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。
(NEW)东北大学材料与冶金学院《829材料科学基础》历年考研真题汇编
目 录2015年东北大学829材料科学基础考研真题（回忆版）2014年东北大学829材料科学基础考研真题2013年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2012年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2009年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2008年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2007年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2006年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2005年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2004年东北大学429材料科学基础（A卷）考研真题2003年东北大学材料科学基础考研真题2002年东北大学427材料科学基础考研真题2001年东北大学424材料科学基础考研真题2015年东北大学829材料科学基础考研真题（回忆版）一、名词解释1．裂纹偏转增韧2．硬取向3．晶带定律4．蠕变5．反应扩散二、简述热力学条件和动力学条件在材料结构转变的作用、影响，举两个实际生活中利用热力学条件和动力学条件进行相关制备材料的例子。
三、金属在冷变形核和退火过程中的缺陷如何变化及相关变化的驱动力。
四、分别写出纯金属、铝铜合金、三氧化二铝金属基复合材料可以采用的强化措施。
五、写出块型转变、马氏体转变、脱溶分解的界面微观特征。
六、（1）K0＞1时滑出下面三种凝固后固体棒溶质浓度分布图。
（a）固相不能充分扩散，液相可以充分对流。
（b）固相不能充分扩散，液相仅有对流。
（c）固相不能充分扩散，液相对流不充分。
（2）考察一个成分过冷的计算题。
七、分别告诉了A、B组元的扩散常数和扩散激活能（具体数值不记得），由A、B组成扩散偶，问扩散界面会向哪一方移动以及空位会在哪里聚集。
八、三元共晶液相投影图相图的计算（1）说明一标定成分点的娥组织转变工程。
（2）画液相相图过三角形顶点引的一条直线的垂直截面图。
2014年东北大学829材料科学基础考研真题。
东北大学材料科学与工程学院
现பைடு நூலகம்领导
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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
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。
2014_东北大学材料科学基础考研真题
东北大学2014年研究生入学考试试题考试科目：材料科学基础（829）一、解释名词（20′）1、小角度晶界2、不全位错3、变形织构4、熟化5、不连续脱溶二、对于面心立方单晶体中b=a[101]∕2。
位错线方向为[¯1¯21]的刃位错。
试计算当沿[110]方向施家100MPa拉力时，单位长度位错线沿滑移和攀移方向所受的力，已知a=0.40nm。
三、（1）分析成分为5.6%Cu和5.7%Cu的合金在平衡结晶和快速冷却非平衡结晶时的室温组织特点。
（2）设x合金平衡凝固完毕的组织为α初晶+（Α+θ）共晶，其中α初晶占60% ，则合金中刚凝固完毕的θ相的含量是多少？（3）绘出温度T=560℃时各相自由能-成分曲线示意图（4）指出此二元系中比较适合作变形合金和铸造合金的成分范围。
（5）成分为4%的Cu的合金经80%冷变形后，分别在550℃和250℃退火1小时，试分析其组织有何不同。
四、材料结合键的类型有哪些？结合键的类型和结合键的大小对材料的力学性能有何影响？五、一台蒸汽涡轮机的低压转子是用Cr-Mo-V合金钢材料制成的，工作温度是565℃，转速为3400转/分钟，在运行106000小时之后发生断裂，请分析其失效的可能原因是什么？六、T温度下A-B二元合金系α相和γ相的摩尔吉布斯自由能Gm-成分曲线如图所示，由合金Ⅰ和合金Ⅱ组成的扩散偶在此温度下扩散。
分析原子扩散方向，如果合金Ⅰ和合金Ⅱ的混合成分为X分析通过扩散达到平衡后，系统的摩尔吉B,布斯自由能Gm的变化，并画出示意图。
七、Mg-Sn-Zn系液相面投影图（1）写出图中A、B、C、D处四相平衡反应类型及反应式。
（2）确定P点合金成分及初晶相，并估算其结晶温度。
（3）假设Sn基固溶体bct(Sn)对其他组员的固溶度可忽略，分析Q点成分的平衡凝固过程及组织变化。
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(哈工大版)课件
dislocations climbing and gliding：位错攀移和滑移
⑴相变机制： 固态相变：过饱和固溶体 蠕变：位错 层错 滑移 攀移
⑵晶体学基础： 结构：单晶体 多晶体 原子排列：体心立方 面心立方 密排六方 晶体表征：晶面指数 晶向指数
内容及要求：懂－会－熟（练习）
本章内容
1. 化学键
№1
练习1－2答案
∞、∞、∞、1 №2
（1121） 1、1、－1/2、1
晶帶：相交或平行于某直线的所有晶面
直线：晶带轴 晶帶定理： hu + kv+ lw = 0
晶面间距
面间距的应用－物相鉴定
α ˊ (110)
In ten sity
1000
850(℃ )
800
600
400
200
0
20
Materials Science and Engineering A 454–455 (2007) 461–466
Fig. 5. Dislocation structure of a precompression treatment specimens during creep at 800 ◦C and 600MPa: (a) t = 0, (b) t=10h, (c) t = 50 h and (d) after fail at t = 287 h.
材料科学基础
第一章 材料的结构
前言
材料热处理学报，29（1），99－101， 2008
304 奥氏体不锈钢热诱发马氏体相变研究
杨卓越、王 建、陈嘉砚
摘 要: 借助X射线衍射技术,研究了304 奥氏体不锈钢热诱发 马氏体相变倾向。结果表明:C、Mn、Cr 和Ni接近标准规范下 限,304 不锈钢的稳定性急剧下降,致使液氮内冷却后的奥氏体 转变为α′或ε马氏体,室温拉伸即形成应变诱发ε和α′马氏体,而且 较小的室温变形显著增大随后液氮内冷却的热诱发α′马氏体相 变倾向,但随室温预应变增大快速形成应变诱发α′马氏体,致使 随后在液氮内发生热诱发α′马氏体倾向下降。此外,研究表明ε 马氏体的形成及消失与α′马氏体的累积量有关。
(NEW)东北大学材料与冶金学院《829材料科学基础》历年考研真题汇编
目 录2015年东北大学829材料科学基础考研真题（回忆版）2014年东北大学829材料科学基础考研真题2013年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2012年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2009年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2008年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2007年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2006年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2005年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2004年东北大学429材料科学基础（A卷）考研真题2003年东北大学材料科学基础考研真题2002年东北大学427材料科学基础考研真题2001年东北大学424材料科学基础考研真题2015年东北大学829材料科学基础考研真题（回忆版）一、名词解释1．裂纹偏转增韧2．硬取向3．晶带定律4．蠕变5．反应扩散二、简述热力学条件和动力学条件在材料结构转变的作用、影响，举两个实际生活中利用热力学条件和动力学条件进行相关制备材料的例子。
三、金属在冷变形核和退火过程中的缺陷如何变化及相关变化的驱动力。
四、分别写出纯金属、铝铜合金、三氧化二铝金属基复合材料可以采用的强化措施。
五、写出块型转变、马氏体转变、脱溶分解的界面微观特征。
六、（1）K0＞1时滑出下面三种凝固后固体棒溶质浓度分布图。
（a）固相不能充分扩散，液相可以充分对流。
（b）固相不能充分扩散，液相仅有对流。
（c）固相不能充分扩散，液相对流不充分。
（2）考察一个成分过冷的计算题。
七、分别告诉了A、B组元的扩散常数和扩散激活能（具体数值不记得），由A、B组成扩散偶，问扩散界面会向哪一方移动以及空位会在哪里聚集。
八、三元共晶液相投影图相图的计算（1）说明一标定成分点的娥组织转变工程。
（2）画液相相图过三角形顶点引的一条直线的垂直截面图。
2014年东北大学829材料科学基础考研真题2013年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）2012年东北大学材料科学基础考研真题（回忆版）一、名词解释（25分）1．点群2．二次再结晶3．超塑性4．相5．扩散激活能二、1．写出（111）晶面所有的滑移系，并在晶胞中画出。
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dC dr
D(2 lt )
dC dInr
r
式中l，t为已知值，q可以通过测定由炉内流出 的脱碳气体中碳的增量求得，故只要测出沿圆 柱体横截面不同r处的碳浓度，做出C-Inr曲线便 可求得扩散系数D。
如果扩散系数不随浓度变化，C与lnr的关系是 线性的；如果扩散系数随浓度变化，C与lnr的 关系不是线性的。
将此扩散偶加热至足够高的温度保温，溶质原子在 浓度梯度的作用下将进行扩散。
由于合金棒很长，且固态下原子扩散很慢，因此在扩散 过程中棒两端的浓度不受影响而保持恒定
确定其初始条件和边界条件为：
初始条件：
t=0, x<0, C=C2
x>0, C=C1
边界条件：
t0, x=-∞，C=C2
10.1.2 菲克第二扩散定律及应用
在菲克第一扩散定律的基础上利用扩散物质质量平衡原理
定律表达式
C (D C ) t x x
(10-8)
当D为常数时
三维情况下
C D 2C
t
x 2
(10-9)
C C C C
t
x (Dx
x ) y (Dy
10.1.1 菲克第一扩散定律及应用
菲克第一定律：在单位时间内通过垂直于扩散方向单 位截面积的物质流量（称为扩散通量）与该截面处的 浓度梯度成正比
J D C x
(10-1)
各点浓度不随时间变化的一维稳态扩散时
J D dC dx
(10-2)
J D C x
各参量意义：
=J1A 单位时间内扩散物质流出体积元的质量(或原子数）
=J2A 单位时间内扩散物质在体积元内积存的质量（或原
子数）=J1A-J2A 由于体积元很小，所以
J2A
J1A
(JA) x
dx
J1A
J x
Adx
J1A
J2A
J x
Adx
(10-5)
从另一角度看，单位时间内体积元中扩散物质的 积存量又可用浓度随时间的变化来描述，即
y ) z (Dz
) z
(10-10)
定律表达式的推导
在一沿x方向扩散的 系统中考虑一个横截 面积为A，厚度为dx 的微小体积元。体积 元两端浓度，和流入 流出的扩散通量如右 图所示。
C
0
x1
x2
J J1
J2
(a) x
(b)
0
J1 A J2 dx
x (c)
单位时间内扩散物质流入体积元的质量(或原子数）
(C A dx) C Adx
t
t
(10-6)
由(10-5)和(10-6)得到
C J
t
x(10-7)来自C J (D C ) (10-8) t x x x
10.1.2.1 无限长物体中的扩散
设A、B分别表示两根很长、且截面相同的均匀固溶 体合金棒。A浓度为C1，B的浓度为C2 ，且C2 〉 C1 。 将A、B两合金棒对焊在一起制成扩散偶，并使焊合 面垂直于x轴（棒的轴线），其所在位置取为坐标原 点（x=0）。
0
2
B
C1
Ae 2 d B A
0
B
2
上式利用了高斯误差积分
e2 d
0
2
由上可解A与B
A C1 C2 , B C1 C2
2
将A与B代入式(10-14)得
C C1 C2 C1 C2 2 e 2 d (10-15)
2C x2
x
( dC
d
)
x
1 4Dt
d 2C
d2
将式(10-11)与(10-12)代入式(10-9)
2t
dC
d
D
1 4Dt
d 2C
d2
d 2C 2 dC
d 2
d
(10-11) (10-12)
(10-13)
令P=dC/dβ，则有dP/P=-2 βd β，积分得
10.1 稳态扩散和非稳态扩散的经典理论
固态材料中的扩散虽然比气体和液体中的慢，但 也控制着固态材料中的一些重要物理化学过程。
合金成分均匀化、钢的化学热处理、金属的扩散 焊接等与扩散有关
从浓度变化角度来定义固体中的扩散： 稳态扩散—扩散过程中各点的浓度不随时间改变 非稳态扩散—扩散过程中各点的浓度随时间变化
扩散第一定律的应用
将一个由纯铁制成的空心圆柱体置于炉子的恒 温区进行加热保温，并在圆柱体内通入渗碳气 体，圆柱体外通脱碳气体，这样碳原子就会从 圆柱体内壁渗入而从圆柱体外表面逸出。
经过一定时间后，这种碳原子的扩散将达到稳 定状态，即沿圆柱体横截面从内到外各点的浓 度值不再随时间变化，此时，单位时间内扩散 通过圆柱体壁的碳量q/t为一恒定值。
x= ∞, C=C1
采用变量代换的方法及上述边界条件(或初始条件) 对扩散方程进行求解，确定C(x,t)的表达式。
为了将C=C(x,t)转化为C=C(β)的单变量关系，从 而将偏微分方程转化为常微分方程，首先令
x
2 Dt
根据上述变量代换，得到
C dC dC t d t 2t d
J：扩散通量，单位kg/(s·m2 )或原子数/s·m2
D：扩散系数，m2/s，它的物理意义，在数值上 等于əC/əx =1时的扩散通量。
C：扩散组元的体积浓度，单位kg/m3或体积原子 数m-3
əC/əx（dC/dt）：扩散组元浓度沿X方向的变化 率--浓度梯度
负号：扩散方向与梯度方向相反，扩散由高浓度 区向低浓度区进行。
若圆柱体的长度为l，则碳原子经过圆柱体半径 为r处由内向外的扩散通量为
J q 1 q
t 2rl 2rlt
(10-3)
由式(10-2)与式(10-3)得
D dC q
dr 2 rlt
q
D(2 lt)
dC dr
D(2 lt)
dC dInr
r
(10-4)
q
D(2 lt )
P dC Ae 2
d dC Ae 2 d
再积分得
C Ae2 d B 0
(10-14)
根据边界条件
x ,
2
x Dt
, C C2
可以得到
x ,
2
x Dt
, C C1
C2
Ae 2 d B A