材料科学基础教案

材料科学基础教案第一部分前言第二部分总纲第三部分绪论第四部分材料的结构第五部分晶体缺陷第六部分纯金属的凝固第七部分二元相图第八部分三元相图第九部分固体材料的变形与断裂第十部分回复与再结晶

材料科学是研究材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间关系及变化规律的一门科学。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。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、再结晶理论等八部分。第一部分前言一、课程性质及教学目的二、课程内容三、与其它课程的关系四、教学对象五、教学时间六、教学地点七、教学指导思想八、教学重点九、教学难点十、教学方法十一、学时分配十二、教学过程十三、实验内容十四、教材及教学参考书第二部分总纲课程性质及教学目的《材料科学基础》是材料科学与工程、材料加工与控制等各专业一门重要技术基础课，也是金属材料系为材料工程学院各专业开设的院级必修课。材料科学是研究材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间关系及变化规律的一门科学。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。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。学习本课程的目的是为后续专业课打下牢固的基础，同时为将来从事材料的研究与开发打下坚实的理论基础。

课程内容

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、再结晶理论等八部分。纵观材料科学基础所含内容可知，该课程内容较为庞杂。具有三多的特点；即所谓内容头绪多、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，而且课程内容枯燥、乏味，因此，教师感到难教，学生感到难学。

与其它课程的关系

“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。同时本课程是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。

教学指导思想1.

从材料科学与工程材料应用的角度出发讲授《材料科学基础》，体现21世纪教学理念、教学改革精神和世界工程教育思想。2.

严格按《材料科学基础》教学大纲及《材料科学基础实验大纲》进行教学，注意课程内容的准确定位和整体优化。3.

开设的实验及课堂讨论应有利于学生分析问题、解决问题的能力及创新能力培养。教学重点

1.典型金属的晶体结构。2.晶体缺陷3．凝固理论应用4．铁碳相图及其应用5．三元相图的应用6．塑性变形后的组织与性能7．再结晶

教学难点

1.典型金属的晶体结构。2.晶体缺陷3.凝固理论4.铁碳相图的分析与应用5.三元相图的分析与应用6.塑性变形机理7.再结晶机制

教学方法

采用启发式、归纳类比法、教学模型、电化教学等传统教学方法。采用CAI课件、网络教学课件进行教学。改革实验内容及方法，注重理论联系实际及培养学生分析问题、解决问题的能力，利用电视、计算机等辅助教学手段提高实验教学效果。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》。采用计算机命题与评分系统，实现教考分离。

学时分配

1．讲课502．实验103．课堂讨论24．机动1总学时63

教学过程

1.

后次复习前次概念2.

本次讲授内容的引入3.

新教学内容的讲授过程4.

小结5.

思考题6．作业实验内容

1．金相试样的制备1学时2．金相显微镜的使用1学时3．铁碳合金平衡组织观察2学时4．金相摄影3学时5．金属塑性变形与再结晶2学时6．位错腐蚀坑观察1学时教材及教学参考书

1.,《材料科学基础教程》赵品哈尔滨工业大学出版社2.《材料科学基础教程习题与解答》赵品哈尔滨工业大学出版社3.《材料科学基础》赵品哈尔滨工业大学出版社1999年4.《金属学原理》刘国勋主编工业冶金出版社1980年5.《金属学》胡庚祥主编上海科技出版社1980年6.《金属学教程》卢光熙主编机械工业出版社1985年7.《金属学原理》李超主编哈工大出版社1996年8.《材料科学基础》马泗春主编陕西科学技术出版社1998年9.《材料科学基础》石德珂主编西安交大出版社1995年第三部分绪论一、教学目的及要求二、主要内容三、学时安排四、教学重点五、教学过程六、思考题七、教学参考书

教学目的及要求

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。

主要内容材料科学的重要地位与作用；工程材料的分类；材料发展简史，本课程的研究对象、任务与内容；材料科学基础的学习方法；教学参考书。

教学重点

使学生了解本课程在专业培养目标及教学计划中的地位、重要性。，以达到按照教学目的要求，学生能够自觉地学好本课程的教学内容。教学过程一讲授内容二小结三思考题思考题1．材料科学在国民经济中的重要地位是什么？2．如何对工程材料进行分类？3.材料科学的研究对象及任务是什么？教学参考书1．《材料科学基础》

赵品

哈尔滨工业大学出版社1999年2．《金属学原理》刘国勋主编工业冶金出版社1980年3．《金属学》胡庚祥主编上海科技出版社1980年4．《金属学教程》卢光熙主编机械工业出版社1985年5．《金属学原理》李超主编哈工大出版社1996年6．《材料科学基础》马泗春主编陕西科学技术出版社1998年7《材料科学基础》石德珂主编西安交大出版社1995年

讲授内容1、材料在国民经济中的重要地位与作用2、材料的分类3、材料的发展历史4、材料科学的发展方向5、本课程的任务与内容材料在国民经济中的重要地位与作用材料是用来制造各种有用物件的物质。它是人类生存与发展、征服和改造自然的物质基础，也是人类社会现代文明的重要支柱。因此史学家将人类发展分为石器时代、青铜器时代、铁器时代、水泥时代、钢时代、硅时代和新材料时代。材料科学的发展及进步成为衡量一个国家科学技术发展的重要标准。材料科学的发展在国民经济中占有极其重要的地位，因此，材料、能源、信息被誉为现代经济发展的三大支柱。材料的分类1、按材料的化学成分组成分类

金属材料（黑色金属、有色金属）无机非金属材料（水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷）天然高分子材料（蛋白、淀粉、纤维素）高分子材料人工合成高分子材料（合成橡胶、合成塑料、合成纤维）

复合材料2、按材料的使用性能分类结构材料功能材料材料的发展历史1、1808～1871年，研究并实现了金相分析的方法。2、1871～1903年，手机、分析及总结了大量实验结果，导致了系统的理论研究3、1903～1945年，由研究合金相的平衡状态过渡到从动力学角度研究相的变化。4、1946～现在，继续向金属材料因状态不同导致性能差异的方向发展，进一步弄清相变和强化的机理，在更深的层次上研究结构与性能的关系。材料科学的发展方向精细化超高性能化高功能化复杂化（复合化、杂化）生态环境化智能化本课程的任务与内容

材料科学是研究材料的化学成分，加工过程与其组织、结构和性能之间关系及其变化规律的一门学科。材料的成分不同，则组织结构不同，其性能也不同；材料的成分相同，但加工过程不同则导致组织结构不同，性能也不同。因此化学成分、组织结构是决定材料性能的内因，而加工工艺则是促使材料组织结构变化最终导致性能变化的外因。材料科学的任务是根据工程和科学技术的发展的需要设计研制新型的工程材料；解决材料制备原理和工艺方法，获得可供使用的工程材料；解决材料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，完善测试加速；合理的选择使用材料。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、再结晶理论等八部分。第四部分材料的结构一、教学目的及要求二、主要内容三、学时安排四、教学重点五、教学难点六、教学过程七、思考题八、作业九、实验十、教学参考书教学目的及要求使学生们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。主要内容材料的结合方式、金属材料的结构、高分子材料及陶瓷材料的结构特点。教学重点1、典型金属材料的晶体结构；2、合金相结构3、金属材料的结构与性能的关系；4、高分子材料及陶瓷材料的结构及性能特点。教学难点1.

晶体结构；2.

合金相结构3.高分子材料、陶瓷材料的结构特点；教学过程一、复习上一节内容二、导入新课三、讲授新课四、小结五、思考题六、作业复习上一节内容1、材料科学在国民经济中的重要地位是什么？2、如何对工程材料进行分类？3、材料科学的研究对象及任务是什么？思考题1．三大固体材料的键性如何？2．金属的特性是什么？3．纯金属的晶体结构有几种类型？4．合金相结构有几种？都是什么？5．金属材料的性能特点是什么？6．高分子材料的结构及性能特点是什么？7．陶瓷材料的结构及性能特点是什么？作业1、氯化钠和金刚石各属于那种空间点阵？试计算配位数与致密度。2、试说明一个面心立方等于一个体心正方结构。3、在立方系中绘出｛110｝、｛111｝晶面族所包括的晶面，及（112）和（10）晶面。4、（121）与（100）所决定的晶带轴和（001）与（111）所决定的晶带轴所构成的晶面的晶面指数。5、计算面心立方结构（111）、（110）与（100）面的面密度和面间距。6、FeAl是电子化合物，具有体心立方点阵，试画出其晶胞，计算电子浓度，画出（112）面原子排列图。7、合金相VC、Fe3C、CuZn、ZrFe2属于何种类型，并指出其结构特点8、在立方系标准投影图上确定极点（111）、（11）、（11）、（1）、（12）、（0）的位置。实验1、金相试样的制备1学时；2、金相显微镜的使用1学时。教学参考书《材料科学基础》赵品哈尔滨工业大学出版社1999年2.《高分子材料导论》张留成化学工业出版社1993年3.《工程陶瓷材料》金志浩、周敬恩机械工业出版社1986年讲授新课1材料的结合方式2晶体学基础3材料的晶体结构

材料的结合方式一、化学键

1.离子键

2.共价键

3.金属键

4.范德华键

二、工程材料的键性

离子键1、形成当两种电负性相差很大（如元素周期表相隔较远的元素）的原子相互结合时，其中电负性较小的原子失去电子成为正离子，电负性较大的原子获得电子成为负离子，正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键。2、特性无方向性，无饱和性，结合力很大3、具有离子键物质的特性离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大。离子晶体具有很好的绝缘性。因不吸收可见光，典型的离子晶体是无色透明的。共价键1、形成元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由公用电子对产生的结合键称为共价键。2、特性方向性，饱和性，结合力很大3、具有共价键物质的特性共价晶体强度、硬度高，脆性大，熔点、沸点高，挥发性低。金属键1、形成金属原子结构的特点是外层电子少，原子容易失去其价电子而成为正离子。当金属原子相互结合时，金属原子的外层电子（价电子）就脱离原子，成为自由电子，为整个金属原子所共有。这些公有化的自由电子在正离子之间自由运动形成所谓电子气（或电子云）。这种由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。2、具有共价键物质的特性①、良好的导电性及导热性。②、正的电阻温度系数，即随温度升高电阻增大。③、良好的强度及塑性。④、具有金属光泽。范德华键

1、形成有些物质的分子具有极性，其中分子的一部分带有正电荷，而分子的另一部分带有负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电引力相引，使之结合在一起称为范德华键（或分子键）。2、特性结合力较弱3、具有共价键物质的特性硬度低、沸点低，绝缘性。工程材料的键性

实际上使用的工程材料，有的是单纯的一种键，更多的是几种键的结合。如果以四种键为顶点作一个四面体，就可以把材料的结合键范围示意地表示在这个四面体上，具体材料地键特性见图。晶体学基础

1、晶体与非晶体2、空间点阵3、晶向指数与晶面指数4、晶体的晶体的极射赤面投影晶体与非晶体1、晶体：物质的质点(分子、原子或离子)在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体，如图。2、非晶体：非晶体在整体上是无序的，但原子间也靠化学键结合在一起，所以在有限的小范围内观察还有一定规律，可将非晶体的这种结构称为近程有序。

空间点阵1、空间点阵：实际晶体中，质点在空间的排列方式是多种多样的．为了便于研究晶体中原于、分子或离子的排列情况，近似地将晶体看成是无错排的理想晶体，忽赂其物质性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可是彼此等同的原于或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的空间排列称为空间点阵，简称点阵，这些点叫阵点。2、晶胞：从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞。3、晶格：将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。a、晶胞选取的条件

b、14种空间点阵，布拉菲点阵

晶胞选取应满足的条件

(1)晶胞几何形状充分反映点阵对称性。(2)平行六面体内相等的棱和角数目最多。(3)当棱间呈直角时，直角数目应最多。(4)满足上述条件，晶胞体积应最小。14种空间点阵晶向指数与晶面指数1.晶向指数和标定2.晶面指数的标定3.晶面族与晶向族4.六方晶面及晶向的指数标定5.晶带6.晶面间距

晶向指数和标定(1)以晶格中某结点为原点，取点阵常数为三坐标轴的单位长度，建立右旋坐标系如图。定出欲求晶向上任意两个点的坐标。(2)“末”点坐标减去“始”点坐标，得到沿该坐标系备轴方向移动的点阵参数的数目。(3)将这三个值化成一组互质整数，加上一个方括号即为所求的晶向指数[uvw]，如有某一数为负值，则将负号标注在该数字上方。晶面指数的标定(1)建立如前所述的参考坐标系，但原点应位于待定晶面之外，以避免出现零截距(2)找出待定晶面在三轴的截距，如果该晶面与某轴平行，则截距为无穷大。(3)取截距的倒数，将其化为一组互质的整数，加固括号．得到晶面指数(hkl)。晶带

相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。立方系晶面（hkl）以[uvw]为晶带轴必有hu+kv+lw=0反之也成立。两个不平行的晶面（h1k1l1）,(h2k2l2)的晶带轴[uvw]可如下求得

晶面间距对于不同的晶面族{hkl}其晶面间距也不同。总的来说，低指数晶面的面间距较大，高指数晶面的面间距较小、如图1—13所示。由晶面指数的定义、可用数学方法求出晶面间距，见公式。材料的晶体结构1、典型金属的晶体结构2、共价晶体的晶体结构3、离子晶体的晶体结构4、合金相结构典型金属的晶体结构体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格原子排列特征晶格常数a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°

a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°

a=b≠c，=1.633，α=β=90º，γ=120º

原子半径r＝0.433ar=0.354ar=0.5a晶胞含原子数246配位数81212致密度0.680.740.74晶胞中原子数合金相结构

1.固溶体凡溶质原子完全溶于溶剂中，并能保持溶剂元素的晶格类型所形成的合金相称为固溶体。2.固溶强化通常把形成固溶体使强度升高，硬度升高的现象叫做固溶强化。3.固溶体分类根据溶质原子在溶剂中是占结点位置还是占间隙位置，可将其分为置换固溶体何间隙固溶体。4.中间相两组元组成的台金中，在形成有限因溶体的情况下，如果镕质含量超过其溶解度时．相会出现新相，其成分处在A在B中和B在A中的最大溶解度之间，故叫中间相。种类：（1）正常价化合物（2）电子化合物（3）间隙相与间隙化合物（4）拓扑密堆相

第五部分晶体缺陷

一、教学目的及要求二、主要内容三、学时安排四、教学重点五、教学难点六、教学过程七、思考题八、作业九、实验教学十、教学参考书

教学目的及要求

通过本章的学习，使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。主要内容

点缺陷、线缺陷、面缺陷、各类缺陷对结构及性能的影响。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。教学过程一、复习上一节内容二、导入新课三、讲授新课四、小结五、思考题六、作业讲授新课1、点缺陷；2、线缺陷；3、面缺陷；4、各类缺陷对结构及性能的影响。思考题1.点缺陷的类型有那些？点缺陷是热力学平衡缺陷吗？其浓度对金属的性能有那些影响？2.位错有那些基本类型？试说明各种类型位错的位错线t与柏氏矢量b之间关系。3.何为面缺陷？面缺陷有那些基本类型？对金属的性能有那些影响？4.如何用柏氏回路确定柏氏矢量，请以刃型位错为例说明之。5.如何表示晶体中位错密度？金属材料中的位错密度与其强度有何关系？与晶内相比晶界有那些特点？

作业（1）

1、铜的空位生成能1.7×10-19J，试计算1000℃时，1cm3铜所包含的空位数，铜的密度8.9g/cm3，相对原子质量63.5，玻尔兹曼常数K=1.38×10-23J/K。2、如图2-1所示的位错环，说明各段位错的性质，并指出刃位错多余半原子面的位置。

作业（2）3、

如图2-2，某晶体滑移面上有一个

柏氏矢量为b的位错环，受到均匀切应力τ作用，试分析：（1）

该位错环各段位错的结构类型；（2）

求各段位错所受的力；（3）

在τ的作用下，位错环将如何运动？（4）

在τ的作用下，位错环稳定不动，其最小半径应该多大？4、

画图说明F-R位错源位错增殖过程。5、

证明位错密度ρ和弯曲晶体曲率半径R的关系为ρ=1Rb。6、图3-1表示两个被钉扎的刃位错A-B、C-D，它们的长度均为x，且具有相同的位错线方向和柏氏矢量，每个位错都可作为F-R位错源。假定这两个位错正在扩大，试问位错环在交互作用时，是将位错运动钉扎住，还是形成一个大位错源？如果能够形成一个大位错源，试问该大位错源开动所需临界切应力有多大？

实验教学位错腐蚀坑的观察1学时

教学参考书

1、《金属力学性质的微观理论》

哈宽富

科学出版社1983年2、《材料科学基础》

潘金生等

清华大学出版社2000年第六部分纯金属的凝固一、教学目的及要求二、主要内容三、学时安排四、教学重点五、教学难点六、教学过程七、思考题八、作业九、教学参考书

教学目的及要求

通过本章学习，使学生们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。

主要内容1.

纯金属的凝固过程；2.

结晶的热力学条件；3.

形核及长大的规律；4.

凝固理论的应用。

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1.

结晶的热力学条件；2.

形核及长大的规律。

教学过程一、复习上一节内容二、导入新课三、讲授新课四、小结五、思考题六、作业思考题1.

液态金属结构与固态金属结构有何区别，试述小体积液态纯金属结晶过程。2.

什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？3

比较过冷度、临界过冷度与动态过冷度的区别。4形核为什么需要形核功？均匀形核与非均匀形核形核功有何差别？

作业1、

分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。2、细化铸件晶粒的途径有那些？为什么？3、液态金属结晶时需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热？教学参考书1．《金属的凝固》

胡汉起

冶金工业出版社1985年2．《金属学》胡庚祥主编上海科技出版社1980年3《金属学教程》卢光熙主编机械工业出版社1985年4．《金属学原理》李超主编哈工大出版社1996年5．《材料科学基础》马泗春主编陕西科学技术出版社1998年6．《材料科学基础》石德珂主编西安交大出版社1995年

第七部分二元相图

一、教学目的及要求二、主要内容三、学时安排四、教学重点五、教学难点六、教学过程七、思考题八、作业九、实验教学十、课堂讨论十一、教学参考书

教学目的及要求

通过本章学习，使学生们掌握二元相图的基本类型、分析和使用、铁碳相图

主要内容1.二元相图的基本类型；2.二元相图的分析和使用；3.铁碳相图和铁碳合金。

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1.二元相图的分析和使用；2.铁碳相图的应用

教学过程一、复习上一节内容二、导入新课三、讲授新课四、小结五、思考题六、作业讲授新课1、二元相图的基本类型；2、二元相图的分析和使用；3、铁碳相图和铁碳合金。思考题1.二元相图有那些最基本的类型？

何为匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、有序-无序转变。2.

何为“杠杆定律”，“杠杆定律”的应用范围及用途。3.

按含碳量可将铁碳合金分为那几类？它们的力学性能随含碳量的增加有何变化规律？4.

何为平衡分配系数？研究固溶体合金凝固时的溶质分布有何实际意义。5.固溶体合金凝固时的生长形态如何？受那些因素控制。

作业1、

何为成份过冷？影响成份过冷的因素有那些？2、

试述区域提纯的原理。3、

简述枝晶偏析形成过程和消除方法。4、

分析0.45%C，1.2%C和2.3%C的铁碳合金的平衡结晶过程，计算室温下组织组成

物的相对量及两相相对量。5、

根据显微组织分析，一灰口铁内石墨的体积占12%，铁素体的体积占88%，试求该合金的碳含量。6、

简述铸锭三区的形成机理，采用什么方法可使柱状晶更发达？采用什么方法可使中心等轴晶更发达？7、钢中有那些常见杂质？何为钢的“热脆”

？何为钢的“冷脆”？如何防止？

实验教学铁碳合金平衡组织观察2学时教学参考书1．《金属学原理》刘国勋主编工业冶金出版社1980年2．《金属学》胡庚祥主编上海科技出版社1980年3．《金属学教程》卢光熙主编机械工业出版社1985年4