上海交大材料科学基础课件教学大纲

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

《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、课程的教学内容和基本要求

绪论（1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 原子结构和键合（4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 固体结构(8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 4．六方晶系指数 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

(ⅰ)间隙相和间隙化合物 (ⅱ)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 (二)、晶态结构模型 (三)、聚合物结晶形态

§7 非晶态结构

第三章 晶体缺陷(12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 固体中原子及分子的运动(14 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，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 材料的形变与再结晶(14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

(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 单组元相图及纯晶体的凝固(8学时)

单元系的凝固是研究相变的基础，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

(ⅰ) 晶核形成时的能量变化和临界晶核 (ⅱ) 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

(ⅰ) 连续长大 (ⅱ) 二维形核 (ⅲ)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. 晶体长大方式和生长速率

(ⅰ)在正的温度梯度下的情况 (ⅱ)在负的温度梯度下的情况

3. 凝固后的晶粒大小控制 (简介)

(ⅰ)增加过冷度 (ⅱ)形核剂的作用 (ⅲ) 振动促进形核

(六)、高分子的结晶特征 1. 相似性

(ⅰ)晶粒尺寸与过冷度的关系 (ⅱ)结晶分形核与长大两个过程

(ⅲ)非均匀形核所需过冷度小 (ⅳ)结晶动力学符合Avrami方程

2. 差异性

(ⅰ)高分子晶体结晶的不完全性(ⅱ)熔融过程的升温现象

第七章 二元系相图及合金的凝固(16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。