、性能变化问题，并设计工艺过程，学会解决生产和科研中经常遇到的问题，培养学生的创新意识。实验二：金属的塑性变形与再结晶：(对应课程目标1,2,3)实验内容：研究低碳钢在塑性变形后（组织）性能的变化规律；研究塑性变形后低碳钢在退火加热时（组织）性能的变化规律；了解变形程度对再结晶速率的影响。实验教学目标与基本要求：本实验的目的希望学生通过对金属的塑性形变与再结晶退火处理，掌握实验原理与方法，进一步理解金属的塑性形变与再结晶的基础理论，并与生产实践相结合。实验三：典型晶体结构堆积模型分析(对应课程目标1,2,3)

实验内容：1．用球棍模型和DIAMOND软件分别搭建出面心立方、体心立方、密排六方晶体结构；2．按照球棍模型，用密堆球堆垛出面心立方和体心立方中的（100）、（110）（111）和（112）晶面，并在已堆出的上述晶面用橙色球至少标出三个不同方位的晶向；3．按最密排的面堆垛顺序堆垛出面心立方和密排六方的晶体结构，不同堆垛层用不同颜色球来区分；4．借助球棍模型，找出三种金属晶体结构中的四面体空隙与八面体空隙所在的位置及属于该单位晶胞的两种间隙的个数。5．任选两种典型离子晶体或共价晶体结构模型进行球棍模型或DIAMOND软件的搭建。借助模型，熟悉面心立方、体心立方和密排六方晶体结构中常用晶面、晶向的几何位置和原子排列；实验教学目标与基本要求：晶体结构是材料学科的基础知识，本实验借助球棍模型和DIAMOND软件让学生亲自搭建几种典型晶体结构，熟悉面心立方、体心立方和密排六方晶体结构中常用晶面、晶向的几何位置和原子排列，密排面和密排方向的堆垛顺序，以及晶体结构中不同间隙的位置和分布，深入理解紧密堆积原理，掌握晶体结构软件的用法。实验四：金属材料力学性能的测试(对应课程目标1,2,3)

实验内容：1、测定（20#钢）的压缩屈服点和铸铁的抗压强度。2、观察、分析、比较两种材料在压缩过程中的各种现象。3、观察铸铁材料在压缩时的变形和试件断口情况，并分析其破坏原因。4、借助动画、录像或虚拟软件了解扭转、冲击、疲劳、高温、磨损等尚无条件实现的力学实验项目的原理、设备操作及性能测量、评定方法。实验教学目标与基本要求：本实验的目的希望学生通过对低碳钢和铸铁两种金属材料压缩状态应力应变曲线的测定，掌握万能试验机的使用方法，学会判断韧性和脆性两类不同力学性能的金属材料；了解扭转、冲击、疲劳、高温、磨损等尚无条件实现的力学实验项目的原理、设备操作及性能测量、评定方法。实验五：固液相变与硅单晶生长虚拟仿真实验（对应课程目标1,2,3)实验内容：本实验针对二元系固液相变过程的温度、压强和浓度控制，结合CZ直拉法电子级磷轻掺单晶硅实际生产数据，通过虚拟技术对生产环境、设备结构、生产流程进行仿真，学生需巩固固液相变基础理论，掌握二元系相变的基本特点、吉布斯相率、平衡条件、分凝现象在单晶硅生长中的应用；了解电子级磷轻掺硅单晶生长的控制因素，熟悉单晶生长设备的结构单元和工作原理，掌握提拉法单晶生长的工艺流程和参数设置，理解相关生产流程与晶体生长微观过程的对应关系。实验教学目标与基本要求：本实验通过设计虚拟仪器，使学生对实验的整体环境和所用仪器的原理、结构建立起直观的认识。在虚拟实验环境中自行设计实验方案、拟定实验参数、操作仪器，模拟真实的实验过程，使学生身临其境地感受完美单晶生长对控制条件的精确要求及其实现手段；通过对不同实验方法的优劣和误差大小的比较，提高学生的判断能力和实验技术水平，培养学生的设计思考能力，营造了自主学习的环境，触发学生对大国工匠精神的理解。通过了解我国半导体行业的现状与差距，激发学生创新创造热情，培养对行业忠诚度，自觉把自身价值实现与国家核心技术提升紧密联系。四、课程教学学时安排教学内容教学学时不同热处理碳钢样品的固态相变分析8金属的塑性变形与再结晶8典型晶体结构堆积模型分析4金属材料力学性能的测试6固液相变与硅单晶生长虚拟仿真实验6总计32五、达成目标的途径和措施=1\*GB2⑴课前预习，理解实验原理和实验要求，学习设备操作，完成预习报告利用钉钉统计预习情况，结合预习报告给出预习成绩。=2\*GB2⑵实验方案分组协作，设备操作单人独立考核根据大纲要求、实验计划和内容的安排，每组协作完成实验方案，每人需独立操作设备，现场考核打分。(3)实验报告：提交书面实验报告，报告应包括实验数据的记录和分析，对所设计实验方案的评价，对所发现问题提出的解决思路等，总结自己对该实验的体会和收获。六、考核方法及成绩评定1、考核类别：预习；操作实践；实验报告2、考核形式：观看预习视频的时长+预习报告；单人分项操作考核；书面报告3、成绩评定：每个实验成绩按照表1方式计算；课程总成绩按照表2计算。表1：考核内容考核方式评定标准（依据）占比过程考核钉钉预习资料+书面报告观看预习视频的时长+预习报告15～25%过程考核操作成绩单人分项操作考核10～15%课后考核书