东北大学材料科学基础
《材料科学基础》课程教学大纲
《材料科学基础》课程教学大纲课程编号：08061211课程名称：材料科学基础英文名称：Fundamental of Materials Science课程类型：学科基础课课程要求：必修学时／学分：88／5.5 （讲课学时：80 实验学时：8 上机学时：0）适用专业：材料成型与控制工程；焊接技术及工程；金属材料工程；无机非金属材料工程一、课程性质与任务《材料科学基础》是材料科学与工程学院各专业学生学习和掌握材料的成分、组织结构与性能间的关系及其变化规律，特别是固体材料的结构、晶体缺陷、平衡相图、凝固和原子扩散过程诸方面的基本概念和基础理论，以及有关的加工工艺对材料的组织结构和性能的影响规律的学科基础课，也是学生将来学习专业课程的理论基础。
本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本规律等方面的讲解；在培养实践能力方面着重试样的选取与制备及显微组织的观察等基本方法的训练，使学生熟悉材料科学的相关基础知识，为后续专业课程的学习以及将来解决材料的生产、加工等问题和探索新材料、新技术、新工艺打下比较系统而坚实的理论基础。
二、 课程与其他课程的联系选修课：大学物理，材料物理化学本课程是在学习了大学物理、材料物理化学等课程后方能学习本课程；该课程也是学习后续专业课程的理论基础。
通过该课程的学习，使学生掌握材料的成分、组织结构与性能间的关系及其变化规律，从而为进一步深入学习材料科学与工程学院各专业的专业课程奠定基础，并且理论结合实践，使其有机的结合起来，形成一个完整的系统的专业学科基础理论体系。
三、课程教学目标1．学习并掌握常见的晶体结构与材料的相结构、晶体缺陷及固态材料中的原子扩散、材料的凝固、二元相图及塑性变形等基本知识，使学生在材料方面具有扎实的基础理论知识，了解并掌握金属材料产品由不同工艺形成的组织特征，具有开发和选用新材料的能力和工程实际应用的能力；（支撑毕业能力要求1.1、1.2）2．培养学生的工程实践学习能力，使学生掌握观察材料显微组织的实验方法，获得实验技能的基本训练，具有查阅有关技术资料的能力；（支撑能力毕业要求2.1、2.3）3．培养学生对金属材料的各类物理现象、特性进行研究并通过实验验证的能力。
东北大学材料科学与工程学院
现பைடு நூலகம்领导
（表格资料来源： ）
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截止到2021年6月，学院现设有材料科学与工程和功能材料（隶属材料学二级学科）、材料成型及控制工程 （隶属材料加工工程二级学科）、材料物理（隶属材料物理与化学二级学科）、材料科学与工程（中外合作办学） 5个本科生专业，属于材料科学与工程一级学科的材料工程及分别属于相应二级学科的材料学、材料加工工程、材 料物理与化学4个硕士和博士研究生专业以及材料科学与工程博士后流动站。现有在校学生3294人，其中本科生 1603人，硕士研究生1255人，博士研究生436人。
办学历史
1950年，东北工学院物理冶金专业及金属压力加工专业创建，这两个专业分别是材料科学与工程专业及材料 成型及控制工程专业的前身 。
1958年，材料物理专业创办 。 2012年，功能材料专业创办 。 1996年10月，由东北大学原钢铁冶金系、有色金属冶金系、材料科学与工程系、热能工程系、金属压力加工 系合并组建东北大学材料与冶金学院。 2015年12月15日，东北大学材料与冶金学院拆分为东北大学冶金学院级东北大学材料科学与工程学院 。
截至2017年3月，学院拥有国家级特色专业2个，省级精品课程2门 。 国家级特色专业：材料科学与工程专业、材料成型及控制工程专业 省级精品课程：材料成形金属学、材料的力学性能 表格数据截至2017年3月 （表格资料来源： ）
文化传统
院训：厚德为料，铸智成材
院风：求真拓新，明辨笃行
学院院徽：
院徽设计创意：1、整体颜色用冷色调，显示科学与技术研究的谨性；2、中间四面体设计，一方面表达新材 料的研发是从成分-结构-工艺-性能四个方面开展，也是材料发展的核心，其中顶点是性能（或功能 performance），是最终最为重要部分；另一方面也表示晶体结构，这是材料科学研究的核心内容之一：MSE是材 料科学与工程的缩写；3、中间的齿轮代表工程，也凸显出路甬祥院士对材料未来发展提出的“料成材，材成器” 理念。也意味着材料必要走向实用化，才能显示出新材料的意义。这也与东北大学王国栋院士提出的材料发展思 路一致；4、外圈中东北大学英文表达国际化，汉字“东北大学”用张学良先生的题字表达对学校历史的传承 。 学院院徽
第5章 凝固-材料科学基础东北大学
粗糙型
2 晶体的生长形态与生长速率 1）粗糙界面----连续生长（continuous growth, ） ● 以垂直长大方式生长，即整个界面沿法线方向向液相移动， 液固界面平行推进
●
动态过冷度小（0.01-0.05℃），长大速度快， 生长速率：vg = u1ΔTk 在正温度梯度下，结晶潜热通过固体散去， 液固界面宏观上平整，微观粗糙 在负温度梯度下，结晶潜热可以通过固体和液体散去， 在一定过冷度下，可能出现树枝晶生长。
界面温度 Ti 低于 Tm 时，即 ΔTk = Tm―Ti时， 产生晶粒长大。 ** 长大液需要过冷，但长大所需过冷度小于形核时的过冷度
ΔTk Ti
●
长大方式
平滑型
液固界面的微观结构 1) 光滑界面： 微观上：固相界面上的原 子排列成平整的原子平面， 即晶体学的某一定晶面 宏观上不平整 2) 粗糙界面： 微观上：固相界面上的原子 排列粗糙不平，不显示晶体学的 任何晶面特征 宏观上：平整
vg = u2 exp（-b/ΔTk）
(2) 借螺旋型位错生长方式 (growth by screw dislocation)
● 长大速度比二维晶核机制快，
比粗糙界面慢
vg = u3ΔTk2
●
借螺旋型位错生长、二维形核、 连续生长与过冷度的关系
§6.6 凝固组织及其控制 1 晶粒尺寸的控制 晶粒数目Z、形核率N、长大速率G之间的关系
●
●
●
一般，冷却过程中，液体 有几度甚至几十度的过冷， 树枝晶是常见的生长方式
2）平滑型界面 (1)二维晶核机制(two-dimensional nucleation) ● 二维形核、台阶生长；即在平整界面上 形成二维晶核，随后在二维晶核侧面台 阶处不断扩展而生长 ● 动态过冷度大(约 1~2℃)， 生长速度比粗糙型界面缓慢
东北大学材料工程研究生培养方案
附件11专业学位硕士研究生培养方案材料工程（085204）一、专业领域简介与研究方向(一)专业领域简介东北大学材料工程是国家首批试点招收与培养工程硕士的领域之一，也是首批设立培养全日制专业硕士学位研究生的领域之一。
与本领域相对应的材料科学与工程学科是我国冶金与材料领域最早建立的学科之一，涵盖材料物理与化学、材料学、材料加工工程3个二级学科，具有学科齐全、理工结合等特点。
本学科1962年起开始培养研究生，1981年具有首批硕士、博士学位授权点，1998年被批准为博士学位授权一级学科，2007年被评为一级学科国家重点学科，并于同年设立博士后流动站。
依托本学科，建有“轧制技术及连轧自动化国家重点实验室”、“材料电磁过程研究教育部重点实验室”、“材料各向异性与织构教育部重点实验室”和发改委与地方共建的“材料电磁冶金国家工程实验室”、“金属材料微结构设计与控制辽宁省重点实验室”、“教育部新材料与功能材料网上合作研究中心”、“新材料技术辽宁省高校重点实验室”和“辽宁省金属防护专业技术服务中心”等科研教学基地。
本学科以金属材料和无机非金属材料为重点，以功能材料为发展前沿，以金属材料升级换代和新材料研制为使命，围绕工艺绿色化、装备智能化和产品高质化开展基础研究、应用基础研究及关键共性技术研究，在行业关键共性技术和高端金属材料产品两方面实现突破，为材料的研制、生产和应用提供原创性理论和关键技术。
学科立足国际前沿，致力于建设高层次复合型人才培养、科研与成果转化和学术交流的国际一流基地，使学科成为推动材料发展、促进材料技术进步和服务经济社会及国防建设的典范。
(二)研究方向：1.材料设计、模拟与仿真2.低维材料的制备、结构与性能3.材料微结构与性能的调控4.新型功能材料的制备、结构与性能5.高性能陶瓷及粉末冶金材料6.材料表面技术7.材料电磁过程研究8.材料塑性成形理论与工艺9.材料成形过程智能控制10.金属材料成形与热处理装备智能化11.金属材料短流程工艺与理论12.材料腐蚀与防护二、培养目标材料工程领域培养热爱祖国，拥护中国共产党的领导和社会主义制度，遵纪守法，品学兼优, 具有良好的科研道德和敬业精神，能服务国家、服务人民的高层次应用型专门人才。
东北大学材料学科介绍
东北大学材料学科介绍－材料先进制备与处理技术研究领域一、研究领域简介先进材料制备与处理技术本领域主要从事激光应用技术、材料电磁场制备技术、表面防护技术、焊接与热处理技术及装备的研究与开发。
迄今已经形成了一个多学科交叉的研究领域。
近年来承担国家973计划、863计划、国家自然科学基金等各级各类科研项目15项，总经费400万元；公开发表学术论文200余篇，其中被SCI、EI、ISTP收录近百篇次，出版专著及教材4部；获科技成果奖励15项，其中省部级科技进步一等奖3项、二等奖5项、三等奖2项；本研究领域现有材料表面技术、热处理及焊接技术、和特殊外场处理技术三个研究方向。
二、学术带头人简介刘常升，1963年1月出生，博士，教授，博士生导师。
现任东北大学材料与冶金学院院长。
兼任中国材料研究学会青委会理事、辽宁省机械工程学会理事和材料工程学会理事长，教育部材料先进制备技术工程中心副主任。
1999年获国务院颁发的政府特殊津贴奖励。
2000年获第二届“辽宁省青年科技奖”二等奖奖励。
2000年入选教育部高校中青年骨干教师资助计划。
2001年入选教育部“跨世纪优秀人才培养计划”。
2003年当选沈阳市十大杰出青年。
1995年获得辽宁省科技进步奖一等奖，2001年获得中国冶金科学技术奖二等奖和辽宁省科学技术奖（自然科学）三等奖。
出版《激光表面改性与纳米材料制备》专著，申报国家发明专利1项，发表学术论文120篇。
赵骧，1956年生，工学博士，教授，博士生导师。
1982年7月毕业于东北工学院（现东北大学）金属材料专业；1987年获硕士学位后留校任教；1990年赴日本东京大学工学部金属材料系留学；1993年获博士学位；1995年至1998年在日本东北大学工学部材料晶界设计讲座任教；回国后在东北大学材料与冶金学院材料研究所任教。
1999年至今多次以客座教授身份赴法国Metz大学进行科研合作。
1994年和2002年分别被评为东北大学优秀共产党员和先进教育工作者。
材料科学基础课程教学大纲
材料科学基础课程教学大纲
一、课程背景与目标
材料科学基础课程是材料科学与工程专业的一门基础性课程，旨在培养学生对材料科学基本理论和基本知识的理解和掌握，为其后续的专业学习和科研工作打下坚实的基础。
本课程通过系统地讲授材料结构、性能与应用等方面的基础知识，旨在培养学生的科学思维、分析问题和解决问题的能力。
二、教学内容
1. 材料科学基础
1.1 材料科学的发展历程
1.2 材料科学的研究方法与手段
1.3 材料科学的基本概念和专业术语
2. 材料结构与性能
2.1 材料的晶体结构与非晶体结构
2.2 材料的晶体缺陷与非晶缺陷
2.3 材料的晶体结构与性能关系
2.4 材料的物理性质与化学性质
2.5 材料的机械性能与材料强度
3. 材料制备与加工
3.1 金属材料的制备与加工
3.2 陶瓷材料的制备与加工
3.3 高分子材料的制备与加工
3.4 复合材料的制备与加工
3.5 材料制备与加工中的工艺控制与监测
4. 材料性能测试与分析
4.1 材料性能测试的基本原理与方法4.2 材料力学性能测试与分析
4.3 材料热学性能测试与分析
4.4 材料电学性能测试与分析。
东北大学材料科学基础晶体结构f12-new
配位数 CN=8
致密度
致密度(原子堆垛因子)
APF nv
2 4 r3
3
68%
V (4r / 3)3
原子线密度/面密度
LD[100]
2r 4r /
3
0.866
BCC
最密排面{110} 最密排方向<111>
PD(110)
2r2 0.833
2(4r / 3)2
密排六方（Hexagonal Close-Packed, HCP）
APF nv 74% V
HCP
最密排面 {0001} 最密排方向 <1120>
BCC、FCC和HCP结构的点阵常数、配位数及致密度
Structure
a vs. r
Atoms Coordination Packing per cell Number factor
Examples
BCC a 4 r
plane indices
BCC
FCC
atomic arrangement
planar density
atomic arrangement
planar density
r 2
{100}
a
a2
a
a a
2r 2
a2
{110} {111}
a 2a
2a
2a
2a
2r 2
2a2
1 r 2
2 3 a2 2
a
2a
2a
2
3
Fe, Ti, W, Mo, Nb,
8
0.68
Ta, K, Na, V, Zr, Cr
FCC a 4 r
4
2
东北大学专业课参考书目
《基础工业工程》
易树平郭伏
机械工业出版社
2007年
851
物流工程与管理
《物流管理新论》
戢守峰
科学出版社
2005年
852
电子技术基础
《电路与电子学》
王文辉
电子工业出版社
2005年
《数字逻辑与数字系统》
王永军
电子工业出版社
2005年
853
C语言程序设计与数据结构
《标准C语言程序设计》
金名等译
《法理学》
张文显
高等教育出版社
最新版
614
国际政治
《国际政治学概论》
陈岳
中国人民大学出版社
最新版
615
马克思主义基本原理
《马克思主义基本原理概论》
本书编写组
高等教育出版社
最新版
616
科学技术概论
《科学技术发展概论》
李兆友
东北大学出版社
2006年
617
管理学基础
《现代管理学原理》
娄成武
中国人民大学出版社
2007年
813
代数基础
《高等代数》（1-9章）
北京大学数学系
高等教育出版社
2003年
《近世代数》（1-2章）
杨子胥
高等教育出版社
2003年
814
物理化学
《物理化学》
傅献彩
高等教育出版社
2005年
815
线性代数与空间解析几何
《线性代数与空间解析几何》
邢伟
高等教育出版社
2005年
816
材料力学
《材料力学》
东北大学2012年硕士研究生招生参考书目
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第一章晶体结构
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解（失稳分解）：处于热力学不稳定的固溶体自发地分解为两个结构与母相相同，成分不同的不均匀新相的过程。
5、贝茵畸变:通过沿晶轴膨胀、收缩的方法将一种晶体转变为另一种晶格的简单均匀畸变。
6、形变记忆效应：将一种具有热弹性转变的合金在M s点以下拉伸变形，卸载后应变并没有完全恢复，但如果将试样加热到奥氏体相区后，应变得到恢复，试样又回到原来的形状，合金的这种特性被称为形变记忆效应。
7、马氏体：C溶于a-Fe形成的过饱和固溶体，呈体心正方点阵。
第十部分其他
第一目
1、化学键：组成物质整体的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力。
2、共价键：原子互相接近时，借共享电子对所产生的力结合.
3、离子键：两种离子靠静电引力结合.
4、金属键：金属正离子与自由电子之间静电作用产生的键合力。
5、范德华键：分子间，以微弱静电子相吸引，使之结合在一起。
6、布里渊区：能量不连续的点把k空间(一维就是k轴)分成许多区域，这些区域称为布里渊区。
第二目
7、晶界能：不论是小角度晶界或大角度晶界，这里的原子或多或少地偏离了平衡
位置，所以相对于晶体内部，晶界处于较高的能量状态，高出的那
部分能量称为晶界能，或称晶界自由能。
8、表面能：表面原子处于不均匀的力场之中，所以其能量大大升高，高出的能量
称为表面自由能（或表面能）。
9、界面能：界面上的原子处在断键状态，具有超额能量。
平均在界面单位面积上
的超额能量叫界面能。
10、内吸附：由于界面能的存在，当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这
些原子将向晶界偏聚，这种象现叫内吸附。
第三目
11、长大线速度：单位时间内晶核生长的线长度叫作长大线速度G。
12、能量起伏：是指系统中各微小体积所具有的能量短暂偏离其平均能量的现象。
13、光滑界面：指在界面处固液两相是截然分开的，固相表面为基本完整的原子
密排面，所以从微观上看界面是光滑的。
14、粗糙界面：指在微固观上高低不平，存在厚度为几个原子间距的过渡层的液
固界面，这种界面在微观上是粗糙的。
15、非晶态金属：在特殊的冷却条件下，金属可能不经过结晶过程而凝固成保留
液态短程有序结构的金属
16、晶界偏析：第一种情况，两晶粒并行生长，因表面张力平衡要求，在晶界与
熔体交界处出现凹槽可深达10（-3）cm，此处可深达有利于溶质富
集，凝固后形成晶界偏析。
另一种，两晶粒彼此对面生长，晶界彼
此相迂，晶界间富集大量溶质，造成晶界偏析
17、胞状偏析：当成分过冷小的时候，固溶体呈胞状方式生长。
对K。
<1的合金，
溶质富集于胞壁，对于K。
>1的合金则溶质富集于胞中心。
这种成
分不均匀现象称为胞状偏析
第四目
18、相图：就是表示物质的状态和温度、压力、成分之间的关系的简明图解。
19、组织：是指用肉眼或借助放大镜、显微镜观察到的材料微观形貌图像。
它包
括相的种类、数量、尺寸、分布及聚集状态等信息
20、组织组成体：组织中具有一定组织特征的组成体称为组织组成体。
21、相律：是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关
系式。
22、匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程被称为匀晶转变。
23、正常凝固：实际凝固过程中，固相中扩散几乎不能进行而液相中溶质可以通
过扩散、对流、搅拌，有不同程度的混合。
这种凝固过程叫作正常
凝固
24、共晶转变：液相在恒温下同时结晶出两个固相的转变称为共晶转变
25、不平衡共晶体：合金在不平衡凝固时：由于固相线偏离平衡位置，不但冷到
固相在线凝固不能结束，甚至冷到共晶温度以下，还有少量液相残
留，最后这些液相转变为共晶体，形成所谓不平衡共晶组织
26、包晶转变：一个液相与一个固相在恒温下生成另一个固相的转变被称为包晶
转变。
27、熔晶转变：一个固相在恒温下转变为一个液相和另一个固相的转变称为熔晶
转变
28、偏晶转变：一个液相分解为一个固相和另一成分的液相的转变
29、共析转变：一定成分的固相在恒温下生成另外两个一定成分的固相的转变叫
共析转变。
30、包析转变：两个一定成分的固相，在恒温下，转变为一个新的固相的转变叫
作包析转变
31、伪共晶：在非平衡凝固条件下，成分接近共晶成分的亚共晶或过共晶合金，
凝固后的组织却可以全部是共晶体。
这种非共晶合金得到完全的共
晶组织称为伪共晶。
32、伪共析转变：非平衡转变过程中，处在共析成分点附近的亚共析、过共析合
金，转变终了组织全部呈共析组织形态。
33、奥氏体：C溶解在γ－Fe中的固溶体。
34、莱氏体：铁碳相图共晶转变的产物，是共晶奥氏体和共晶渗碳体的机械混合
物。
35、变态莱氏体：共晶白口铸铁的室温组织，珠光体与渗碳体的机械混合物
第五目
36、重心定律：处于三相平衡的合金，其成分点必位于共轭三角形的重心位置。
37、投影图：有两种，一种是把空间相图中所有相区间的交线都投影到浓度三角
形中，借助对立体图空间构造的了解，可以用投影图来分析合金的
冷却和加热过程，另一种是等温线投影图。
38、等温线投影图：把一系列水平截面中的相界线投影到浓度三角形中，在每一
条在线注明相应的温度，这样的投影图叫等温线投影图
39、四相平衡共晶转变：是指由一个液相在恒温下转变为三个固相的转变
40、四相平衡包共晶转变：是指一个液相和一个固相在恒温下转变为两个固相的
转变
41、四相转变包晶转变：是指一个液相与两个固相在恒温下生成另一个固相的转
变
第六目
42、滑移：切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面(滑移面)
和一定的晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子
排列规律性的塑性变形方式。
43、孪生：切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面(孪晶面)
和一定的晶向（孪生方向）产生均匀切变，变形后晶体的变形部分
与未变形部分以孪晶面为分界面构成了镜面对称的位向关系。
44、脆性断裂：裂前无明显变形的断裂
45、韧性断裂：裂前有明显塑变的断裂
46、断裂韧性：指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆
性破坏的韧性参数。
第七目
47、间隙扩散：这是原子扩散的一种机制，对于间隙原子来说，由于其尺寸较小，
处于晶格间隙中，在扩散时，间隙原子从一个间隙位置跳到相邻的
另一个间隙位置，形成原子的移动。
（编辑：范全保—贵州师范大学07级金属材料工程，2010年12月13日星期一）。