上海交大材料科学基础课件教学大纲

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1、课程名称：材料科学基础/Fundamentals of Materials Science 课堂学时：90 实验学时：36 适用专业：材料科学与工程类专业、冶金类专业和机电类专业一、课程的性质、地位、任务一、课程的性质、地位、任务材料科学基础是材料类和冶金类专业的一门主干课，也是该专业的主 要技术基础课。通过讲课、实验、课堂讨论和课外实践等 各个教学环节，将金 属学、陶瓷学和高分子物理的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即 研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指 导材料的设 计和应用，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚 实的理论基础。二、课程的

2、教学内容和基本要求二、课程的教学内容和基本要求绪论（绪论（1 1 学时）学时）了解材料的发展史、材料科学的研究对象和内容以及学习本课程的目的意 义和要求。第一章第一章 原子结构和键合（原子结构和键合（4 4 学时）学时）了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是 决定材料性能的重要因素。1 原子结构(一)、原子结构； (二)、原子间的键合； (三)、高分子 链。2 原子间的键合(一)、金属键 (二)、离子键 (三)、共价键(四)、范德华力 (五)、氢键3 高分子链(一)、结构单元的化学组成1碳链高分子 2杂链分子 3元素有机高分子4无机高分子(二)、高分子链结构单元的键合

3、方式1均聚物结构单元顺序 2共聚物的序列结构(三)、高分子链的几何形状(四)、高分子链的构型第二章第二章 固体结构固体结构(8(8 学时学时) )固态原子按其原子（或分子）聚集的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。 晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是 无规 则排列的。材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材 料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切 相 关。1 晶体学基础(一)、晶体的空间点阵1空间点阵概念 2晶胞 3晶系与布拉菲点阵4晶体结构与空间点阵的关系(二)、晶向指数和晶面指数1阵点坐标 2晶向指数 3晶面指数

4、4六方晶系 指数 5晶带 6晶面间距2 金属的晶体结构(一)、面心立方晶体结构的晶体学特征(二)、体心立方晶体结构的晶体学特征(三)、密排六方晶体结构的晶体学特征3 金属的相结构(一)、固溶体1置换固溶体 2间隙固溶体 3有序固溶体 4固 溶体的性质(二)、中间相1正常价化合物 2电子化合物3原子尺寸因素化合物()间隙相和间隙化合物 ()拓扑密堆相4 离子晶体结构(一)、NaCl 型结构 (二)、萤石型结构 (三)、CsCl 型结构(四)、a-Al2O3 型结构5 共价晶体结构(一)、金刚石结构 (二)、SiO2 结构 (三)、VA、VIA 族 亚金属结构6 聚合物晶态结构(一)、晶胞结构 (

5、二)、晶态结构模型 (三)、聚合物结晶 形态7 非晶态结构第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷(12(12 学时学时) )实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。根据晶体缺陷分布的 几何特征可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。了解晶体缺陷有利于分析研 究 结构敏感性能的变化规律和相变、扩散、塑性变形、再结晶以及氧化、烧结等 现象，对探索材料晶体中的奥秘和推动材料科学的发展起着重要作用。1 点缺陷(一)、空位与间隙原子 (二)、电缺陷的运动 (三)、点缺 陷的平衡浓度2 线缺陷(一)、位错概念的引入(二)、位错的基本结构1刃型位错 2螺型位错 3混合位错 4位错密度5柏矢矢量(三)、位错的运动1位

6、错的滑移 2位错的攀移 3位错的交滑移(四)、位错的弹性性质1位错的应力场 2位错的应变能 3位错的线张力4作用在位错上的力5平行位错之间的作用力(五)、实际晶体中的位错1堆垛层错 2不全位错 3位错反应与扩展位错4汤普森四面体3 面缺陷(一)、晶界 二)、孪晶界 三)、相界 (四)、外表面第四章第四章 固体中原子及分子的运动固体中原子及分子的运动(14(14 学时学时) )固体中物质的迁移属动力学范畴。固体中按照原子的键合情况可分为金属 (金属键)、陶瓷(离子键)和高分子(共价键)三类材料。不同的键合情 况导致固 体中原子的运动方式不同。本章主要了解上述三类材料中原子的运动规律及影 响因素，

7、并为将来学习材料动力学打下基础。因此，本章的主要内容包括：扩 散方程的推导及求解，扩散的热力学分析及原子机制，影响扩散的因素及反应 扩散，离子晶体与金属晶体在扩散方面的异同和高分子材料中分子的运动规律 等。1 表象理论(一)、菲克第一定律 (二)、菲克第二定律(三)、扩散方程的解1. 误差函数解 2. 格林函数解(衰减薄膜源)(四)、置换型固溶体中的扩散 (五)、扩散系数与浓度相关时 的求解2 扩散的热力学分析3 扩散的原子理论(一)、扩散机制1. 交换机制 2. 间隙机制 3. 空位机制4. 晶界扩散及表面扩散(二)、原子跳跃和扩散系数1. 原子跳跃频率 2. 扩散系数 3. 无规行走与扩散

8、距离4. 扩散激活能4 影响扩散的因素（简介）(一)、温度 (二)、固溶体类型 (三)、晶体结构(四)、晶体缺陷 (五)、化学成分 (六)、应力的作用5 反应扩散6 离子晶体中的扩散7 高分子的分子运动(一)、分子链运动的起因及其柔顺性(二)、分子的运动方式及其结构影响因素1. 主链结构 2. 取代基的特性 3. 链的长度(三)、高分子不同力学状态的分子运动解说1.线型非晶态高分子的三种力学状态 2. 体型非晶态高分 子的力学状态3.结晶高分子的力学状态第五章第五章 材料的形变与再结晶材料的形变与再结晶(14(14 学时学时) )分析研究材料在外力作用下的塑性变形过程、机理、组织结构与性能的影

9、 响规律以及变形材料在加热过程中产生回复再结晶现象，不仅对正确选择控制 材料的加工工艺、保证产品质量是十分必要的，而且对合理使用材料、研制和 发展新材料也是很重要的。1 材料受力情况下的力学行为2 弹性变形与粘弹性3 单晶体的塑性变形(一)、滑移1滑移带与滑移线 2滑移系 3滑移的临界分切 应力4滑移时晶体的转动 5多系滑移 6滑移的位错机制(二)、孪生1孪生的切变过程 2孪生的位错机制(三)、扭折4 多晶体的塑性变形(一)、多晶体变形的特点 (二)、晶粒取向的影响 (三)、 晶界的影响 (四)、屈服现象5 变形后的组织与性能(一)、显微组织的变化 (二)、亚结构的变化 (三)、 性能的变化(

10、四)、加工硬化 (五)、变形织构 (六)、 残余应力6 合金的塑性变形(一)、固溶体的塑性变形 (二)、多相合金的塑性变形7 变形晶体加热时的变化(一)、显微组织的变化 (二)、性能的变化8 回复(一)、微观结构的变化 (二)、回复动力学9 再结晶(一)、形核长大 (二)、再结晶动力学 (三)、 再结晶后的晶粒尺寸(四)、影响再结晶的主要因素10 再结晶后晶粒的长大(一)、晶粒的正常长大 (二)、晶粒的异常长大-二次再结晶11 动态回复与动态再结晶(一)、动态回复 (二)、动态再结晶12 超塑性第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固(8(8 学时学时) )单元系的凝固是

11、研究相变的基础，应用热力学理论探讨单元系的凝固机理， 包括形、生长特征是本章的重点内容。在此基础上了解铸锭的宏观组织以及对 比高分子晶体与金属晶体的凝固特征异同点亦为本章需掌握的内容。1 单元系相变的热力学及相平衡(一)、相平衡条件和相律 (二)、单元系相图2 纯晶体的凝固(一)、液态结构 (二)、晶体凝固的热力学条件(三)、形核1. 均匀形核() 晶核形成时的能量变化和临界晶核 () 形核 率2. 非均匀形核(四)、晶体长大1. 液-固体界面的构造 2. 晶体长大方 式和生长速率() 连续长大 () 二维形核 ()籍螺型位错生 长(五)、结晶动力学及凝固组织 1. 结晶动力学2. 晶体长大方

12、式和生长速率()在正的温度梯度下的情况 ()在负的温度梯度 下的情况3. 凝固后的晶粒大小控制 (简介)()增加过冷度 ()形核剂的作用 () 振动促进 形核(六)、高分子的结晶特征1. 相似性()晶粒尺寸与过冷度的关系 ()结晶分形核与长 大两个过程()非均匀形核所需过冷度小 ()结晶动力学符合 Avrami 方程2. 差异性()高分子晶体结晶的不完全性()熔融过程的升温 现象第七章第七章 二元系相图及合金的凝固二元系相图及合金的凝固(16(16 学时学时) )在多组元材料中，二元系是最基本，也是研究最为透彻的体系。掌握二元 系材料的相图及凝固原理是将来理解材料成分-制备工艺-组织结构-性能

13、的关键。 因此，本章的重点在于学习通过相图分析材料的平衡组织，以及非平衡凝固时 材料内部成分和结构的演化规律。1 相图的表示和实验测定方法2 相图的热力学基础(一)、固溶体的自由能-成分曲线 (二)、多相平衡的公切线原 理(三)、混合物的自由能和杠杆法则 (四)、从自由能-成分曲线 推测相图(五)、二元相图的几何规律3 二元相图分析(一)、匀晶相图和固溶体凝固1. 匀晶相图 2. 固溶体的平衡凝固 3. 固溶体的非平衡 凝固(二)、共晶相图及其合金凝固1. 共晶相图2. 共晶合金的平衡凝固及其组织()亚共晶合金 ()共晶合金 ()过共晶合金3. 共晶合金的非平衡凝固() 伪共晶 () 非平衡共

14、晶组织(三)、包晶相图及其合金凝固1. 包晶相图 2. 包晶合金的凝固及其平衡组织 3. 包晶 合金的非平衡凝固(四)、溶混间隙相图与调幅分解(五)、其他类型的二元相图 (简介)(六)、复杂二元相图的分析方法(七)、根据相图推测合金的性能 (简介)(八)、二元相图实例分析（自学）4 二元合金的凝固理论(一)、固溶体的凝固理论1. 正常凝固 2. 区域熔炼(自学)3. 表征液体混合程度的有效分配系数 ke4. 合金凝固中的成分过冷()成分过冷的概念 ()产生成分过冷的临界条件()成分过冷对晶体生长形态的影响(二)、共晶凝固理论1. 共晶组织分类(简介) 2. 层片状和棒状共晶形成的条 件及机制3

15、. 层片生长动力学 4. 共晶界面稳定性(三)、合金铸锭的组织与缺陷 (简介)5 高分子合金概述(一)、高发分子合金的相容性 (二)、高分子-高分子 体系的相图及测定方法(三)、高分子合金的制备方法1. 物理共混 2. 化学共混(四)、高分子合金的形态结构1. 单相连续结构 2. 两相连续结构(五)、高分子合金性能与组元的一般关系 (六)、高分子合金主 要类型(简介)第八章第八章 三元相图三元相图(8(8 学时学时) )三元相图已较二元相图复杂许多，但通过寻找三元相图的基本规律可掌握 复杂相图的分析方法。故本章在二元相图的基础上理解三元相图，主要掌握三 元相图的基本特点，并会分析简单三元相图的投影图和截面图。1 三元相图基础(一)、三元相图成分表示方法1.